全壽命設計在橋梁工程設計中的應用

■鄧佳琦 ■江西同濟設計集團股份有限公司，江西 南昌 330000

近些年來，隨著我國經濟水平不斷的提升，交通運輸得到了發展，在長期的運營使用過程中，傳統的橋梁在設計過程中未綜合考慮總體結構及主要設計構件的使用壽命，或未協調周圍的生態環境，導致存在一些影響橋梁正常使用的狀況，給后期運營管理造成了較大的社會負擔，這在一定程度上影響了橋梁工程設計的整體水平。目前全壽命設計理念針對這些問題都得到了良好的解決。

1 橋梁全壽命設計理念

全壽命設計理念在橋梁工程設計中作為最重要的一個環節，將使用階段和社會需要的內容轉化為橋梁結構體系的部分，建立成一個優化結構的整體方案，以實現一些現實需求。為確保橋梁設計壽命周期內良好的使用狀況，全壽命設計理念主要包括以下幾個內容:(1)橋梁總體結構及可更換構件設計使用壽命的確定;(2)整體性能設計。為滿足橋梁安全性能的需求，需要進行應力、強度、穩定性等結構安全設計，進行行車安全性能的分析和設計，以滿足人車針對出行安全問題的需要。風險分析和對策設計，使橋梁在遭受到一定概率的風險事件后，不造成較大性的經濟損傷和人員傷亡，明確工程保險的成本。(3)整體美觀設計。包括橋梁外觀造型設計和景觀設計，以滿足人們對橋梁美學和景觀欣賞的需要;(4)自然生態設計。包括環境保護設計、可回收與再利用設計;(5)施工全過程控制設計。保證良好的施工質量并真實的體現出設計圖紙的內容。(6)橋梁的管理系統、監控養護設計。包括橋梁工程在運營期間的監控、養護、維修、管理，使橋梁工程建設在使用全壽命期間內始終保持著良好的運營狀態狀況，滿足行車使用的功能需要;(7)全壽命周期成本的分析設計。這是進行橋梁全壽命設計中不可或缺的重要內容之一。要選擇最優秀的橋梁工程設計方案，必須進行全壽命周期內的詳細成本分析設計，對整個壽命周期內所發生的所有成本要進行造價比較，在統籌的考慮各方面需求的前提下，選擇全壽命周期內成本都比較低的設計方案。

2 橋梁全壽命設計主要內容

(1)可行性研究。可行性研究是橋梁工程建設項目的立項、決策的主要依據，是在進行項目影響區域內的社會經濟發展以及路網情況的調查研究、評價預測和必要性的建設條件勘察的基礎之上，對項目建設的必要性、技術可行性、工程規模的經濟合理性，并提出相關的研究報告。全壽命設計理念主要是體現在全壽命期間的經濟成本合理性和實施可行性兩個方面，階段主要是對橋梁工程建設項目的目標進行分析，對橋梁工程的使用功能和設計壽命進行研究調查，深入了解橋梁工程全壽命周期內環境條件的詳細情況，分析全壽命周期內環境對橋梁建設和運營期間內可能產生的影響，為確保橋梁設計壽命所必須進行初步的性能設計研究，明確運行階段管理和養護工作的成本估算。

(2)初步設計。初步設計階段目的是確定工程建設方案，控制全壽命成本的概算，該階段應深入研究自然環境條件，分析環境因素對橋梁結構的影響，橋梁工程全壽命的確定，編制全壽命周期的成本概算，進行推薦、比較方案技術比選。初步設計文件是采取材料機具訂購、安排科研項目研究、征地拆遷準備方案、編制施工圖設計文件、控制投資等的依據。

(3)施工圖設計。根據初步設計文件以及初步設計批復意見，進行施工圖階段的全壽命設計流程。深化建設條件以及環境條件的研究調查，進行詳細的地質情況勘察，深化性能、美學以及管理養護設施等設計，計算工程材料數量，明確施工及控制方案，編制管理養護及全壽命的預算。

3 橋梁全壽命設計計算方法

目前橋梁工程全壽命周期成本主要包括:①設計規劃成本;②建設和施工成本;③常規養護成本;④維修加固成本;⑤更換構件成本等。通過合理的方法滿足橋梁工程的設計、施工及運營要求，并且滿足全壽命期間內的維護和管理要求，所以，全壽命成本分析在橋梁的全壽命設計過程中極其重要。

全壽命成本分析主要利用經濟分析，對比重要的費用，從而顯示出分析結果，折現將來費用:Pw=Fc +;其中，Pw 代表現值，t 代表分析時間域，Fc 代表初始費用，Ic 代表檢測費用，Mc 代表維護費用，Frc 代表后續維修加固費用，Uc 代表用戶費用，Pwf 代表現值系數，S 代表殘值。

(1)初始費用:通常包括罰款以及獎金費用，交付使用前，對用戶的成本以及利益予以體現。

(2)分析生命周期:整體結構相似，僅需要一次修復便可，因此方案要控制實際的經濟效益。

(3)維護費用:確保橋梁結構正常使用的維護費用，該費用需要結合結構的面積差異而予以整合。

(4)檢測費用:受到橋梁結構材料以及結構面積的影響，檢測費用也不盡相同，常規橋梁檢測費用占到初始投資的0.1%-0.2%的比例。

(5)后續維修費用:一般而言，維修頻率不僅和時間有關，而且與橋梁的交通運輸量有關，并且受橋梁結構形式以及橋梁結構尺寸的限制，常規混凝土橋梁首次修復時間為完成橋梁建設的30a-50a 之間，且維修費用是建設初期費用的20%。

(6)殘值:通常在建設橋梁后的生命周期末尾存在，其中涵蓋拆除費用，大約占到建設初期費用的10%。

(7)用戶費用:橋梁大維修、日常維護、初期施工等產生的用戶費用，包括交通事故、車輛營運費、延誤費等。其中，延誤包括駕駛員不適、時間延誤以及燃料消耗。

駕駛員延誤費用計算:DDC=W × N × ADT(L/Sa-L/Sn);其中，L代表影響路段長度;Sa代表橋梁在維護過程中車輛速度;Sn代表正常車輛速度;ADT代表平均每天的車流量;N 代表進行維護的人員數;W 代表駕駛員駕駛的時間價值。

車輛營運費用計算:VOC=r ×N ×ADT×(L/Sa-L/Sn);其中，r 代表車輛費用平均值。

交通事故計算:AC=N ×ADT×L ×Ca(Aa-An);其中，Aa代表在維護過程中的事故發生率;An代表正常狀況下事故發生率;Ca代表事故費用。

4 總結

作為新型的橋梁設計理念，在整個全壽命周期內統籌考慮橋梁設計方案產生的各種成本。從設計、施工和運營期間的養護工作，直到橋梁工程的拆除和材料的可回收利用。以往的橋梁設計將重心關注在工程建設方面，首要目標是在開發和建設期間的成本最優化。為了可持續發展，需要把傳統的短期方法擴展到整個結構的使用壽命期，充分實現橋梁工程全壽命期間內安全性、經濟性的優化平衡。

［1］吳海軍，陳艾榮.壽命周期成本分析方法在橋梁工程中的應用［J］.公路，2004(12).

［2］葉文華.橋梁全壽命設計有關問題探討［J］.世界橋梁，2008(1).

［3］毛艷芳.淺談橋梁設計中的全壽命理念的應用［J］.科技信息，2011(17):347-414.