基于EEA山區橋梁架梁方案優化研究

（1.河北秦皇島交通投資集團有限公司，河北 秦皇島 066000；2.長城汽車天津哈弗分公司，天津 300401；3.河北工業大學土木與交通學院，天津 300401）

中國山區占全國國土總面積的69.1%，隨著高速公路工程項目的增加，高速公路向山區延伸。據統計目前高速公路的橋隧比越來越大，有的高達70%[1]。山區架梁施工由于地形復雜，成本高，據文獻顯示，李坤開展架運梁分離式架梁機型并對其進行了理論分析與仿真計算[2]，賀國京等研究了山區大長縱坡下架梁運梁的施工特點并提出墩梁固結的設計[3]，向綠林對預制梁板運輸與架設施工進行了安全評估理論研究，并利用有限元對裸梁運梁進行力學分析[4]，唐小富結合有限元分析，對上坡米一號大橋的施工方案從適用性、安全性、經濟性及工期等方面進行比選[5]，對山區橋梁架梁方案優化的研究能夠減少架梁成本，提升施工效率，具有重要的現實意義。

1 橋梁架設擴展賬戶模型構建

1.1 擴展賬戶法的概念

擴展賬戶法（Extended Exergy Accounting,EEA）將熱力學中評價定義有效能的與經濟學結合，如果將所有的產品的原料都擁有一個成本，而不是貨幣價值，那么產品也將會擁有“成本”[6]，可以被定義為一個系統內所做的有用功，擴展賬戶法已應用在了廢物回收利用研究[7]和水泥制造業的能耗空間差異[8]等研究中。在橋梁施工成本評價中，不僅資金成本，能源、物質、勞動力和環境成本都是施工成本的主要評價要素，由于各指標不容易進行統一評價，EEA方法在這幾種要素綜合評價中有著較強的適用性，將EEA方法應用于評價土木工程項目的研究具有重要的現實意義。

1.2 擴展賬戶模型的構成

擴展賬戶是累積 （CExC）與擴展（EEXT）之和，擴展成本作為一個更加合理、全面的系統資源消耗評價函數，可以取代經濟成本函數。其成本構成模型如圖1所示：

模型函數為：

圖1 擴展賬戶成本構成模型

各構成部分的模型函數為：

式中：

W為工程中所用機械的功率kW；

θ為本項目的勞動力人數占全國總人數的比例；

α為由社會吸收并轉化為勞動力的占總輸入Ein的比例；

γ為在一個項目所耗費的資金和社會貨幣總流通量的比值；

β為一個社會除了工資以外的產生貨幣流通的能力；

Eex為施工過程中的碳排放量，kJ；

Ede為施工過程對環境破壞而導致環境對碳的處理能力下降的量，kJ。

通常，橋梁的系統生命周期主要分為三個階段：施工 (construction)，運營 (operation)和退役（decommissioning），全生命周期的擴展賬戶函數以時間為自變量，擴展值為自變量，以系統消耗為負值，產出為正值，函數示意圖如圖2所示：

各個時期的擴展模型便可以在其相應的時間域內進行計算，例如：

2 方案定性對比分析

某大橋位于承德市隆化縣張承高速，跨越山間溝谷，路線與溝底最大高差53m。共預制40mT梁192片，大橋兩端分別與隧道、高填方路基相連接，橋梁兩側沒有修建制（存）梁場的條件，制（存）梁場設置在橋下山間溝谷中，預制梁需要運至與溝底垂直距離53m的橋面進行架設，施工難度較大。

2.1 施工工序對比

施工步驟如圖3、圖4所示。

圖2 擴展函數示意圖

圖3 原方案施工步驟

原方案施工步驟圖如圖3，原方案工序中包括修建便道、安裝架橋機、架梁三大步驟。原方案施工方法較為成熟，易于操作。優化方案有安裝龍門吊、架設跨中兩孔梁、安裝架橋機、向東架梁、移動架橋機、向西架梁六大步驟，如圖4。優化方案與原方案主要的區別為優化方案不需要新建便道，但是需要在蓋梁及橋面頂端安裝龍門吊，架梁期間架橋機進行一次大范圍移動，較原方案工序較多。龍門吊吊梁施工較為復雜，這種先架設中間兩跨梁，后向兩邊擴散架梁的施工順序在山區架梁中較為少見。從施工步驟上來看，優化方案更加復雜一些。

2.2 施工工期對比分析

根據各工序的工程量及施工特點，可以得出原方案與優化方案的工序，推算出所需工期，繪制出工期甘特圖，如圖5、圖6所示。

圖4 優化方案施工步驟

圖5 原方案工期甘特圖

圖6 優化方案工期甘特圖

圖5為原方案預期工期，從圖中可以看出原方案中，修建便道和架梁占用較多的時間，在總的101天的工期中，這兩步工程占了94天時間，為總工期的93%。

圖6為優化方案預期工期，優化方案雖然步驟較多，但是安裝龍門吊與移動架橋機所需要消耗的時間約為新建便道時間的57%，架梁施工的時間與原方案基本持平，總體工期較原方案縮短了15%。

總的來看，原方案由于施工技術成熟，在施工工序復雜程度與難度上優于優化方案，但優化方案在節約占地，縮短工期上有著較明顯的優勢，通過以上分析，還未能確定優化方案與原方案孰優孰劣，需要進行更加細致的定量分析。

3 擴展成本模型計算對比分析

3.1 物質和能量成本計算

在預制梁架設過程中，主要累積為各工序的機械消耗的燃油及電力所做的功，可以用各個機械的功率及做功時間來進行計算，則物質和能量火用成本為：

式中：Wi為某個工程步驟中所用機械的功率，kW。

由于整個工程需要考慮參數繁多，各步驟計算所需篇幅較多，在此僅針對優化方案中向東架梁和向西架梁給出算例，參數如表1，下同。

將表1中數據帶入公式（4）：

3.2 勞動力成本計算

假設社會的主要產品都融入勞動力，并且這個社會的所有成員都通過勞動得以生存。勞動力成本計算公式為：

式中：

表1 架梁參數

n為本項目的勞動力總人數；

D為項目持續天數；

Nh是全社會人口數量，可查得2014年末全國總人口為136 782萬人[10]；

esurv為每個人每天維持新陳代謝的最小量（約為1.05×107J/人×天）[11]；

f為消耗擴大指數，可以用人類發展指數（HDI）法來進行計算：

式中：HDI0為前工業社會的人類發展指數值，約為0.055，HDI選擇現在國內最新的統計數據，中國內地平均值為0.693。

將公式（6）、公式（7）帶入公式（5）中可以得出本架梁項目的勞動力成本為：

將表1中的數據代入公式（8）：

3.3 資金的火用成本計算

對于資金的消耗計算需要另一個基本假設，就是在一個社會中貨幣流通產生的量和轉化為勞動力的量是成比例的，即：

在公式（9）中，貨幣量的量EK和勞動力的量EL通過參數建立比例關系，一個社會的貨幣總流通量為M2，β即金融活動的貨幣流通量MF與總累計工資S的比值：

根據國家最新統計數據[12]，全國貨幣流通量為348 109.5億元，總工資為102 817.2億元，可以得出β=2.39。

γ表示在一個項目所耗費的資金MP和社會貨幣總流通量的比值：

將公式（10）、公式（11） 帶入公式（9），可以得出資金成本為：

將表1中的數據代入公式（12）：

3.4 環境火用成本計算

在橋梁架梁施工中，對環境的影響可以以碳排放量來衡量，主要包括兩方面，第一方面是施工過程中的碳排放量Eex，第二方面為施工過程對環境破壞而導致環境對碳的處理能力下降的量Ede，即：

可以將碳排放成本轉化為購買碳排放權的資金成本，則：

式中：δ為碳排放成本與總流動資金的比值，為：

將公式（12）、公式（15） 帶入公式（14） 可以得到環境成本為：

將表（1） 中數據代入公式（16）：

同理，對原方案與優化方案的各步驟進行計算，得到原方案CExC=233.7×106kJ、EL=146.7×106kJ、EK=8.2×106kJ、EO=0.037×106kJ，得到優化方案 CExC′=178.4×106kJ、

3.5 擴展成本對比

依據圖2及圖3的施工步驟及以上算例，將各參數代入山區架梁擴展賬戶模型中，計算出原方案與優化方案的總耗以及組成部分的各部分成本，包括物質和能量耗、勞動力耗、資金耗和環境耗，如圖7所示。

圖7 方案成本對比圖

由于優化方案所使用的龍門吊需要更多的指揮、操作人員，并且需要多一組運梁車班組，從勞動力消耗上高于原方案，可以從計算結果中得出勞動力消耗上優化方案高于原方案11.3%。但是優化方案相對于原方案能量消耗降低23.7%，在工期縮短15%的基礎上，將總耗降低了9.5%，并且減少了燃油的炮車運梁時間，將梁體提升的任務主要交給耗電的龍門吊，降低碳排放量70.2%。優化方案整體上優于原方案，具有良好的經濟社會效益。

4 結論

通過將EEA與橋梁工程結合，構建了橋梁工程EEA模型，從施工步驟、工期等方面定性對比了原架梁方案和優化架梁方案，在定性比對的情況下無法甄別其優劣。采用EEA模型從能源、勞動力、資金和環境四個方面以及整體的成本對比了優化方案與原方案的優劣。經過計算，可以得出在山區特殊的地形下，進行擴散式架梁要比傳統的架梁方案具有更高的經濟社會效益，體現了低碳環保的理念。

參考文獻：

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[2]李坤.TTSJ900隧內外通用架橋機的設計分析及研制[D].秦皇島：燕山大學（碩士學位論文），2014.

[3]杜海瑛.大縱坡架設40m T梁施工工藝研究[D].長春：吉林大學（碩士學位論文），2012.

[4]賀國京，向綠林.山區高速公路裸梁上運梁安全性分析及防護措施研究[J].中外公路，2015(4):119-122.

[5]唐小富.高墩連續剛構橋長邊跨現澆段施工方案比選[J].橋梁建設，2016,46(3):115-119.

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[10]Sciubba E.A revised calculation of the econometric factors α and β for the extended exergy accounting method[J].Ecological Modelling,2011,222:1060-1066.

[11]中華人民共和國國家統計局.中國統計年鑒[M].北京:中國統計出版社，2014.