基于全壽命周期成本分析的橋梁設計方案比選

李鵬飛

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

橋梁全壽命周期成本是在橋梁從規劃、設計、施工、使用到最終拆除和更換的壽命期間發生的經濟成本、環境成本和社會成本[1-3]。

a)經濟成本 建設成本、使用成本（能耗成本、維護成本和管理成本）和用戶成本。其中用戶成本是指橋梁初期施工、運營后日常維護和大維修所導致的用戶費用，包括使用延誤費（時間延誤、燃料消耗、駕駛員不適等）、車輛繞行營運費、交通事故等。

b)環境成本 工程產品在全壽命周期內對于環境潛在的和顯在的不利的影響。

c)社會成本 工程產品在從項目構思、產品建成投入使用直至報廢全過程中對社會的影響。

我國現代化橋梁建設發展較晚，尚無法建立基于全壽命周期的普適性統計數據，因而本次全壽命周期成本分析（LCCA）部分數據參考了國外經驗，通過查閱相關資料文獻建立費用模型。

1 依托工程簡介

“G3511菏寶線臨猗黃河大橋及引線工程”位于國家高速公路網濟廣高速公路菏澤至寶雞聯絡線晉陜界，是山西省高速公路網規劃“三縱十二橫十二環”第十二橫聞喜東鎮至臨猗孫吉連接線的重要組成部分，同時也是山西南部西通陜西省渭南、西安兩市，達陜、甘、寧等地，東經聞喜至垣曲高速公路至河南省濟源市，抵豫、鄂、皖等地的重要運輸通道。全線按雙向四車道高速公路標準建設，設計速度100 km/h，全長20.914 km。其中臨猗黃河大橋全長5 427 m，大橋設計水位為357.400，300年一遇的洪水流量為31 800 m3/s，是跨越黃河小北干流禹門口至潼關河段的特大型橋梁。臨猗黃河大橋以近百米的高度穿越長達6 km的黃河河谷，同時克服軟弱地基、強風、強震、強沖刷及環保要求嚴等諸多不利影響。該橋具有高墩（最大墩高100 m），大跨（主跨128 m），長聯（最大聯長1 912 m），頂推距離長（單邊頂推長度1 912 m）等特點，在我國公路橋梁建設中占有重要地位。

根據初步設計文件及歷次召開的專家評審會，確定初步設計階段重點研究方案有兩個：主跨128 m等截面連續鋼箱梁方案和主跨168 m預應力混凝土連續剛構橋型，其中鋼箱組合梁橋型根據鋼箱梁鋼材種類分耐候鋼組合梁與橋梁用結構鋼組合梁（簡稱橋鋼組合梁）兩個方案進行對比。橋梁按照使用壽命周期為100年進行設計。

2 經濟成本數據的確定

2.1 建設成本費用

從初步設計概算中提取不同設計方案的相應建安費用作為經濟成本計算基數。這里分別選取方案一鋼箱組合梁橋型和混凝土連續剛構橋型進行LCCA分析。耐候鋼組合梁橋型的初設建安費用為230 790萬元，橋鋼組合梁橋型的初設建安費用為223 548萬元，混凝土連續剛構橋型初設建安費用為206 134萬元。

2.2 使用成本主要費用

2.2.1 日常維護費用

各橋型方案每年發生的日常維護費用參考晏宇所著的《全壽命成本分析與設計方案優化》，混凝土梁橋方案按40萬元/km·a計算[1]；參考相關研究資料[1]，組合梁橋型方案按50萬元/km·a計算，計算結果如下：

a）耐候鋼組合梁橋每年按3.807×50=190.35萬元。

b）橋鋼組合梁橋每年按3.807×50=190.35萬元。

c）連續剛構橋每年按3.856×40=154.24萬元。

2.2.2 檢測費用

擬定不同設計方案均考慮平均兩年檢測一次，混凝土結構橋梁方案的檢測費用每次按初始投資的0.15%計取，鋼結構橋梁方案的檢測費用每次按初始投資的0.2%計??；其中耐候鋼組合梁方案檢測內容較混凝土梁少，參考混凝土橋梁方案的檢測費用每次按初始投資的0.10%計取。計算結果如下：

a）耐候鋼組合梁橋每兩年按230790×0.10%=230.79萬元。

b）橋鋼組合梁橋每兩年按223548×0.20%=447.096萬元。

c）連續剛構橋每兩年按206134×0.15%=309.201萬元。

2.2.3 后續修復費用

不同設計方案均考慮在壽命期內大修兩次，分別在第40、第80年，混凝土結構橋梁的大修費用按初期建設費用的20%計；參考混凝土橋梁方案，組合梁的大修費用按初期建設費用的20%計取。耐候鋼組合梁在橋梁壽命期內不考慮防腐涂裝費用；橋鋼組合梁一般每20年需要換一次油漆，在全壽命周期內按4次考慮，換漆費用按鋼橋初期建設涂漆費用的1.3倍考慮，鋼橋初期建設涂漆費用每噸鋼材約為1 000元，每噸鋼材換漆費用為1000×1.3=1300元/t。組合梁橋所用速度鎖定器42套，共計3 677萬元；混凝土連續剛構橋所用速度鎖定器30套，共計2 529萬元，在橋梁壽命期內考慮更換一次，費用按初始安裝費用的1.1倍考慮[2]。

a）耐候鋼組合梁橋大修兩次每次按230790×20%=46158萬元。

b）耐候鋼組合梁橋更換阻尼器按3677×1.1=4044.7萬元。

c）橋鋼組合梁橋大修兩次每次按223548×20%=44709.6萬元。

d）橋鋼組合梁橋更換阻尼器按3677×1.1=4044.7萬元。

e）橋鋼組合梁橋4次涂漆每次按1300×61721/10000=8023.73萬元。

f）PC連續剛構橋大修兩次每次按206134×20%=41226.8萬元。

g）PC連續剛構橋更換速度鎖定器按2529×1.1=2781.9萬元。

2.3 用戶成本費用

用戶成本與橋梁結構所處的路線、橋梁位置、交通狀況、橋梁結構的性能狀態以及環境等因素相關，比較復雜。參考邵旭東等編著的《橋梁全壽命設計方法框架性研究》，擬定混凝土結構橋梁分攤到每年的用戶成本費用為初期投資的0.36%，鋼結構橋梁在壽命周期內用戶成本所占初期投資比例較混凝土結構橋梁稍低，橋鋼組合梁擬定為0.3%，耐候鋼組合梁擬定為0.28%[3-4]。

a）耐候鋼組合梁橋每年按230790×0.28%=646.212萬元。

b）橋鋼組合梁橋每年按223548×0.3%=670.644萬元。

c）PC連續剛構橋每年按206134×0.36%=742.0824萬元。

2.4 殘值

發生在全壽命周期的末期，包括拆除費用及殘余價值兩部分，殘值按負值計入成本。采用2018版《公路工程概算定額》（JTG/T 3831—2018）及相關橋梁方案工程量對拆除費用進行初步估算，結論為連續剛構橋拆除費用及建筑垃圾處理費用為15 358萬元，組合梁橋梁拆除費用及建筑垃圾處理費用為12 932萬元。混凝土結構橋梁殘余價值忽略不計，組合梁殘余價值按初期建設中的鋼箱（不分鋼種）2 500元/t考慮計算殘值。橋梁的拆除費用（拆除過程考慮20%的不可預見費用作為其他費用計入）如表1所示[5-6]。

a）耐候鋼組合梁橋殘值按61721×2500/10000=15430.25萬元。

b）橋鋼組合梁橋殘值按61721×2500/10000=15430.25萬元。

表1 橋梁拆除費用分析 萬元

綜上所述，兩種橋梁方案經濟成本費用計算如下：

a）耐候鋼組合梁橋方案費用=230790+190.35×100+230.79×50+46158×2+4044.7+646.212×100+12932-15430.25=419848.2萬元。

b）橋鋼組合梁橋方案費用=223548+190.35×100+447.096×50+44709.6×2+4044.7+8023.73×4+670.644×100+12932-15430.25=455062.8萬元。

c）連續剛構橋方案費用=206134+154.24×100+309.201×50+41226.8×2+2781.9+742.0824×100+15358=411819.8萬元。

3 環境成本

就目前而言，關于環境成本的研究相對沒有直接的量化結論，只能從定性分析入手探討。在全壽命周期內，不同結構方案橋梁均以建筑材料和設備的形式消耗自然資源和大量的能源，主要表現為環境負擔。例如，不可再生資源和能源的消耗，因項目建設施工排放到大氣、土壤和水中的建筑污染物，諸如CO2、CO、SO2、粉塵、固體廢棄物和噪聲污染，以及對土地的臨時占用、水土流失、空氣污染等生態破壞而發生的成本，項目所在地生物多樣性的影響等。本項目橋址處為黃河寬淺灘，且距離橋位不遠處為黃河濕地保護區和洽川國家級風景名勝區，選擇環境成本低的橋梁結構方案對本項目而言，尤為重要。

混凝土結構橋梁與鋼結構橋梁方案相比，混凝土圬工數量相差很大。在制備混凝土圬工時，需要大量開采項目所在地的砂石料及水等資源，混凝土圬工數量越大，所耗費的自然資源及能源就越多，施工引起的環境破壞、污染及其他破壞性概率事件發生的可能性就越大，環境成本就越高。鋼結構橋梁方案有效降低了混凝土圬工數量，所用鋼材多使用進口鐵礦石，可節省國內資源；采用耐候鋼避免了鋼構件涂裝對環境造成污染的可能，由于鋼構件在遠離項目所在地的工廠內加工，減少了對當地資源的攝取，減少了環境污染，降低了環境成本[7-8]。

4 社會成本

對當地自然資源的耗用及對當地環境的破壞可能造成該地區的社會運行成本增加，并且增加社會的不安定因素；對項目區域內的濕地保護區、風景名勝區的影響，可能對當地旅游行業造成負面影響，進而影響到當地社會經濟發展?；炷两Y構橋梁與鋼結構橋梁方案相比，對當地自然資源的耗用及對當地環境的破壞要比鋼結構橋梁高，混凝土上部結構笨重不如鋼結構輕盈，美觀性較差。從這一角度上講，混凝土結構橋梁方案的社會成本要高于鋼結構橋梁。

目前國內鋼材產能過剩、鋼材需求疲軟，在大型橋梁設計過程中采用鋼結構，符合國家產業政策[7-8]。

5 結論

鋼箱組合梁橋中的耐候鋼組合梁全壽命經濟成本約為41.98億元，橋鋼組合梁全壽命經濟成本約為45.51億元，較耐候鋼組合梁多3.53億元。臨猗黃河大橋混凝土橋型經濟成本略低于鋼結構橋型，不考慮折現率的情況下，方案一耐候鋼組合梁橋全壽命經濟成本約為41.98億元，方案二PC連續剛構橋全壽命經濟成本約為41.18億元，耐候鋼組合梁較PC連續剛構多0.8億元，全壽命經濟成本定量分析部分基本相當。在定性分析全壽命環境成本和社會成本上，混凝土橋型高于鋼箱組合梁橋，但其成本價值暫無法量化。綜合以上，推薦采用方案一耐候鋼組合梁橋。