基于成本-功能分析的公路橋梁伸縮裝置優化選型

張愛華，王 楓，許 亮，徐子岸

(1.湖北路橋集團有限公司，湖北 武漢 430000;2.武漢工程大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430073)

1 引 言

眾多學者致力于伸縮裝置更換選型決策系統的構建及決策模型的優化，但在橋梁伸縮裝置最優更換選型方案的決策方面，缺乏量性結合的系統性研究。為建立科學、經濟、智能的橋梁伸縮裝置更換優化選型決策系統，本文分析了影響橋梁伸縮裝置設計、施工、管理各階段的關鍵指標因素，運用層次分析法計算了更換優化選型數學模型的功能系數，運用全生命周期評估理論，進行了基于伸縮裝置經濟成本效益分析，基于價值工程進行了選型，并結合一個伸縮裝置更換實例進行了應用分析。

2 基于成本-功能分析的裝置更換選型

2.1 考慮全壽命周期經濟成本的數學模型

伸縮裝置全壽命周期經濟成本包括建設期初始成本，運營期車輛運營成本、交通延誤成本、養護成本，及拆除期拆除成本。

(1)建設期

初始成本()。橋梁伸縮裝置建設期初始成本主要包括人工、材料、機具、管理費用等，初始成本的計算如公式(1)

=×

(1)

式中：為橋梁伸縮裝置建設單價；為橋梁伸縮裝置總長。

(2)運營期

車輛運營成本()，由公式(2)計算

(2)

式中：為維護段長度；為維護期車速；為正常運營期車速；為平均車流量；為維護天數；為車輛運營費用平均值。

交通延誤成本()由公式(3)計算

(3)

式中：為橋梁用戶單位時間價值，根據當地居民平均工資及乘客平均人數計算。

養護成本()主要包括檢測及維修成本，可由公式(4)計算

(4)

式中：為年均檢測和維修綜合費用；為社會折現率；為橋梁伸縮裝置的服役年限。

(3)拆除期

伸縮裝置的拆除成本()與裝置建設期的初始成本密切相關，由公式(5)計算

(5)

式中：為拆除成本占建設期初始成本比重。

綜上，橋梁伸縮裝置全壽命周期成本()見公式(6)

(6)

式中：表示單項成本。

2.2 經濟系數評價

根據上文提出的全壽命周期經濟成本分析模型，可對橋梁伸縮裝置更換選型方案進行經濟系數評價。經濟系數可由單一備選方案成本占據各類方案總成本的比重來表征，如公式(7)所示

(7)

式中：為經濟系數(Cost coefficient)，表示橋梁伸縮裝置更換選型方案。

2.3 功能系數評價

通過指標分析，遴選出了橋梁伸縮裝置設計(溫度變化、縱向坡度、撓度、收縮、徐變、平整度)、施工(防排水、施工難度、施工周期)、運營(檢測、維修、更換)等影響裝置功能的12個重要指標因素。綜合各項指標因素，采用層次分析法建立了層次結構模型，并通過德爾菲法即專家調查法為明確各項因素的重要程度進行權重的分配與賦值，計算出各方案的功能系數。

具體評價方法為

(8)

式中：表示功能系數(Performance coefficient)；和分別為準則層和指標層中各因素的權重向量；表示指標；為備選更換方案各項指標的得分值，其值域為0～100，可由德爾菲法，即專家調查法進行賦值。

2.4 綜合評價

項目的價值可由功能性與經濟性間的比值所表征，如公式(9)。據此，可對橋梁伸縮裝置更換選型方案進行綜合評價。

(9)

式中：為價值系數(Value coefficient)。

3 橋梁伸縮裝置更換選型實例

橋梁全長為20.6 m，寬度為12 m，原采用MA型模數式伸縮裝置，其核定伸縮量為80 mm。在長期環境影響和重載車輛沖擊作用下，橋梁伸縮裝置技術狀況每況愈下，需要進行更換。本項目中所采用的備選方案如下：方案A：MA型模數式橋梁伸縮裝置(允許伸縮量20～80 mm)；方案B：SC型梳齒板式橋梁伸縮裝置(允許伸縮量60～240 mm)。

3.1 計算參數

依據市場調研結合項目開展實際情況，所確定的橋梁伸縮裝置全壽命周期經濟成本分析數學模型中的計算參數如表1所示。

表1 全壽命周期經濟成本分析計算參數

表1(續)

3.2 經濟系系數評價

根據全壽命周期模型針對橋梁伸縮裝置更換進行經濟成本分析，從而得到經濟系數評價的結果(保留至兩位小數)，如表2。

表2 更換方案經濟系數評價 單位：萬元

3.3 功能系數評價

由上文得知，方案A的功能系數為0.854，方案B的功能系數為0.835。

3.4 綜合評價

綜上所述，依據所取得的更換方案功能系數評價及經濟系數評價結果，可結合公式9進行基于價值工程的綜合評價，其結果如表3所示。

表3 更換方案綜合評價

可知，與更換方案A相比，方案B兼具更高的功能系數及更低的經濟系數，從而使得其價值系數優于前者。這表明SC型梳齒板式伸縮裝置可作為最優選型方案投入到橋梁的伸縮裝置更換項目中。

4 結 論

(1)建立了橋梁伸縮裝置全壽命周期經濟成本分析模型，實現對橋梁伸縮裝置更換選型方案的經濟性和功能性評價，并建立了基于價值系數指標的綜合評價方法。

(2)通過實例開展了橋梁伸縮裝置更換優化選型工作，遴選出了兼具高功能系數、低成本系數的最優更換方案，驗證了所提優化選型方法的合理性和可行性，能夠在滿足裝置功能需求的前提下爭取可觀的成本節約，實現項目層面上的價值增值，對橋梁伸縮裝置更換優化選型方案的決策具有參考作用。