唐仁偉

（浙江西城工程設(shè)計(jì)有限公司海南分公司， 海南 海口 570100）

0 前言

在現(xiàn)代交通系統(tǒng)中，橋梁是不可或缺的組成部分，是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要組成部分。開展橋梁全壽命設(shè)計(jì)理論研究是橋梁建設(shè)適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要,是滿足人們對(duì)交通出行"更安全、更便捷、更經(jīng)濟(jì)、更舒適"要求的需要,是橋梁設(shè)計(jì)理論發(fā)展的必然階段。為了系統(tǒng)、全面地探討基于壽命周期費(fèi)用分析的橋梁設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀，本文主要闡述了該研究的基礎(chǔ)和原理。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)歸納了國內(nèi)外生命周期成本研究的相關(guān)理論，分析了生命周期成本模型及其框架的研究現(xiàn)狀，比較了兩種典型模型的優(yōu)缺點(diǎn)。從而為全壽命費(fèi)用分析在橋梁設(shè)計(jì)中提供理論參考。

1 全壽命周期成本分析

所謂全壽命周期成本分析法（LCCA），就是在設(shè)計(jì)階段對(duì)橋梁竣工到壽命完結(jié)的總體成本進(jìn)行確定。在對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較時(shí)，不但要充分考慮到始建成本、設(shè)計(jì)成本，還應(yīng)將使用期橋梁的檢查、日常養(yǎng)護(hù)及維護(hù)等方面成本考慮進(jìn)去，把未來成本折現(xiàn)成凈現(xiàn)值（NPV），如此才可應(yīng)用到設(shè)計(jì)方案的評(píng)估中。從根本上講，不管事先應(yīng)用基于時(shí)間相關(guān)的養(yǎng)護(hù)對(duì)策，還是往后性能的完善計(jì)劃，均應(yīng)在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行經(jīng)濟(jì)預(yù)算、對(duì)比，以選出最佳一項(xiàng)。它的目標(biāo)在于以最小化的全壽命投入，獲取最佳化的橋梁長(zhǎng)期性使用，重點(diǎn)在于設(shè)計(jì)時(shí)就需要充分考慮到橋梁投入運(yùn)行后的養(yǎng)護(hù)、管理等方面的問題，對(duì)橋梁建造成本、社會(huì)成本及使用成本等進(jìn)行綜合性評(píng)估，以實(shí)現(xiàn)總資源消耗最少。把全壽命性能設(shè)計(jì)的思想利用到現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)中，將有助于全面保證橋梁壽命期的使用情況和長(zhǎng)期性投資控制。該理念充分體現(xiàn)了以人為本、資源利用最優(yōu)化的可持續(xù)發(fā)展思想，所以其具備長(zhǎng)遠(yuǎn)性的理論和實(shí)踐意義。該研究是現(xiàn)代橋梁科學(xué)技術(shù)發(fā)展的標(biāo)志。

應(yīng)用LCCA 進(jìn)行工程評(píng)估的基本原則就是確保橋梁結(jié)構(gòu)在正常使用基礎(chǔ)上，整個(gè)橋梁壽命周期內(nèi)總成本凈現(xiàn)值最小化。目前，LCCA 法在現(xiàn)代橋梁工程中的應(yīng)用尚在起步中。應(yīng)用系統(tǒng)方法來分析技術(shù)、環(huán)境、社會(huì)及經(jīng)濟(jì)等對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施體系的綜合性影響。為達(dá)到此點(diǎn)，必須創(chuàng)建科學(xué)適用的模型結(jié)構(gòu)，對(duì)不同的設(shè)計(jì)方案的風(fēng)險(xiǎn)及收益進(jìn)行有效對(duì)比和評(píng)估，依照既有的理論知識(shí)在安全穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展中探尋平衡點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)效益最大化。

2 全壽命橋梁優(yōu)化設(shè)計(jì)之設(shè)計(jì)框架

因?yàn)闃蛄汗こ躺婕暗膬?nèi)容比較廣泛，前期方案設(shè)計(jì)時(shí)考慮的因素也比較多，特別是大型橋梁工程，需要進(jìn)行全面的綜合規(guī)劃設(shè)計(jì)。目前我國的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)劃主要分為前期研究和初步設(shè)計(jì)兩大類。生命周期優(yōu)化方法則主要介于工程初步設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)設(shè)計(jì)之間。按橋梁前期設(shè)計(jì)方案、橋長(zhǎng)、工程投資等進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，然后進(jìn)入全壽命優(yōu)化設(shè)計(jì)過程，利用現(xiàn)代技術(shù)建立橋梁模型，初步確定養(yǎng)護(hù)維修的方針。在工程總投資規(guī)范、工程可行性與可靠性分析、工程力學(xué)等相關(guān)因素綜合指標(biāo)的基礎(chǔ)上，對(duì)橋梁設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行合理優(yōu)化，進(jìn)一步優(yōu)化初步設(shè)計(jì)方案。大多數(shù)情況下，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案可將全壽命設(shè)計(jì)思想和方法與橋梁初步設(shè)計(jì)方案相融合，同時(shí)進(jìn)最優(yōu)設(shè)計(jì)，得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

3 全壽命橋梁優(yōu)化設(shè)計(jì)之研究?jī)?nèi)容

通過對(duì)橋梁全壽命優(yōu)化設(shè)計(jì)理論及相關(guān)設(shè)計(jì)實(shí)例的研究，認(rèn)為橋梁全壽命優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合過程，包括多階段、多參數(shù)、多學(xué)科的綜合過程，需要建立多種模型進(jìn)行分析。與此同時(shí)，在建模過程中，還存在許多不確定因素和不確定參數(shù)。為了獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)資料，為提高橋梁設(shè)計(jì)方案和最終提升方案的可操作性，建立了混合全壽命優(yōu)化模型，本文在以下幾點(diǎn)上進(jìn)行了參考。

（1）建立橋梁資料可視化數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行研究，為計(jì)算時(shí)變失效概率和維護(hù)分析奠定基礎(chǔ)：

（2）橋梁維修過程中失效模式確定及失效概率計(jì)算的退化機(jī)理研究；

（3）以時(shí)變可靠性和狀態(tài)指數(shù)為基礎(chǔ)的橋梁性能評(píng)估模型；

（4）橋梁維修一成本一服務(wù)水平綜合關(guān)系研究；

（5）是智能優(yōu)化算法的研究。

4 全壽命優(yōu)化設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)和原則

4.1 嚴(yán)格按原則操作

（1）當(dāng)技術(shù)和條件允許時(shí)，作為橋梁設(shè)計(jì)過程中的業(yè)主，應(yīng)首先根據(jù)自身的需要，結(jié)合橋梁建設(shè)的目的，對(duì)橋梁工程提出合理的目標(biāo)要求，橋梁設(shè)計(jì)者和承建者應(yīng)本著尊重、配合的原則，對(duì)方案進(jìn)行修改和完善。與此同時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者在專業(yè)范圍內(nèi)為業(yè)主提供技術(shù)方面的咨詢，包括造價(jià)、維護(hù)和保養(yǎng)費(fèi)用等；

（2）根據(jù)現(xiàn)代人們的需求結(jié)合當(dāng)前技術(shù)條件，結(jié)構(gòu)工程師優(yōu)化設(shè)計(jì)橋梁服務(wù)水平并精確計(jì)算橋梁的使用年限與耐久性；

（3）在工程設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)根據(jù)業(yè)主要求，共同確定橋梁的性能指標(biāo)和安全等級(jí)等；

（4）優(yōu)化橋梁設(shè)計(jì)方法，在明確橋梁最終性能指標(biāo)的前提下，結(jié)構(gòu)工程師根據(jù)當(dāng)前技術(shù)與自身經(jīng)驗(yàn)來優(yōu)化設(shè)計(jì)方案并最終得出最佳的設(shè)計(jì)方案。

4.2 重視規(guī)范和明確參數(shù)

以壽命周期成本為基礎(chǔ)的橋梁全壽命結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者應(yīng)合理確定橋梁各參數(shù)和等級(jí)的要求，科學(xué)設(shè)計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)域內(nèi)的服務(wù)水平，嚴(yán)格遵循橋梁最終性能指標(biāo)，在保證橋梁使用安全的前提下，提升人們的使用體驗(yàn)。另外，結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計(jì)和確定橋梁最終性能指標(biāo)時(shí)，應(yīng)綜合多方面因素的影響，根據(jù)不同的性能指標(biāo)等級(jí)對(duì)有關(guān)參數(shù)的要求，進(jìn)行多次試驗(yàn)和驗(yàn)算，以獲得最優(yōu)的參數(shù)值，直至滿足用戶要求。應(yīng)用橋梁全壽命優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的驗(yàn)算是優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，只有根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的最終性能指標(biāo)，調(diào)整不同的參數(shù)值才能得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。但在后期修改和完善過程中，同樣需要對(duì)每一步和細(xì)節(jié)進(jìn)行驗(yàn)算，以確定其合理性和科學(xué)性，并驗(yàn)證是否符合設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)。對(duì)大跨度橋梁進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)算，對(duì)小跨度橋梁根據(jù)實(shí)際情況可簡(jiǎn)化。橋梁結(jié)構(gòu)的合理與否，不僅關(guān)系到橋梁的質(zhì)量和使用壽命，更關(guān)系到人們的生命安全，所以目前我國橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重視程度是最高的。但是隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)橋梁設(shè)計(jì)的要求也逐漸提高，在注重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)維修設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。而在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，工程技術(shù)人員是絕對(duì)主角，肩負(fù)著橋梁設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化工作。但以壽命周期成本為基礎(chǔ)的橋梁壽命最優(yōu)化設(shè)計(jì)，其涉及的不僅僅是單一的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也因此不能僅由結(jié)構(gòu)工程師來決定，需要將成本因素考慮在內(nèi)，還需要各部門或組織的共同參與和協(xié)調(diào)工作。

4.2 聯(lián)合設(shè)計(jì)的策略

基于目前對(duì)橋梁壽命周期費(fèi)用分析的相關(guān)理論，在橋梁設(shè)計(jì)中必須建立相應(yīng)的制度和規(guī)范，以規(guī)范為橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最低標(biāo)準(zhǔn)。明確規(guī)定有關(guān)限值；明確各類參數(shù)等。對(duì)企業(yè)積極采用新技術(shù)、新材料的行為或企業(yè)，給予肯定和鼓勵(lì)。就橋梁的使用功能或經(jīng)濟(jì)性而言，在設(shè)計(jì)和施工過程中，業(yè)主可提出比現(xiàn)行規(guī)范要求的性能指標(biāo)更高的要求，同時(shí)，作為橋梁設(shè)計(jì)者和結(jié)構(gòu)工程師也有責(zé)任和義務(wù)為其提供專業(yè)意見。

（1）主要是通過提高業(yè)主對(duì)橋梁設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)性能的認(rèn)識(shí)，使其在合理的范圍內(nèi)提出要求；

（2）與業(yè)主有效溝通，確定橋梁性能改善目標(biāo)。施工過程中，雙方應(yīng)相互配合，密切溝通，既能最大限度滿足業(yè)主要求，又能按規(guī)范要求順利施工。使用壽命周期成本法優(yōu)化橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，專業(yè)設(shè)計(jì)人員應(yīng)靈活處理橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范與實(shí)際需要的關(guān)系，不能一味被動(dòng)地遵循規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，而應(yīng)加強(qiáng)調(diào)查研究，將設(shè)計(jì)與實(shí)際情況相結(jié)合，靈活處理，從而得出最佳的設(shè)計(jì)方法與方案，指導(dǎo)后期施工，選擇最佳的建筑材料。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用能改變橋梁性能的新材料、新技術(shù)(采用 FRP 加高強(qiáng)混凝土)，有利于促進(jìn)各結(jié)構(gòu)專業(yè)的發(fā)展。

5 結(jié)語

總之，以壽命周期成本為基礎(chǔ)的橋梁全壽命優(yōu)化在橋梁設(shè)計(jì)中起著巨大的作用，而完整的優(yōu)化設(shè)計(jì)體系包括了前期設(shè)計(jì)、中間合理性評(píng)價(jià)、工程施工、后期質(zhì)量檢驗(yàn)、橋梁使用年限、維修和報(bào)廢等各個(gè)環(huán)節(jié)，因此，在每個(gè)過程中都需要專業(yè)人員的協(xié)作配合，共同完成整個(gè)工程。橋梁全壽命優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是當(dāng)前和今后一段時(shí)間橋梁設(shè)計(jì)的主要方法之一，但仍有許多內(nèi)容需要加強(qiáng)探索，不斷完善，以進(jìn)一步促進(jìn)橋梁設(shè)計(jì)的優(yōu)化。