全寿命设计在桥梁工程设计中的应用

■邓佳琦 ■江西同济设计集团股份有限公司，江西 南昌 330000

近些年来，随着我国经济水平不断的提升，交通运输得到了发展，在长期的运营使用过程中，传统的桥梁在设计过程中未综合考虑总体结构及主要设计构件的使用寿命，或未协调周围的生态环境，导致存在一些影响桥梁正常使用的状况，给后期运营管理造成了较大的社会负担，这在一定程度上影响了桥梁工程设计的整体水平。目前全寿命设计理念针对这些问题都得到了良好的解决。

1 桥梁全寿命设计理念

全寿命设计理念在桥梁工程设计中作为最重要的一个环节，将使用阶段和社会需要的内容转化为桥梁结构体系的部分，建立成一个优化结构的整体方案，以实现一些现实需求。为确保桥梁设计寿命周期内良好的使用状况，全寿命设计理念主要包括以下几个内容:(1)桥梁总体结构及可更换构件设计使用寿命的确定;(2)整体性能设计。为满足桥梁安全性能的需求，需要进行应力、强度、稳定性等结构安全设计，进行行车安全性能的分析和设计，以满足人车针对出行安全问题的需要。风险分析和对策设计，使桥梁在遭受到一定概率的风险事件后，不造成较大性的经济损伤和人员伤亡，明确工程保险的成本。(3)整体美观设计。包括桥梁外观造型设计和景观设计，以满足人们对桥梁美学和景观欣赏的需要;(4)自然生态设计。包括环境保护设计、可回收与再利用设计;(5)施工全过程控制设计。保证良好的施工质量并真实的体现出设计图纸的内容。(6)桥梁的管理系统、监控养护设计。包括桥梁工程在运营期间的监控、养护、维修、管理，使桥梁工程建设在使用全寿命期间内始终保持着良好的运营状态状况，满足行车使用的功能需要;(7)全寿命周期成本的分析设计。这是进行桥梁全寿命设计中不可或缺的重要内容之一。要选择最优秀的桥梁工程设计方案，必须进行全寿命周期内的详细成本分析设计，对整个寿命周期内所发生的所有成本要进行造价比较，在统筹的考虑各方面需求的前提下，选择全寿命周期内成本都比较低的设计方案。

2 桥梁全寿命设计主要内容

(1)可行性研究。可行性研究是桥梁工程建设项目的立项、决策的主要依据，是在进行项目影响区域内的社会经济发展以及路网情况的调查研究、评价预测和必要性的建设条件勘察的基础之上，对项目建设的必要性、技术可行性、工程规模的经济合理性，并提出相关的研究报告。全寿命设计理念主要是体现在全寿命期间的经济成本合理性和实施可行性两个方面，阶段主要是对桥梁工程建设项目的目标进行分析，对桥梁工程的使用功能和设计寿命进行研究调查，深入了解桥梁工程全寿命周期内环境条件的详细情况，分析全寿命周期内环境对桥梁建设和运营期间内可能产生的影响，为确保桥梁设计寿命所必须进行初步的性能设计研究，明确运行阶段管理和养护工作的成本估算。

(2)初步设计。初步设计阶段目的是确定工程建设方案，控制全寿命成本的概算，该阶段应深入研究自然环境条件，分析环境因素对桥梁结构的影响，桥梁工程全寿命的确定，编制全寿命周期的成本概算，进行推荐、比较方案技术比选。初步设计文件是采取材料机具订购、安排科研项目研究、征地拆迁准备方案、编制施工图设计文件、控制投资等的依据。

(3)施工图设计。根据初步设计文件以及初步设计批复意见，进行施工图阶段的全寿命设计流程。深化建设条件以及环境条件的研究调查，进行详细的地质情况勘察，深化性能、美学以及管理养护设施等设计，计算工程材料数量，明确施工及控制方案，编制管理养护及全寿命的预算。

3 桥梁全寿命设计计算方法

目前桥梁工程全寿命周期成本主要包括:①设计规划成本;②建设和施工成本;③常规养护成本;④维修加固成本;⑤更换构件成本等。通过合理的方法满足桥梁工程的设计、施工及运营要求，并且满足全寿命期间内的维护和管理要求，所以，全寿命成本分析在桥梁的全寿命设计过程中极其重要。

全寿命成本分析主要利用经济分析，对比重要的费用，从而显示出分析结果，折现将来费用:Pw=Fc +;其中，Pw 代表现值，t 代表分析时间域，Fc 代表初始费用，Ic 代表检测费用，Mc 代表维护费用，Frc 代表后续维修加固费用，Uc 代表用户费用，Pwf 代表现值系数，S 代表残值。

(1)初始费用:通常包括罚款以及奖金费用，交付使用前，对用户的成本以及利益予以体现。

(2)分析生命周期:整体结构相似，仅需要一次修复便可，因此方案要控制实际的经济效益。

(3)维护费用:确保桥梁结构正常使用的维护费用，该费用需要结合结构的面积差异而予以整合。

(4)检测费用:受到桥梁结构材料以及结构面积的影响，检测费用也不尽相同，常规桥梁检测费用占到初始投资的0.1%-0.2%的比例。

(5)后续维修费用:一般而言，维修频率不仅和时间有关，而且与桥梁的交通运输量有关，并且受桥梁结构形式以及桥梁结构尺寸的限制，常规混凝土桥梁首次修复时间为完成桥梁建设的30a-50a 之间，且维修费用是建设初期费用的20%。

(6)残值:通常在建设桥梁后的生命周期末尾存在，其中涵盖拆除费用，大约占到建设初期费用的10%。

(7)用户费用:桥梁大维修、日常维护、初期施工等产生的用户费用，包括交通事故、车辆营运费、延误费等。其中，延误包括驾驶员不适、时间延误以及燃料消耗。

驾驶员延误费用计算:DDC=W × N × ADT(L/Sa-L/Sn);其中，L代表影响路段长度;Sa代表桥梁在维护过程中车辆速度;Sn代表正常车辆速度;ADT代表平均每天的车流量;N 代表进行维护的人员数;W 代表驾驶员驾驶的时间价值。

车辆营运费用计算:VOC=r ×N ×ADT×(L/Sa-L/Sn);其中，r 代表车辆费用平均值。

交通事故计算:AC=N ×ADT×L ×Ca(Aa-An);其中，Aa代表在维护过程中的事故发生率;An代表正常状况下事故发生率;Ca代表事故费用。

4 总结

作为新型的桥梁设计理念，在整个全寿命周期内统筹考虑桥梁设计方案产生的各种成本。从设计、施工和运营期间的养护工作，直到桥梁工程的拆除和材料的可回收利用。以往的桥梁设计将重心关注在工程建设方面，首要目标是在开发和建设期间的成本最优化。为了可持续发展，需要把传统的短期方法扩展到整个结构的使用寿命期，充分实现桥梁工程全寿命期间内安全性、经济性的优化平衡。

［1］吴海军，陈艾荣.寿命周期成本分析方法在桥梁工程中的应用［J］.公路，2004(12).

［2］叶文华.桥梁全寿命设计有关问题探讨［J］.世界桥梁，2008(1).

［3］毛艳芳.浅谈桥梁设计中的全寿命理念的应用［J］.科技信息，2011(17):347-414.