基于EEA山区桥梁架梁方案优化研究

（1.河北秦皇岛交通投资集团有限公司，河北 秦皇岛 066000；2.长城汽车天津哈弗分公司，天津 300401；3.河北工业大学土木与交通学院，天津 300401）

中国山区占全国国土总面积的69.1%，随着高速公路工程项目的增加，高速公路向山区延伸。据统计目前高速公路的桥隧比越来越大，有的高达70%[1]。山区架梁施工由于地形复杂，成本高，据文献显示，李坤开展架运梁分离式架梁机型并对其进行了理论分析与仿真计算[2]，贺国京等研究了山区大长纵坡下架梁运梁的施工特点并提出墩梁固结的设计[3]，向绿林对预制梁板运输与架设施工进行了安全评估理论研究，并利用有限元对裸梁运梁进行力学分析[4]，唐小富结合有限元分析，对上坡米一号大桥的施工方案从适用性、安全性、经济性及工期等方面进行比选[5]，对山区桥梁架梁方案优化的研究能够减少架梁成本，提升施工效率，具有重要的现实意义。

1 桥梁架设扩展账户模型构建

1.1 扩展账户法的概念

扩展账户法（Extended Exergy Accounting,EEA）将热力学中评价定义有效能的与经济学结合，如果将所有的产品的原料都拥有一个成本，而不是货币价值，那么产品也将会拥有“成本”[6]，可以被定义为一个系统内所做的有用功，扩展账户法已应用在了废物回收利用研究[7]和水泥制造业的能耗空间差异[8]等研究中。在桥梁施工成本评价中，不仅资金成本，能源、物质、劳动力和环境成本都是施工成本的主要评价要素，由于各指标不容易进行统一评价，EEA方法在这几种要素综合评价中有着较强的适用性，将EEA方法应用于评价土木工程项目的研究具有重要的现实意义。

1.2 扩展账户模型的构成

扩展账户是累积 （CExC）与扩展（EEXT）之和，扩展成本作为一个更加合理、全面的系统资源消耗评价函数，可以取代经济成本函数。其成本构成模型如图1所示：

模型函数为：

图1 扩展账户成本构成模型

各构成部分的模型函数为：

式中：

W为工程中所用机械的功率kW；

θ为本项目的劳动力人数占全国总人数的比例；

α为由社会吸收并转化为劳动力的占总输入Ein的比例；

γ为在一个项目所耗费的资金和社会货币总流通量的比值；

β为一个社会除了工资以外的产生货币流通的能力；

Eex为施工过程中的碳排放量，kJ；

Ede为施工过程对环境破坏而导致环境对碳的处理能力下降的量，kJ。

通常，桥梁的系统生命周期主要分为三个阶段：施工 (construction)，运营 (operation)和退役（decommissioning），全生命周期的扩展账户函数以时间为自变量，扩展值为自变量，以系统消耗为负值，产出为正值，函数示意图如图2所示：

各个时期的扩展模型便可以在其相应的时间域内进行计算，例如：

2 方案定性对比分析

某大桥位于承德市隆化县张承高速，跨越山间沟谷，路线与沟底最大高差53m。共预制40mT梁192片，大桥两端分别与隧道、高填方路基相连接，桥梁两侧没有修建制（存）梁场的条件，制（存）梁场设置在桥下山间沟谷中，预制梁需要运至与沟底垂直距离53m的桥面进行架设，施工难度较大。

2.1 施工工序对比

施工步骤如图3、图4所示。

图2 扩展函数示意图

图3 原方案施工步骤

原方案施工步骤图如图3，原方案工序中包括修建便道、安装架桥机、架梁三大步骤。原方案施工方法较为成熟，易于操作。优化方案有安装龙门吊、架设跨中两孔梁、安装架桥机、向东架梁、移动架桥机、向西架梁六大步骤，如图4。优化方案与原方案主要的区别为优化方案不需要新建便道，但是需要在盖梁及桥面顶端安装龙门吊，架梁期间架桥机进行一次大范围移动，较原方案工序较多。龙门吊吊梁施工较为复杂，这种先架设中间两跨梁，后向两边扩散架梁的施工顺序在山区架梁中较为少见。从施工步骤上来看，优化方案更加复杂一些。

2.2 施工工期对比分析

根据各工序的工程量及施工特点，可以得出原方案与优化方案的工序，推算出所需工期，绘制出工期甘特图，如图5、图6所示。

图4 优化方案施工步骤

图5 原方案工期甘特图

图6 优化方案工期甘特图

图5为原方案预期工期，从图中可以看出原方案中，修建便道和架梁占用较多的时间，在总的101天的工期中，这两步工程占了94天时间，为总工期的93%。

图6为优化方案预期工期，优化方案虽然步骤较多，但是安装龙门吊与移动架桥机所需要消耗的时间约为新建便道时间的57%，架梁施工的时间与原方案基本持平，总体工期较原方案缩短了15%。

总的来看，原方案由于施工技术成熟，在施工工序复杂程度与难度上优于优化方案，但优化方案在节约占地，缩短工期上有着较明显的优势，通过以上分析，还未能确定优化方案与原方案孰优孰劣，需要进行更加细致的定量分析。

3 扩展成本模型计算对比分析

3.1 物质和能量成本计算

在预制梁架设过程中，主要累积为各工序的机械消耗的燃油及电力所做的功，可以用各个机械的功率及做功时间来进行计算，则物质和能量火用成本为：

式中：Wi为某个工程步骤中所用机械的功率，kW。

由于整个工程需要考虑参数繁多，各步骤计算所需篇幅较多，在此仅针对优化方案中向东架梁和向西架梁给出算例，参数如表1，下同。

将表1中数据带入公式（4）：

3.2 劳动力成本计算

假设社会的主要产品都融入劳动力，并且这个社会的所有成员都通过劳动得以生存。劳动力成本计算公式为：

式中：

表1 架梁参数

n为本项目的劳动力总人数；

D为项目持续天数；

Nh是全社会人口数量，可查得2014年末全国总人口为136 782万人[10]；

esurv为每个人每天维持新陈代谢的最小量（约为1.05×107J/人×天）[11]；

f为消耗扩大指数，可以用人类发展指数（HDI）法来进行计算：

式中：HDI0为前工业社会的人类发展指数值，约为0.055，HDI选择现在国内最新的统计数据，中国内地平均值为0.693。

将公式（6）、公式（7）带入公式（5）中可以得出本架梁项目的劳动力成本为：

将表1中的数据代入公式（8）：

3.3 资金的火用成本计算

对于资金的消耗计算需要另一个基本假设，就是在一个社会中货币流通产生的量和转化为劳动力的量是成比例的，即：

在公式（9）中，货币量的量EK和劳动力的量EL通过参数建立比例关系，一个社会的货币总流通量为M2，β即金融活动的货币流通量MF与总累计工资S的比值：

根据国家最新统计数据[12]，全国货币流通量为348 109.5亿元，总工资为102 817.2亿元，可以得出β=2.39。

γ表示在一个项目所耗费的资金MP和社会货币总流通量的比值：

将公式（10）、公式（11） 带入公式（9），可以得出资金成本为：

将表1中的数据代入公式（12）：

3.4 环境火用成本计算

在桥梁架梁施工中，对环境的影响可以以碳排放量来衡量，主要包括两方面，第一方面是施工过程中的碳排放量Eex，第二方面为施工过程对环境破坏而导致环境对碳的处理能力下降的量Ede，即：

可以将碳排放成本转化为购买碳排放权的资金成本，则：

式中：δ为碳排放成本与总流动资金的比值，为：

将公式（12）、公式（15） 带入公式（14） 可以得到环境成本为：

将表（1） 中数据代入公式（16）：

同理，对原方案与优化方案的各步骤进行计算，得到原方案CExC=233.7×106kJ、EL=146.7×106kJ、EK=8.2×106kJ、EO=0.037×106kJ，得到优化方案 CExC′=178.4×106kJ、

3.5 扩展成本对比

依据图2及图3的施工步骤及以上算例，将各参数代入山区架梁扩展账户模型中，计算出原方案与优化方案的总耗以及组成部分的各部分成本，包括物质和能量耗、劳动力耗、资金耗和环境耗，如图7所示。

图7 方案成本对比图

由于优化方案所使用的龙门吊需要更多的指挥、操作人员，并且需要多一组运梁车班组，从劳动力消耗上高于原方案，可以从计算结果中得出劳动力消耗上优化方案高于原方案11.3%。但是优化方案相对于原方案能量消耗降低23.7%，在工期缩短15%的基础上，将总耗降低了9.5%，并且减少了燃油的炮车运梁时间，将梁体提升的任务主要交给耗电的龙门吊，降低碳排放量70.2%。优化方案整体上优于原方案，具有良好的经济社会效益。

4 结论

通过将EEA与桥梁工程结合，构建了桥梁工程EEA模型，从施工步骤、工期等方面定性对比了原架梁方案和优化架梁方案，在定性比对的情况下无法甄别其优劣。采用EEA模型从能源、劳动力、资金和环境四个方面以及整体的成本对比了优化方案与原方案的优劣。经过计算，可以得出在山区特殊的地形下，进行扩散式架梁要比传统的架梁方案具有更高的经济社会效益，体现了低碳环保的理念。

参考文献：

[1]赵海云.对山区高速公路桥梁下部设计的探讨[J].交通世界，2010(Z1):229-230.

[2]李坤.TTSJ900隧内外通用架桥机的设计分析及研制[D].秦皇岛：燕山大学（硕士学位论文），2014.

[3]杜海瑛.大纵坡架设40m T梁施工工艺研究[D].长春：吉林大学（硕士学位论文），2012.

[4]贺国京，向绿林.山区高速公路裸梁上运梁安全性分析及防护措施研究[J].中外公路，2015(4):119-122.

[5]唐小富.高墩连续刚构桥长边跨现浇段施工方案比选[J].桥梁建设，2016,46(3):115-119.

[6]Valero A,Lozano M A,Munoz M.A general theory of exergy saving:I.On the exergetic cost[J].Computeraided Engineering and Energy Systems,1986(3):1-8.

[7]Sciubba E.Extended exergy accounting applied to energy recovery from waste:The concept of total recycling[J].Energy,2003,28:1315-1334.

[8]陈枫楠，沈镭.基于EEA方法的中国水泥制造业能耗的空间差异[J].地理学报，2015(10):1566-1580.

[9]中华人民共和国国家统计局.年末总人口[EB/OL].(2015-01-25)[2017-12-15].http://www.stats.gov.cn.

[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]中华人民共和国国家统计局.中国统计年鉴[M].北京:中国统计出版社，2014.