基于全寿命周期成本分析的桥梁设计研究综述

唐仁伟

（浙江西城工程设计有限公司海南分公司， 海南 海口 570100）

0 前言

在现代交通系统中，桥梁是不可或缺的组成部分，是社会经济发展的重要组成部分。开展桥梁全寿命设计理论研究是桥梁建设适应社会经济发展的需要,是满足人们对交通出行"更安全、更便捷、更经济、更舒适"要求的需要,是桥梁设计理论发展的必然阶段。为了系统、全面地探讨基于寿命周期费用分析的桥梁设计研究现状，本文主要阐述了该研究的基础和原理。在此基础上，总结归纳了国内外生命周期成本研究的相关理论，分析了生命周期成本模型及其框架的研究现状，比较了两种典型模型的优缺点。从而为全寿命费用分析在桥梁设计中提供理论参考。

1 全寿命周期成本分析

所谓全寿命周期成本分析法（LCCA），就是在设计阶段对桥梁竣工到寿命完结的总体成本进行确定。在对设计方案进行比较时，不但要充分考虑到始建成本、设计成本，还应将使用期桥梁的检查、日常养护及维护等方面成本考虑进去，把未来成本折现成净现值（NPV），如此才可应用到设计方案的评估中。从根本上讲，不管事先应用基于时间相关的养护对策，还是往后性能的完善计划，均应在设计阶段进行经济预算、对比，以选出最佳一项。它的目标在于以最小化的全寿命投入，获取最佳化的桥梁长期性使用，重点在于设计时就需要充分考虑到桥梁投入运行后的养护、管理等方面的问题，对桥梁建造成本、社会成本及使用成本等进行综合性评估，以实现总资源消耗最少。把全寿命性能设计的思想利用到现代桥梁设计中，将有助于全面保证桥梁寿命期的使用情况和长期性投资控制。该理念充分体现了以人为本、资源利用最优化的可持续发展思想，所以其具备长远性的理论和实践意义。该研究是现代桥梁科学技术发展的标志。

应用LCCA 进行工程评估的基本原则就是确保桥梁结构在正常使用基础上，整个桥梁寿命周期内总成本净现值最小化。目前，LCCA 法在现代桥梁工程中的应用尚在起步中。应用系统方法来分析技术、环境、社会及经济等对基础设施体系的综合性影响。为达到此点，必须创建科学适用的模型结构，对不同的设计方案的风险及收益进行有效对比和评估，依照既有的理论知识在安全稳定、可持续发展中探寻平衡点，实现效益最大化。

2 全寿命桥梁优化设计之设计框架

因为桥梁工程涉及的内容比较广泛，前期方案设计时考虑的因素也比较多，特别是大型桥梁工程，需要进行全面的综合规划设计。目前我国的桥梁设计规划主要分为前期研究和初步设计两大类。生命周期优化方法则主要介于工程初步设计和工艺技术设计之间。按桥梁前期设计方案、桥长、工程投资等进行初步设计，然后进入全寿命优化设计过程，利用现代技术建立桥梁模型，初步确定养护维修的方针。在工程总投资规范、工程可行性与可靠性分析、工程力学等相关因素综合指标的基础上，对桥梁设计的各个环节进行合理优化，进一步优化初步设计方案。大多数情况下，实现最优设计方案可将全寿命设计思想和方法与桥梁初步设计方案相融合，同时进最优设计，得到最优设计方案。

3 全寿命桥梁优化设计之研究内容

通过对桥梁全寿命优化设计理论及相关设计实例的研究，认为桥梁全寿命优化设计是一个综合过程，包括多阶段、多参数、多学科的综合过程，需要建立多种模型进行分析。与此同时，在建模过程中，还存在许多不确定因素和不确定参数。为了获得准确的数据资料，为提高桥梁设计方案和最终提升方案的可操作性，建立了混合全寿命优化模型，本文在以下几点上进行了参考。

（1）建立桥梁资料可视化数据库，进行研究，为计算时变失效概率和维护分析奠定基础：

（2）桥梁维修过程中失效模式确定及失效概率计算的退化机理研究；

（3）以时变可靠性和状态指数为基础的桥梁性能评估模型；

（4）桥梁维修一成本一服务水平综合关系研究；

（5）是智能优化算法的研究。

4 全寿命优化设计的注意事项和原则

4.1 严格按原则操作

（1）当技术和条件允许时，作为桥梁设计过程中的业主，应首先根据自身的需要，结合桥梁建设的目的，对桥梁工程提出合理的目标要求，桥梁设计者和承建者应本着尊重、配合的原则，对方案进行修改和完善。与此同时，桥梁结构设计者在专业范围内为业主提供技术方面的咨询，包括造价、维护和保养费用等；

（2）根据现代人们的需求结合当前技术条件，结构工程师优化设计桥梁服务水平并精确计算桥梁的使用年限与耐久性；

（3）在工程设计中，结构工程师应根据业主要求，共同确定桥梁的性能指标和安全等级等；

（4）优化桥梁设计方法，在明确桥梁最终性能指标的前提下，结构工程师根据当前技术与自身经验来优化设计方案并最终得出最佳的设计方案。

4.2 重视规范和明确参数

以寿命周期成本为基础的桥梁全寿命结构设计者应合理确定桥梁各参数和等级的要求，科学设计桥梁结构域内的服务水平，严格遵循桥梁最终性能指标，在保证桥梁使用安全的前提下，提升人们的使用体验。另外，结构工程师在设计和确定桥梁最终性能指标时，应综合多方面因素的影响，根据不同的性能指标等级对有关参数的要求，进行多次试验和验算，以获得最优的参数值，直至满足用户要求。应用桥梁全寿命优化设计方法的验算是优化设计的关键环节，只有根据桥梁结构的最终性能指标，调整不同的参数值才能得到最优的设计方案。但在后期修改和完善过程中，同样需要对每一步和细节进行验算，以确定其合理性和科学性，并验证是否符合设计的最终目标。对大跨度桥梁进行系统验算，对小跨度桥梁根据实际情况可简化。桥梁结构的合理与否，不仅关系到桥梁的质量和使用寿命，更关系到人们的生命安全，所以目前我国桥梁设计规范对结构设计的重视程度是最高的。但是随着社会的发展，人们对桥梁设计的要求也逐渐提高，在注重结构设计的同时，对结构维修设计也提出了更高的要求。而在桥梁结构设计中，工程技术人员是绝对主角，肩负着桥梁设计方案的优化工作。但以寿命周期成本为基础的桥梁寿命最优化设计，其涉及的不仅仅是单一的结构设计，也因此不能仅由结构工程师来决定，需要将成本因素考虑在内，还需要各部门或组织的共同参与和协调工作。

4.2 联合设计的策略

基于目前对桥梁寿命周期费用分析的相关理论，在桥梁设计中必须建立相应的制度和规范，以规范为桥梁结构设计的最低标准。明确规定有关限值；明确各类参数等。对企业积极采用新技术、新材料的行为或企业，给予肯定和鼓励。就桥梁的使用功能或经济性而言，在设计和施工过程中，业主可提出比现行规范要求的性能指标更高的要求，同时，作为桥梁设计者和结构工程师也有责任和义务为其提供专业意见。

（1）主要是通过提高业主对桥梁设计和结构性能的认识，使其在合理的范围内提出要求；

（2）与业主有效沟通，确定桥梁性能改善目标。施工过程中，双方应相互配合，密切沟通，既能最大限度满足业主要求，又能按规范要求顺利施工。使用寿命周期成本法优化桥梁设计时，专业设计人员应灵活处理桥梁设计规范与实际需要的关系，不能一味被动地遵循规范进行设计，而应加强调查研究，将设计与实际情况相结合，灵活处理，从而得出最佳的设计方法与方案，指导后期施工，选择最佳的建筑材料。在结构设计中采用能改变桥梁性能的新材料、新技术(采用 FRP 加高强混凝土)，有利于促进各结构专业的发展。

5 结语

总之，以寿命周期成本为基础的桥梁全寿命优化在桥梁设计中起着巨大的作用，而完整的优化设计体系包括了前期设计、中间合理性评价、工程施工、后期质量检验、桥梁使用年限、维修和报废等各个环节，因此，在每个过程中都需要专业人员的协作配合，共同完成整个工程。桥梁全寿命优化设计方法是当前和今后一段时间桥梁设计的主要方法之一，但仍有许多内容需要加强探索，不断完善，以进一步促进桥梁设计的优化。