基于LCA-LCC的沥青路面结构优化设计流程

穆 丹

（苏交科集团（甘肃）交通规划设计有限公司，甘肃 兰州 730010）

0 引言

我国在高等级道路建设过程中，采用了大量沥青路面。一直以来，沥青路面的结构设计都备受关注，国内外学者和技术工作者对于沥青路面结构设计开展了大量研究。胡长青[1]针对G341 线路永登至中川段二级公路特定交通环境及近年公路结构过早出现的病害问题，开展了路面结构优化设计研究，基于材料性能、整体受力和项目造价综合分析，给出了最优方案；熊尧等[2]依托某工程实例，分析了公路沥青路面结构设计的应用，从沥青路面结构高温稳定性设计、水稳定性设计以及低温抗裂性设计等方面详细探讨了路面结构设计的要点内容。

从相关研究成果来看[3-7]，主要是针对路面结构使用过程中的问题提出优化设计，很少涉及沥青路面结构全生命周期的环境影响及成本分析，不利于开展路面结构全生命周期的环境评价以及成本估算。基于此，本文基于LCA-LCC 理论，在分析常规公路沥青路面结构设计流程的基础上，对设计流程进行优化，以期为今后的公路沥青路面结构设计提供参考。

1 LCA-LCC理论

1.1 生命周期评价理论

生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA）是一种用于评估产品在其整个生命周期，即从原材料的获取、产品的制作、产品的应用直到产品使用后的处置，对环境影响的技术和方法。本研究中LCA指的是沥青路面建设过程的全生命期周期评价，即从沥青路面设计伊始，工程铺设及相关材料的生产运输、路面工程实施、相关材料及设备回收等不同时间段内对环境产生的影响评价。

1.2 生命周期成本理论

生命周期成本（Life Cycle Cost，LCC），也被称为寿命周期费用，指的是产品在有效使用期间所发生的与该产品有关的所有成本。一般对项目、产品进行评价的时候总是考虑在LCC 最小的基础上，以费用效益、LCC 效益比等作为决策的依据。本研究中LCC 指的是沥青路面建设过程生命周期耗费成本。从另一个角度来看，LCC可以看作是LCA在经济方面的有力补充。

2 常规公路沥青路面结构设计流程

公路沥青路面结构是一种复合多层结构，从上至下可分为表面层、基础层（基层）、底基层、功能层几部分。基层是整个沥青路面设计的主体，按照施工材料可以分为以下几类：无机结合材料类、粒颗类、沥青结合料类、水泥混凝土类等。

公路沥青路面结构设计流程大致按以下步骤进行：

第一步，收集信息并确定相关参数。根据道路的实际等级不同，相关设计参数也有一定差异。针对某一条需要建设设计的道路，需要收集其未来预期交通流流量、交通预期增长率、方向和车道系数、行驶车辆大致种类、车辆车轴轴重和车辆载重量等信息，然后再获取路基土质结构及路面表层回弹模量。另外，在收集信息后，对于沥青路面主体的基层材料及配比问题，同样需要根据设计规范进行检验，若基层设计不符合相关规范，也需要对填料种类、是否加入石灰水泥或粒颗类等问题进行优化。

第二步，在上述设计工作完成后，需要初步确定路面设计各层厚度及其组合种类、各层模量的数据信息。

第三步，对路面结构各层进行经济分析，决定结构方案。

第四步，检验相关路面结构弯沉值。

以上步骤就是常规公路沥青路面结构的设计流程。可以看出，常规公路沥青路面结构设计流程中，缺少基于全生命周期的环境评价和成本分析。

3 基于LCA-LCC 的沥青路面结构优化设计流程

3.1 确定目标路段

首先，要确定目标公路路段及其具体情况。在设计中把该公路划分两种情况开展研究：重等交通情况下公路沥青路面结构设计和中等交通情况下公路沥青路面结构设计。重等交通情况下道路为双向六车道，中等交通情况下道路为双向两车道，假定两种情况交通增长率均为年5%。然后再设计出路面层级及其结构。两种交通情况下各层结构如表1所示。

表1 两种交通情况下各层结构情况统计表

3.2 确定清单数据

确定清单数据信息是一切基于LCA-LCC 设计的基础，清单数据直接关系到之后设计的各个方面，全面、详细、准确的清单数据是环境评价和成本计算的重要基础数据。清单数据应包含沥青路面全生命周期的多个阶段：包括材料物化阶段、材料运输阶段、路面工程施工阶段以及路面使用阶段。

3.3 提出重等交通优化设计方案

在有了清单数据信息后就可以实现第一步的设计预期，先分析重等交通条件下路面结构在全生命周期中的多种优化设计方案。这里重点是要确定重等交通条件各种优化设计方案的相关参数，尤其要明确不同优化设计方案在沥青路面结构全生命周期中可能涉及到的环境影响和成本问题。

3.4 确定重等交通优化设计方案

在重等交通条件下，基于LCA-LCC 理论，利用HAPDS 软件模拟输入不同优化方案中各层路面层级中不同的几何参数和材料属性参数，在不断模拟和交叉组合的情况下，寻找并确定最符合环境影响小、应用成本低的路面结构设计组合和配比，即为基于LCALCC 理论的公路路面结构设计在重等交通条件下的最优设计。

3.5 提出中等交通优化设计方案

以同样的清单数据分析中等交通情况下多种路面结构设计方案，这里也需要先确定中等交通情况下不同优化设计方案的相关参数，仍然要明确不同优化设计方案在沥青路面结构全生命周期中可能涉及到的环境影响和成本计算等问题。

3.6 确定中等交通优化设计方案

在中等交通条件下，基于LCA-LCC 理论，利用HAPDS 软件模拟输入不同优化方案中各层路面层级中不同的几何参数和材料属性参数，在不断模拟和交叉组合的情况下，寻找并确定最符合环境影响小、应用成本低的路面结构设计组合和配比，即为基于LCALCC 理论的公路路面结构设计在中等交通条件下的最优设计。

3.7 核验并输出优化设计成果

对于提出的重等和中等两种交通条件下的路面结构优化设计方案，再次进行环境影响评估和应用成本计算，以核验设计的合理性。核验完成后，利用HAPDS 软件分别生成它们各自的最终优化设计清单数据，得出两种交通条件下基于LCA-LCC的优化设计结果。

4 结束语

综上所述，本文阐述了LCA-LCC 的基本理论以及常规公路沥青路面结构设计流程，在此基础上，提出了基于LCA-LCC 的沥青路面结构优化设计流程：确定目标路段、确定清单数据、提出重等交通优化设计方案、确定重等交通优化设计方案、提出中等交通优化设计方案、确定中等交通优化设计方案以及核验并输出优化设计成果。该优化设计流程对于今后公路沥青路面结构设计中有效降低环境影响、减少应用成本具有参考意义。