基于全壽命周期成本分析的橋梁設(shè)計(jì)方案比選

李鵬飛

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

橋梁全壽命周期成本是在橋梁從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、使用到最終拆除和更換的壽命期間發(fā)生的經(jīng)濟(jì)成本、環(huán)境成本和社會(huì)成本[1-3]。

a)經(jīng)濟(jì)成本 建設(shè)成本、使用成本（能耗成本、維護(hù)成本和管理成本）和用戶成本。其中用戶成本是指橋梁初期施工、運(yùn)營(yíng)后日常維護(hù)和大維修所導(dǎo)致的用戶費(fèi)用，包括使用延誤費(fèi)（時(shí)間延誤、燃料消耗、駕駛員不適等）、車輛繞行營(yíng)運(yùn)費(fèi)、交通事故等。

b)環(huán)境成本 工程產(chǎn)品在全壽命周期內(nèi)對(duì)于環(huán)境潛在的和顯在的不利的影響。

c)社會(huì)成本 工程產(chǎn)品在從項(xiàng)目構(gòu)思、產(chǎn)品建成投入使用直至報(bào)廢全過(guò)程中對(duì)社會(huì)的影響。

我國(guó)現(xiàn)代化橋梁建設(shè)發(fā)展較晚，尚無(wú)法建立基于全壽命周期的普適性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，因而本次全壽命周期成本分析（LCCA）部分?jǐn)?shù)據(jù)參考了國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)查閱相關(guān)資料文獻(xiàn)建立費(fèi)用模型。

1 依托工程簡(jiǎn)介

“G3511菏寶線臨猗黃河大橋及引線工程”位于國(guó)家高速公路網(wǎng)濟(jì)廣高速公路菏澤至寶雞聯(lián)絡(luò)線晉陜界，是山西省高速公路網(wǎng)規(guī)劃“三縱十二橫十二環(huán)”第十二橫聞喜東鎮(zhèn)至臨猗孫吉連接線的重要組成部分，同時(shí)也是山西南部西通陜西省渭南、西安兩市，達(dá)陜、甘、寧等地，東經(jīng)聞喜至垣曲高速公路至河南省濟(jì)源市，抵豫、鄂、皖等地的重要運(yùn)輸通道。全線按雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)速度100 km/h，全長(zhǎng)20.914 km。其中臨猗黃河大橋全長(zhǎng)5 427 m，大橋設(shè)計(jì)水位為357.400，300年一遇的洪水流量為31 800 m3/s，是跨越黃河小北干流禹門口至潼關(guān)河段的特大型橋梁。臨猗黃河大橋以近百米的高度穿越長(zhǎng)達(dá)6 km的黃河河谷，同時(shí)克服軟弱地基、強(qiáng)風(fēng)、強(qiáng)震、強(qiáng)沖刷及環(huán)保要求嚴(yán)等諸多不利影響。該橋具有高墩（最大墩高100 m），大跨（主跨128 m），長(zhǎng)聯(lián)（最大聯(lián)長(zhǎng)1 912 m），頂推距離長(zhǎng)（單邊頂推長(zhǎng)度1 912 m）等特點(diǎn)，在我國(guó)公路橋梁建設(shè)中占有重要地位。

根據(jù)初步設(shè)計(jì)文件及歷次召開(kāi)的專家評(píng)審會(huì)，確定初步設(shè)計(jì)階段重點(diǎn)研究方案有兩個(gè)：主跨128 m等截面連續(xù)鋼箱梁方案和主跨168 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋型，其中鋼箱組合梁橋型根據(jù)鋼箱梁鋼材種類分耐候鋼組合梁與橋梁用結(jié)構(gòu)鋼組合梁（簡(jiǎn)稱橋鋼組合梁）兩個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比。橋梁按照使用壽命周期為100年進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 經(jīng)濟(jì)成本數(shù)據(jù)的確定

2.1 建設(shè)成本費(fèi)用

從初步設(shè)計(jì)概算中提取不同設(shè)計(jì)方案的相應(yīng)建安費(fèi)用作為經(jīng)濟(jì)成本計(jì)算基數(shù)。這里分別選取方案一鋼箱組合梁橋型和混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋型進(jìn)行LCCA分析。耐候鋼組合梁橋型的初設(shè)建安費(fèi)用為230 790萬(wàn)元，橋鋼組合梁橋型的初設(shè)建安費(fèi)用為223 548萬(wàn)元，混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋型初設(shè)建安費(fèi)用為206 134萬(wàn)元。

2.2 使用成本主要費(fèi)用

2.2.1 日常維護(hù)費(fèi)用

各橋型方案每年發(fā)生的日常維護(hù)費(fèi)用參考晏宇所著的《全壽命成本分析與設(shè)計(jì)方案優(yōu)化》，混凝土梁橋方案按40萬(wàn)元/km·a計(jì)算[1]；參考相關(guān)研究資料[1]，組合梁橋型方案按50萬(wàn)元/km·a計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下：

a）耐候鋼組合梁橋每年按3.807×50=190.35萬(wàn)元。

b）橋鋼組合梁橋每年按3.807×50=190.35萬(wàn)元。

c）連續(xù)剛構(gòu)橋每年按3.856×40=154.24萬(wàn)元。

2.2.2 檢測(cè)費(fèi)用

擬定不同設(shè)計(jì)方案均考慮平均兩年檢測(cè)一次，混凝土結(jié)構(gòu)橋梁方案的檢測(cè)費(fèi)用每次按初始投資的0.15%計(jì)取，鋼結(jié)構(gòu)橋梁方案的檢測(cè)費(fèi)用每次按初始投資的0.2%計(jì)?。黄渲心秃蜾摻M合梁方案檢測(cè)內(nèi)容較混凝土梁少，參考混凝土橋梁方案的檢測(cè)費(fèi)用每次按初始投資的0.10%計(jì)取。計(jì)算結(jié)果如下：

a）耐候鋼組合梁橋每?jī)赡臧?30790×0.10%=230.79萬(wàn)元。

b）橋鋼組合梁橋每?jī)赡臧?23548×0.20%=447.096萬(wàn)元。

c）連續(xù)剛構(gòu)橋每?jī)赡臧?06134×0.15%=309.201萬(wàn)元。

2.2.3 后續(xù)修復(fù)費(fèi)用

不同設(shè)計(jì)方案均考慮在壽命期內(nèi)大修兩次，分別在第40、第80年，混凝土結(jié)構(gòu)橋梁的大修費(fèi)用按初期建設(shè)費(fèi)用的20%計(jì)；參考混凝土橋梁方案，組合梁的大修費(fèi)用按初期建設(shè)費(fèi)用的20%計(jì)取。耐候鋼組合梁在橋梁壽命期內(nèi)不考慮防腐涂裝費(fèi)用；橋鋼組合梁一般每20年需要換一次油漆，在全壽命周期內(nèi)按4次考慮，換漆費(fèi)用按鋼橋初期建設(shè)涂漆費(fèi)用的1.3倍考慮，鋼橋初期建設(shè)涂漆費(fèi)用每噸鋼材約為1 000元，每噸鋼材換漆費(fèi)用為1000×1.3=1300元/t。組合梁橋所用速度鎖定器42套，共計(jì)3 677萬(wàn)元；混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋所用速度鎖定器30套，共計(jì)2 529萬(wàn)元，在橋梁壽命期內(nèi)考慮更換一次，費(fèi)用按初始安裝費(fèi)用的1.1倍考慮[2]。

a）耐候鋼組合梁橋大修兩次每次按230790×20%=46158萬(wàn)元。

b）耐候鋼組合梁橋更換阻尼器按3677×1.1=4044.7萬(wàn)元。

c）橋鋼組合梁橋大修兩次每次按223548×20%=44709.6萬(wàn)元。

d）橋鋼組合梁橋更換阻尼器按3677×1.1=4044.7萬(wàn)元。

e）橋鋼組合梁橋4次涂漆每次按1300×61721/10000=8023.73萬(wàn)元。

f）PC連續(xù)剛構(gòu)橋大修兩次每次按206134×20%=41226.8萬(wàn)元。

g）PC連續(xù)剛構(gòu)橋更換速度鎖定器按2529×1.1=2781.9萬(wàn)元。

2.3 用戶成本費(fèi)用

用戶成本與橋梁結(jié)構(gòu)所處的路線、橋梁位置、交通狀況、橋梁結(jié)構(gòu)的性能狀態(tài)以及環(huán)境等因素相關(guān)，比較復(fù)雜。參考邵旭東等編著的《橋梁全壽命設(shè)計(jì)方法框架性研究》，擬定混凝土結(jié)構(gòu)橋梁分?jǐn)偟矫磕甑挠脩舫杀举M(fèi)用為初期投資的0.36%，鋼結(jié)構(gòu)橋梁在壽命周期內(nèi)用戶成本所占初期投資比例較混凝土結(jié)構(gòu)橋梁稍低，橋鋼組合梁擬定為0.3%，耐候鋼組合梁擬定為0.28%[3-4]。

a）耐候鋼組合梁橋每年按230790×0.28%=646.212萬(wàn)元。

b）橋鋼組合梁橋每年按223548×0.3%=670.644萬(wàn)元。

c）PC連續(xù)剛構(gòu)橋每年按206134×0.36%=742.0824萬(wàn)元。

2.4 殘值

發(fā)生在全壽命周期的末期，包括拆除費(fèi)用及殘余價(jià)值兩部分，殘值按負(fù)值計(jì)入成本。采用2018版《公路工程概算定額》（JTG/T 3831—2018）及相關(guān)橋梁方案工程量對(duì)拆除費(fèi)用進(jìn)行初步估算，結(jié)論為連續(xù)剛構(gòu)橋拆除費(fèi)用及建筑垃圾處理費(fèi)用為15 358萬(wàn)元，組合梁橋梁拆除費(fèi)用及建筑垃圾處理費(fèi)用為12 932萬(wàn)元?；炷两Y(jié)構(gòu)橋梁殘余價(jià)值忽略不計(jì)，組合梁殘余價(jià)值按初期建設(shè)中的鋼箱（不分鋼種）2 500元/t考慮計(jì)算殘值。橋梁的拆除費(fèi)用（拆除過(guò)程考慮20%的不可預(yù)見(jiàn)費(fèi)用作為其他費(fèi)用計(jì)入）如表1所示[5-6]。

a）耐候鋼組合梁橋殘值按61721×2500/10000=15430.25萬(wàn)元。

b）橋鋼組合梁橋殘值按61721×2500/10000=15430.25萬(wàn)元。

表1 橋梁拆除費(fèi)用分析 萬(wàn)元

綜上所述，兩種橋梁方案經(jīng)濟(jì)成本費(fèi)用計(jì)算如下：

a）耐候鋼組合梁橋方案費(fèi)用=230790+190.35×100+230.79×50+46158×2+4044.7+646.212×100+12932-15430.25=419848.2萬(wàn)元。

b）橋鋼組合梁橋方案費(fèi)用=223548+190.35×100+447.096×50+44709.6×2+4044.7+8023.73×4+670.644×100+12932-15430.25=455062.8萬(wàn)元。

c）連續(xù)剛構(gòu)橋方案費(fèi)用=206134+154.24×100+309.201×50+41226.8×2+2781.9+742.0824×100+15358=411819.8萬(wàn)元。

3 環(huán)境成本

就目前而言，關(guān)于環(huán)境成本的研究相對(duì)沒(méi)有直接的量化結(jié)論，只能從定性分析入手探討。在全壽命周期內(nèi)，不同結(jié)構(gòu)方案橋梁均以建筑材料和設(shè)備的形式消耗自然資源和大量的能源，主要表現(xiàn)為環(huán)境負(fù)擔(dān)。例如，不可再生資源和能源的消耗，因項(xiàng)目建設(shè)施工排放到大氣、土壤和水中的建筑污染物，諸如CO2、CO、SO2、粉塵、固體廢棄物和噪聲污染，以及對(duì)土地的臨時(shí)占用、水土流失、空氣污染等生態(tài)破壞而發(fā)生的成本，項(xiàng)目所在地生物多樣性的影響等。本項(xiàng)目橋址處為黃河寬淺灘，且距離橋位不遠(yuǎn)處為黃河濕地保護(hù)區(qū)和洽川國(guó)家級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)，選擇環(huán)境成本低的橋梁結(jié)構(gòu)方案對(duì)本項(xiàng)目而言，尤為重要。

混凝土結(jié)構(gòu)橋梁與鋼結(jié)構(gòu)橋梁方案相比，混凝土圬工數(shù)量相差很大。在制備混凝土圬工時(shí)，需要大量開(kāi)采項(xiàng)目所在地的砂石料及水等資源，混凝土圬工數(shù)量越大，所耗費(fèi)的自然資源及能源就越多，施工引起的環(huán)境破壞、污染及其他破壞性概率事件發(fā)生的可能性就越大，環(huán)境成本就越高。鋼結(jié)構(gòu)橋梁方案有效降低了混凝土圬工數(shù)量，所用鋼材多使用進(jìn)口鐵礦石，可節(jié)省國(guó)內(nèi)資源；采用耐候鋼避免了鋼構(gòu)件涂裝對(duì)環(huán)境造成污染的可能，由于鋼構(gòu)件在遠(yuǎn)離項(xiàng)目所在地的工廠內(nèi)加工，減少了對(duì)當(dāng)?shù)刭Y源的攝取，減少了環(huán)境污染，降低了環(huán)境成本[7-8]。

4 社會(huì)成本

對(duì)當(dāng)?shù)刈匀毁Y源的耗用及對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的破壞可能造成該地區(qū)的社會(huì)運(yùn)行成本增加，并且增加社會(huì)的不安定因素；對(duì)項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)的濕地保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)的影響，可能對(duì)當(dāng)?shù)芈糜涡袠I(yè)造成負(fù)面影響，進(jìn)而影響到當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?；炷两Y(jié)構(gòu)橋梁與鋼結(jié)構(gòu)橋梁方案相比，對(duì)當(dāng)?shù)刈匀毁Y源的耗用及對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的破壞要比鋼結(jié)構(gòu)橋梁高，混凝土上部結(jié)構(gòu)笨重不如鋼結(jié)構(gòu)輕盈，美觀性較差。從這一角度上講，混凝土結(jié)構(gòu)橋梁方案的社會(huì)成本要高于鋼結(jié)構(gòu)橋梁。

目前國(guó)內(nèi)鋼材產(chǎn)能過(guò)剩、鋼材需求疲軟，在大型橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中采用鋼結(jié)構(gòu)，符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策[7-8]。

5 結(jié)論

鋼箱組合梁橋中的耐候鋼組合梁全壽命經(jīng)濟(jì)成本約為41.98億元，橋鋼組合梁全壽命經(jīng)濟(jì)成本約為45.51億元，較耐候鋼組合梁多3.53億元。臨猗黃河大橋混凝土橋型經(jīng)濟(jì)成本略低于鋼結(jié)構(gòu)橋型，不考慮折現(xiàn)率的情況下，方案一耐候鋼組合梁橋全壽命經(jīng)濟(jì)成本約為41.98億元，方案二PC連續(xù)剛構(gòu)橋全壽命經(jīng)濟(jì)成本約為41.18億元，耐候鋼組合梁較PC連續(xù)剛構(gòu)多0.8億元，全壽命經(jīng)濟(jì)成本定量分析部分基本相當(dāng)。在定性分析全壽命環(huán)境成本和社會(huì)成本上，混凝土橋型高于鋼箱組合梁橋，但其成本價(jià)值暫無(wú)法量化。綜合以上，推薦采用方案一耐候鋼組合梁橋。