基于全寿命周期成本分析的桥梁设计方案比选

李鹏飞

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

桥梁全寿命周期成本是在桥梁从规划、设计、施工、使用到最终拆除和更换的寿命期间发生的经济成本、环境成本和社会成本[1-3]。

a)经济成本 建设成本、使用成本（能耗成本、维护成本和管理成本）和用户成本。其中用户成本是指桥梁初期施工、运营后日常维护和大维修所导致的用户费用，包括使用延误费（时间延误、燃料消耗、驾驶员不适等）、车辆绕行营运费、交通事故等。

b)环境成本 工程产品在全寿命周期内对于环境潜在的和显在的不利的影响。

c)社会成本 工程产品在从项目构思、产品建成投入使用直至报废全过程中对社会的影响。

我国现代化桥梁建设发展较晚，尚无法建立基于全寿命周期的普适性统计数据，因而本次全寿命周期成本分析（LCCA）部分数据参考了国外经验，通过查阅相关资料文献建立费用模型。

1 依托工程简介

“G3511菏宝线临猗黄河大桥及引线工程”位于国家高速公路网济广高速公路菏泽至宝鸡联络线晋陕界，是山西省高速公路网规划“三纵十二横十二环”第十二横闻喜东镇至临猗孙吉连接线的重要组成部分，同时也是山西南部西通陕西省渭南、西安两市，达陕、甘、宁等地，东经闻喜至垣曲高速公路至河南省济源市，抵豫、鄂、皖等地的重要运输通道。全线按双向四车道高速公路标准建设，设计速度100 km/h，全长20.914 km。其中临猗黄河大桥全长5 427 m，大桥设计水位为357.400，300年一遇的洪水流量为31 800 m3/s，是跨越黄河小北干流禹门口至潼关河段的特大型桥梁。临猗黄河大桥以近百米的高度穿越长达6 km的黄河河谷，同时克服软弱地基、强风、强震、强冲刷及环保要求严等诸多不利影响。该桥具有高墩（最大墩高100 m），大跨（主跨128 m），长联（最大联长1 912 m），顶推距离长（单边顶推长度1 912 m）等特点，在我国公路桥梁建设中占有重要地位。

根据初步设计文件及历次召开的专家评审会，确定初步设计阶段重点研究方案有两个：主跨128 m等截面连续钢箱梁方案和主跨168 m预应力混凝土连续刚构桥型，其中钢箱组合梁桥型根据钢箱梁钢材种类分耐候钢组合梁与桥梁用结构钢组合梁（简称桥钢组合梁）两个方案进行对比。桥梁按照使用寿命周期为100年进行设计。

2 经济成本数据的确定

2.1 建设成本费用

从初步设计概算中提取不同设计方案的相应建安费用作为经济成本计算基数。这里分别选取方案一钢箱组合梁桥型和混凝土连续刚构桥型进行LCCA分析。耐候钢组合梁桥型的初设建安费用为230 790万元，桥钢组合梁桥型的初设建安费用为223 548万元，混凝土连续刚构桥型初设建安费用为206 134万元。

2.2 使用成本主要费用

2.2.1 日常维护费用

各桥型方案每年发生的日常维护费用参考晏宇所著的《全寿命成本分析与设计方案优化》，混凝土梁桥方案按40万元/km·a计算[1]；参考相关研究资料[1]，组合梁桥型方案按50万元/km·a计算，计算结果如下：

a）耐候钢组合梁桥每年按3.807×50=190.35万元。

b）桥钢组合梁桥每年按3.807×50=190.35万元。

c）连续刚构桥每年按3.856×40=154.24万元。

2.2.2 检测费用

拟定不同设计方案均考虑平均两年检测一次，混凝土结构桥梁方案的检测费用每次按初始投资的0.15%计取，钢结构桥梁方案的检测费用每次按初始投资的0.2%计取；其中耐候钢组合梁方案检测内容较混凝土梁少，参考混凝土桥梁方案的检测费用每次按初始投资的0.10%计取。计算结果如下：

a）耐候钢组合梁桥每两年按230790×0.10%=230.79万元。

b）桥钢组合梁桥每两年按223548×0.20%=447.096万元。

c）连续刚构桥每两年按206134×0.15%=309.201万元。

2.2.3 后续修复费用

不同设计方案均考虑在寿命期内大修两次，分别在第40、第80年，混凝土结构桥梁的大修费用按初期建设费用的20%计；参考混凝土桥梁方案，组合梁的大修费用按初期建设费用的20%计取。耐候钢组合梁在桥梁寿命期内不考虑防腐涂装费用；桥钢组合梁一般每20年需要换一次油漆，在全寿命周期内按4次考虑，换漆费用按钢桥初期建设涂漆费用的1.3倍考虑，钢桥初期建设涂漆费用每吨钢材约为1 000元，每吨钢材换漆费用为1000×1.3=1300元/t。组合梁桥所用速度锁定器42套，共计3 677万元；混凝土连续刚构桥所用速度锁定器30套，共计2 529万元，在桥梁寿命期内考虑更换一次，费用按初始安装费用的1.1倍考虑[2]。

a）耐候钢组合梁桥大修两次每次按230790×20%=46158万元。

b）耐候钢组合梁桥更换阻尼器按3677×1.1=4044.7万元。

c）桥钢组合梁桥大修两次每次按223548×20%=44709.6万元。

d）桥钢组合梁桥更换阻尼器按3677×1.1=4044.7万元。

e）桥钢组合梁桥4次涂漆每次按1300×61721/10000=8023.73万元。

f）PC连续刚构桥大修两次每次按206134×20%=41226.8万元。

g）PC连续刚构桥更换速度锁定器按2529×1.1=2781.9万元。

2.3 用户成本费用

用户成本与桥梁结构所处的路线、桥梁位置、交通状况、桥梁结构的性能状态以及环境等因素相关，比较复杂。参考邵旭东等编著的《桥梁全寿命设计方法框架性研究》，拟定混凝土结构桥梁分摊到每年的用户成本费用为初期投资的0.36%，钢结构桥梁在寿命周期内用户成本所占初期投资比例较混凝土结构桥梁稍低，桥钢组合梁拟定为0.3%，耐候钢组合梁拟定为0.28%[3-4]。

a）耐候钢组合梁桥每年按230790×0.28%=646.212万元。

b）桥钢组合梁桥每年按223548×0.3%=670.644万元。

c）PC连续刚构桥每年按206134×0.36%=742.0824万元。

2.4 残值

发生在全寿命周期的末期，包括拆除费用及残余价值两部分，残值按负值计入成本。采用2018版《公路工程概算定额》（JTG/T 3831—2018）及相关桥梁方案工程量对拆除费用进行初步估算，结论为连续刚构桥拆除费用及建筑垃圾处理费用为15 358万元，组合梁桥梁拆除费用及建筑垃圾处理费用为12 932万元。混凝土结构桥梁残余价值忽略不计，组合梁残余价值按初期建设中的钢箱（不分钢种）2 500元/t考虑计算残值。桥梁的拆除费用（拆除过程考虑20%的不可预见费用作为其他费用计入）如表1所示[5-6]。

a）耐候钢组合梁桥残值按61721×2500/10000=15430.25万元。

b）桥钢组合梁桥残值按61721×2500/10000=15430.25万元。

表1 桥梁拆除费用分析 万元

综上所述，两种桥梁方案经济成本费用计算如下：

a）耐候钢组合梁桥方案费用=230790+190.35×100+230.79×50+46158×2+4044.7+646.212×100+12932-15430.25=419848.2万元。

b）桥钢组合梁桥方案费用=223548+190.35×100+447.096×50+44709.6×2+4044.7+8023.73×4+670.644×100+12932-15430.25=455062.8万元。

c）连续刚构桥方案费用=206134+154.24×100+309.201×50+41226.8×2+2781.9+742.0824×100+15358=411819.8万元。

3 环境成本

就目前而言，关于环境成本的研究相对没有直接的量化结论，只能从定性分析入手探讨。在全寿命周期内，不同结构方案桥梁均以建筑材料和设备的形式消耗自然资源和大量的能源，主要表现为环境负担。例如，不可再生资源和能源的消耗，因项目建设施工排放到大气、土壤和水中的建筑污染物，诸如CO2、CO、SO2、粉尘、固体废弃物和噪声污染，以及对土地的临时占用、水土流失、空气污染等生态破坏而发生的成本，项目所在地生物多样性的影响等。本项目桥址处为黄河宽浅滩，且距离桥位不远处为黄河湿地保护区和洽川国家级风景名胜区，选择环境成本低的桥梁结构方案对本项目而言，尤为重要。

混凝土结构桥梁与钢结构桥梁方案相比，混凝土圬工数量相差很大。在制备混凝土圬工时，需要大量开采项目所在地的砂石料及水等资源，混凝土圬工数量越大，所耗费的自然资源及能源就越多，施工引起的环境破坏、污染及其他破坏性概率事件发生的可能性就越大，环境成本就越高。钢结构桥梁方案有效降低了混凝土圬工数量，所用钢材多使用进口铁矿石，可节省国内资源；采用耐候钢避免了钢构件涂装对环境造成污染的可能，由于钢构件在远离项目所在地的工厂内加工，减少了对当地资源的摄取，减少了环境污染，降低了环境成本[7-8]。

4 社会成本

对当地自然资源的耗用及对当地环境的破坏可能造成该地区的社会运行成本增加，并且增加社会的不安定因素；对项目区域内的湿地保护区、风景名胜区的影响，可能对当地旅游行业造成负面影响，进而影响到当地社会经济发展。混凝土结构桥梁与钢结构桥梁方案相比，对当地自然资源的耗用及对当地环境的破坏要比钢结构桥梁高，混凝土上部结构笨重不如钢结构轻盈，美观性较差。从这一角度上讲，混凝土结构桥梁方案的社会成本要高于钢结构桥梁。

目前国内钢材产能过剩、钢材需求疲软，在大型桥梁设计过程中采用钢结构，符合国家产业政策[7-8]。

5 结论

钢箱组合梁桥中的耐候钢组合梁全寿命经济成本约为41.98亿元，桥钢组合梁全寿命经济成本约为45.51亿元，较耐候钢组合梁多3.53亿元。临猗黄河大桥混凝土桥型经济成本略低于钢结构桥型，不考虑折现率的情况下，方案一耐候钢组合梁桥全寿命经济成本约为41.98亿元，方案二PC连续刚构桥全寿命经济成本约为41.18亿元，耐候钢组合梁较PC连续刚构多0.8亿元，全寿命经济成本定量分析部分基本相当。在定性分析全寿命环境成本和社会成本上，混凝土桥型高于钢箱组合梁桥，但其成本价值暂无法量化。综合以上，推荐采用方案一耐候钢组合梁桥。