可持续性设计理念在城市桥梁建设中的应用

摘要 文章深入探讨了可持续性设计理念在城市桥梁建设中的应用，旨在为桥梁的可持续发展提供理论支持和方法指导。详细分析了城市桥梁可持续性设计的多个维度，包括环境、社会和经济等，并强调了各维度在可持续性设计中的重要性。利用Topsis法和层次分析法，筛选出社会和环境两个维度的核心评价指标，并对这些指标进行了权重分配。在此基础上，通过层次分析法对某桥梁的可持续性进行评分，评分结果可用于指导桥梁的可持续性设计。

关键词 可持续性设计；Topsis法；层次分析法；评价指标；综合评分

中图分类号 U442.5文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）23-0179-04

0 引言

传统的桥梁设计和建设方法往往忽略了环境和社会两方面的影响，导致资源的过度消耗和环境污染问题日益严重。為了解决这一问题，可持续性设计理念应运而生，旨在实现桥梁建设的环境友好、社会公正和经济可行。该文的目的是探讨可持续性设计理念在城市桥梁建设中的应用，以期为未来桥梁的设计和建设提供新的理念和方法。论文从可持续性设计的环境和社会两个维度出发，深入探讨节能和资源效率、生态友好和桥梁材料可回收利用性、社会文化因素的融合、经济效益与长期维护等方面的设计原则和方法。

1 城市桥梁的可持续性设计方法

1.1 可持续性设计的两个维度：环境、社会

1.1.1 环境维度

环境维度涵盖了对自然资源的合理利用、生态环境的保护以及环境污染的控制等多个层面。在城市桥梁设计中，对环境维度的考量有助于减轻人类活动对生态系统的压力，提高资源利用效率，降低碳排放，促进环境的可持续发展。

通过采用新型材料、优化设计和施工工艺，可以有效降低桥梁建设和运营过程中的能耗和排放，实现低碳环保的目标。在桥梁的设计、建设和运营过程中，应加强环境监测，控制各类污染物的排放，保护水、土壤和空气质量，维护生态平衡。

1.1.2 社会维度

城市桥梁的社会维度则主要考虑人的需求与权益，强调社会公平、文化尊重、公共参与和社会福祉的提高。桥梁建设应带来积极的社会效益，包括改善交通条件、促进区域经济发展、提供就业机会等，以实现人民群众的共同利益。桥梁设计应尊重和保护当地的历史文化，体现地方特色，以促进文化多样性和文化传承。桥梁建设必须确保人的生命安全和财产安全，采取科学的设计、严格的施工管理和完善的安全保障措施。

1.2 生态友好和桥梁材料可回收利用性

生态友好性是指在桥梁设计、建设和运营过程中，充分考虑对周围生态环境的影响，采取一系列措施以减轻对生态系统的干扰和破坏。包括但不限于保护生物多样性、减少土地使用、控制噪音和光污染、采用清洁能源等。在设计阶段，生态友好性要求设计人员充分考虑桥梁的布局、形态、材料和构造方式，实现与自然环境的和谐共生。

桥梁材料的可回收利用性是指在桥梁的拆除或更新改造过程中，尽可能回收和重复利用桥梁结构中的材料，减少对新材料的需求，降低能源消耗和碳排放。可回收利用的桥梁材料主要包括钢材、混凝土、玻璃纤维增强塑料等^[1]。这些材料在经过适当的处理和再加工后，可以再次用于桥梁或其他建筑结构的建设，实现材料的循环利用，延长桥梁使用寿命，提高资源利用效率。桥梁设计应尽可能采用模块化和标准化的设计理念，以便于未来的拆卸和回收。

1.3 创新结构设计与优化

通过结构创新与优化，能够提高桥梁的使用寿命，降低维护成本，提升资源利用效率，从而实现桥梁工程的可持续发展。结构优化指通过科学的计算和分析，调整结构参数，以实现结构性能的最大化和成本的最小化。结构优化涉及多个方面，如减震、隔振、轻量化、节能等^[2]，其目标是在满足结构安全和功能需求的前提下，提高结构的经济性、环保性和美观性。通过计算机模拟、有限元分析、多目标优化算法等先进技术，设计人员能够精确地分析结构响应，制定出最优的设计方案^[3]。

2 桥梁设计可持续性分析

为了全面评估桥梁结构的可持续性，该文提出采用Topsis法和层析分析法对桥梁设计的可持续性进行分析，分析结果对桥梁设计有指导作用。

2.1 Topsis法筛选评价指标

为了全面评估桥梁结构的可持续性，论文采用了Topsis法，这是一种基于理想解的多准则决策方法，通过计算备选方案与正负理想解的距离来进行评价和排序。

2.1.1 Topsis法筛选指标步骤

（7）排序。根据综合得分Ci的大小进行排序，得分较高的评价对象被认为更接近理想解，因此被选为核心评价指标。

2.1.2 社会维度指标筛选

在社会维度，初选了以下11个备选指标：社会效益、公共参与、文化保护、安全性、便利性、公平性、服务质量、用户满意度、经济效益、就业机会、社区关系。

为了更为准确地筛选出重要指标，对每个指标进行了详细的定义和属性权重分配，并参考相关研究和专家意见确定了初始权重。接下来，运用Topsis法计算了各指标与正负理想解的距离，根据距离值的大小进行排序，筛选结果见表1。

2.1.3 环境维度指标筛选

在环境维度，初选了以下9个备选指标：节能减排、桥梁材料可回收利用性、污染控制、资源利用效率、噪音控制、绿化覆盖率、水资源管理、废物管理、生态友好性。为这些环境维度指标分别分配了权重，并运用Topsis法进行筛选。经过详细计算和比较，节能减排、桥梁材料可回收利用性、污染控制、资源利用效率四个指标被选中作为环境维度的核心指标。筛选结果见表2。

2.2 层次分析法进行可持续性评分

经过Topsis法的筛选，确定了社会和环境两个维度的核心评价指标，接下来以某桥梁工程为例，运用层次分析法（AHP）对该桥梁结构的可持续性进行评分。层次分析法是一种定量和定性因素相结合的决策分析方法，通过构建层次结构模型，对各层次的因素进行两两比较，获得其权重，从而达到综合评价的目的。

2.2.1 层次结构模型构建

首先，构建层次结构模型，包括目标层（桥梁结构可持续性），准则层（社会维度和环境维度）以及子准则层（各个核心评价指标），见图1。

2.2.2 两两比较和一致性检验

接下来，进行两两比较，构建判断矩阵，利用特征值法计算各因素的权重，并进行一致性检验，确保判断的一致性。两两比较的判断矩阵和权重计算结果，见表3、表4。

权重：W社会={0.5，0.25，0.15，0.1}

一致性检验：CI=0.02<0.1，一致性通过。

权重：W环境={0.4，0.3，0.2，0.1}

一致性检验CI=0.03<0.1，一致性通过。

最后，根据各指标权重进行综合评分，得到该桥梁在社会和环境两个维度上的可持续性评分，见表5。综合评分结果显示，该桥梁在考虑了各个核心评价指标后，表现出了较高的可持续性，该评分可为后续的桥梁设计和优化提供依据。

2.3 可持续性分析对设计的指导

2.3.1 优化设计决策

通过对不同指标的权重分析，设计单位可以明确各个因素在桥梁设计中的重要性，从而在设计过程中做出更加科学合理的决策。例如，如果环境保护指标得分较高，那么在设计时就应更加重视采用环保材料和技术，降低桥梁对环境的影响。

2.3.2 提高资源利用效率

综合评分可以帮助设计师识别桥梁设计中的优势和不足，进而优化资源分配，提高资源利用效率。例如，将更多的投资和资源集中在得分较低但影响较大的指标上，以提高整体性能。

2.3.3 强化可持续性发展

通过对社会和环境维度的评分，可以明确可持续性发展在桥梁设计中的位置和重要性。这有助于推动设计师在设计过程中更加注重可持续性原则，实现桥梁工程的环境、社会和经济效益的平衡。

2.3.4 提升公共满意度

通过层次分析法和Topsis法的综合评分，能够更全面地考虑社会、环境和经济等多方面因素，使得桥梁设计更加人性化和社会化，提升公众对桥梁项目的接受度和满意度。

3 桥梁可持续性设计与城市功能的融合

城市桥梁的可持续性设计不仅仅关乎其结构与功能，更深刻地涉及与城市环境、商业活动和文化脉络的和谐融合。

3.1 整合周边地段环境

在城市的发展进程中，随着功能和形态的不断变化，很多地段可能会出现相对混乱或破碎的状态，这时，桥梁及其周围的空间成为重要的工具，起到了整合周边地段环境的作用。这种整合不仅仅是在物理空间上的连接，更是在功能和文化意义上的融合。以厦门海沧大桥为例，这座桥梁不仅仅是一个单纯的交通工具，它还承担了周边地段的整体开发和保护任务。通过对桥梁和周边环境的成功整合，海沧大桥成了刺激周边地段整体发展的重要催化剂。南京路与西藏路人行天桥位于上海市心脏地带，为了解决行人流量大、车流繁忙的问題，设计师们采用了椭圆环形的4口互通式大型人行立交桥的设计。与传统的天桥不同，这座天桥所有的上、下桥楼梯均布置于室内，使得桥下空间整洁且通畅。这种设计不仅方便了行人的游逛和购物，还减少了对道路空间的占用，极大提高了交通的流畅性。其美观的设计也使得它成为这一繁华商业区的新地标。

3.2 促进商业活动与经济发展

在现代城市中，一些桥梁处于城市的人流汇聚点，桥梁及其周边地区常常逐渐演变为繁华的商业集聚地。这种现象背后的逻辑很简单：大量的人流不仅意味着繁忙的交通，更代表了巨大的商业潜力。

精心设计的桥梁能够更有效地吸引和引导人流，进而促进周边的商业活动。合理的步行路径、舒适的休息区域、独特的景观设计等都能够吸引更多的市民和游客，进一步促进周边商业区的繁荣。而这种繁荣，又能够带动整个地区的经济增长，形成一个正向的循环。

3.3 融合城市文化脉络

桥梁的设计和建设不仅仅是满足交通需要，更是要与城市的整体文脉结构形成有机的联系，实现流动、渗透、交叠等延展性关系。桥梁不仅是历史时代的载体，更是城市中不同空间、文化和历史的连接点。

4 结论

该研究通过深入探讨了可持续性设计理念在城市桥梁建设中的应用，提出了一套综合的评价体系和方法，论文得出的结论可为桥梁工程的可持续发展提供理论支持和实践指导。

（1）论文详细探讨了城市桥梁可持续性设计的核心要素，包括环境、社会两个维度。强调了节能和资源效率、生态友好与生物多样性保护、社会文化因素的融合以及经济效益与长期维护在桥梁可持续性设计中的重要性。

（2）论文引入了Topsis法和层次分析法，对社会维度和环境维度的评价指标进行了筛选和权重分配。从众多的备选指标中筛选出了8个核心指标，并计算了各指标的权重，在此基础上，应用层次分析法对桥梁结构的可持续性进行了综合评分。通过构建层次结构模型、进行两两比较、计算权重和一致性检验，得到了桥梁结构在社会和环境两个维度上的可持续性评分，评分结果可用于指导桥梁设计。

（3）在城市桥梁设计中，通过整合周边地段环境，深入融合城市的文化传承，桥梁不仅能够满足现代都市的交通需求，更能成为城市发展与文化演进中的关键节点，为城市的持续与和谐发展提供有力支撑。

参考文献

[1]马军海， 陈艾荣， 贺君. 桥梁全寿命设计总体框架研究[J]. 同济大学学报（自然科学版）， 2007（8）： 1003-1007.

[2]耿爽. 桥梁全寿命设计理论研究[D]. 西安：长安大学， 2007.

[3]王琼. 钢与混凝土梁桥结构可持续性指标及评价[D]. 上海：同济大学， 2013.

收稿日期：2023-10-12

作者简介：郑剑飞（1984—），男，本科，高级工程师，研究方向：道桥工程设计与管理。