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基于環境影響的全壽命周期成本市政橋型方案比選

發布時間: 2016-10-10 信息來源: 《中國公路學會橋梁和結構工程分會2016年次全國橋梁學術會議論文集》 作者: 文繼濤 劉波

(自貢市城市規劃設計研究院有限責任公司 

    摘要:當前的橋梁方案比選中比較注重初始建設成本,而缺乏對各方案全壽命期周期成本尤其環境影響的成本計算.基于本文在現有理論的基礎上將橋梁全壽命周期的環境影響量化,并改進和簡化了現有的計算公式,運用改進公式對混凝土板拱橋和鋼T構橋進行了全壽命周期成本計算和分析,得出了各自全壽命成本和各階段環境成本,最后研究成果雖然混凝土板拱橋相比于T構全壽命成本更低,但鋼T構橋卻有明顯的環境成本優勢,這一研究成果值得運用市政橋梁方案設計中并為方案的科學合理決策提供借鑒。

關鍵詞: 環境影響  全壽命周期成本  量化  混凝土橋  鋼橋   

Abstract: The current bridge program more attention than the selected bridge the initial construction costs, and the lack of programs to calculate the full life cycle of the environmental impact on the cost, this paper will be the basis of the environmental impact of the existing bridge's life-cycle theory of quantification, and to improve and simplifying the existing formula. Using this formula for three-span arch bridge concrete slab and steel T frame bridge life cycle cost calculation and analysis, draw their life cycle cost, environmental cost accounting for the calculation of life-cycle costs in the proportion of two bridge, the final study Although the results indicate that the concrete slab arch compared to steel T frame bridge life-cycle costs lower, but in the various stages of the whole life of the steel T frame bridge there are significant environmental cost advantage. The findings applied to municipal worth bridge design and provide reference for scientific and rational decision-making.

Keywords: environmental effect   Life cycle cost Quantification  Concrete bridge  steel bridge

隨著國家十三五規劃”的提出,我國的城市建設進入了一個快速發展期,同時由于城市建設與其他基礎設施建設的差異性,也對市政建設提出了更高要求。“綠色、生態、節能”不斷的出現在各地市政建設的規劃目標中,而作為城市文化形象及經濟建設名片市政橋梁雖然在城市道路干線起著樞紐作用,但在其建設過程中仍只重視初始建設投資和直接成本,對壽命周期成本尤其環境影響成本沒有一個有效的量化評估,使得在建設或服役過程中出現環境問題不斷以及為此支付的環境成本代價慘重。

城市建設這一嚴峻現實迫切要求橋梁在方案評估中應當考慮各方案的量化環境影響成本。對于建筑物環境影響成本量化方面,國內學者進行了廣泛的研究工作,然而具體到橋梁工程方面理論還是相對落后。有鑒于此,本文將橋梁方案比選為研究對象,結合橋梁壽命周期成本分析理論(bridge life- cycle cost analysis,BLCCA)和建筑物的生命周期評價(life cycle assessment,LCA討論了三跨混凝土板拱橋和鋼T構橋在壽命周期內可能造成的環境影響類型,基于前人既有研究成果的基礎上建立了兩種橋型方案環境影響成本量化評價模型。

1 環境影響評價發展趨勢與評述

隨著環境保護意識的提高,國內學者越來越注意工程項目在整個壽命期內不斷出現的環境問題,并針對這些環境問題開展了持續的跟蹤、分類、研究工作,取得一定的研究成果。董常暉等從公路工程生態影響、社會影響、景觀影響角度以及各自的指標體系方法方面,全方位的總結了專家學者的已有研究成果,提出應當加強公路建設的后續環境影響評價工作。學者邵旭東從橋梁全壽命角度出發,單座橋梁全壽命成本的計算公式,并對橋梁后期維護成本進行了詳細介紹。梁巍、卓衛東等人提出了基于環境影響的橋梁全壽命成本的分析方法。

國外學者Frangopol提出橋梁全壽命成本基本框架,并對其成本類型進行了細分。NCHRP報告橋梁全壽命本分解為機構成本、用戶成本和第3方成本等三方面內容,在報告中對各項本進行了細分和指用戶成本和環境成本的含義。Singh橋梁壽命成本分為機構成本、用戶成本、事故和其他成本,并對用戶成本建立起了數學模型。

這些現有的研究成果雖然在基礎統計、定性分析和定量計算上都做了大量的工作,然而對于工程設計人員如何針對中小跨徑的常規城市橋梁計算全壽命周期成本的公式上尚有不足,而對于方案設計比選階段往往是直接的決策階段,更需要考慮全壽命周期成本的計算。

2 全壽命周期各階段環境影響成本計算模型

針對橋梁環境影響成本分析,目前比較盛行主要有兩種理論:一是全壽命周期成本分析理論,一是生命周期理論。對于全壽命成本分析理論而言主要要優勢在于理論中體現了壽命周期不同階段的經濟成本,適合投資決策,通過全壽命分析理論對橋梁進行環境影響成本分析滿足經濟發展的需要同時也兼顧了可持續發展的要求。對于生命周期理論而言優點在于理論對于環境影響因素考慮的比較全面,適合工程項目的環境評估。但同時兩種理論也存在各自劣勢,當前全壽命成本分析理論對于環境影響因素考慮的不全,無法全面體現項目中因為環境問題而造成的實際支出成本,而生命周期理論由于對于環境因素細化造成其評價指標不宜量化,也很難體現工程項目的經濟屬性。

對于此,由于本文研究領域為環境成本市政橋梁方案設計比選的運用,所以作者在考慮壽命周期各階段的環境成本計算模型綜合考慮了BLCCALCA理論在梁巍、卓衛東提出考慮環境影響的全壽命周期成本計算模型基礎上結合市政橋梁特點后加以改進與完善。

2.1基于全壽命周期內環境影響成本的假定與分類

1)計算模型基本假定

 環境因素指標可以量化為貨幣單位表示。

 計算模型中參數取值參照國家相關的環保標準。

 對于生命周期理論中資源消耗項假定已體現在壽命周期成本分析中建設和維護材料成本中,所以在全壽命周期成本分析中只考慮相應的污染物排放引起的環境成本。

 由于橋梁在全壽命周期內,污染來源眾多,若對每一來源都進行分析,將使其模型復雜且難于具體量化,因此本文結合市政橋梁的具體實際,選取了其主要的環境影響源進入計算模型。

 方案比選針對同一地點和時間,故用戶成本大致相等,不予單獨考慮。

2)全壽命周期主要環境影響源種類

對于市政橋梁而言在整個全壽命期內主要環境影響源有水污染、大氣污染、固體廢棄物、噪聲污染等四大類。在橋梁全壽命理論中橋梁整個壽命期可以簡化為三個階段,項目建設階段、使用階段、廢棄拆除階段,以下就是各個階段內包含的環境成本種類。

項目建設階段

在本階段內項目已實際建設中,在這一過程中由于不斷有材料的物化、機械設備運轉項目施工產生、大氣、噪聲、固體廢棄等污染,這些污染對環境影響較大必須給予重點考慮。同時在該階段中由于施工人員生產、生活產生的環境成本較小所以為了計算簡便也不予考慮。

  使用階段

橋梁使用階段產生的環境影響要考慮由于構件破壞維修加固而產生的大氣、水、噪聲、固體廢棄等污染。

廢棄拆除階段

城市橋梁由于處于人口和交通密集地區與鐵路,公路橋梁有較大不同,所以在廢棄拆除階段所產生的環境影響也比其他兩類橋梁更為嚴重。城市橋梁在廢棄拆除階段主要是產生噪聲和固體廢棄等污染。

2.2主要環境成本計算模型

通過以上壽命周期階段內環境影響的定性分析可以得出,在壽命周期內城市橋梁各類活動引起的環境影響成本主要是大氣、水、噪聲、固體廢棄四大類所產生,如表1所示

1  環境成本分類

污染類型

污染內容

污染

壽命期內產生的COD、氰化物、重金屬污染成本

大氣污染

壽命期內產生的COX、SO2、NOX、粉塵等造成的環境污染成本

噪聲污染

壽命期內為控制噪聲產生的成本

固體廢棄

壽命期內為處理產生的固體廢棄物而產生費用

通過表2,可全壽命周期成本分析中的環境影響成本(Environmental impact cost,EIC表示為:,表達式分別為水、大氣、噪聲、固體廢棄四類污染。

污染和大氣環境污染成本可表示為,為相應污染物排放量,表24分別橋梁主要材料物化過程的污染排放、常用能源環境清單、單位排放物經濟損失表。

2 橋梁主要材料物化過程污染物排放量

                                          (鋼材kg/t;混凝土kg/m3

建材

COX

SO2

NOX

SS

COD

粉塵

大型鋼材

4542

56.6

34.8

876.2

28.2

150.1

中小型鋼材

3749

46.6

28.9

727.9

23.5

124.6

線材

3709

46.1

28.6

721.0

23.3

123.4

混凝土

361.6

1.3

1.6

16.0

0.5

3.2

 

·表3 常用能源排放清單

名稱/單位

汽油生產/1L

汽油消費/1L

柴油生產/1L

柴油消費/1L

電生產/1KWh

COX/kg

2.69

2.66

7.41E-02

2.71

1.14

SO2/kg

5E-03

1E-03

2.55E-03

0

1.03E-02

NOX/kg

2E-03

6E-03

3.25E-04

3.2E-02

5.22E-03

COD/kg

0

0

0

0

3.11E-05

粉塵/kg

0

0

0

0

4.57E-02

固棄/kg

0

0

0

0

9.54E-03

4單位排放物經濟轉換值

主要排放物

貨幣裝換/.t-1

主要排放物

貨幣裝換/.t-1

COD

11700

NOX

3030

COX

680

SS

175

SO2

650

粉塵

230

氰化物

2499

煙塵

175

重金屬

1579

氨氮

793

噪聲污染主要存在于橋梁施工過程機具使用、車輛通行原因產生對周邊住戶生活過大的干擾而引起的成本支出,噪聲污染量化常用的方法有噪聲污染控制措施、意愿支付法享樂價格法,本文采用調查方式為基礎的意愿支付法,即:

表達式中:噪聲污染總成本,單個住戶調查價格,住戶數。

固體廢棄物污染主要是橋梁在壽命周期類排放超過自然界凈化能力造成的環境成本支出,學者運用虛擬治理成本理論推導了固體廢棄物環境成本的計算公式,其表達式為:,處置存放廢物治理成本,處置排放物的治理成本。

5 固體廢棄物單位治理成本

 

類別

處置單位治理成本

存儲單位治理成本

一般固廢

危險固廢

一般固廢

危險固廢

單位成本(/t

22

1500

4.5

15

2.3考慮環境影響后橋梁全壽命成本計算模型

通過以上分析可以得出考慮環境影響的全壽命周期總成本的主要構成,計算模型表達式可表示為: ,表達式中橋梁初始建設成本,橋梁建設過程環境成本,運營管理成本,運營管理環境成本,橋梁廢棄后拆除成本,拆除后固體廢棄物處理的成本。

3 工程算例分析

自貢貢井區旭水河擬新建一座跨河城市橋梁,可研階段提出兩個方案:方案一為三跨板拱橋(圖1),方案二為鋼T構梁(圖2),橋梁寬度均為22m。6為主要材料數量統計表:

 

                      1 三跨板拱橋橋型布置圖

 

                     2 鋼T構梁橋型布置圖


6:主要材料數量表

拱橋

方案

鋼筋/t

輕質混凝土/m3

混凝土/m3

鉆孔樁長/m

土石方/m3

1692.16

6600.0

 7749.6

     720

28200

鋼橋

方案

鋼筋/t

混凝土/m3

Q345D鋼材/t

鉆孔樁長/m

鋼絞線/t

   277.09

4100.5

1096.8

  280

27.76

 

由于本文篇幅有限,對于施工機械施工臺班能源消耗數量表不在贅述可以參見《公路工程機械臺班費用定額》(JTG/T B06-03-2007

初始建設成本:

根據相關橋梁定額及可研方案階段的工程量統計可以得出兩個方案橋型的初始建設成本:三跨板拱橋方案的初始建設成1428萬元,鋼T構梁初始建設成本為1558萬元。

2)建設階段環境成本

由前文分析可知在建設階段產生的環境成本主要是材料物化過程中環境污染、施工機械車輛在使用過程中產生的廢物排放及噪聲污染。兩橋型方案材料物化過程的污染排放可由表6與2計算出各自方案材料物化過程中的排放總量,再結合4即可得出材料物化過程中環境成本。

對于計算施工機械、車輛使用過程污染物排放總量方法也類似,施工機械總量與《公路工程機械臺班費用定額》中相應定額得出排放總量后再與表4相乘得出施工機械、車輛使用過程中的大氣污染的環境成本。同時施工過程中的噪聲造成的環境成本運用意愿支付法計算。現將兩種橋型方案建設階段環境成本列與表7:

7:建設階段環境成本(萬元)

拱橋

方案

建材物化過程

施工機械耗能污染

施工噪音

固體廢棄

323.6

22.6

23.8

5.6

鋼橋

方案

建材物化過程

施工機械耗能污染

施工噪音

固體廢棄

238.9

21.9

15.4

3.76

3)運營管理成本

運營管理成本包含橋梁使用期100年內的常規維護、檢測、上漆及后期大修。為便于計算,參考工程經驗及相關文獻先作如下假定:每年常規維護費用按照初始建設費用的0.05%;本工程為次干道橋梁,按Ⅳ類橋梁養護,檢測頻率取8年一次,按拱橋和鋼橋的檢測費用分別按照初始建設費用的0.15%和0.2%;鋼橋每20年一次的上漆費按照初始建設費用的4%;后期大修為交通超載、環境惡化、地震、洪水及碰撞等不可預知或偶然荷載造成的主要構件修復,結合相關統計資料和本項目特點:按照混凝土橋梁建成后大修2次,維修費用為初始建設費用的20%,鋼橋建成后大修2次,維修費用為初始建設費用的22%。

8:運營管理成本(萬元)

拱橋

方案

常規維護

檢測及監測

上漆

后期大修

71.4

107.1

0

571.2

鋼橋

方案

常規維護

檢測及監測

上漆

后期大修

77.9

155.8

311.6

685.5

4)運營管理環境成本

雖然在運營管理期間檢測手段、維修消耗材料不同,管理和維修頻率等基本一致,便于量化比較,參考建設階段環境成本所占比例得出:拱橋和鋼橋運營管理的環境成本分別按表8的26%和17%計取,費用分別為194.9和209.2萬元。

5)拆除階段及相應環境成本

橋梁拆除費用根據所采用的方案不同,使得拆除成本由很大的差異,本橋位于城市建設區內,為最小程度減少對河道影響、降低噪聲和大氣污染,采用最為環保的切割分塊吊裝法,根據工程經驗,鋼結構切割拆除費用遠小于混凝土切割,估算板拱橋拆除費用200萬元,鋼T構橋為120萬元。由于采用了相對環保的拆除工藝,故對拆除施工中的機械、車輛產生的大氣污染和噪聲污染成本忽略不計。

6)固體廢棄物處理的成本

由于本文分析的兩座比選橋型分別為混凝土橋和鋼橋,使得橋梁拆除時殘余價值出現巨大區別,對于混凝土橋殘余價值國內通用的做法是不考慮殘余價值,對于鋼橋的上部鋼結構部分一般要考慮其廢鋼回收經濟價值。

方案橋梁拆除階段固體廢棄物環境成本,主要是利用6與5,用建設階段工程材料乘以相應固體廢棄治理成本得到拆除階段固體廢棄環境總成本?,F將計算結果列于表9:

9:拆除階段固體廢棄環境成本(萬元)

拱橋

方案

固體廢棄存儲成本

固體廢棄治理成本

殘余價值

17.3

58.6

0

鋼橋

方案

固體廢棄存儲成本

固體廢棄治理成本

殘余價值

15.6

19.2

89.96

:廢舊鋼材取值800元/t

(6)結果分析

10:全壽命周期環境影響成本(萬元)

橋型

初始建設成本

建設階段環境成本

運營管理成本

運營管理環境成本

拆除階段成本

固體廢棄物處理的成本

拱橋

1428

375.6

749.7

194.9

200

75.9

鋼橋

1558

279.9

1230.8

209.2

120

-55.1

 

通過以上分析可以得出板拱橋與鋼T構橋的全壽命期成本分別3024.1萬元和3342.8萬元,兩方案的初始建設成本占其全壽命成本的比例分別為47.2%和46.6%;壽命周期的環境成本分別為646.4萬元和434萬元,占全壽命成本的比例分別為21.4%和13%。

4 結論

    (1)本文基于環境影響的全壽命周期成本采用量化的公式進行了實例分析,并對公式的各子項進行了簡化假定便于工程技術人員的使用,本公式值得橋梁可行性研究階段或方案評估階段參考使用以利于科學決策。

     (2)對于本實例橋梁的初始建設成本僅占全壽命周期成本的47%,故考慮橋梁全壽命期成本特別是將環境成本包括在內,對橋梁前期投資者后期運用管理者而言都具有指導作用,使得橋梁建設、服役期的經濟成本更加明朗化。

 (3)從本實例的全壽命成本計算結果可知,對于中小跨徑橋梁,混凝土橋梁在初始建設以及后期運營管理上都較鋼橋更具經濟優勢,究其主要原因在于鋼橋的上漆及保養維修費用較高,因此增強橋梁鋼材的耐久性并減少其維護保養成本對于增強鋼橋全壽命成本優勢具有重要意義。

(4)通過對實例中橋梁全壽命各階段環境成本分析計算可得出,雖然混凝土拱橋比鋼T構全壽命成本更低,但是T構橋在全壽命期各階段具有明顯的環境成本優勢,這一優勢符合當前經濟的可持續發展要求,因此在工程項目決策階段應當綜合考慮到環境成本因素。

 

5 

當前我國橋梁的方案比選中比較注重橋梁初始建設成本,而缺少對各方案橋的全壽命成本尤其是全壽命期各階段的環境成本的量化分析,并不符合我國經濟與社會可持續發展的要求。本文在綜合橋梁壽命周期成本理論和生命周期理論得基礎上針對城市橋梁考慮環境影響的全壽命成本進行分析計算,由于當前相應統計數據有限,因此在計算中提出的計算模型還需進一步完善,細化模型中參數計算。

 

參考文獻

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作者:文繼濤,自貢市城市規劃設計研究院有限責任公司,高級工程師,643000,18990096005;0813-2402717,52337046@qq.com

通信地址:四川省自貢市自流井區體育場南路19號自貢市城市規劃設計研究院有限責任公司,643000

 

文繼濤(1983.12),男,漢族,四川廣安人,高級工程師,工程碩士,自貢市城市規劃設計研究院有限責任公司,市政一所副所長兼主任工程師,從事道橋與巖土工程設計

 


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