基于成本-功能分析的公路橋梁伸縮裝置優(yōu)化選型

張愛華，王 楓，許 亮，徐子岸

(1.湖北路橋集團有限公司，湖北 武漢 430000;2.武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430073)

1 引 言

眾多學(xué)者致力于伸縮裝置更換選型決策系統(tǒng)的構(gòu)建及決策模型的優(yōu)化，但在橋梁伸縮裝置最優(yōu)更換選型方案的決策方面，缺乏量性結(jié)合的系統(tǒng)性研究。為建立科學(xué)、經(jīng)濟、智能的橋梁伸縮裝置更換優(yōu)化選型決策系統(tǒng)，本文分析了影響橋梁伸縮裝置設(shè)計、施工、管理各階段的關(guān)鍵指標(biāo)因素，運用層次分析法計算了更換優(yōu)化選型數(shù)學(xué)模型的功能系數(shù)，運用全生命周期評估理論，進行了基于伸縮裝置經(jīng)濟成本效益分析，基于價值工程進行了選型，并結(jié)合一個伸縮裝置更換實例進行了應(yīng)用分析。

2 基于成本-功能分析的裝置更換選型

2.1 考慮全壽命周期經(jīng)濟成本的數(shù)學(xué)模型

伸縮裝置全壽命周期經(jīng)濟成本包括建設(shè)期初始成本，運營期車輛運營成本、交通延誤成本、養(yǎng)護成本，及拆除期拆除成本。

(1)建設(shè)期

初始成本()。橋梁伸縮裝置建設(shè)期初始成本主要包括人工、材料、機具、管理費用等，初始成本的計算如公式(1)

=×

(1)

式中：為橋梁伸縮裝置建設(shè)單價；為橋梁伸縮裝置總長。

(2)運營期

車輛運營成本()，由公式(2)計算

(2)

式中：為維護段長度；為維護期車速；為正常運營期車速；為平均車流量；為維護天數(shù)；為車輛運營費用平均值。

交通延誤成本()由公式(3)計算

(3)

式中：為橋梁用戶單位時間價值，根據(jù)當(dāng)?shù)鼐用衿骄べY及乘客平均人數(shù)計算。

養(yǎng)護成本()主要包括檢測及維修成本，可由公式(4)計算

(4)

式中：為年均檢測和維修綜合費用；為社會折現(xiàn)率；為橋梁伸縮裝置的服役年限。

(3)拆除期

伸縮裝置的拆除成本()與裝置建設(shè)期的初始成本密切相關(guān)，由公式(5)計算

(5)

式中：為拆除成本占建設(shè)期初始成本比重。

綜上，橋梁伸縮裝置全壽命周期成本()見公式(6)

(6)

式中：表示單項成本。

2.2 經(jīng)濟系數(shù)評價

根據(jù)上文提出的全壽命周期經(jīng)濟成本分析模型，可對橋梁伸縮裝置更換選型方案進行經(jīng)濟系數(shù)評價。經(jīng)濟系數(shù)可由單一備選方案成本占據(jù)各類方案總成本的比重來表征，如公式(7)所示

(7)

式中：為經(jīng)濟系數(shù)(Cost coefficient)，表示橋梁伸縮裝置更換選型方案。

2.3 功能系數(shù)評價

通過指標(biāo)分析，遴選出了橋梁伸縮裝置設(shè)計(溫度變化、縱向坡度、撓度、收縮、徐變、平整度)、施工(防排水、施工難度、施工周期)、運營(檢測、維修、更換)等影響裝置功能的12個重要指標(biāo)因素。綜合各項指標(biāo)因素，采用層次分析法建立了層次結(jié)構(gòu)模型，并通過德爾菲法即專家調(diào)查法為明確各項因素的重要程度進行權(quán)重的分配與賦值，計算出各方案的功能系數(shù)。

具體評價方法為

(8)

式中：表示功能系數(shù)(Performance coefficient)；和分別為準(zhǔn)則層和指標(biāo)層中各因素的權(quán)重向量；表示指標(biāo)；為備選更換方案各項指標(biāo)的得分值，其值域為0～100，可由德爾菲法，即專家調(diào)查法進行賦值。

2.4 綜合評價

項目的價值可由功能性與經(jīng)濟性間的比值所表征，如公式(9)。據(jù)此，可對橋梁伸縮裝置更換選型方案進行綜合評價。

(9)

式中：為價值系數(shù)(Value coefficient)。

3 橋梁伸縮裝置更換選型實例

橋梁全長為20.6 m，寬度為12 m，原采用MA型模數(shù)式伸縮裝置，其核定伸縮量為80 mm。在長期環(huán)境影響和重載車輛沖擊作用下，橋梁伸縮裝置技術(shù)狀況每況愈下，需要進行更換。本項目中所采用的備選方案如下：方案A：MA型模數(shù)式橋梁伸縮裝置(允許伸縮量20～80 mm)；方案B：SC型梳齒板式橋梁伸縮裝置(允許伸縮量60～240 mm)。

3.1 計算參數(shù)

依據(jù)市場調(diào)研結(jié)合項目開展實際情況，所確定的橋梁伸縮裝置全壽命周期經(jīng)濟成本分析數(shù)學(xué)模型中的計算參數(shù)如表1所示。

表1 全壽命周期經(jīng)濟成本分析計算參數(shù)

表1(續(xù))

3.2 經(jīng)濟系系數(shù)評價

根據(jù)全壽命周期模型針對橋梁伸縮裝置更換進行經(jīng)濟成本分析，從而得到經(jīng)濟系數(shù)評價的結(jié)果(保留至兩位小數(shù))，如表2。

表2 更換方案經(jīng)濟系數(shù)評價 單位：萬元

3.3 功能系數(shù)評價

由上文得知，方案A的功能系數(shù)為0.854，方案B的功能系數(shù)為0.835。

3.4 綜合評價

綜上所述，依據(jù)所取得的更換方案功能系數(shù)評價及經(jīng)濟系數(shù)評價結(jié)果，可結(jié)合公式9進行基于價值工程的綜合評價，其結(jié)果如表3所示。

表3 更換方案綜合評價

可知，與更換方案A相比，方案B兼具更高的功能系數(shù)及更低的經(jīng)濟系數(shù)，從而使得其價值系數(shù)優(yōu)于前者。這表明SC型梳齒板式伸縮裝置可作為最優(yōu)選型方案投入到橋梁的伸縮裝置更換項目中。

4 結(jié) 論

(1)建立了橋梁伸縮裝置全壽命周期經(jīng)濟成本分析模型，實現(xiàn)對橋梁伸縮裝置更換選型方案的經(jīng)濟性和功能性評價，并建立了基于價值系數(shù)指標(biāo)的綜合評價方法。

(2)通過實例開展了橋梁伸縮裝置更換優(yōu)化選型工作，遴選出了兼具高功能系數(shù)、低成本系數(shù)的最優(yōu)更換方案，驗證了所提優(yōu)化選型方法的合理性和可行性，能夠在滿足裝置功能需求的前提下爭取可觀的成本節(jié)約，實現(xiàn)項目層面上的價值增值，對橋梁伸縮裝置更換優(yōu)化選型方案的決策具有參考作用。