綠色橋梁設計探討
2015-04-03
1、綠色設計的概念及設計原則
1.1、綠色設計的概念
綠色設計(Green Design)，也稱生態(tài)設計(Ecological Design)、可持續(xù)設計(Sustainable Design)、產品全生命周期設計(Product Life Cycle Design)等。是指在產品及其壽命周期全過程的設計中，要充分考慮對資源和環(huán)境的影響，在充分考慮產品的功能、質量、開發(fā)周期和成本的同時，更要優(yōu)化各種相關因素，使產品及其制造過程中對環(huán)境的總體負影響減到最小，產品的各項指標符合綠色環(huán)保要求的一種系統(tǒng)設計方法。相似于抗震設計，綠色設計是一種概念設計。綠色設計要對整個生產、生活系統(tǒng)物質能量的充分利用進行綜合分析,形成良性的生產循環(huán),它具有減量（Reduce）、重復利用（Reuse）、和循環(huán)（Recycle）的特點。其中減量是指節(jié)約資源、降低能耗,實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。重復利用是指在減少消耗的同時注重產品的再利用性,以最大程度的發(fā)揮產品的價值。循環(huán)指合理回收再利用廢棄物中有用成分以開發(fā)二次資源。
1.2、綠色設計的原則
綠色設計要遵從六項基本原則,即①產品全壽命周期閉環(huán)設計原則。從產品全生命周期出發(fā)，考慮產品的生命周期內各個階段對周圍環(huán)境的影響；②資源最佳利用原則。盡可能選用通過簡化產品結構實現(xiàn)可回收再利用性的可再生資源,并在產品的整個生命周期中最大限度的利用選用的資源的設計原則；③能源最佳利用原則。在產品整個生命周期循環(huán)中實現(xiàn)能耗最少，并盡可能的利用可再生能源；④污染極小化原則。在設計過程中就消除污染源,從根本上防止污染；⑤技術先進原則。應用最先進的技術來獲得最佳的生態(tài)經濟效益；⑥功能先進實用原則。綠色設計的最終目標是向用戶和社會提供功能先進實用的綠色產品。
2、橋梁結構物的產品特殊性
橋梁結構物具有極其特殊的特點,主要表現(xiàn)在:一是橋梁的建造在造價上和原材料的價格及設計、施工方案等相關,與市場的需要關系不大,基本是由政府部門根據社會、經濟的發(fā)展狀況來確定實施的；二是橋梁的建設規(guī)模導致橋梁設計對社會效益、經濟效益及生態(tài)效益影響巨大；三是橋梁設計的使用年限決定了其對社會、環(huán)境影響的深遠性；四是橋梁在其壽命范圍內的使用過程中不會產生對環(huán)境有害的垃圾但在超期服役后就變成了難以處理的廢棄物；五是橋梁需要具有抗侵蝕和抵御不利環(huán)境因素的能力。
3、綠色橋梁設計的思想
3.1、橋梁體系的選用
橋梁體系中的各種體系均有一定的適用范圍,在設計中要根據實際情況,對梁、拱、剛架、吊與組合體系進行合理的選用,避免提高造價和為建成后的養(yǎng)護造成困難。在橋梁設計中如若只一味地追求景觀效應,采用大量不同的體系進行設計,會出現(xiàn)很多弊端。首先會造成施工工藝復雜,需要使用大量不同的各種模板和機械設備。且使用構件的尺寸不能滿足受力要求；其次是對于一些不適用于上跨橋橋梁體系會造成視覺上的側向壓縮感使人感到壓抑。再次是由于索結構和鋼結構的橋梁對防腐的要求高,會造成建成后的養(yǎng)護工作繁雜,使投入加大,并且隨著交通的急速發(fā)展，上跨橋可能會改建，而復雜體系的橋梁改建難度非常大。以上這些弊端都不符合綠色設計的基本原則。所以在橋梁設計過程中應結合建設地周圍地理條件、采用相對簡潔、統(tǒng)一的結構體系。并充分考慮橋梁結構體系日后維護、改建的可行、便利。當然，復雜體系橋梁的景觀效果不能否定，只是不能過多。
3.2、橋梁結構設計
根據綠色設計的原則中的六項基本原則,在對橋梁結構進行設計時,要結合具體的實際情況,以橋梁的適用性 (serviceability)、安全性(safety)、經濟性(economy)和美觀性(aesthetics)為最終目標，進行技術先進的結構設計。
在設計中要準確分析結構受力, 充分考慮橋梁在其生命周期內所面臨的各種荷載、各種不利的環(huán)境因素以及自身承載能力的退化,通過全面精準的結構計算、科學合理的施工方案、綠色可循環(huán)的原料等方法在保證橋梁使用過程中的安全適用的前提下，減少材料能耗并降低環(huán)境污染。以最小的費用，實現(xiàn)最大的效益。在設計過程中還可以采用模塊化設計方法。模塊化的構件具有方便更換、拆除的優(yōu)點,而且拆除后的構件仍然具有較大的利用空間。
3.3、橋梁附屬設備的設計
伸縮縫、支座、排水系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等都是橋梁的附屬設備,他們雖然在工程造價中占用的比例不高,但也對整個橋梁的設計和應用起著重要的作用。目前大多數(shù)橋梁的排水系統(tǒng)設計比較簡單,不合理,使得大量的橋面污水肆意流淌直接擊打著地面,這種情況的形成正是當初在橋梁設計時未全面考慮環(huán)保因素而造成的。通過綠色設計可以實現(xiàn)對橋梁原有缺點的優(yōu)化,使設計更為合理和實用。通過選擇性能更優(yōu)越的PVC管等排水系統(tǒng)的材料可以使排水設備更輕質、節(jié)能、抗腐蝕。在設計中要根據當?shù)氐慕邓闆r進行水力計算來準確設置足夠數(shù)量的排水系統(tǒng)。通過設計合理的排水管數(shù)量使橋面排水更順暢。在通過排水系統(tǒng)將水引離橋面后,還要考慮如何對水流進行疏導。例如可以直接將水流引至排水溝，以減少其對地面的二次污染。同時可以采用連接管將多個橋面排水管連通后再接入同一套疏導系統(tǒng)的方法來達到使整個橋梁更美觀簡潔、更低能耗的目的。
3.4、橋梁結構的耐久性設計
橋梁結構的耐久性是橋梁設計中的重要考慮環(huán)節(jié),它決定著橋梁結構的使用壽命。使用壽命過短會造成資源的極大浪費,加大初期投資的成本和后期養(yǎng)護及維修費用成本,降低效益,違背了綠色設計的基本原則。在橋梁建設的初期設計中要根據其結構的用途對耐久性做出具體設計要求,對橋梁使用的材料、施工的便利性、橋梁的后期使用和維護以及功能過時和壽命期費用等因素都要在設計中進行充分考慮和關注。還要采取各種措施使橋梁結構在漫長的服役期內,能夠適應各種變化,從而能夠更好的為交通服務。要實現(xiàn)這個目標就需要在橋梁的設計階段對橋梁結構的可檢性、可修性、可換性、可強性、可控性及可持續(xù)性等因素進行充分的分析研究,要對傳統(tǒng)的設計理念提出挑戰(zhàn),如果橋梁建成后其各個部件無法順利實現(xiàn)檢查、更換、及時修復,且不能得到有效控制、加強和可持續(xù)發(fā)展,就會導致橋梁結構在內、外因復合作用下,逃不出破損,倒塌的命運。工程師在對橋梁設計時,要認識到橋梁整體結構和各組成部件的壽命是不同的,例如:拉索的使用年限一般為10年至40年；橡膠支座的使用期限要小于20年；橋體鋼結構的油漆保護年限最佳狀況為20年；而拉索護套的使用年限不到20年等等。在設計中,設計師要充分考慮這些自身壽命期低于結構設計壽命期的部件,要實現(xiàn)對橋梁結構設計的變形在構造上達到“可控”的目的,同時在構造上保證其建成后可查、可修、可換、可加強,只有這樣才能在日后的運營階段對橋梁進行有效的維修、加固,達到保證橋梁結構耐久性的目的。
3.5、達到設計使用年限后的橋梁的處理
對橋梁進行的綠色設計,須遍及整個橋梁的生命周期,這樣設計出的橋梁與傳統(tǒng)理念下設計的橋梁相比校更具優(yōu)越性。在注重綠色設計的同時對達到設計使用年限的橋梁的處理也要同樣給予重視。橋梁工程具有造價昂貴且不易回收再利用的特點,所以要以盡量延長其使用壽命為原則,對達己經到設計使用年限的橋梁,通過健康檢測來確定其承載能力,根據具體結果對可繼續(xù)使用的橋梁采用重新設定使用年限的方法處理,對于承載能力己經不能滿足使用條件的橋梁,可以采用降低等級或改作人行橋等方法來進行繼續(xù)使用。不得已需要拆除的情況下，要預先計劃好拆除產生的廢料綠色處理問題，這也是為什么橋梁設計中盡量采用綠色材料的重要原因。
4、結束語
總之，綠色是目前設計領域提出的一種全新的概念,在產品設計制造過程中,從形成概念到生產制造等各個階段,都以綠色理念為基礎,在設計制造中節(jié)約資源和能源,設法防止產品及工藝對環(huán)境產生的負作用,使設計出的產品更滿足綠色產品的要求,并從根本上防止污染。綠色橋梁是符合資源節(jié)約，可持續(xù)發(fā)展和綠色設計的主題思想、是橋梁工程全生命周期分析方法的體現(xiàn)，是橋梁工程設計創(chuàng)新發(fā)展的一個重要方向，是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一部分，應當大力提倡。
參考文獻
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