綠色橋梁設(shè)計(jì)探討
2015-04-03
1、綠色設(shè)計(jì)的概念及設(shè)計(jì)原則
1.1、綠色設(shè)計(jì)的概念
綠色設(shè)計(jì)(Green Design)，也稱生態(tài)設(shè)計(jì)(Ecological Design)、可持續(xù)設(shè)計(jì)(Sustainable Design)、產(chǎn)品全生命周期設(shè)計(jì)(Product Life Cycle Design)等。是指在產(chǎn)品及其壽命周期全過程的設(shè)計(jì)中，要充分考慮對(duì)資源和環(huán)境的影響，在充分考慮產(chǎn)品的功能、質(zhì)量、開發(fā)周期和成本的同時(shí)，更要優(yōu)化各種相關(guān)因素，使產(chǎn)品及其制造過程中對(duì)環(huán)境的總體負(fù)影響減到最小，產(chǎn)品的各項(xiàng)指標(biāo)符合綠色環(huán)保要求的一種系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。相似于抗震設(shè)計(jì)，綠色設(shè)計(jì)是一種概念設(shè)計(jì)。綠色設(shè)計(jì)要對(duì)整個(gè)生產(chǎn)、生活系統(tǒng)物質(zhì)能量的充分利用進(jìn)行綜合分析,形成良性的生產(chǎn)循環(huán),它具有減量（Reduce）、重復(fù)利用（Reuse）、和循環(huán)（Recycle）的特點(diǎn)。其中減量是指節(jié)約資源、降低能耗,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。重復(fù)利用是指在減少消耗的同時(shí)注重產(chǎn)品的再利用性,以最大程度的發(fā)揮產(chǎn)品的價(jià)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(shè)計(jì)的原則
綠色設(shè)計(jì)要遵從六項(xiàng)基本原則,即①產(chǎn)品全壽命周期閉環(huán)設(shè)計(jì)原則。從產(chǎn)品全生命周期出發(fā)，考慮產(chǎn)品的生命周期內(nèi)各個(gè)階段對(duì)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(jiǎn)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)可回收再利用性的可再生資源,并在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期中最大限度的利用選用的資源的設(shè)計(jì)原則；③能源最佳利用原則。在產(chǎn)品整個(gè)生命周期循環(huán)中實(shí)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(shè)計(jì)過程中就消除污染源,從根本上防止污染；⑤技術(shù)先進(jìn)原則。應(yīng)用最先進(jìn)的技術(shù)來獲得最佳的生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益；⑥功能先進(jìn)實(shí)用原則。綠色設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是向用戶和社會(huì)提供功能先進(jìn)實(shí)用的綠色產(chǎn)品。
2、橋梁結(jié)構(gòu)物的產(chǎn)品特殊性
橋梁結(jié)構(gòu)物具有極其特殊的特點(diǎn),主要表現(xiàn)在:一是橋梁的建造在造價(jià)上和原材料的價(jià)格及設(shè)計(jì)、施工方案等相關(guān),與市場(chǎng)的需要關(guān)系不大,基本是由政府部門根據(jù)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展?fàn)顩r來確定實(shí)施的；二是橋梁的建設(shè)規(guī)模導(dǎo)致橋梁設(shè)計(jì)對(duì)社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益及生態(tài)效益影響巨大；三是橋梁設(shè)計(jì)的使用年限決定了其對(duì)社會(huì)、環(huán)境影響的深遠(yuǎn)性；四是橋梁在其壽命范圍內(nèi)的使用過程中不會(huì)產(chǎn)生對(duì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中要根據(jù)實(shí)際情況,對(duì)梁、拱、剛架、吊與組合體系進(jìn)行合理的選用,避免提高造價(jià)和為建成后的養(yǎng)護(hù)造成困難。在橋梁設(shè)計(jì)中如若只一味地追求景觀效應(yīng),采用大量不同的體系進(jìn)行設(shè)計(jì),會(huì)出現(xiàn)很多弊端。首先會(huì)造成施工工藝復(fù)雜,需要使用大量不同的各種模板和機(jī)械設(shè)備。且使用構(gòu)件的尺寸不能滿足受力要求；其次是對(duì)于一些不適用于上跨橋橋梁體系會(huì)造成視覺上的側(cè)向壓縮感使人感到壓抑。再次是由于索結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的橋梁對(duì)防腐的要求高,會(huì)造成建成后的養(yǎng)護(hù)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(huì)改建，而復(fù)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(shè)計(jì)的基本原則。所以在橋梁設(shè)計(jì)過程中應(yīng)結(jié)合建設(shè)地周圍地理?xiàng)l件、采用相對(duì)簡(jiǎn)潔、統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)體系。并充分考慮橋梁結(jié)構(gòu)體系日后維護(hù)、改建的可行、便利。當(dāng)然，復(fù)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)綠色設(shè)計(jì)的原則中的六項(xiàng)基本原則,在對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),要結(jié)合具體的實(shí)際情況,以橋梁的適用性 (serviceability)、安全性(safety)、經(jīng)濟(jì)性(economy)和美觀性(aesthetics)為最終目標(biāo)，進(jìn)行技術(shù)先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
在設(shè)計(jì)中要準(zhǔn)確分析結(jié)構(gòu)受力, 充分考慮橋梁在其生命周期內(nèi)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(zhǔn)的結(jié)構(gòu)計(jì)算、科學(xué)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(fèi)用，實(shí)現(xiàn)最大的效益。在設(shè)計(jì)過程中還可以采用模塊化設(shè)計(jì)方法。模塊化的構(gòu)件具有方便更換、拆除的優(yōu)點(diǎn),而且拆除后的構(gòu)件仍然具有較大的利用空間。
3.3、橋梁附屬設(shè)備的設(shè)計(jì)
伸縮縫、支座、排水系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等都是橋梁的附屬設(shè)備,他們雖然在工程造價(jià)中占用的比例不高,但也對(duì)整個(gè)橋梁的設(shè)計(jì)和應(yīng)用起著重要的作用。目前大多數(shù)橋梁的排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)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(dāng)初在橋梁設(shè)計(jì)時(shí)未全面考慮環(huán)保因素而造成的。通過綠色設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁原有缺點(diǎn)的優(yōu)化,使設(shè)計(jì)更為合理和實(shí)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(shè)備更輕質(zhì)、節(jié)能、抗腐蝕。在設(shè)計(jì)中要根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕邓闆r進(jìn)行水力計(jì)算來準(zhǔn)確設(shè)置足夠數(shù)量的排水系統(tǒng)。通過設(shè)計(jì)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(duì)水流進(jìn)行疏導(dǎo)。例如可以直接將水流引至排水溝，以減少其對(duì)地面的二次污染。同時(shí)可以采用連接管將多個(gè)橋面排水管連通后再接入同一套疏導(dǎo)系統(tǒng)的方法來達(dá)到使整個(gè)橋梁更美觀簡(jiǎn)潔、更低能耗的目的。
3.4、橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)
橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性是橋梁設(shè)計(jì)中的重要考慮環(huán)節(jié),它決定著橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命。使用壽命過短會(huì)造成資源的極大浪費(fèi),加大初期投資的成本和后期養(yǎng)護(hù)及維修費(fèi)用成本,降低效益,違背了綠色設(shè)計(jì)的基本原則。在橋梁建設(shè)的初期設(shè)計(jì)中要根據(jù)其結(jié)構(gòu)的用途對(duì)耐久性做出具體設(shè)計(jì)要求,對(duì)橋梁使用的材料、施工的便利性、橋梁的后期使用和維護(hù)以及功能過時(shí)和壽命期費(fèi)用等因素都要在設(shè)計(jì)中進(jìn)行充分考慮和關(guān)注。還要采取各種措施使橋梁結(jié)構(gòu)在漫長(zhǎng)的服役期內(nèi),能夠適應(yīng)各種變化,從而能夠更好的為交通服務(wù)。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)就需要在橋梁的設(shè)計(jì)階段對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的可檢性、可修性、可換性、可強(qiáng)性、可控性及可持續(xù)性等因素進(jìn)行充分的分析研究,要對(duì)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念提出挑戰(zhàn),如果橋梁建成后其各個(gè)部件無法順利實(shí)現(xiàn)檢查、更換、及時(shí)修復(fù),且不能得到有效控制、加強(qiáng)和可持續(xù)發(fā)展,就會(huì)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)在內(nèi)、外因復(fù)合作用下,逃不出破損,倒塌的命運(yùn)。工程師在對(duì)橋梁設(shè)計(jì)時(shí),要認(rèn)識(shí)到橋梁整體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的油漆保護(hù)年限最佳狀況為20年；而拉索護(hù)套的使用年限不到20年等等。在設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)師要充分考慮這些自身壽命期低于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命期的部件,要實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的變形在構(gòu)造上達(dá)到“可控”的目的,同時(shí)在構(gòu)造上保證其建成后可查、可修、可換、可加強(qiáng),只有這樣才能在日后的運(yùn)營階段對(duì)橋梁進(jìn)行有效的維修、加固,達(dá)到保證橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的目的。
3.5、達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限后的橋梁的處理
對(duì)橋梁進(jìn)行的綠色設(shè)計(jì),須遍及整個(gè)橋梁的生命周期,這樣設(shè)計(jì)出的橋梁與傳統(tǒng)理念下設(shè)計(jì)的橋梁相比校更具優(yōu)越性。在注重綠色設(shè)計(jì)的同時(shí)對(duì)達(dá)到設(shè)計(jì)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(jià)昂貴且不易回收再利用的特點(diǎn),所以要以盡量延長(zhǎng)其使用壽命為原則,對(duì)達(dá)己經(jīng)到設(shè)計(jì)使用年限的橋梁,通過健康檢測(cè)來確定其承載能力,根據(jù)具體結(jié)果對(duì)可繼續(xù)使用的橋梁采用重新設(shè)定使用年限的方法處理,對(duì)于承載能力己經(jīng)不能滿足使用條件的橋梁,可以采用降低等級(jí)或改作人行橋等方法來進(jìn)行繼續(xù)使用。不得已需要拆除的情況下，要預(yù)先計(jì)劃好拆除產(chǎn)生的廢料綠色處理問題，這也是為什么橋梁設(shè)計(jì)中盡量采用綠色材料的重要原因。
4、結(jié)束語
總之，綠色是目前設(shè)計(jì)領(lǐng)域提出的一種全新的概念,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過程中,從形成概念到生產(chǎn)制造等各個(gè)階段,都以綠色理念為基礎(chǔ),在設(shè)計(jì)制造中節(jié)約資源和能源,設(shè)法防止產(chǎn)品及工藝對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)作用,使設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品更滿足綠色產(chǎn)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)創(chuàng)新發(fā)展的一個(gè)重要方向，是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一部分，應(yīng)當(dāng)大力提倡。
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