彭华军，李 念

(1．四川南渝高速公路有限公司，四川南充637000;2．中交一航局第二工程有限责任公司，山东青岛266071)

1 绿色设计涵义及其基本设计原则

1.1 绿色设计的涵义

绿色设计(Green Design)，也称生态设计(Ecological Design)、可持续设计(Sustainable Design)、产品全生命周期设计(Product Life Cycle Design)等，是指借助产品生命周期中与产品相关的各类信息(技术信息、环境协调性信息、经济信息)，利用模块化设计、并行设计等各种先进的设计理论，使设计出的产品具有先进的技术性、良好的环境协调性以及合理的经济性的一种系统设计方法。绿色设计着眼于人与自然的生态平衡关系，在设计过程的每一个决策中都充分考虑到环境效益，尽量减少对环境的破坏。绿色设计不仅是一种技术层面的考量，更重要的是一种观念上的变革[2］。要求设计师放弃那种过分强调产品在景观上标新立异的做法，而是将重点放眼于真正意义上的创新，以一种更负责的方法去创造新产品的形态，用更简洁、耐久的造型使产品尽可能地延长其使用寿命。

1.2 绿色设计的基本设计原则

绿色设计的基本设计原则:①产品全寿命周期闭环设计原则。设计从产品的概念形成到生产制造、使用乃至废弃后的回收、利用及处理的各个阶段，即从全生命周期出发，考虑产品的生命周期各个阶段对周围环境的影响;②技术先进性原则。是绿色设计的前提，强调从技术上保证安全、可靠、经济地实现产品的各项功能和性能，保证产品生命周期全过程具有很好的环境协调性;③技术创新性原则。是绿色设计的灵魂，作为新兴交叉性边缘学科，要求设计师善于思考、敢于想象、大胆创新;④功能先进实用原则。是绿色设计根本原则，绿色设计的最终目标是向用户和社会提供功能先进实用的绿色产品;⑤环境协调性原则。通过绿色设计得到的产品应具有节能降耗和保护环境等特性;⑥资源最佳利用原则。尽可能选择可再生资源，避免因资源的不合理使用，而加剧稀有资源枯竭的危机;⑦能量最佳利用原则。尽可能地采用可再生能源，优化能源结构，力求使产品全生命周期中的能量消耗最少，以减少能源的浪费;⑧污染极小化原则。充分考虑如何使产品在其全生命周期中对环境的污染最小，如何消除污染源从根本上消除污染;⑨安全宜人性原则。要求产品在其中全生命周期过程中对人的身心健康造成的伤害最小;⑩综合效益最佳原则。考虑产品的全生命周期过程，以最低的成本费用收到最大的经济效益、生态效益和社会效益[1］。

2 桥梁工程概述

桥梁作为供铁路、公路、渠道、管线等线路跨越河流湖泊、山谷深沟或其它障碍具有承载能力的架空建筑物，其有投资成本高、使用寿命长、对周边经济、文化甚至政治的影响深远等特点，同时有使用和观赏两重功能，具有形体庞大、位置固定、设计和施工较少雷同、建造具有不可逆性且耗资巨大等特点，结构散布在社会各处，与人类的活动密切相关[3］。

3 绿色设计在桥梁工程应用

传统的桥梁工程设计主要考虑四大基本原则:适用性(serviceability)、安全性(safety)、经济性(economy)和美观性(aesthetics)[4］。设计的目标主要是满足桥梁在使用功能的基础上，尽量降低造价的同时增加桥梁的可观赏性。传统的桥梁工程设计几乎是离散考虑的，前后之间的整体利益考虑不够周全。借鉴《绿色建筑评价标准》(GB/T 50378－2006)中“绿色建筑”定义:指在建筑的全寿命周期内，最大限度地节约资源(节能、节地、节水、节材)，保护环境和减少污染，为人们提供健康、适用和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑[5］。桥梁作为一个有生命周期的建筑，应当在其全生命周期内进行绿色设计。即绿色设计在桥梁中的应用，应从桥梁的生命周期各个阶段上考虑:①勘测阶段、②设计阶段、③施工阶段、④运营阶段和⑤拆除阶段。

3.1 勘测阶段

桥梁工程的勘测阶段是桥梁生命周期的第一阶段，而且其成果的质量对后续的桥梁设计及施工影响很大。它包括初测、初勘、定测和详勘四部分。除了严格执行当前工程勘测规范之外，还应结合工程实际合理布置勘测任务。在调查研究完桥梁的具体任务和桥上交通种类及其要求后，选择2～3个经济合理的可供比较的桥位方案，再选择过程中除了要充分考虑每个方案能满足使用上的要求外，还要充分考虑方案对后期的影响，如勘测的可操作性、设计的合理性、施工的难易程度、后期运营使用和养护的成本以及未来对环境的影响等。

测量桥位附近的地形并绘制适合比例的地形图，对桥位所处区域进行地质钻探，并绘制地质剖面图。在勘测过程中，要根据工程实际灵活布置勘测点，不必全部按等间距布置。四川某院在进行巴南高速公路设计时，针对测区内为低山、丘陵及河谷平坝地形，地势西高东低、北高南低，随着路线而缓慢递降，区内北段低山连绵起伏，河谷切割较深，水网发育，鸡爪地形突出，山坡多呈台阶状;南段丘陵区丘包相间，沟谷纵横分割，江河弯转曲折，谷底宽展，为四川盆地典型之丘陵景观。勘测时先在已有的地形图上预先作出比选方案，对地形复杂地段勘测点可以布置密一些，而地形条件较好的区域可以布置稀疏一点，重点加强桥位工程地质勘察工作，在充分利用初步设计勘察成果资料的基础上，采用了物探、钻探、原位测试、室内试验等综合勘察手段，查明沿线桥位工程地质条件，这样既能如实准确的反应地形和地质状况，又能减少勘测成本。

调查测量河流的水文情况:如河床断面、流量、流速、历史洪水位资料等，在调查这些资料的过程时，务必从当地居民处调查得到第一手资料，再结合当地水文站的记录综合考虑。同航运部门确定航道等级、设计通航水位和通航净空要求;调查和收集有关气象资料，包括气温、雨量及风速等情况;向地震局单位确定桥位所处区域属于我国哪一类基本烈度区和历史上出现过地震的记录;调查当地的施工条件(包括建筑材料产地与供应、运输条件、桥位所处区域的农田和已有的建筑物和构筑物以及水电供应等)[6］。

3.2 设计阶段

桥梁结构的基本体系包括:梁式桥(beam bridge)、拱式桥(arch bridge)、刚架桥 (rigid frame bridge)、悬索桥(suspension bridge)和组合体系桥如:斜拉桥(cable stayed bridge)、系杆拱桥(tied arch bridge)及钢管混凝土拱桥(concrete－filled steel tubular arch bridge)等。每种基本体系都有它自己适用的范围，设计者可根据工程具体实际情况进行因地制宜地合理选用。绿色桥梁结构设计应采用概率性方法，以充分考虑各种作用及其组合、结构及其缺陷、监测误差、自然环境等众多的随机和不确定因素，从而对结构的可靠性、危险性、耐久性、全寿命经济性以及对环境的影响等作出正确的评估。设计应是桥梁结构全寿命设计，将更加注重荷载作用的过程和概率。

若设计者在桥型上盲目追求标新立异，这不仅会抬高工程造价，增加施工难度，从而拖延施工工期，也会给后期的维护和加固留下难题。若设计只追求景观，相邻两座桥采用不同体系，或者在相邻的几座上将不同体系的桥全部应用上，或者沿线的桥型不断变换体系，都是不从工程实际出发，都不是符合绿色设计思想的。这样做的后果带来的负面影响是:大量的体系变换使得设计者自己计算和绘图工作量加大，勘测成本和设计成本增加;还使得施工更复杂，对模板和其他设备需求的种类和数量都会加大，不仅会延长工期还会增加施工成本，如某院设计的在建的南大梁高速公路的多跨简支梁，为减小工程量，一座桥梁中存在多种直径的桥墩，相当同一座桥的施工也需要多种模板，直接增加施工成本;某些体系(如索结构)桥梁对后期的维护和保养费用高，而且不利于后期的改建或扩建。

除了严格执行当前的桥梁设计规范，在桥梁结构型式的选择、施工方案、桥梁与沿线景观的融合等方面，选择桥梁基本体系应当尽量采用经济桥型，因地制宜、就地取材，并便于进行大规模、工厂化施工管理和质量控制，力求结构标准化、统一化。在同一个施工区段采用比较统一的上下部结构型式，有利于进行规模化施工，降低工程造价，提高工程质量。四川某院在进行巴南高速公路设计时，除了K81+418新政嘉陵江特大桥结合桥位地形地质情况，设计方案如下:主桥采用(95+180+95)m连续刚构，引桥用30 m、40 m跨径T梁组合，具体布置为(6×30+5×40+(95+180+95)+9×30)m，全桥长1036 m，其余一般大桥、中桥采用20 m跨径小箱梁、30 m跨径T梁，通过调整预制梁长和翼板外悬臂来适应平曲线线形。切实贯彻“不破坏即是最好的保护”的设计理念。该项目沿线树林覆盖率高，自然环境优美，除个别跨线桥采用搭架现浇连续梁外，其余均采用预制安装结构，避免因搭架施工而砍伐大量树木;少在斜坡上开挖扩大基础、大承台等基坑，以免因开挖引起坡面坍塌而破坏植被;尽量采用塔吊、天线等运输设备，少开挖便道。对于跨越敏感水源地带的桥梁，设置桥面雨水收集系统，经净化处理后再排放，避免污染饮用水源。

其做法基本符合绿色设计要求及基原则:桥型简单，基本都是梁桥;结构标准化统一化，设计与施工的工作量都得以大大减化，缩短施工工期，节约模板和机具、节省建筑材料，可以更好的控制施工质量;都是上跨结构，利于将来交通的发展，方便进行道路扩建或改造，满足桥梁的可持续使用;桥梁作为一个有生命的建筑，其本身应该与周围环境相融洽成一体，体现绿色生命意义;将桥梁的前期设计和施工成本降低，后期运营保养费用降低，对周边的环境影响降到最低，从生命周期上来考虑，节约资源、节省能源、保护环境。

在选择施工原料上，要依据绿色设计的3R原则:Reduce(减少)、Recycle(循环使用)、Reuse(重复利用)尽量选用绿色材料，可循环利用材料。绿色材料特点包括材料本身的先进性(优质的、生产能耗低的材料);生产过程的安全性(低噪声、无污染);材料使用的合理性(节省的、可以回收的)以及符合现代工程学要求等。比如选择绿色混凝土:降低水泥用量，大量利用工业废料;比传统混凝土材料更有良好的力学性能和耐久性;具有与自然环境的协调性，减轻对环境的负荷，实现非再生性资源的可循环使用，节省能源，以及有害物质的“零排放”;能够为人类提供温和、舒适、便捷和安全的生存环境[7］。如高强、高耐久性混凝土、再生骨料混凝土、环保型混凝土和机敏型混凝土等。

3.3 施工阶段

桥梁工程施工的特点:固定场地、机具和材料;施工周期较长;施工程序和工艺不断变化调整。复杂的管理工作要求所有参建人员(建设方、设计方、施工方和监理方)必须相互协作，在施工中随时掌握工程进展的实际情况和存在的问题，采用科学的管理方法，从计划、技术、质量、造价、信息和企业规章制度等方面，切实有效地进行工作[8］。

桥梁施工使桥梁设计思想和设计意图得以实现，施工技术的发展为实现桥梁设计意图提供了灵活多样的手段，为增大桥梁跨度、改善结构性能和线形以及应用新材料提供了充分的条件。桥梁施工技术的发展将在各种施工方法和施工工艺上不断创新，以适应桥梁结构在体系、跨径、材料和结构性能等方面的发展要求。

桥梁施工应包括施工方法的选择，必要的施工验算，选择或设计制作施工机具设备，选购与运输建筑材料，安排水、电、动力、生活设施以及施工计划，施工组织与管理等方面的事务。施工是一项复杂而涉及面很广的工作，上至天文、气象、下至工程地质、水文、地貌、机械、电子、管理等各领域，同时与人的因素，与地方政府的关系密切。因此，现代的大型工程施工，应由多种行业的技术人员协力完成[8］。

对不同结构形式的桥梁，施工方法可不同;对体系复杂的桥梁，采用不同的施工方法，因其施工过程的结构受力体系各不相同，结构的内力将随结构计算图式的改变而变更，结构运营阶段的受力状况取决于所选用的施工方法。因此，在考虑桥梁设计方案时，必须根据实际情况，考虑施工的可能性、经济性与合理性;施工方法的选用可依据工程结构的跨度、孔数、桥梁总长、截面形式和尺寸、地形、设备能力、气候、运输条件、设备的重复使用等综合条件来选择。在技术设计中要计算施工各阶段结构的强度(应力)、变形和稳定性，桥梁设计要同时满足施工阶段与营运阶段的各项要求[8］。

桥梁工程的施工费用一般要占工程总造价的60%以上，近年来，受经济增长的影响，工程施工费用和劳动力的工资所占的比例呈上升趋势，对于特大跨径和结构比较复杂的桥梁更是如此，因此，施工造价对工程造价有着举足轻重的影响，选择合理的施工方案有助于降低工程造价。影响桥梁施工费用的主要因素是构件制作的费用、架设费用和工期。为在施工阶段降低工程造价、节省投资，除采取加强施工的组织管理、节约材料、提高机械设备的利用率等措施，一条重要途径是在施工中应用新技术、新工艺来改善施工条件。为此，桥梁施工的组织管理人员和工程技术人员必须有高度重视施工技术的合理应用，加强施工的科学管理，提高施工机械化的程度，组织专业化施工，使工程质量、施工期限、工程造价处于最优状态[8］。另外施工方案也不能仅为施工方便离散考虑，应根据桥梁绿色设计思想结合桥梁生命周期中运营阶段的维护成本综合权衡。

3.4 运营阶段

在桥梁的运营过程中，经营部门应严格监管通行车辆，严防超载、违规行驶，尤其是结构复杂的跨越江海、深沟的大桥，不同的车型都有设计的通行车道。虎门大桥的建成给当地的经济发展铺了一条腾飞的大道，但由于曾经夜间超载车辆过多，导致钢梁顶板出现最长近1 m的纵向裂缝，小裂纹不计其数，这对结构的安全构成严重威胁，同时对这些裂缝的修复工作是困难复杂的，维护造价也是相当高昂，最致命地是严重缩短桥梁的使用期限。对于有通航要求的桥梁，还必须注意船只的导向，曾经广东九江大桥就因为雾天导向不清使船只撞击桥墩而导致桥梁垮塌。

对于线路运营期间全线所有的桥梁应进行定期检查维护，对每座桥建立健康纪录档案，让桥梁从施工、运营到拆除阶段都有一个完整的记录，这样既可以了解每一个座桥梁的健康情况，就可以预测桥梁病害，即早筹备排查处理方案。

另外设计师在桥梁结构设计应引入绿色设计理念，使结构具有可检性(Examinability)、可修性(Repairability)、可换性(Replaceability)、可强性(Retrofittability)、可控性(Controllability)和可持续性(Sustainability)等六大特性。事实上，如果建成的桥梁结构不具备以上特征，在运营阶段各种复合作用下，结构维护困难、养护成本增高，甚至会缩短使用寿命。在一些大桥上为减少运营成本可以采用新型材料与新型能源相结合利用，如高墩和桥面长时间接受太阳照射，可在其表面采用太阳能材料，而墩柱之间在不影响通行净空的前提下可安装风能发电机，这样太阳能和风能都可转化为桥梁运营所需电能。

3.5 拆除阶段

桥梁达到设计使用年限后，可考虑将其拆除，但由于桥梁投资巨大，施工期限也较长，为减少社会资源浪费，一般情况，采取降等级使用或改作人行桥。不得已需要拆除的情况下，要预先计划好拆除产生的废料绿色处理问题，这就是为什么桥梁的建设尽量采用绿色材料，其一，可以减小对环境的污染，其二，拆除的材料还可进行二次利用。

4 结束语

绿色桥梁是符合资源节约，可持续发展和绿色设计的主题思想、是桥梁工程全生命周期分析方法的体现，是桥梁工程设计创新发展的一个重要方向，就我国目前现状人均资源稀缺的情况下，应当大力提倡对桥梁工程进行绿色设计，大力发展绿色桥梁。由于我们国家的绿色设计发展较晚，现阶段还没有完全成熟可靠具有较强的操作性的且适用于绿色桥梁的评价体系，应尽快建立一套适用于桥梁工程的绿色桥梁全生命周期分析评价方法，以更好的评价和指导绿色桥梁的发展。

[1]许彧青．绿色设计[J］．北京:北京理工大学出版社，2007(5):8－47

[2]刘志峰．绿色设计方法、技术及其应用[J］．北京:国防工业出版社，2008(9):15－144

[3]罗华莹．桥梁美学设计方法探索与研究[D］．西南交通大学，2006

[4]李亚东．桥梁工程概论[M］．成都:西南交通大学出版社，2001:30

[5]GB/T 50378－2006绿色建筑评价标准[S］

[6]邵旭东，胡建华．桥梁设计百问[M］．北京:人民交通出版社，2005

[7]姚武．绿色混凝土[M］．北京:化学工业出版社，2006

[8]魏红一．桥梁施工及组织管理[M］．北京:人民交通出版社，2008