CN117763852B - 一种基于碳排放量最优化的桥梁设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于碳排放量最优化的桥梁设计方法，包括：建立桥梁结构全生命周期数据库；基于桥梁结构碳排放量最优化的准则，采用层次分析法结合最小梯度法，构建得到桥梁最优设计方案筛选模型。本发明以桥梁结构全生命周期碳排放总量最小为目标，通过建立前端数据汇总、优化过程控制并结合后端数据处理及数学运算，实现了桥梁结构方案设计阶段碳排放控制的最优化。

Description

一种基于碳排放量最优化的桥梁设计方法

技术领域

本发明属于桥梁设计技术领域，具体涉及一种基于碳排放量最优化的桥梁设计方法。

背景技术

随着气候变暖的加剧，控制碳排放量已达成人们共识。桥梁结构作为交通行业的主要组成部分，在碳排放领域占比较重，如果能通过精确的定量分析达到控制桥梁结构碳排放量的目的，对于“双碳”目标的实现大有裨益。

业内以往的碳排放量的研究大多集中在桥梁结构使用过程中的节能减排研究、属于过程控制，没有从源头的桥梁结构设计角度实现碳排放控制。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于碳排放量最优化的桥梁设计方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种基于碳排放量最优化的桥梁设计方法，包括以下步骤：

步骤1，建立桥梁结构全生命周期数据库；所述桥梁结构全生命周期数据库包括桥梁上部结构数据库、桥梁下部结构数据库和桥梁附属结构数据库；其中，所述桥梁上部结构数据库用于存储各种桥梁上部结构单元；所述桥梁下部结构数据库用于存储各种桥梁下部结构单元；所述桥梁附属结构数据库用于存储各种桥梁附属结构单元；

步骤2，基于桥梁结构碳排放量最优化的准则，采用层次分析法结合最小梯度法，构建得到桥梁最优设计方案筛选模型，包括：

步骤2.1，确定需要设计的桥梁规模；

步骤2.2，预设需要设计的桥梁结构的能效等级；所述能效等级对应桥梁单位面积碳排放量区间值；

步骤2.3，根据步骤2.1的桥梁规模和步骤2.2的能效等级，得到需要设计的桥梁结构的全桥碳排放总量区间值；

步骤2.4，根据步骤1建立的桥梁结构全生命周期数据库，将需要设计的桥梁结构进行参数化分解，得到与需要设计的桥梁结构关联的参数化上部结构、参数化下部结构和参数化附属结构；

步骤2.5，采用层次分析法确定最优桥型和最优跨径；然后，对所述参数化上部结构、所述参数化下部结构和所述参数化附属结构进行组合，得到多种桥梁设计方案；

步骤2.6，对步骤2.5得到的每种桥梁设计方案，计算得到桥梁结构全生命周期的碳排放量；然后，通过梯度下降法筛选得到符合步骤2.3的全桥碳排放总量区间值，并且全桥碳排放总量最低的桥梁设计方案，作为最终设计得到的桥梁设计方案。

优选的，步骤1中，所述桥梁上部结构数据库用于存储的桥梁上部结构单元包括：桥梁上部结构的桥类型、桥梁上部结构的跨径、桥梁上部结构形式、桥梁上部结构截面、桥梁上部结构采用的材料、桥梁上部结构的施工工艺、桥梁上部结构所在的城市等级、桥梁上部结构的回收构件类别；

所述桥梁下部结构数据库用于存储的各种桥梁下部结构单元包括：桥梁下部结构的盖梁类型、桥梁下部结构的墩身类型、桥梁下部结构的台身类型、桥梁下部结构的系梁类型、桥梁下部结构的基础类型以及桥梁下部结构的设防要求；

所述桥梁附属结构数据库用于存储的各种桥梁附属结构单元包括：支座类型、伸缩缝类型、护栏类型、锥坡类型、搭板类型和铺装类型。

优选的，步骤2.5中，采用层次分析法确定最优跨径和最优桥型，具体为：将最优跨径和最优桥型统一表示为目标A；

步骤2.5.1，建立目标层、准则层和方案层的递阶层次结构模型；其中，目标层为目标A；准则层包括多个与目标A相关的准则层元素，各准则层元素表示为：B_i ^m，代表第m层的准则层的第i个准则层元素；方案层包括多种方案层元素，每种方案层元素为可选择的目标A的具体方案，方案层元素表示为：C_j，代表第j个方案层元素；

步骤2.5.2，对于每个准则层元素，根据其与上下层元素的比较标度，均构建得到比较判断矩阵；

步骤2.5.3，将每个比较判断矩阵的列向量归一化，按行乘积以及再归一化处理，得到特征向量；

步骤2.5.4，根据所述特征向量，求解得到每个比较判断矩阵的最大特征值；

步骤2.5.5，采用所述最大特征值对各个所述比较判断矩阵进行一致性指标检验，如果其没有通过一致性检验，则调节上下层元素的比较标度，重复进行步骤2.5.2到步骤2.5.5；如果通过一致性检验，则执行步骤2.5.6；

步骤2.5.6，对于m个准则层和1个方案层，共构成m+1层；每一层具有多个元素；对于m+1层构成的层次模型，进行以下计算：

步骤2.5.6.1，计算第k-1层中n_k-1个元素对总目标的排序权向量其中，k＝2,…,m+1；k-1代表m+1层层次模型中的第1层到第m层；

分别代表第k-1层中第1个元素,第2个元素,…,第n_k-1个元素对总目标的权重；

步骤2.5.6.2，计算第k层中n_k个元素对第k-1层的某个因素u_i的单准则排序权向量其中，对于与第k-1层第i个元素无支配关系的对应ω_ij取为0；

分别代表第k层中第1个元素,第2个元素,…,第n_k个元素对第k-1层的某个因素u_i的单准则权重；

步骤2.5.6.3，计算第k层中n_k个元素相对于总目标的排序权重向量

分别代表第k层中各个元素对第k-1层的第1个因素u₁,第2个因素u₂,…,第k-1个因素u_k-1的单准则排序权向量；

步骤2.5.6.4，将步骤2.5.6.3得到的排序权重向量中，权重最大的元素，作为设计的目标A的最优值。

本发明提供的一种基于碳排放量最优化的桥梁设计方法具有以下优点：

本发明以桥梁结构全生命周期碳排放总量最小为目标，通过建立前端数据汇总、优化过程控制并结合后端数据处理及数学运算，实现了桥梁结构方案设计阶段碳排放控制的最优化。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于碳排放量最优化的桥梁设计方法的整体流程示意图；

图2为本发明提供的桥梁跨径递阶层次结构模型整体框架图；

图3为本发明提供的桥梁类型递阶层次结构模型整体框架图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种基于碳排放量最优化的桥梁设计方法，主要思路为：

本发明是一种以碳排放总量最优化为导向的桥梁结构方案设计方法，本发明首先建立用于桥梁结构碳排放量计算使用的多维度基础数据库，该数据库包括不同结构形式、不同跨径、不同施工工艺、不同材料组成等的各类桥梁结构全生命周期碳排放计算所需的各类数据集。随后，本发明通过预设桥梁能效等级进而反算出全桥碳排放控制总量，同时本发明按照层次分析法筛选出来的桥型结构以及桥梁跨径布置，将桥梁结构设计方案整体模型进行参数化分解，形成包含数十种影响因子的参数化上部结构、参数化下部结构、参数化附属结构。随后，本发明对各个参数组成的桥梁设计方案的碳排放量进行计算，最后运用梯度下降法选择出碳排放总量满足限制条件的最优解方案。本发明以桥梁结构全生命周期碳排放总量最小为目标，通过建立前端数据汇总、优化过程控制并结合后端数据处理及数学运算，实现了桥梁结构方案设计阶段碳排放控制的最优化。通过本发明在项目上的应用，较之常规的在使用阶段进行碳排放量优化的方式，本发明的碳排放优化力度大大增加，优化效果显著。

本发明提供一种基于碳排放量最优化的桥梁设计方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1，建立桥梁结构全生命周期数据库；具体的，本发明收集若干桥梁结构施工图工程量清单数据，建立桥梁结构全生命周期数据库。所述桥梁结构全生命周期数据库包括桥梁上部结构数据库、桥梁下部结构数据库和桥梁附属结构数据库；其中，所述桥梁上部结构数据库用于存储各种桥梁上部结构单元；所述桥梁下部结构数据库用于存储各种桥梁下部结构单元；所述桥梁附属结构数据库用于存储各种桥梁附属结构单元；

本步骤中，所述桥梁上部结构数据库用于存储的桥梁上部结构单元包括：桥梁上部结构的桥类型、桥梁上部结构的跨径、桥梁上部结构形式、桥梁上部结构截面、桥梁上部结构采用的材料、桥梁上部结构的施工工艺、桥梁上部结构所在的城市等级、桥梁上部结构的回收构件类别；

所述桥梁下部结构数据库用于存储的各种桥梁下部结构单元包括：桥梁下部结构的盖梁类型、桥梁下部结构的墩身类型、桥梁下部结构的台身类型、桥梁下部结构的系梁类型、桥梁下部结构的基础类型以及桥梁下部结构的设防要求；

所述桥梁附属结构数据库用于存储的各种桥梁附属结构单元包括：支座类型、伸缩缝类型、护栏类型、锥坡类型、搭板类型和铺装类型。

例如：桥梁上部结构数据库包括各类桥梁上部结构(梁式桥、拱桥、斜拉桥、悬索桥、刚架桥)、各类跨径(单跨跨径在10m-300m)、各类结构形式(简支、连续、悬臂、拱)、各类截面(实心板、空心板、T梁、小箱梁、箱梁、桁架梁、矩形拱截面、哑铃型拱截面、悬索桥截面、斜拉桥截面)、各类材料(钢筋混凝土、预应力混凝土、钢材、圬工、组合材料)、各类施工工艺(现浇、预制、顶推)、各类城市(一类、二类、三类)、各类回收类别(上部混凝土、上部钢筋、上部钢板、下部钢筋、下部钢板、附属混凝土、附属钢筋、附属钢板)等多维度数据。

桥梁下部结构数据库包括各类盖梁(桥台常规盖梁、桥台异形盖梁、桥墩常规盖梁、桥墩异形盖梁)、各类墩身(双柱墩、三柱墩、矩形实体墩、薄壁空心墩、花瓶墩)、各类台身(U台、轻型桥台、柱式台、枕梁式桥台)、各类系梁(一类墩系梁、二类墩系梁、三类墩系梁、一类桩顶系梁、二类桩顶系梁、三类桩顶系梁)、各类基础(扩大矩形基础、扩大台阶基础、桩基础、拱座基础，悬索桥基础，斜拉桥基础)、各类设防要求(6度设防、七度设防、八度设防、九度设防)等多维度数据。

桥梁附属结构数据库包括各类支座(板式橡胶支座、盆式橡胶支座、抗震支座)、各类伸缩缝(无缝式伸缩缝、对接式伸缩缝、钢制支撑式伸缩缝、模数式伸缩缝)、各类护栏(景观护栏、防撞护栏、组合护栏)、各类锥坡(六棱块锥坡、浆砌石锥坡)、各类搭板(5m搭板、8m搭板)、各类铺装(混凝土铺装、沥青铺装)等多维度数据。

步骤2，桥梁设计方案筛选模型建立环节：基于桥梁结构碳排放量最优化的准则，采用层次分析法结合最小梯度法，构建得到桥梁最优设计方案筛选模型，包括：

步骤2.1，确定需要设计的桥梁规模；

具体的，根据桥址区地形地貌、地质条件、跨越要求以及道路等级确定桥梁的总长度以及桥梁宽度。

步骤2.2，预设需要设计的桥梁结构的能效等级；所述能效等级对应桥梁单位面积碳排放量区间值；

具体的，根据桥址区城市规模、能源耗量指标、业主要求等结合桥梁耗能数据库，预设需要设计的桥梁结构的能效等级。

步骤2.3，根据步骤2.1的桥梁规模和步骤2.2的能效等级，反算得到需要设计的桥梁结构的全桥碳排放总量区间值；

步骤2.4，根据步骤1建立的桥梁结构全生命周期数据库，将需要设计的桥梁结构进行参数化分解，得到与需要设计的桥梁结构关联的参数化上部结构、参数化下部结构和参数化附属结构；

具体的，将全桥分为上部结构、下部结构以及附属结构，并按照步骤1中构建的数据库中的多维数据，将上部结构、下部结构以及附属结构对应进行参数化分解。考虑到桥梁结构的桥型以及桥跨组合数据极其庞杂，且二者较难以准确的数据度量抉择，为了更好的提高方案选择的效率、优化基础数据构成模型，本发明在数据处理基础上采用层次分析法辅助进行方案筛选，即：采用层次分析法确定最优桥型和最优跨径。

步骤2.5，采用层次分析法确定最优桥型和最优跨径；然后，对所述参数化上部结构、所述参数化下部结构和所述参数化附属结构进行组合，根据截面形式、材料类别、受力方式、结构类型等随机组合，得到多种桥梁设计方案；

本步骤中，采用层次分析法确定最优跨径和最优桥型，具体为：将最优跨径和最优桥型统一表示为目标A；

步骤2.5.1，将相关元素根据目标、准则、方案之间的上下层逻辑关系进行分层，构建出目标层、准则层和方案层的递阶层次结构模型；如图2所示，为桥梁跨径递阶层次结构模型；如图3所示，为桥梁类型递阶层次结构模型；其中，目标层为目标A；准则层包括多个与目标A相关的准则层元素，各准则层元素表示为：B_i ^m，代表第m层的准则层的第i个准则层元素；方案层包括多种方案层元素，每种方案层元素为可选择的目标A的具体方案，方案层元素表示为：C_j，代表第j个方案层元素；

步骤2.5.2，对于每个准则层元素，根据其与上下层元素的比较标度，均构建得到比较判断矩阵；

具体的，上下层次中第i个元素与第j个元素比较标度记为a_ij，以此形成对于每一个元素及其支配的元素构成的多个比较判断矩阵(正互反矩阵)：

其中1≤i≤n、1≤j≤9，1≤k≤分层数。

步骤2.5.3，将每个比较判断矩阵的列向量归一化，按行乘积以及再归一化处理，得到特征向量；

具体的，根据步骤2.5.2得到的比较判断矩阵，将列向量归一化：

将按行乘积：

将归一化：

W＝(ω₁,ω₂,...,ω_n)^T

步骤2.5.4，根据所述特征向量，求解得到每个比较判断矩阵的最大特征值；

公式为：

步骤2.5.5，采用所述最大特征值对各个所述比较判断矩阵进行一致性指标检验，如果其没有通过一致性检验，则调节上下层元素的比较标度，重复进行步骤2.5.2到步骤2.5.5；如果通过一致性检验，则执行步骤2.5.6；

具体的，首先求出一致性指标CI：

再根据CI求出CR＝CI/IR,如果CR<0.1，则认为比较判断矩阵的一致性可以接受，如果CR≥0.1，则调整a_ij取值并重复步骤2.5.2到步骤2.5.5，直至一致性指标满足要求。

步骤2.5.6，对于m个准则层和1个方案层，共构成m+1层；每一层具有多个元素；对于m+1层构成的层次模型，进行以下计算：

步骤2.5.6.1，计算第k-1层中n_k-1个元素对总目标的排序权向量其中，k＝2,…,m+1；k-1代表m+1层层次模型中的第1层到第m层；

分别代表第k-1层中第1个元素,第2个元素,…,第n_k-1个元素对总目标的权重；

步骤2.5.6.2，计算第k层中n_k个元素对第k-1层的某个因素u_i的单准则排序权向量其中，对于与第k-1层第i个元素无支配关系的对应ω_ij取为0；

分别代表第k层中第1个元素,第2个元素,…,第n_k个元素对第k-1层的某个因素u_i的单准则权重；

步骤2.5.6.3，计算第k层中n_k个元素相对于总目标的排序权重向量

分别代表第k层中各个元素对第k-1层的第1个因素u₁,第2个因素u₂,…,第k-1个因素u_k-1的单准则排序权向量；

步骤2.5.6.4，将步骤2.5.6.3得到的排序权重向量中，权重最大的元素，作为设计的目标A的最优值。

步骤2.6，对步骤2.5得到的每种桥梁设计方案，计算得到桥梁结构全生命周期的碳排放量；然后，通过梯度下降法筛选得到符合步骤2.3的全桥碳排放总量区间值，并且全桥碳排放总量最低的桥梁设计方案，作为最终设计得到的桥梁设计方案。

本步骤具体操作步骤如下：

步骤2.6.1：将碳排放量的计算分为建材生产、运输、建造以及拆除4个阶段，将各阶段对应的上部结构、下部结构以及附属结构的各个参数组成的碳排放量数据集，对该数据集使用多元线性回归进行拟合，多元线性回归方程如下：

其中x为变量值(结构参数)，共包括p个变量值，分别为：x₁,x₂,…,x_p，θ为代求参数，共包括p+1个代求参数，分别为：θ₀,θ₁,…,θ_p；

步骤2.6.2：根据步骤2.6.1定义的回归方程，记偏差平方和为：

定义代价函数为：

其中m为数据个数，θ₀,θ₁为系数。定义向量方向为：定义学习率为α，其中θ₀,θ₁计算公式为：

由梯度下降法求得θ₀,θ₁，从而得到碳排放量最优的设计方案。

本发明提供一种基于碳排放量最优化的桥梁设计方法，具有以下特点：

1、以桥梁设计阶段为切入点，抓住主要因素，通过预设结构能效等级强化碳排放量优化，相较于常规的碳排放量优化方式，本发明的优化力度大幅提升，可最大限度实现桥梁结构的碳排放量优化。

2、提出桥梁结构单位面积碳排放量的概念，使数据对比更合理。

3、将桥梁结构拆分为上部结构、下部结构、附属结构进行分别计算再汇总，能更直观、快速的找出碳排放当量的关键影响因素。

4、将前端数据、过程计算纳入评价体系，形成闭环，避免单向计算导致的碳排放优化效力的缺失。

5、层次分析法与最小梯度法进行结合，大大优化了计算模型的数据规模，筛选效率大大提升。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于碳排放量最优化的桥梁设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，建立桥梁结构全生命周期数据库；所述桥梁结构全生命周期数据库包括桥梁上部结构数据库、桥梁下部结构数据库和桥梁附属结构数据库；其中，所述桥梁上部结构数据库用于存储各种桥梁上部结构单元；所述桥梁下部结构数据库用于存储各种桥梁下部结构单元；所述桥梁附属结构数据库用于存储各种桥梁附属结构单元；

步骤2，基于桥梁结构碳排放量最优化的准则，采用层次分析法结合最小梯度法，构建得到桥梁最优设计方案筛选模型，包括：

步骤2.1，确定需要设计的桥梁规模；

步骤2.2，预设需要设计的桥梁结构的能效等级；所述能效等级对应桥梁单位面积碳排放量区间值；

步骤2.3，根据步骤2.1的桥梁规模和步骤2.2的能效等级，得到需要设计的桥梁结构的全桥碳排放总量区间值；

步骤2.4，根据步骤1建立的桥梁结构全生命周期数据库，将需要设计的桥梁结构进行参数化分解，得到与需要设计的桥梁结构关联的参数化上部结构、参数化下部结构和参数化附属结构；

步骤2.5，采用层次分析法确定最优桥型和最优跨径；然后，对所述参数化上部结构、所述参数化下部结构和所述参数化附属结构进行组合，得到多种桥梁设计方案；

步骤2.6，对步骤2.5得到的每种桥梁设计方案，计算得到桥梁结构全生命周期的碳排放量；然后，通过梯度下降法筛选得到符合步骤2.3的全桥碳排放总量区间值，并且全桥碳排放总量最低的桥梁设计方案，作为最终设计得到的桥梁设计方案。

2.根据权利要求1所述的一种基于碳排放量最优化的桥梁设计方法，其特征在于，步骤1中，所述桥梁上部结构数据库用于存储的桥梁上部结构单元包括：桥梁上部结构的桥类型、桥梁上部结构的跨径、桥梁上部结构形式、桥梁上部结构截面、桥梁上部结构采用的材料、桥梁上部结构的施工工艺、桥梁上部结构所在的城市等级、桥梁上部结构的回收构件类别；

所述桥梁下部结构数据库用于存储的各种桥梁下部结构单元包括：桥梁下部结构的盖梁类型、桥梁下部结构的墩身类型、桥梁下部结构的台身类型、桥梁下部结构的系梁类型、桥梁下部结构的基础类型以及桥梁下部结构的设防要求；

所述桥梁附属结构数据库用于存储的各种桥梁附属结构单元包括：支座类型、伸缩缝类型、护栏类型、锥坡类型、搭板类型和铺装类型。

3.根据权利要求1所述的一种基于碳排放量最优化的桥梁设计方法，其特征在于，步骤2.5中，采用层次分析法确定最优跨径和最优桥型，具体为：将最优跨径和最优桥型统一表示为目标A；

步骤2.5.1，建立目标层、准则层和方案层的递阶层次结构模型；其中，目标层为目标A；准则层包括多个与目标A相关的准则层元素，各准则层元素表示为：B_i ^m，代表第m层的准则层的第i个准则层元素；方案层包括多种方案层元素，每种方案层元素为可选择的目标A的具体方案，方案层元素表示为：C_j，代表第j个方案层元素；

步骤2.5.2，对于每个准则层元素，根据其与上下层元素的比较标度，均构建得到比较判断矩阵；

步骤2.5.3，将每个比较判断矩阵的列向量归一化，按行乘积以及再归一化处理，得到特征向量；

步骤2.5.4，根据所述特征向量，求解得到每个比较判断矩阵的最大特征值；

步骤2.5.5，采用所述最大特征值对各个所述比较判断矩阵进行一致性指标检验，如果其没有通过一致性检验，则调节上下层元素的比较标度，重复进行步骤2.5.2到步骤2.5.5；如果通过一致性检验，则执行步骤2.5.6；

步骤2.5.6，对于m个准则层和1个方案层，共构成m+1层；每一层具有多个元素；对于m+1层构成的层次模型，进行以下计算：

步骤2.5.6.1，计算第k-1层中n_k-1个元素对总目标的排序权向量其中，k＝2,…,m+1；k-1代表m+1层层次模型中的第1层到第m层；

分别代表第k-1层中第1个元素,第2个元素,…,第n_k-1个元素对总目标的权重；

步骤2.5.6.2，计算第k层中n_k个元素对第k-1层的某个因素u_i的单准则排序权向量其中，对于与第k-1层第i个元素无支配关系的对应ω_ij取为0；

分别代表第k层中第1个元素,第2个元素,…,第n_k个元素对第k-1层的某个因素u_i的单准则权重；

步骤2.5.6.3，计算第k层中n_k个元素相对于总目标的排序权重向量

分别代表第k层中各个元素对第k-1层的第1个因素u₁,第2个因素u₂,…,第k-1个因素u_k-1的单准则排序权向量；

步骤2.5.6.4，将步骤2.5.6.3得到的排序权重向量中，权重最大的元素，作为设计的目标A的最优值。