地下地铁站结构三目标优化：可靠性、成本与碳排放的综合权衡研究

《Buildings》：Interactions Between Objective and Subjective Built Environments in Promoting Leisure Physical Activities: A Case Study of Urban Regeneration Streets in Beijing

本文提出了一种集成多目标优化框架，将结构可靠性（Pf）、全生命周期成本（CLC）和年均碳排放（ē）同时纳入目标函数。通过改进的多目标粒子群算法（OMOPSO）对广州某地铁站案例进行优化分析，结果表明增加保护层厚度是提升耐久性的最经济策略，而环氧涂层钢筋因成本过高被排除在帕累托集外。该研究为可持续地铁站设计提供了兼顾安全、经济与环境的决策支持。

　　

引言

建筑行业是全球温室气体排放的主要贡献者，约占全球能源消耗和碳排放的30-40%。在此背景下，体现碳评估和结构耐久性研究成为两个关键方向。现有研究往往孤立进行，缺乏将体现碳评估、概率退化建模和多目标优化整合的综合性框架。本研究以广州某地铁站为案例，旨在构建一个同时考虑结构可靠性、生命周期成本和碳排放的优化框架。

多目标分析框架

优化流程包含四个阶段：问题表述、模型构建、算法优化和决策解释。目标函数定义为最小化失效概率P_f、生命周期成本C_LC和年均碳排放ē，决策变量包括混凝土强度（x¹）、保护层厚度（x²）、环氧涂层钢筋使用（x³）及维护策略（x⁴-x⁹）。约束条件来源于设计规范、施工能力和业主需求。

优化采用OMOPSO算法，该算法通过ε支配机制、非支配排序和动态变异等策略保证解集的多样性和收敛性。关键参数包括粒子数、迭代次数和变异概率，确保计算效率与解质量的平衡。

案例研究

案例站点位于广州天河区，为四层地下结构，总长166.65米，最大埋深33.4米。研究边界聚焦施工和维护阶段，排除运营和拆除阶段。通过BIM模型计算材料用量，结合市场价格和碳排放因子建立成本-碳关系。

服务寿命函数基于三阶段退化模型：从服役开始到钢筋腐蚀起始（t_i）、腐蚀开始到保护层开裂（t_cr）、开裂到裂缝宽度限值（t_d）。使用环氧涂层钢筋可延长初始腐蚀耐受力约20年。维护措施通过参数x₄-x₉量化其对可靠性的提升效果。

成本函数涵盖直接材料成本和维护成本现值，折扣率设为5%。碳排放函数基于《建筑碳排放计算标准》（GB/T 51366-2019），计算材料和生产过程的碳排放量。

优化分析

设置约束条件：服务寿命≥90年、生命周期成本≤1800万元、年均碳排放≤25万公斤。三目标优化结果显示，保护层厚度普遍选择上限值，而环氧涂层钢筋未被采用。帕累托前沿揭示了三个目标间的复杂权衡关系。

敏感性与权衡分析

敏感性分析表明：混凝土强度从C25增至C55可使失效概率降低18%，但成本增加12%，碳排放上升9%；保护层厚度从40毫米增至55毫米可降低失效概率22%，而成本仅增2.8%；维护频率增加会提升可靠性，但伴随成本与碳排放的显著增长。保护层厚度被证明是提升可靠性的最经济策略。

实施与政策关联

优化结果需与工程规范（如GB50009-2012）和业主政策对接。建议将生命周期成本和碳评估集成到BIM工作流中，实现实时数据驱动决策。权重标准应根据项目目标灵活调整，例如可持续性优先时可赋予碳排放更高权重。

结论

本研究建立了地下地铁站结构的三目标优化框架，验证了其在平衡可靠性、经济性和环境影响的实用性。保护层厚度的优化是实现可持续设计的关键，而环氧涂层钢筋在当前条件下经济性不足。未来研究可扩展至不同结构类型和区域背景，进一步丰富决策支持能力。