以往地震的经验表明，按照地震规范建造的建筑物通常能够避免倒塌，但会带来巨大的经济损失[1]、[2]。2011年基督城地震就是一个典型的例子：尽管只有两座建筑物按照现代规范建造，但仍有70%的市中心建筑物因严重损坏而需要拆除，该城市的中央商务区因此闲置了两年。这表明，仅关注结构设计的规范要求不足以实现理想的抗震性能。解决这一问题的有效方法是采用基于性能的地震工程（Performance-Based Earthquake Engineering, PBEE）方法。
在PBEE中，可以通过可量化的后果（如修复成本、人员伤亡和占用时间的中断）来评估建筑物在地震事件中的性能。经济标准容易被业主和相关方理解。生命周期成本（Life Cycle Cost, LCC）是一种经济性能指标，涵盖了建筑物整个生命周期内的所有成本，包括未来可能发生的地震相关的费用[3]。LCC是评估预期长期保持功能的建筑物性能的重要标准[4]。
LCCA可以集成到自动化的最优结构设计过程中。简而言之，最优设计过程应同时考虑初始成本和LCC。由于建造成本和LCC往往是相互竞争的目标，这种整合有助于得出帕累托最优设计方案。这种设计过程也被称为基于LCC的地震设计。实际上，基于LCC的地震设计涉及解决多目标优化问题。与仅旨在满足规范要求而忽略未来地震潜在成本的基于规范的设计不同，基于LCC的地震设计会考虑这些潜在成本。
在传统的基于LCC的设计中，会同时考虑初始成本和未来地震造成的成本。这种设计方法仅关注建筑物的经济方面，无论是初始成本还是未来地震可能造成的损害费用。然而，实现可持续建筑设计需要考虑建筑物的社会和环境方面。在可持续建筑设计的背景下，仔细考虑建筑物的环境影响至关重要。这包括从材料生产、建造、使用到处置的不同阶段的影响。材料生产阶段涉及将原材料运输到制造厂、加工材料以及储存成品。建造阶段包括将成品和其他材料运输到项目现场、在现场制造结构以及使用施工设备和工具。使用阶段涵盖了建筑物使用寿命期间的所有活动，包括运营、维护、修复、更换和改造。建筑物的寿命终结阶段包括多项活动，如拆除建筑物、将建筑废料运输到分类厂、对材料进行分类、将分类后的废料运输到回收厂或处置场所、回收可回收材料以及将不可回收材料填埋。
在研究建筑物环境影响的研究中，只有少数研究考虑了由于自然灾害（如地震）造成的损害而需要的修复活动对环境的影响。受损建筑物的重建和修复会带来额外的环境和能源消耗，这会进一步加剧环境负担。这些由自然灾害造成的损害修复所带来的环境影响通常被归类在建筑物生命周期的使用阶段。
在探讨地震损害影响的研究中，一些研究使用二氧化碳当量或无量纲参数等指标来衡量环境影响。然而，需要注意的是，这些指标主要用于比较不同结构系统的环境影响，并不直接适用于计算LCC和地震损害成本。另一方面，像Nouri等人[5]和Moghaddam等人[6]所做的研究将环境影响转化为财务术语，可以与地震损失相结合以计算LCC。虽然地震损害带来的环境影响可以纳入LCC，但目前还没有专门针对基于LCC的结构设计的研究考虑这些环境影响。
大多数现有研究以非货币形式评估环境影响，而在少数将影响转化为经济价值的研究中，也没有任何研究将其直接整合到结构设计过程中。尚未开发出一种全面的框架，能够系统地将环境影响整合到自动化的结构设计过程中，同时考虑与建造相关的环境和地震引起的环境成本。传统的基于LCC的设计方法忽略了环境因素。这一差距突显了需要一种统一的方法论，既能最小化总生命周期成本，又能同时考虑地震和环境影响，为设计师提供更明智和可持续的决策工具。
本文的主要目的是介绍一种设计方法，该方法的主要目标是降低LCC，同时将环境成本纳入LCC的计算中。所提出的设计方法被构建为一个优化问题，其中目标函数包括初始成本和LCC（包含环境成本）。简而言之，LCC的计算需要考虑地震造成的损失以及与结构建造和地震损害相关的环境成本。在文章的前几部分，解释了考虑环境影响的LCC计算方法。由于ET方法在减少计算时间方面的效率，因此在LCC计算中采用了该方法作为结构响应模型。在构建结构设计的优化问题时，地震规范要求和实际限制条件被作为约束条件。所提出的方法被应用于设计分别为4层、8层和12层的三种钢制特殊矩框架结构。所提出的设计方法被称为基于成本的设计（Cost-based design），它涵盖了所有成本要素，包括初始成本、地震引起的损失、转化为财务单位的初始环境影响以及以财务术语量化的地震引起的结构损害的环境影响。设计结果与三种基准设计进行了比较：基于规范的设计、传统的基于LCC的设计和基于环境LCC的设计。在基于规范的设计中，目标函数是结构的初始成本；在传统的基于LCC的设计中，目标函数是地震损害造成的损失；在基于环境LCC的设计中，目标函数是主要环境影响和地震引起的环境影响的综合影响（均以财务术语量化）。这些设计在初始成本、以财务单位量化的初始环境影响、地震引起的损失、以财务术语量化的地震损害环境影响以及总成本方面进行了比较。本文的其余部分安排如下：第2节全面回顾了关于基于生命周期成本的地震设计、建筑物环境影响和耐久时间（Endurance Time, ET）方法的现有文献；第3节介绍了基于成本的设计框架，详细说明了优化问题的构建，包括决策变量、目标函数和约束条件的定义；第4节描述了该方法在三种不同高度的钢制特殊矩框架结构中的应用；第5节展示了基于成本的设计结果，并将其与基于规范的设计、传统的基于LCC的设计和基于环境LCC的设计进行了比较；第6节进行了讨论，并总结了研究的主要发现和结论。
