Tối ưu hóa LCA của cầu bê tông dự ứng lực

Sự bền vững
Bài báo

Tối ưu hóa-LCA của cầu bê tơng dự ứng lực
Vicent Penad é s-Pl à 1, Tatiana Garc Tôi a-Segura 2, Jos é V. Mart Tôi 1 và V Tơi ctor Yepes 1, * TƠI
1

Viện Khoa học và Công nghệ Bê tông (ICITECH), Đại học Polit è cnica de Val è @cst.upv.es
è cnica de Val è

2

*



Nhận: 30/01/2018; Được chấp nhận: ngày 1 tháng 3 năm 2018; Xuất bản: ngày 2 tháng 3 năm 2018

Trừu tượng: Lĩnh vực xây dựng là một trong những lĩnh vực hoạt động sơi nổi nhất, có tác động kinh tế, mơi
trường và xã hội cao. Vì lý do này, thiết kế bền vững của các cấu trúc và tòa nhà là một xu hướng cần phải
được tuân theo. Cầu là một trong những cấu trúc quan trọng nhất trong lĩnh vực xây dựng, vì việc xây dựng
và bảo trì chúng là rất quan trọng để đạt được và duy trì giao thơng tốt nhất giữa các nơi khác nhau. Ngày
nay, việc lựa chọn thiết kế cầu phụ thuộc vào tiêu chí kinh tế ban đầu nhưng các tiêu chí khác cần được xem
xét để đánh giá khía cạnh mơi trường và xã hội. Hơn nữa, để có lựa chọn chính xác, cần phải tính đến sự thiếu
sót của các tiêu chí này trong vịng đời cầu. Nghiên cứu này nhằm mục đích phân tích tác động đến mơi
trường trong vịng đời của các cấu trúc phù hợp theo quan điểm kinh tế. Quy trình đánh giá vịng đời được sử
dụng để thu thập tất cả các thông tin môi trường về các cây cầu. Trong bài báo này, một cây cầu đúc sẵn bằng
bê tơng dự ứng lực được tối ưu hóa chi phí và sau đó, đánh giá vịng đời được thực hiện để đạt được thông tin
môi trường về cây cầu.

Từ khóa: Sự bền vững; cầu; đánh giá vịng đời; tối ưu hóa; Cơng thức

1. Giới thiệu
Cơ sở cho việc xác định phát triển bền vững nằm trong báo cáo của Ủy ban Brundtland [ 1 ], mơ tả nó là “ phát

triển đáp ứng nhu cầu của thế hệ hiện tại mà không ảnh hưởng đến nhu cầu của thế hệ tương lai ”. Ý tưởng này
ngụ ý xem xét các khía cạnh khác nhau của ba thành phần chính: kinh tế, mơi trường và xã hội. Do đó, đạt được
sự phát triển bền vững bao hàm sự đồng thuận giữa ba trụ cột chính này, thường có các mục tiêu khác nhau.
Wass và cộng sự. [ 2 ] tuyên bố rằng phát triển bền vững ngụ ý rằng một chiến lược ra quyết định phải được xem
xét. Ra quyết định là một q trình có thể giúp tìm ra giải pháp cung cấp sự dung hòa giữa các khía cạnh khác
nhau và do đó đạt được một giải pháp bền vững [ 3 , 4 ].
Lĩnh vực xây dựng là một trong những lĩnh vực hoạt động tích cực nhất và là một trong những lĩnh vực có
ảnh hưởng lớn hơn đến các khía cạnh kinh tế, mơi trường và xã hội trên thế giới. Điều này cho thấy nhu cầu về
xu hướng bền vững của các tòa nhà và cơng trình. Một trong những cấu trúc quan trọng nhất trong lĩnh vực
này là cầu. Việc xây dựng và bảo trì các cây cầu là rất quan trọng để tạo ra và giữ cho giao thông tốt nhất có thể
giữa các nơi khác nhau. Vì lý do này, việc đánh giá phát triển bền vững trong toàn bộ vịng đời là cần thiết.
Trong ba thành phần chính của phát triển bền vững, khía cạnh xã hội ít được nghiên cứu nhất và có nhiều nghi
ngờ về đánh giá của nó. Ngược lại, các khía cạnh kinh tế và môi trường đã được nghiên cứu chuyên sâu hơn và
thật thuận tiện để cho rằng việc xem xét chúng là phù hợp.

Sự bền vững 2018, 10, 685; doi: 10.3390 / su10030685

www.mdpi.com/journal/sustainability


Sự bền vững 2018, 10, 685

2 trên 17

chi phí và tác động môi trường thấp nhất. Mặc dù hai trụ cột của sự bền vững này có những điểm khác nhau
mục tiêu, một số cơng trình đã nêu rằng có mối quan hệ giữa chi phí và CO 2 sự phát thải của các cấu trúc [ 5 , 6 ].

Do đó, giảm chi phí đồng nghĩa với việc giảm lượng CO 2 khí thải.
Thu được chi phí hoặc CO thấp nhất 2 khí thải đã được nghiên cứu bởi một số cơng trình. Các thuật tốn tối ưu
hóa thường được sử dụng nhất để giảm chi phí hoặc CO 2 sự phát thải của các cơng trình. Trong một số
các trường hợp, điều này liên quan đến việc tối ưu hóa đơn mục tiêu về chi phí và CO 2 khí thải [ 5 - 7 ], trong khi các cơng
trình khác thực hiện tối ưu hóa đa mục tiêu để đạt được cả hai mục tiêu cùng một lúc [ số 8 , 9 ]. Mặc dù

mối quan hệ giữa chi phí và CO 2 phát thải, tác động môi trường không thể được đánh giá bằng cách lấy
vào tài khoản CO 2 khí thải một mình [ 10 ]. Vì lý do này, đánh giá tác động mơi trường phải đạt được một hồ sơ
mơi trường hồn chỉnh. Hồ sơ mơi trường hồn chỉnh này có thể được lấy bằng cách sử dụng
quy trình đánh giá vịng đời (LCA). LCA là một trong những phương pháp đánh giá tác động môi trường quan trọng và
được chấp nhận [ 11 - 16 ], làm cho nó trở thành một công cụ tuyệt vời để đánh giá tác động môi trường của một cây
cầu.

Trong bài báo này, một cầu 40 m bê tông dự ứng lực được chọn làm chủ đề của LCA tối ưu hóa. Việc tối
ưu hóa chi phí sẽ làm giảm chi phí của cây cầu trực tiếp và
CO liên kết 2 khí thải một cách gián tiếp. Q trình này làm cho nó có thể đạt được một cây cầu tối ưu hóa chi phí với
tác động mơi trường thấp. Sau khi hồn thành tối ưu hóa, tất cả các tính năng của chi phí được tối ưu hóa

Cây cầu sẽ được biết đến, bao gồm cả chi phí của nó nhưng tác động mơi trường vẫn chưa được thực hiện. LCA
làm cho nó có thể đạt được lợi ích mơi trường hồn chỉnh cho cây cầu được tối ưu hóa chi phí này. Với phương
pháp luận này, một cây cầu có chi phí được tối ưu hóa trực tiếp và tác động mơi trường được cải thiện và cuối
cùng có thể thực hiện LCA trong suốt thời gian tồn tại. Với mục đích này, một thuật toán memetic kết hợp được
sử dụng để thực hiện việc tối ưu hóa chi phí của cây cầu. Sau đó, cơ sở dữ liệu Ecoinvent [ 17 ] và phương thức
ReCiPe [ 18 ] được sử dụng để tiến hành q trình LCA của cầu.

2. Tối ưu hóa
Q trình tối ưu hóa được sử dụng để đạt được giải pháp tốt nhất cho một vấn đề. Quá trình này là một
sự thay thế rõ ràng cho các thiết kế dựa trên kinh nghiệm. Các phương pháp tối ưu hóa có thể được phân loại
thành các phương pháp chính xác và phương pháp heuristic. Một mặt, các phương pháp chính xác dựa trên các
thuật tốn tốn học giúp có được giải pháp tối ưu toàn cục [ 19 ]. Mặt khác, các phương pháp heuristic, bao gồm

một số lượng lớn các thuật toán [ 20 ], thu được một giải pháp tối ưu bắt đầu từ một giải pháp ban đầu. Các
phương pháp chính xác rất hữu ích trong các bài tốn có một số lượng nhỏ các biến, vì thời gian tính tốn trở
nên khơng khả thi đối với một số lượng lớn các biến. Các bài toán tối ưu hóa kết cấu là vấn đề cần giải quyết đối
với một số lượng lớn các biến thiết kế và do đó phương pháp heuristic là phương pháp hữu ích nhất để tối ưu
hóa kết cấu. Có một số lượng lớn các cơng trình sử dụng các thuật tốn heuristic để tối ưu hóa các loại cấu trúc
khác nhau [ số 8 , 9 , 21 ].
3. Đánh giá vòng đời
Đánh giá vòng đời (LCA) là một trong những phương pháp quan trọng nhất và được chấp nhận để đánh
giá tác động môi trường của một sản phẩm, quá trình hoặc dịch vụ trong tồn bộ vịng đời của nó, có tính đến
tất cả các hoạt động liên quan, được coi là đầu vào và kết quả đầu ra. Các giới hạn xác định cho các đầu vào và
đầu ra này là ranh giới của hệ thống và đại diện cho sơ đồ được xem xét. LCA phải hoàn chỉnh và do đó nó phải
xem xét tất cả các hoạt động cần thiết để đạt được sản phẩm, quá trình hoặc dịch vụ. Do đó, tập trung vào lĩnh
vực xây dựng, một LCA đầy đủ của các kết cấu phải xem xét tất cả các hoạt động từ thu mua vật liệu thơ cho
đến khi kết thúc vịng đời. Các hoạt động này liên quan đến tồn bộ vịng đời của kết cấu được nhóm lại thành
giai đoạn sản xuất, giai đoạn xây dựng, giai đoạn sử dụng và bảo trì và giai đoạn cuối của vịng đời. LCA làm
cho nó có thể thực hiện đánh giá tác động môi trường của một tập hợp các hoạt động liên quan đến các giai
đoạn khác nhau của vòng đời của cấu trúc và tác động mơi trường tồn cầu bằng cách thêm các giai đoạn này.
Đối với tất cả những điều đó, LCA là một cơng cụ tuyệt vời để đánh giá tác động môi trường của các cấu trúc.
ISO 14040: 2006 [ 22 ]


Sự bền vững 2018, 10, 685

3 trên 17

cung cấp hướng dẫn về việc thực hiện LCA, được chia thành bốn bước: (1) xác định mục tiêu và phạm vi; (2)
phân tích hàng tồn kho; (3) đánh giá tác động; và (4) diễn giải.
Bước đầu tiên xác định tất cả các thông số kỹ thuật sẽ được xem xét trong LCA. Điều này liên quan đến
các đặc điểm khác ngoài việc xác định mục tiêu và phạm vi, chẳng hạn như kiểm kê vịng đời được tính đến,
phương pháp đánh giá vòng đời được xem xét, đơn vị chức năng và các giả định và hạn chế đã được xem xét

trong LCA. Theo hướng dẫn của ISO 14040: 2006 [ 22 ], việc mô tả đặc điểm của một số giả định và hạn chế của
LCA tạo điều kiện cho việc kiểm kê chu kỳ sống sau đây và đánh giá vòng đời. Một đặc điểm quan trọng khác là
đơn vị chức năng đại diện cho đơn vị mà đánh giá sẽ được giới thiệu.
Phân tích hàng tồn kho là việc thu thập dữ liệu cần thiết để xác định các đầu vào và đầu ra đại diện cho hệ
thống được nghiên cứu. Dữ liệu này có thể được lấy theo nhiều cách khác nhau: từ các phép đo trực tiếp, tài
liệu hoặc các nguồn khác như cơ sở dữ liệu. Cách phổ biến nhất để lấy dữ liệu là từ cơ sở dữ liệu.
Khi các bước đầu tiên này đã hồn thành, đánh giá tác động mơi trường được sử dụng để đánh giá kết
quả phân tích kiểm kê nhằm thu được một bộ chỉ số môi trường đại diện cho lợi ích mơi trường của sản phẩm,
q trình hoặc dịch vụ. Có nhiều phương pháp khác nhau để biểu thị lợi ích mơi trường. Các phương pháp này
có thể được nhóm lại thành hai cách tiếp cận khác nhau: đánh giá điểm giữa và điểm cuối. Cách tiếp cận điểm
giữa xác định lợi ích mơi trường bằng một tập hợp các loại tác động và cách tiếp cận điểm cuối xác định lợi ích
mơi trường bằng một tập hợp các hạng mục thiệt hại. Có ba loại thiệt hại (sức khỏe con người, cạn kiệt tài
nguyên và hệ sinh thái) trong đó các loại tác động được nhóm lại. Do đó, mặc dù cách tiếp cận điểm giữa cung
cấp một lợi ích hồn chỉnh về mơi trường, nhưng việc giải thích [ 23 ]. Ngược lại, cách tiếp cận điểm cuối khơng
cung cấp lợi ích mơi trường chi tiết như cách tiếp cận điểm giữa nhưng dễ hiểu hơn.

Cuối cùng, thơng tin thu được phải được giải thích. Vì mục đích này, việc phân tích các giai đoạn khác nhau trong
vịng đời của cây cầu được thực hiện. Ngồi ra, một nghiên cứu về tác động môi trường của một sản phẩm, q trình
hoặc dịch vụ có thể được thực hiện để cải thiện tác động môi trường liên quan đến các hoạt động của nó.

4. Nghiên cứu điển hình

Với mục đích của cơng việc này, một cây cầu được chọn để thực hiện tối ưu hóa-LCA. Đầu tiên, việc tối ưu
hóa chi phí của cây cầu sẽ được thực hiện và sau đó một LCA của cây cầu được tối ưu hóa chi phí sẽ được áp
dụng để có được một lợi ích hồn chỉnh về mơi trường. Trong các điểm tiếp theo, một mơ tả chính xác về cây
cầu sẽ được trình bày và sau đó việc tối ưu hóa chi phí và LCA sẽ được mơ tả chi tiết cho cây cầu được mô tả.

4.1. Mô tả Cầu nối
Cầu được nghiên cứu là cầu bê tông dự ứng lực một nhịp dài 40 m. Mặt cắt của cầu được tạo thành bởi hai
dầm đẳng áp bê tơng dự ứng lực, có mặt cắt hình chữ U. Mặt cắt ngang tích hợp tấm bê tơng cốt thép cao 12

m. Lưu ý rằng kết cấu phụ không được đưa vào phân tích vì nó phụ thuộc vào đặc điểm mặt đất và địa chất.
Nhân vật 1
cho thấy một cái nhìn chung của cây cầu. Cầu nằm ở khu vực ven biển phía đơng của Tây Ban Nha và môi
trường xung quanh tương ứng với XC-4 theo EN 206-1 [ 24 ]. Như vậy, sự ăn mòn chủ yếu là do q trình
cacbonat hóa.


Sự bền vững 2018, 10, 685
Sự bền vững 2018, 10, x ĐỂ ĐÁNH GIÁ PEER

4 trên 17
4 trên 17

Hình1.1.
Hình
ảnh
tổng
thể cầu
củabê
cầu
bêdự
tơng
ứng lực.
Hình
Hình
ảnh
tổng
thể của
tơng
ứngdự

lực.

4.2. Tối ưu hóa

4.2. Tối ưu hóa

Trong phần này, sẽ giải thích khả năng tối ưu hóa chi phí của cầu đúc sẵn bê tông dự ứng lực. Quá

Trong phần này, việc tối ưu hóa chi phí của cầu bê tơng dự ứng lực sẽ được giải thích.

trình tối ưu hóa này bao gồm việc giảm thiểu chi phí C trong khi một số hạn chế g j rất hài lịng.
Q trình tối ưu hóa này bao gồm việc giảm thiểu chi phí C trong khi một số hạn chế g j
được thỏa mãn.

C = f (x 1, x 2,. . . , x n)

,,,…,…, 0

(1)

(1)

(2)

(2)
g j ( x 1, x 2,. . . , x n) ≤ 0
Lưu ý rằng x 1, x 2, …, x n là các biến thiết kế được sử dụng để tối ưu hóa. Hàm mục tiêu
C thể
hiện
chi phí

cầu
những
chếsử
g jdụng
là cácđểtrạng
hạn
khả
năng sử dụng (SLS),
Lưu
ý rằng
x 1, xcủa
2,. . . cây
, x n là
cácvà
biến
thiết hạn
kế được
tối ưuthái
hóa.giới
Hàm
mục
tiêu
thái
cuối
(ULS),
cácgtrạng
giới
hạn
bền
các sử

ràng
buộc
hình
và
Ccác
thểtrạng
hiện chi
phígiới
của hạn
cây cầu
vàcùng
những
hạn chế
j là cácthái
trạng
thái
giớiđộ
hạn
khảvànăng
dụng
(SLS),
cáchọc
trạng
khảgiới
năng
bài
tốn.
40giới
biến
thiết

kế, và
bao
gồm
biến
xácxây
định
hình dạng của mặt
thái
hạnxây
cuốidựng
cùng của
(ULS),
các
trạngCó
thái
hạn
độ bền
hình
họctám
và khả
năng
dựng
cắt, hai
biến
bêCó
tơng
của số
bản
và kế,
dầm,

xácsốđịnh
théphình
dự ứng
26cắt,
biến
xác số
những
hạn
chếxác
của định
vấn đề.
40 biến
thiết
baobốn
gồmbiến
8 biến
xác định
dạnglực
củavà
mặt
2 biến
định
cốtbêthép.
nữa,
một
tập hợp
các
tham
khơng
đếnsốvấn

tốicốt
ưuthép.
hóa,Hơn
xác
định
tơng Hơn
của bản
vàcó
dầm,
4 biến
số xác
định
thépsố
ứng
suất ảnh
trướchưởng
và 26 biến
xácđề
định
chẳng
hạntập
như
chiều
rộng,sốnhịp
và liên
độ nghiêng
web.
Các
ràng
buộc

cấurộng,
trúc đã
được
nữa,
có một
hợp
các tham
khơng
quan đếncủa
vấn trang
đề tối ưu
hóa,
chẳng
hạn
nhưvề
chiều
khoảng
xemvàxét
các của
mã trang
tiếngweb.
Tây Các
Banràng
Nhabuộc
[25,26].
Các
ULS
minh
điệncác
trở

cuối
cùng
cách
độtheo
nghiêng
về cấu
trúc
đãxác
được
xemxem
xét theo
mã
tiếng
Tây có
Banlớn
Nha [ 25
ứng
tảiminh
cuốixem
cùng
hay
Bêncócạnh
đó,hiệu
lượng
tối thiểu
cho các
u
cầuđó,
vềlượng
, hơn

26 ]. hiệu
Các ULS
xác
điện
trởkhơng.
cuối cùng
lớn hơn
ứngcốt
tải thép
cuối cùng
hay khơng.
Bên
cạnh
ứng
suất
cáccho
điều
xét. hình
SLSshọc
kiểm
trađược
các khía
khác
nhau.
cốt
thép
tốivà
thiểu
cáckiện
u hình

cầu vềhọc
ứngcũng
suất được
và các xem
điều kiện
cũng
xem cạnh
xét. SLSs
kiểm
tra các
Trạng
thái
giới
hạnTrạng
nứt địi
tn
củasự
các
vếtthủ
nứtcủa
docác
nén
căng,
cũng
như trạng
thái giới
khía
cạnh
khác
nhau.

tháihỏi
giớisự
hạn
nứtthủ
địi hỏi
tn
vếtvà
nứt
do nén
và căng,
cũng như
hạn nén
trong
đặtkhu
thép
Sai lệch
được
giớichỉnh
hạnsửa
ở 1/1000
chiều
nhịp
trống
trạng
thái giới
hạnkhu
nénvực
trong
vựcdự
đặtứng

théplực.
dự ứng
lực. Các
bước
được giới
hạndài
trong
1/1000
cho tổ
phần
viễn.
ra, độ
mỏi
củara,
bêđộ
tơng
đã được
xem
xét trong
nghiên
chiều
dàihợp
nhịpbán
trống
cho vĩnh
tổ hợp
bán Ngồi
phần vĩnh
viễn.
Ngồi

mỏi và
củathép
bê tơng
và thép
đã được
xem xét
cứu này.
Bảng
tóm
tắt1các
vàcác
SLSULS
được
xem
xét.xem xét.
trong
nghiên
cứu1này.
Bàn
tómULS
tắt về
và SLS
được
Trong tối ưu hóa này, một thuật toán hybridmemetic (MA) được áp dụng. TheMA là một cách tiếp
cận dựa
trên
hợpnày,
để tối
ưu
hóatốn

ngẫumemetic
nhiên kết
kiếm
song MA
song
sử dụng
bởidựa
các trên
thuật
Trong
tối tập
ưu hóa
một
thuật
lai hợp
(MA)tìm
được
áp dụng.
là được
một cách
tiếp cận
tốnthể
tiến
vớihóa
tìm ngẫu
kiếm nhiên
cục bộkết
các
giải
pháp

thành
tập
[27].
kiếm
cụctiến
bộhóa
được
tổng
đểhóa
tối ưu
hợp
tìm
kiếmtạo
song
songmột
được
sửhợp
dụng
bởiVề
cáctìm
thuật
tốn
vớisử
dụng,
tìm
vùng
cậntạo
theo
độ một
sâu thay

đổi[(VDNS)
sử dụng
như
một
thể
tìmvùng
kiếmlân
tìm
kiếm
cụckiếm
bộ các
giảilân
pháp
thành
tập hợp
27 ]. Vềđược
tìm kiếm
cục bộ
được
sửbiến
dụng,
tìmcủa
kiếm
vùng
cậnthay
quy đổi
mơ(VDNS)
rất lớnđược
(VLSN)
MA-VDNS

tập hợp
ngẫu
cận
có lân
độ sâu
sử [28].
dụngTrong
như một
biến thểnày,
của một
tìm kiếm
vùng500
lângiải
cận pháp
quy mơ
lớn nhiên
(VLSN)([n)
28được
].
tạo raMA-VDNS
dưới dạng
dân
số.tập
Sau
đó,500
mỗi
giải
pháp
nàynhiên
được( cải

thiệntạo
bằng
cáchdạng
tìm kiếm
VDNS
Trong
này,
một
hợp
giải
pháp
ngẫu
n) được
ra dưới
dân số.
Sau để
đó,đạt
mỗiđược
giải
mức này
tối ưu
cụccảibộ.
Để bằng
đạt được
này, VDNS
thuật để
tốn
đầu
bằng
chỉbộ.

thay
khithuật
mười
pháp
được
thiện
cáchđiều
tìm kiếm
đạtbắt
được
mức
tối cách
ưu cục
Để đổi
đạt một
đượcbiến
điềuvà
này,
chuyển
động
liêncách
tiếp chỉ
được
thực
mà khơng
cải thiện
( no_imp),
sẽ có
gia tăng
về sốmà

lượng
cáccải
biến
tốn
bắt đầu
bằng
thay
đổihiện
một biến
và khi mười
chuyển
động liên
tiếpsự
được
thực hiện
khơng
(
var)
được
thay
đổi
đồng
thời,
lên
đến
tám.
Sau
đó,
với
quần

thể
cải
tiến
mới
này,
một
thuật
tốn
di
thiện ( no_imp), sẽ có một sự gia tăng
truyền được áp dụng. Thuật toán di truyền phát triển quần thể, quần thể này chịu các chuyển động ngẫu
nhiên (đột biến và giao thoa), bảo toàn


Sự bền vững 2018, 10, 685

5 trên 17

với số lượng biến ( var) được thay đổi đồng thời, lên đến tám. Sau đó, với quần thể cải tiến mới này, một thuật
toán di truyền được áp dụng. Thuật toán di truyền phát triển quần thể, vốn chịu sự thay đổi ngẫu nhiên (đột
biến và giao thoa), bảo tồn các giải pháp thích nghi tốt hơn. Đánh giá chi phí có tính đến chi phí phạt; tuy nhiên,
VDNS khơng xem xét chi phí phạt (chỉ chấp nhận các giải pháp khả thi) để tránh sự phân kỳ sớm của thuật toán.
bền vững
2018,
10, x ĐỂ
ĐÁNH
GIÁhệ
PEER
5 trên 17 toán
VDNSSựđược

áp
dụng
cho
thế
mới lên đến 150 thế hệ. Nhân vật 2 hiển thị biểu đồ fl ow của thuật

memetic kết hợp.

các giải pháp thích ứng tốt hơn. Đánh giá chi phí có tính đến chi phí phạt; tuy nhiên, VDNS khơng xem xét
chi phí phạt (chỉ chấp nhận các giải pháp khả thi) để tránh sự phân kỳ sớm của thuật toán. VDNS được áp
dụng cho thế hệ mới lên đến 150 thế hệ. Hình 2 cho thấy một sơ đồ của thuật toán memetic lai.
Bảng 1. Trạng thái giới hạn khả năng sử dụng và cuối cùng.

Giới hạn các tiểu bang Bảng 1. Trạng thái giới hạn khả năng sử dụng và cuối cùng.

Uốn
dẻo
Giới
hạn các
tiểu bang

Cắt
dọc
Uốn
dẻo

Cắt
dọc
Cắt
dọc

Đấm
Cắt dọccắt

Xoắn
Đấm
cắt
Lực xoắn kết hợp với fl exure và shear
Xoắn
Đến F r a si t o ig n u c e ombined với độ uốn và cắt
Fa C
ti r g a u c e k chiều rộng <0,2 mm
p Tôi r d e t S h sind
n. 2căng
am
thẳng căng thẳng. Giảm độ sâu thép dự ứng lực
Cr C AC o k m w

fl r e e c S t S io

Co D m e p

n e e c co
n opt m
m

S. a D

io n n f a o n r d thứio
tựatenesinSqpS tr

u eerSm

lạissbtrong
io a n ti Tôi o n n p
Độ lệch đối với kết hợp gần như vĩnh viễn <1/1000

Hình
đồ luồng
tốn kết
memetic
Hình2.2.Biểu
Thuật
tốn thuật
memetic
hợp lai.
fl ow biểu đồ.


Sự bền vững 2018, 10, 685

6 trên 17

Sự bền vững 2018, 10, x ĐỂ ĐÁNH GIÁ PEER

6 trên 17

Giải pháp
thu được
tơng

dựứng
ứnglực
lực dài
dài 40
40 m
phí
là là
Giải pháp
thu được
cho cho
câycây
cầucầu
bêbê
tơng
dự
mcó
cótổng
tổngchi
chi
phí

108,274,45
Hình
dạng
được thể
thểhiện
hiệntrong
trongHình
Hình
. Lượng

tơng
được
sử dụng
108,274,45
€. Hình €.
dạng
hình
họccủa
củacây
cây cầu
cầu này
này được
3.3Lượng
bê bê
tơng
dầmdầm
được
sử dụng
là là

m2,3với
/ m cường
2, với cường
độMPa,
35 MPa,
trong
lượngbê
bêtông
tông tấm
tấm được

là là
0,1797
m 3m
/m
0,11170,1117
m3/ m
độ 35
trong
khikhi
lượng
đượcsử
sửdụng
dụng
0,1797
3 / 2,
m 2, với
Sự bền vững 2018, 10, x ĐỂ ĐÁNH GIÁ PEER
6 trên 17
với
cường
độ
40
MPa.
Hơn
nữa,
dầm
bê
tông
đúc
sẵn

yêu
cầu
6163
kg
(12,52
kg
/
m
2)
cốt
thép
và
5184
cường độ 40 MPa. Hơn nữa, dầm bê tông đúc sẵn yêu cầu 6163 kg (12,52 kg / m 2) cốt thép và 5184kg (10,53
kg / kg
m 2)/ bằng
thép
ứng dự
suất
trước,
trong khikhi
tấm bê tông
đượcđược
xác định bằng
kg (10,53
m 2) Giải
của
thép
ứng
lực,

bêlực
tơng
bởi
pháp
thu được
cho
câytrong
cầu bê tơngtấm
dự ứng
dài 40 m cóxác
tổngđịnh
chi phí
là
kg108,274,45
(23,92
/2) m
2) của
cốt
thép.
11.77211.772
kg (23,92
kg / kg
m
của
cốt
thép.
€. Hình
dạng
hình
học

của cây cầu này được thể hiện trong Hình 3. Lượng bê tơng dầm được sử dụng là
0,1117 m 3 / m 2, với cường độ 35 MPa, trong khi lượng bê tông tấm được sử dụng là 0,1797 m 3 / m 2, với cường
độ 40 MPa. Hơn nữa, dầm bê tông đúc sẵn yêu cầu 6163 kg (12,52 kg / m 2) cốt thép và 5184 kg (10,53 kg /
m 2) của thép dự ứng lực, trong khi tấm bê tông được xác định bởi
11.772 kg (23,92 kg / m 2) của cốt thép.

Hình 3. Hình học của cầu được tối ưu hóa.

4.3. Đánh
giá vịng
đời đời
4.3. Đánh
giá vịng

Hình 3. Hình học của cầu được tối ưu hóa.

4.3.này,
Đánh
giá vịng
đờiđược xác định bởi ISO 14040: 2006 [22] sẽ được áp dụng cho cầu được
Trong phần
hướng
dẫn
Trong
phần
này, hướng
dẫn của ISO 14040: 2006 [ 22 ] sẽ được áp dụng cho cầu đã nghiên cứu. Vì mục đích
nghiênnày,
cứu.các
Vì mục

đích
này,
các
nhau
sẽđịnh
được
cụ
hóa
cho[22]
trường
hợp
nghiên
mơ
tả
vàđiểm
tính cụ thể
này,
hướng
dẫn
được
xác
bởi
ISOthể
14040:
2006
sẽ được
áp
cho cứu,
cầu
bướcTrong

khácphần
nhau
sẽbước
đượckhác
cụ thể
hóa
cho
trường
hợp
nghiên
cứu,
mơ
tảdụng
và tính
đếnđược
các nghiên
đặc
đến các
đặc xem
điểm
cụ
thể
xem
cho
nghiên
này.
Hình
cho
thấychung
mộtnghiên

cái
q
trình
cứu.
Vì cho
mụcđược
đích này,
cácxét
bước
khác
nhau
cụ
thể
hóa4cho
trường
hợp
cứu,chung
mơ tả LCA
vàvề
tính
đến
các
được
xét
nghiên
cứu
này.
Nhân
vậtsẽcứu
4được

cho
thấy
một
cái
nhìn
vềnhìn
q
trình
được
thực hiện.
điểm cụ thể được xem xét cho nghiên cứu này. Hình 4 cho thấy một cái nhìn chung về quá trình LCA được thực
LCA được thực đặc
hiện.
hiện.

Hinh 4. Sơ đồ chung quy trình LCA.

Hinh 4. Sơ đồ chung quy trình LCA.
4.3.1. Mục tiêu và Phạm vi

Hinhbốn
4. Sơ
đồ chung quy trình LCA.
4.3.1. Mục tiêu LCA
và Phạm
vi chia thành
sẽ được
giai đoạn chính của tồn bộ vịng đời của cầu để hiểu rõ hơn: (1) sản xuất;
(2) xây dựng; (3) sử dụng và bảo trì; và (4) cuối đời. Mỗi pha sẽ được xác định riêng biệt và do đó mỗi pha sẽ
LCA sẽ được chia thành bốn giai đoạn chính của tồn bộ vịng đời của cầu để hiểu rõ hơn: (1) sản xuất; (2)

4.3.1. Mục tiêu vàbịPhạm
vi bởi ranh giới hệ thống riêng của nó. Đơn vị chức năng sẽ là 1 m chiều dài của cây cầu. Mục tiêu
giới hạn

xây dựng; (3) sử dụng và bảo trì; và (4) cuối đời. Mỗi pha sẽ được xác định riêng biệt và do đó mỗi pha sẽ bị giới
cuối cùng là tìm ra mơi trường

LCA
thành
bốn
đoạn
chính
của tồn
vịng
của
hơn:
hạnsẽ
bởiđược
ranh chia
giới hệ
thống
củagiai
chính
nó. Đơn
vị chức
năngbộ
sẽ là
1 m đời
chiều
dàicầu

củađể
câyhiểu
cầu. rõ
Mục
tiêu(1)
cuối cùng
sản xuất;
(2)
xây
dựng;
(3)
sử
dụng
và
bảo
trì;
và
(4)
cuối
đời.
Mỗi
pha
sẽ
được
xác
định
riêng
biệt và
là bảo vệ mơi trường
do đó mỗi pha sẽ bị giới hạn bởi ranh giới hệ thống riêng của nó. Đơn vị chức năng sẽ là 1 m chiều

dài của cây cầu. Mục tiêu cuối cùng là tìm ra mơi trường


Sự bền vững 2018, 10, 685

7 của 17

tác động của từng giai đoạn và do đó là tác động mơi trường toàn cầu của cây cầu bằng cách bổ sung các tác động
môi trường của các giai đoạn khác nhau.

Chế tạo
Giai đoạn sản xuất bao gồm các quá trình ngược dòng của các sản phẩm được sử dụng trong cây cầu và
vận chuyển liên quan, từ việc thu mua nguyên liệu thô đến vật liệu sẵn sàng sử dụng trong việc xây dựng cây
cầu. Cầu bê tông dự ứng lực có ba thành phần chính là dầm bê tơng đúc sẵn, bê tơng tươi và thép. Do đó, trước
tiên cần phân định rõ các hoạt động liên quan đến từng sản phẩm bao gồm cả việc vận chuyển.
Một mặt, việc sản xuất dầm bê tơng đúc sẵn có tính đến tất cả các hoạt động từ khai thác nguyên liệu thơ đến q trình sản xuất
dầm trong nhà máy đúc sẵn, trong khi việc sản xuất bê tông tươi cho tấm có tính đến các hoạt động từ khi khai thác nguyên liệu thô
cho đến khi bê tông sẵn sàng được sử dụng tại nơi thi công. Trong cả hai trường hợp, khoảng cách được xem xét giữa mỏ đá và nhà
máy đúc sẵn hoặc nhà máy bê tông là 50 km, khoảng cách được xem xét trong vận chuyển xi măng là 20 km và khoảng cách giữa nhà
máy bê tông và công trường là 50 km. Hơn nữa, liều lượng bê tơng được tính đến để đạt được cường độ cần thiết. Mặt khác, Việc sản
xuất thép có tính đến tất cả các hoạt động từ thu mua nguyên liệu thô cho đến khi thép sẵn sàng được sử dụng trong nhà máy đúc sẵn
hoặc công trường xây dựng. Xét rằng cây cầu được xây dựng ở Tây Ban Nha, phân tích lấy đặc điểm sản xuất thép của Tây Ban Nha.
Điều này có nghĩa là 67% thép được sản xuất trong lò điện hồ quang và 33% còn lại được sản xuất trong lò oxy cơ bản. Tỷ lệ này tạo ra
tỷ lệ tái chế thép là 71%. Khoảng cách được coi là giữa nhà máy sản xuất thép và nhà máy đúc sẵn hoặc địa điểm xây dựng là 100 km.
Bàn Điều này có nghĩa là 67% thép được sản xuất trong lò điện hồ quang và 33% còn lại được sản xuất trong lò oxy cơ bản. Tỷ lệ này
tạo ra tỷ lệ tái chế thép là 71%. Khoảng cách được coi là giữa nhà máy sản xuất thép và nhà máy đúc sẵn hoặc địa điểm xây dựng là 100
km. Bàn Điều này có nghĩa là 67% thép được sản xuất trong lò điện hồ quang và 33% còn lại được sản xuất trong lò oxy cơ bản. Tỷ lệ
này tạo ra tỷ lệ tái chế thép là 71%. Khoảng cách được coi là giữa nhà máy sản xuất thép và nhà máy đúc sẵn hoặc địa điểm xây dựng là
100 km. Bàn 2 cho biết lượng vật liệu cần thiết cho dầm và sàn và liều lượng bê tông trong cả hai trường hợp.

Ban 2. Lượng nguyên vật liệu.
Dầm bê tông đúc sẵn
Sức mạnh (MPa)

Cốt thép (kg / m 2)

Tấm bê tông

35

40

12,52

23,92

Thép ứng suất trước (kg / m 2)

10,53

-

Bê tông (m 3 / m 2)

0,1117

0,1797

Xi măng (kg / m 3)

Sỏi (kg / m 3)
Cát (kg / m 3)
Nước (kg / m 3)
Phụ gia siêu dẻo (kg / m 3)

300
848
1088
160
4

320
829
1102
162
5

Xây dựng
Giai đoạn xây dựng bao gồm tất cả các vật liệu và máy móc xây dựng cần thiết cho việc lắp dựng cầu. Nó
bao gồm việc vận chuyển và nâng các dầm đúc sẵn bằng phương tiện vận chuyển đặc biệt trên 50 km. Hơn
nữa, tấm cầu được coi là đúc tại chỗ. Máy móc xây dựng được xem xét cho việc xây dựng tấm sàn được lấy từ
cơ sở dữ liệu của Bedec [ 29 ]. Bê tơng
máy móc tiêu thụ 123,42 MJ năng lượng và thải ra 32,24 kg CO 2 uốn 3 của bê tông. Quãng đường máy thi công
đi được là 50 km. Ngồi ra, ván khn được làm bằng
gỗ và có thể tái sử dụng 3 lần.
Sử dụng và Bảo trì
Giai đoạn bảo trì và sử dụng bao gồm tất cả mọi thứ xảy ra trong vòng đời sử dụng của cầu. Nó cần một
số hoạt động và quy trình (xem xét các hoạt động bảo trì của chính nó và đường vịng
do đóng cầu) và CO fi xed 2. Mặt khác, cây cầu cần một lần bảo trì trong 2 ngày để đáp ứng các quy định trong
suốt 120 năm tuổi thọ của nó. Bảo trì này

Sự bền vững 2018, 10, 685

8 trên 17

hoạt động coi rằng lớp phủ bê tông được thay thế bằng lớp vữa sửa chữa. Hành động bảo dưỡng trước hết bao
gồm tháo lớp phủ bê tơng và tạo bề mặt thích hợp cho lớp phủ bám dính. Sau đó, một lớp sơn liên kết được áp
dụng giữa bê tông cũ và bê tông mới. Cuối cùng, một lớp vữa sửa chữa được đặt để cung cấp một lớp bảo vệ
chống ăn mòn cốt thép mới [ 30 ]. Lưu ý rằng nghiên cứu cho rằng chất lượng công việc tại chỗ là đủ để đảm bảo
rằng cây cầu khơng có vấn đề về độ bền trong thời gian sử dụng. Bên cạnh đó, điều quan trọng là phải làm nổi
bật rằng các hoạt động bảo trì khác để sửa chữa hoặc thay thế các phần tử thiết bị có thể diễn ra. Tuy nhiên,
chúng không được đánh giá trong nghiên cứu này.
Nghiên cứu này tính đến tất cả các máy móc cần thiết để sửa chữa tình trạng xuống cấp của cây cầu bao
gồm cả việc vận chuyển đến vị trí cầu và sự gia tăng lượng khí thải sinh ra do đường vòng [ 13 , 14 ]. Đường vòng
được coi là có tính đến lưu lượng trung bình hàng ngày là 8500 xe / ngày, trong đó xe tải chiếm 10% số xe và
khoảng cách đường vòng là 2,9 km. Mặt khác
tay, xation của CO 2 bởi bê tông là một thực tế được nghiên cứu rộng rãi [ 31 , 32 ] đã được xem xét trong cây cầu đã
được nghiên cứu.

Cuối đời
Giai đoạn cuối của vòng đời bao gồm mọi thứ xảy ra sau thời gian sử dụng của cầu. Tất cả các hoạt động
và quy trình liên quan đến giai đoạn này đều liên quan đến việc phá dỡ cây cầu và xử lý chất thải phát sinh. Một
mặt, các hoạt động phá dỡ để phá hủy hoặc tháo dỡ cây cầu sẽ là cần thiết. Các hoạt động phá dỡ này có tính
đến tất cả các máy móc cần thiết cho mục đích này. Mặt khác, việc xử lý các chất thải phát sinh phải tính đến
một loạt các hoạt động lớn hơn tùy thuộc vào mục đích của q trình xử lý. Trong trường hợp này, cây cầu sẽ bị
phá hủy, sau đó tất cả chất thải sẽ được vận chuyển đến một nhà máy phân loại, nơi bê tông và thép sẽ được
tách ra. Bê tông sẽ được nghiền nát và vận chuyển đến một vùng đất và theo cách này,
quá trình cacbonat hóa hồn tồn của bê tơng [ 32 ] và do đó lượng CO cao hơn 2 được đảm bảo. 70% thép sẽ
được tái chế và theo cách này, vòng đời của cây cầu sẽ kết thúc.

4.3.2. Phân tích khoảng khơng quảng cáo

Phần chính thơng tin về các sản phẩm hoặc quy trình được sử dụng để xác định các hoạt động trong tồn
bộ vịng đời của cầu được lấy từ cơ sở dữ liệu Ecoinvent [ 17 ]. Trong trường hợp thơng tin về các sản phẩm hoặc
quy trình cần thiết cho việc đánh giá tác động môi trường khơng tồn tại trong cơ sở dữ liệu Ecoinvent, thì dữ
liệu sẽ được tạo bằng dữ liệu thu được từ tài liệu hoặc cơ sở dữ liệu Bedec [ 29 ].
Cơ sở dữ liệu Ecoinvent là một trong những cơ sở dữ liệu hoàn chỉnh nhất cho lĩnh vực xây dựng và đã
được tạo ra và phát triển nhờ vào thông tin thu được từ các tổ chức khác nhau. Nó được tạo ra vào năm 2004
thơng qua nỗ lực của một số Viện nghiên cứu và Viện nghiên cứu Liên bang Thụy Sĩ. Điều đó ngụ ý rằng phần
lớn thông tin tồn tại trong các phiên bản đầu tiên của Ecoinvent được lấy từ các tổ chức của Thụy Sĩ nhưng sau
đó, dữ liệu từ các quốc gia khác đã được đưa vào. Trong trường hợp này, cây cầu nằm ở bờ biển phía đơng của
Tây Ban Nha. Trong cơ sở dữ liệu của Ecoinvent khơng có thơng tin về khu vực này và do đó cần phải xem xét
thơng tin về các sản phẩm hoặc quy trình từ các khu vực khác khơng trùng khớp chính xác với các sản phẩm
hoặc quy trình được sử dụng ở bờ biển phía đơng Tây Ban Nha. Điều đó có nghĩa là có sự khơng nhất qn
giữa dữ liệu thực và dữ liệu từ cơ sở dữ liệu Ecoinvent. Vì lý do này, sự không chắc chắn được áp dụng cho dữ
liệu Ecoinvent. Sự không chắc chắn được chia thành hai phần: phần đầu tiên liên quan đến loại sản phẩm hoặc
quá trình [ 33 ] và phần thứ hai liên quan đến sự khác biệt giữa dữ liệu thực và dữ liệu được xem xét bằng ma
trận phả hệ [ 34 ].
4.3.3. Đánh giá tác động
Có nhiều cơng việc đánh giá tác động mơi trường được thực hiện
tính đến một số lượng nhỏ các chỉ số, trong đó CO 2 khí thải là phổ biến nhất [ 35 , 36 ].
Mặc dù tầm quan trọng của việc phát thải CO 2, một đánh giá tác động hoàn chỉnh phải xem xét một tập hợp
các chỉ số đại diện cho lợi ích mơi trường hồn chỉnh. Điều đó ngụ ý việc sử dụng môi trường


Sự bền vững 2018, 10, 685

9 của 17

các phương pháp đánh giá tác động. Các phương pháp này có thể được tách biệt tùy thuộc vào cách tiếp cận

được sử dụng: điểm giữa hoặc điểm cuối. Một mặt, cách tiếp cận điểm giữa xác định lợi ích mơi trường bằng
cách tập hợp các loại tác động. Một trong những phương pháp phổ biến nhất có tính đến cách tiếp cận điểm
giữa là CML. Mặt khác, cách tiếp cận điểm cuối xác định lợi ích mơi trường chỉ xem xét một tập hợp nhỏ các loại
thiệt hại. Một trong những phương pháp được sử dụng thường xuyên nhất xem xét cách tiếp cận điểm cuối là
Chỉ báo sinh thái. Cả hai cách tiếp cận đều cần thiết để thực hiện việc giải thích hồn chỉnh về mơi trường của
cây cầu. Một mặt, cách tiếp cận điểm giữa có thể cung cấp lợi ích về mơi trường chính xác và đầy đủ hơn. Mặt
khác, cách tiếp cận điểm cuối có thể dễ hiểu hơn. Vì những lý do, 18 ], với mục tiêu chính là cung cấp sự kết hợp
giữa Chỉ báo sinh thái và CML, xem xét các phương pháp tiếp cận điểm giữa và điểm cuối.

4.3.4. Diễn dịch
Kết quả thu được khi xem xét các mơ tả được trình bày trong các phần trước. Như đã nêu ở trên, phương
pháp ReCiPe sẽ được sử dụng để thực hiện đánh giá tác động mơi trường của cây cầu. Với mục đích này, bằng
phương pháp tiếp cận điểm giữa, 18 loại tác động sẽ được chỉ ra với độ không đảm bảo đo liên quan. Ngồi ra,
sự đóng góp của các q trình khác nhau của vịng đời cầu đối với các loại tác động phổ biến nhất sẽ được thể
hiện. Trong cách tiếp cận điểm cuối, ba loại thiệt hại được nghiên cứu. Cả hai cách tiếp cận đều cho phép mức
độ giải thích cao hơn.
Phương pháp tiếp cận điểm giữa

Cách tiếp cận điểm giữa của phương pháp ReCiPe cung cấp hồ sơ môi trường đầy đủ của từng giai đoạn
của vòng đời cây cầu được thể hiện bằng 18 loại tác động: chiếm đất nơng nghiệp (ALO), biến đổi khí hậu
(GWP), cạn kiệt hóa thạch (FD), độc hại sinh thái nước ngọt (FEPT ), phú dưỡng nước ngọt (FEP), nhiễm độc con
người (HTP), bức xạ ion hóa (IRP), độc hại sinh thái biển (MEPT), phú dưỡng biển (MEP), suy giảm kim loại (MD),
biến đổi đất tự nhiên (NLT), suy giảm tầng ơzơn (OD) , sự hình thành vật chất dạng hạt (PMF), sự hình thành
chất oxy hóa quang hóa (POFP), axiti acid cation trên cạn (TAP), chất độc sinh thái trên cạn (TEPT), chiếm đất đô
thị (ULO) và cạn kiệt nguồn nước (WD). Lượng thông tin lớn này làm cho kết quả khó diễn giải.

Như đã giải thích ở trên, dữ liệu sử dụng cho đánh giá tác động môi trường không tương ứng với dữ liệu
thực. Điều này ngụ ý rằng độ không đảm bảo đo liên quan đến các sản phẩm hoặc q trình khác nhau cần
được tính đến để thu được kết quả thực tế hơn. Bàn 3 cho thấy giá trị trung bình và hệ số phương sai của từng
loại tác động đối với mỗi giai đoạn vịng đời của cầu. Mặc dù khơng thể thực hiện đánh giá tồn cầu cho từng

giai đoạn của vịng đời cầu, nhưng có thể thu được thơng tin về giai đoạn mà mỗi loại tác động khơng thể có ý
nghĩa nhất và phương sai của thông tin thu được. Theo cách này, có thể quan sát rằng giai đoạn sản xuất là
giai đoạn có nhiều loại tác động hơn với đóng góp cao nhất, sau đó là giai đoạn sử dụng và bảo trì. Các danh
mục tác động có đóng góp cao nhất trong giai đoạn sản xuất là ALO, GWP, FEPT, FEP, HTP, IRP, MEPT, MD,
TETP, ULO và WD và các danh mục tác động có đóng góp cao nhất cho giai đoạn sử dụng và bảo trì là FD, MEP,
NLT, ODP, PMFP, POFP và TAP. Cả giai đoạn xây dựng và giai đoạn cuối của vòng đời đều khơng có các hạng
mục tác động có mức đóng góp cao nhất. Tất cả những điều này có thể được nhìn thấy rõ hơn trong Hình 5 và 6 ,
trong đó các thanh thể hiện tỷ lệ đóng góp của từng loại tác động đối với mỗi giai đoạn của vịng đời liên quan
đến đóng góp cao nhất. Ngồi ra, Bảng 3 hiển thị phương sai của mỗi kết quả. Theo cách này, mặc dù GWP có
phương sai cao nhất trong giai đoạn sản xuất, nhưng giai đoạn sản xuất là giai đoạn trong đó nhiều danh mục
tác động hơn có phương sai thấp nhất, với trung bình là 7,13%. Giai đoạn xây dựng có phương sai trung bình
cao nhất (17,15%), tiếp theo là giai đoạn cuối vòng đời (13,16%) và sử dụng và


Sự bền vững 2018, 10, 685

10 của 17

giai đoạn duy trì (10,58%). Hơn nữa, loại tác động có hệ số biến thiên cao nhất là ULO (17,28%) và loại tác động
có hệ số biến đổi thấp nhất là ALO (8,04%).
Một loại thơng tin khác có thể thu được bằng cách tiếp cận điểm giữa là sự đóng góp của các sản phẩm
hoặc quy trình khác nhau đối với từng loại tác động. Đối với các mục đích minh họa, chỉ ba trong số các loại tác
động phổ biến nhất (GWP, OD và PMF) sẽ được nghiên cứu toàn diện hơn và sẽ hiển thị sự đóng góp của các
sản phẩm hoặc quy trình khác nhau đối với mỗi giai đoạn vòng đời của cầu. Số liệu 7 - 10
cho thấy những đóng góp của các q trình quan trọng nhất cho mỗi giai đoạn vòng đời của cầu. Nhân vật 7
tương ứng với giai đoạn sản xuất và có thể thấy rằng các quá trình liên quan quan trọng nhất là sản xuất xi
măng, sản xuất và vận chuyển thép. Sản xuất xi măng đóng góp cao nhất vào GWP, cụ thể là 46,49% trong tổng
số nhưng ở nhóm PMF và OD, sản xuất thép có tỷ lệ cao hơn với tỷ lệ lần lượt là 76,14 và 57,44%. Hơn nữa, có
thể thấy rằng, mặc dù GWP có tỷ lệ các quy trình khác thấp (6,07%), nhưng sản xuất xi măng, sản xuất thép và
vận chuyển lại chiếm một phần lớn hơn tác động mơi trường của giai đoạn vịng đời cây cầu này. Nhân vật số 8 tương

ứng với giai đoạn xây dựng và các quá trình dẫn đến thực tế tất cả các tác động môi trường là do thao tác bê
tông tươi và vận chuyển và nâng cao của dầm đúc sẵn. Số liệu 9 và 10 hiển thị giai đoạn sử dụng và bảo trì

và giai đoạn cuối đời, trong đó CO 2 fi xed được tính đến. Trong hạng mục tác động của GWP, có thể thấy có tác
động tích cực. Một mặt, trong giai đoạn sử dụng và bảo dưỡng, lượng
của CO 2 fi xed thấp hơn nhiều so với CO 2 eq được tạo ra bởi các hoạt động bảo trì và đường vịng do bề mặt bê
tơng tiếp xúc với mơi trường chiếm một tỷ lệ rất thấp
trong tổng số lượng bê tông của cầu. Phần trăm CO 2 tôi xed là - 3,84%, trong khi tỷ lệ của các hoạt động bảo
dưỡng và đi đường vòng lần lượt là 89,95% và 13,89%, thêm một
tổng cộng 100% do tác động của GWP tồn cầu trong giai đoạn này là tích cực. Tỷ lệ đóng góp của các hoạt
động bảo dưỡng và đường vịng có thể thay đổi đáng kể theo chức năng của các tính năng của chuyển hướng
(khoảng cách, lưu lượng trung bình hàng ngày và tỷ lệ xe tải). Mặt khác,
trong giai đoạn cuối đời, lượng CO 2 fi xed cao hơn ( - 254,05%) so với CO 2 eq được tạo ra từ hoạt động phá dỡ
(22,40%), xử lý chất thải (36,21%) và giao thơng kết hợp (96,18%).
Tổng đóng góp của các q trình trong giai đoạn cuối của vòng đời là số âm, cộng thêm tổng số - 100%. Trong
các hạng mục tác động khác (PMF và OD), các hoạt động bảo dưỡng và vận chuyển đóng góp chính vào vịng
đời của mỗi cây cầu.
Bàn số 3. Cách tiếp cận điểm giữa.

Từ viết tắt

Đơn vị tham chiếu

A LÔ
GWP
FD
FEPT
FEP
HTP
IRP

MEPT
MEP
MD
NLT
ODP
PMFP
POFP
TAP
TETP
ULO
WD

m 2 × năm
kg CO 2 eq

Chế tạo

m

cv (%)

m

cv (%)

m

cv (%)

m

3,77%

2,59

7,46%
9,61%
17,52%
18,86%
10,56%
16,26%
10,35%
17,91%
20,79%
17,35%
18,78%
17,82%
19,84%
21,63%
19,21%
27,71%
29,32%
7,63%

6.16

14,09%
5,29%
4,94%
26,70%

14,00%
16,36%
5,22%
26,08%
2,90%
11,06%
4,67%
4,61%
3,12%
2,77%
3,12%
12,68%
21,00%
11,89%

1,73

1838,55 16,86%

267,85

6,90%
2,93%
4,19%

51.48

kg dầu eq

316.90

38.15

kg Fe eq

m2

0,82

1470,92 3,01%
244.70
37,90
0,29

926,19
0,24

kg CFC-11 eq

0,00

kg PM 10 eq

3,84

kg NMVOC

5,76

kg SO 2 eq
kg 1,4-DB eq

m 2 × năm

5.30

m3

EoL

Sử dụng và Bảo trì

79,76

kg 1,4-DB eq
kg P eq
kg 1,4-DB eq
kg U235 eq
kg 1,4-DB eq

kg N eq

Xây dựng

0,45

23,29

12,29%
2,92%
8,79%
3,22%

8,28%
8,59%
5,67%
9,12%
8,90%
4,60%
9,86%

8807,20 8,35%

0,93

0,01

22,58
18,96

0,96

0,05

5,34
0,05

0,00
0,50

1.51

1,00

0,02
3,50

219,49

1095,77
394,59
8,53
0,08

110,30
78,57
7.65
0,49

49,38
0,43
0,00
4,33

14.03
8,40
0,06
6,75

625,36

cv (%)
6,84%

- 117,68

- 6,97%

11.00

16,57%
7,94%
7,16%
7,80%
7,14%
8,01%
22,26%
22,90%
24,03%
17,63%
20,31%
26,69%
16,97%
15,79%
8,93%
6,83%

0,19
0,01
5,77

10,22

0,17
0,01
0,77
0,01
0,00
0,11
0,26
0,25
0,00
0,17

146,17


Sự bền vững 2018, 10, 685

11 của 17
11 của 17

Sự bền vững 2018, 10, x ĐỂ ĐÁNH GIÁ PEER

11 của 17

un

ritbio tiocnom
% c% onctornibtu

copm
arpeadretod tthoethmeam

xiamxuim
mẹ

Sự bền vững 2018, 10, x ĐỂ ĐÁNH GIÁ PEER

100%
100%
90%
90%
80%
80%
70%
70%
60%
60%
50%
50%
40%
40%
30%
30%
20%
20%
10%
10%
0%
0%

Chế tạo
Chế tạo

Xây dựng
Xây dựng

- 10%

- 10%

un

ritbio tiocnom
% c% onctornibtu

copm
arpeadretod tthoethmeam
xiamxuim
mẹ

Hình 5. Phạm vi tác động của giai đoạn sản xuất và xây dựng
Hình 5. Phạm vi tác động của giai đoạn sản xuất và xây dựng
Hình 5. Phạm vi tác động của giai đoạn sản xuất và xây dựng

100%
100%
90%
90%
80%
80%
70%
70%

60%
60%
50%
50%
40%
40%
30%
30%
20%
20%
10%
10%
0%
0%

EoL
EoL

Sử dụng và Bảo trì
Sử dụng và Bảo trì

- 10%

- 10%

Hình 6. Các hạng mục tác động của việc sử dụng và giai đoạn cuối của vịng đời.
Tơi p p a a c c t t c c a a t t e e g g ouoSr S
r Tôi
e ea
Tôi a

ee
nS S o o f f u
d e e n n d d o o f f l l Tôi Tôi f f e e S S ta ta g g e e. .

Fi F g Tôi u g r u e lại 6. 6 Tôi

nd


Sự bền vững 2018, 10, 685

12 trên 17

Sự bền vững 2018, 10, x ĐỂ ĐÁNH GIÁ PEER

12 trên 17

Sự bền vững 2018, 10, x ĐỂ ĐÁNH GIÁ PEER

12 trên 17

Khác
Khác

Sản xuất thép
Sản xuất thép

Vận chuyển
Vận chuyển

Sản xuất xi măng
Sản xuất xi măng

PMF
PMF

OD
OD

GWP
GWP
0%
0%

20%
20%

40%
40%
% đóng góp

60%
60%

80%
80%

100%
100%

% đóng góp

Hình 7. Giai đoạn sản xuất.
Hình 7. Giai đoạn sản xuất.
Hình 7. Giai đoạn sản xuất.

Khác
Khác

Chùm vận chuyển

Cần cẩu

Chùm vận chuyển

Cần cẩu

Xây dựng bê tông
Xây dựng bê tơng

PMF
PMF

OD
OD

GWP
GWP
0%
0%

20%
20%

40%
% đóng góp
40%

% đóng góp

60%
60%

Hình 8. Giai đoạn xây dựng.

Coon

ig u u r r e e số 8 số
n S8..SCuc
t tc rt trTôi
u Tôi o o n n p p h h a a S S e e ..

F F ig

80%
80%

100%
100%

Sự bền vững 2018, 10, 685

13 của 17

Sự bền vững 2018, 10, x ĐỂ ĐÁNH GIÁ PEER

13 của 17

Sự bền vững 2018, 10, x ĐỂ ĐÁNH GIÁ PEER

13 của 17

CO2 cố định

Đường vịng giao thơng

CO2 cố định

Đường vịng giao thơng

Hoạt động bảo trì
Hoạt động bảo trì

PMF
PMF

OD
OD

GWP
GWP

0%
0%

- 20%
- 20%

20%
20%

40%

60%
60%

% đóng
góp
40%
% đóng góp

80%
80%

100%
100%

Hình 9. Giai đoạn sử dụng và bảo dưỡng.

F igFig u u lại lại 9 9.. U U S S e e a a n n d dn ma a n n c c e e p p h h a a S S e e ..
m a a Tôi
n tTôi
t en

Xử lý chất thải
Xử lý chất thải

CO2 cố định
CO2 cố định

en

Hoạt động phá dỡ
Hoạt động phá dỡ

Vận chuyển
Vận chuyển

PMF
PMF

OD
OD

GWP
GWP

- 260%

- 220%

- 180%

- 140%

- 260%

- 220%

- 180%

- 140%

- 100%

- 60%

- 20%

%- 100%
đóng góp
- 60%
% đóng góp

- 20%

20%
20%

60%
60%

100%
100%

Hình 10. Giai đoạn cuối đời.
F F ig ig u u r r e e 1 1 0 0 .. E E n n d d-p hohoafaf--S lSl eTôi
e ..nếu f e e p

Phương pháp tiếp cận điểm cuối
Phương pháp tiếp cận điểm cuối
dùđiểm
cócuối
một lượng
Phương phápMặc
tiếp cận

lớn thông tin thu được bằng phương pháp tiếp cận điểm giữa, nhưng nó rất
khó ueltstpoitoebtthaeinlaarg
gleoabm
nfeonrm
iop
naocbttaasisneesdsm
byenmt.eFaonrstohfisthpeum
net aep
isro
Aloeunnvtiroofnim
taal itm
rpiodspeo, tih

np
drpooaicnht, aipt
p vaecry
h
dùtoseofbutla.
có mộtnhaisglaopbparloeancvhirpornom
lượng lớn thơng tin thu được bằng
phương
pháp tiếp cận điểm
giữa, nhưng rất
d Mặc
ficoureltu
iT
ctreaessdesasm
maegnet.cFao
biển, nthheeean
apkhó để có
isifm

viednetsaloinmlypath

tergtohrisiepsu (rhpuom

ltd
h,proeinsoturcpersoaanch
d

được
một đánh giá tác động mơi trường tồn cầu. Với mục đích này,teegaonriaensd
cách tiếp cận

điểm cuối hữu ích
hơn. Cách
iesco
msoyrseteums) e, fu. T
(hcuom
ucrceeosfatnhde

wlhichhisaraeppearo
siaecrhtoprionv
teirdperseot.nTlyabth
lere4esd
haom
wasgtehecam

efafincih
thuốc xổ
f, vraersio
một

tiếphệ
cận
này
chỉ cung
cấpgiải
ba hơn.
loại thiệt
(sứcthấy
khỏegiá
con
tài nguyên

và phương sai của
sinh
thái),
dễ diễn
Bảnghại
4 cho
trịngười,
trung bình
và hệ số


Sự bền vững 2018, 10, 685

14 của 17

hệ sinh thái), dễ diễn giải hơn. Bàn 4 cho thấy giá trị trung bình và hệ số phương sai của ba loại thiệt hại. Mặc dù
đơn vị tham chiếu của các danh mục thiệt hại khác nhau vẫn khác nhau, nhưng việc chuẩn hóa và tính trọng số
của ba danh mục sẽ dễ dàng hơn so với làm như vậy đối với 18 danh mục. Trên thực tế, ReCiPe cho phép bình
Sự bền vững 2018, 10, x ĐỂ ĐÁNH GIÁ PEER

14 của 17

Sự bền vững 2018, 10, x ĐỂ ĐÁNH GIÁ PEER

14 của 17

thường hóa ba loại sát thương bằng cách chuyển đổi đơn vị tham chiếu của mỗi loại sát thương thành điểm.
Điều đó làm
chomục
việcthiệt

diễnhại.
giảiMặc
đánh
giá mơi
trường
cầu
củamục
cây thiệt
cầu hại
trở khác
nên nhau
dễ dàng
hơn.nhau,
Nhân vật 11 hiển
ba hạng
dù đơn
vị tham
chiếu toàn
của các
danh
vẫn khác
thị giá trịba
chuẩn
hóa
của hóa
từng
loại
hỏng
trong
tồn

bộ
cầu
Hình
12vẫn
hiển
thịvới
đóng
góp của
nhưng
chuẩn
tính
trọng
của
ba
danh
sẽ
dễ đời
dàng
hơn
so
với
làm
như
vậy
đối
18 danh
hạngviệc
mục
thiệt
hại. và

Mặc
dùhư
đơn
vịsốtham
chiếu
củamục
cácvịng
danh
mụccủa
thiệt
hạivà
khác
nhau
khác
nhau,

mục.
ReCiPe
cho
phép
bình
thường
hóa
ba loại
sát
thương
bằng
chuyển
đơn
vị tham

mỗi giai nhưng
đoạnTrên
xem
xét tế,
rằng
các
loạitrọng
thiệtsố
hại
khác
nhau
có
tầm
quan
trọng
nhau.
mặt,
11 cho thấy
việcthực
chuẩn
hóa
và tính
của
ba danh
mục
sẽ
dễ
dàng
hơn
so như

vớicách
làm
như Một
vậyđổi
đối
vớiHình
18
danh
chiếu
của
mỗi
sát
thương
thành
điểm.
Điều
đó
làm
việc
diễn
giải
đánh
giá mơi
cầu
củakhác,
thực
tế,
ReCiPe
phép
bình

thường
hóa
bacho
loại
sáttheo
thương
bằng
cách
chuyển
đổi tồn
đơn
vị
tham
sức khỏemục.
conTrên
người
làloại
hạng
mụccho
thiệt
hại
quan
trọng
nhất,
tiếp
là
tài
ngun
và trường
hệ sinh

thái.
Mặt
cây cầu trở nên dễ dàng hơn. Hình 11 cho thấy giá trị chuẩn hóa của từng hạng mục hư hỏng trong tồn

chiếu
sát
điểm.
làm cho
việc
diễnbằng
giải đánh
trường
tồn cầu
củatiếp cận
trong Hình
12của
Có mỗi
thể loại
thấy
sựthương
đóng thành
góp của
cácĐiều
giaiđó
đoạn
khác
nhau
cáchgiá
sửmơi
dụng

phương
pháp
bộ vịng
đờinên
củadễ
cầu
và Hình
hiển
mức
đóng
góp
của từng
giai từng
đoạnhạng
xem xét
các hạng
mục
hư
cây
cầu trở
dàng
hơn.12
Hình
11thị
cho
thấy
giá trị
chuẩn
hóa của
mụcrằng

hư hỏng
trong
tồn
điểm cuối. Giai đoạn sản xuất là giai đoạn có đóng góp cao nhất cho vịng đời cầu, tiếp theo là giai đoạn sử
hỏng
khác
có tầm
quan12
trọng
nhau.
Mộtgóp
mặt,của
Hình
11 giai
cho đoạn
thấy sức
con người
là loại
thiệt
bộ
vịng
đờinhau
của cầu
và Hình
hiểnnhư
thị mức
đóng
từng
xemkhỏe
xét rằng

các hạng
mục
hư

dụng và hại
bảoquan
dưỡng,
giaitiếp
đoạn
xây
và giai
đoạn
đời đóng
góp rất
thấp
với
giai đoạn
trọngcả
nhất,
theo
là dựng
tài ngun
và hệ
sinhcuối
thái.vịng
Mặt khác,
trong Hình
12 có
thể so
thấy

sựhai
đóng
hỏng khác nhau có tầm quan trọng như nhau. Một mặt, Hình 11 cho thấy sức khỏe con người là loại thiệt

cịn lại. hại
gópquan
của các
giainhất,
đoạntiếp
khác
nhau
bằng
cách sử
dụng
phương
pháp
tiếptrong
cận điểm
chếđóng
tạo là
trọng
theo
là tài
ngun
và hệ
sinh
thái. Mặt
khác,
Hình cuối.
12 cóGiai

thể đoạn
thấy sự
giai đoạn
có giai
đóng
gópkhác
cao nhất
vịng
đời
tiếp
theo làpháp
giai đoạn
sử dụng
bảoGiai
dưỡng,
giai
góp
của các
đoạn
nhauvào
bằng
cách
sửcầu,
dụng
phương
tiếp cận
điểm và
cuối.
đoạncả
chế

tạo là
đoạnđoạn
xây dựng
và góp
giai đoạn
cuốivào
vịng
đờiđời
đềucầu,
đóng
góp
rấtlà
thấp
với sử
haidụng
giai đoạn
cịn
lại.
giai
có đóng
cao nhất
vòng
tiếp
theo
giaiso
đoạn
và bảo
dưỡng,
cả giai
Phương

pháp
tiếp rất
cận điểm
đoạn xây dựng và giai đoạn cuối vịngBảng
đời4.đều
đóng
góp
thấpcuối.
so với hai giai đoạn cịn lại.

Hư hại
thể loại

Hư hại

thể loại
Hư hại

Sức khỏe con người

Đơn vị tham chiếu

DALY
Đơn vị tham chiếu

thể loại
Làm lạiur
H uecmột
m sức khỏe
$ DALY

Ecosyste Resource
m
Các loài trên mỗi năm$ tai
Sức khỏe con người
DALY
Hệ sinh thái
Số loài
mỗi năm
Nguồn

$

Số loài mỗi năm

Xây dựng

Bảng 4. Phương pháp tiếp cận điểm cuối.

Chế tạo

m

Xây dựng

EoL

Sử dụng và Bảo trì
Sử dụng và Bảo trì

EoL

m
cv (%)
m
cv (%)
m
cv (%)
m × và
10 - 711,70%
11,68% Sử1,01
2,36 Xây
×m10dựng
- 6 cv (%)
10Bảo
- 5 cv
-m 8.8 E 6 oLcv× (%)
dụng
trì(%) 4,89%
3 ×0 1×1 0 0 2 −5 4 1.1690,1
%%
2,36××10
100−611 1. 6 6 số 8. 9% 0% 1,01
10 −7 × 1 1 0 1 0. 70%
16,86%
1.1 2 9.
8,78
6,91
× 10 ×
−5 10 1 4,89% 5,60% −8,86 × 1,88
m

cv (%)
m
cv (%)
m
cv (%)
m
cv (%)
1 10 - 3 5,60%
5%
6 2.
××
6,26% 1,88 - × 1 1,0 3 0 316,86%
× 10 - 4 7,64%
4,58 1.19×1 × 0 1 - 0 3 21 4 3.. 0%5 1 3%
5. số 8 1,8 78 × × 1 1 0 0 - 4 16
9. 9.0
7%9.1 7510
cv (%)

m - tạo
2,03 × Chế
10
5

1 c 1 v. 6 (9 %%)

0

2,03
4,58 ×× 10

10 −5
−3
1,19 × 10 2

11,69%
13,53%
4,01%

2,36
5,18 ×
× 10
10 −6
−4
8,78 × 10 0

11,68%
9,75%
16,90%

1,01
2,75 ×
× 10
10 −5
−3
6,91 × 10 1

4,89%
6,26%
5,60%

−8,86
−1,33 ×
× 10
10 −7
−4
1,88 × 10 0

11,70%
7,64%
16,86%

4,58 × 10 −3

13,53%

5,18 × 10 −4

9,75%

2,75 × 10 −3

6,26%

−1,33 × 10 −4

7,64%

160
160
120

120
điểm
điểm

Hệ sinh thái

Bảng 4. Phương pháp tiếp cận điểm cuối.

Chế tạo

Đơn vị tham chiếu

80

80
40
40
0
0

Sức khỏe con người

Tài nguyên

Hệ sinh thái

Sức khỏe con người

Tài nguyên

Hệ sinh thái

Hình 11. Các hạng mục thiệt hại.

Hình 11. Các hạng mục thiệt hại.
Hình 11. Các hạng mục thiệt hại.

điểm
điểm

2.694
2.694

120.318
120.318

209,007
209,007

20.415

Chế tạo
Chế tạo

20.415

Xây dựng

Sử dụng và Bảo trì

EoL

Xây dựng

Sử dụng và Bảo trì

EoL

Hình 12. Đóng góp của các giai đoạn vịng đời cầu.
Hình 12. Đóng góp của các giai đoạn vịng đời cầu.

Hình 12. Đóng góp của các giai đoạn vịng đời cầu.


Sự bền vững 2018, 10, 685

15 của 17

5. Kết Luận
Giảm thiểu tác động đến môi trường là một xu hướng phải được tính đến do các vấn đề mơi trường đang
tồn tại hiện nay. Về mặt này, lĩnh vực xây dựng có biên độ cải thiện lớn. Việc thiết kế các cấu trúc hoặc tịa nhà
phải xem xét các khía cạnh của ba trụ cột của tính bền vững. Đánh giá tác động mơi trường trong tồn bộ cuộc
đời là một
yếu tố phải được tính đến khi thiết kế các cấu trúc hoặc tòa nhà. Mặc dù CO 2
phát thải không phải là chỉ số duy nhất được xem xét trong đánh giá môi trường, do
mối quan hệ của chỉ tiêu này với chi phí, nó được sử dụng để có được một cầu nối với chi phí thấp nhất và tác
động mơi trường thấp. Sau khi có được cây cầu này, việc đánh giá mơi trường hồn chỉnh sẽ được thực hiện.
Với mục đích này, tối ưu hóa heuristic bằng thuật tốn memetic lai được sử dụng để có được một cây cầu đúc
sẵn bê tông dự ứng lực được tối ưu hóa về chi phí và do đó lượng
CO liên kết 2. Sau đó, các phương pháp tiếp cận điểm giữa và điểm cuối của phương pháp ReCiPe được sử dụng

để thu được lợi ích mơi trường hồn chỉnh của cầu. Những cách tiếp cận khác nhau này giúp bạn có thể
có được dữ liệu bổ sung cung cấp thông tin khác nhau. Trong khi cách tiếp cận điểm giữa cung cấp thông tin
chi tiết, cách tiếp cận điểm cuối cung cấp thông tin tập trung hơn nên có thể chỉ đạt được một điểm để đánh
giá tất cả các tác động môi trường.
Về kết quả của phương pháp điểm giữa, giai đoạn sản xuất và giai đoạn sử dụng và bảo dưỡng là những
giai đoạn có tác động môi trường cao hơn. Với kiến thức này, thật thú vị khi xác định các quy trình có đóng góp
lớn nhất trong các giai đoạn này để cố gắng giảm tác động môi trường. Sản xuất xi măng và sản xuất thép là
q trình có tác động mơi trường cao nhất trong giai đoạn sản xuất, trong khi hoạt động bảo dưỡng có tác
động mơi trường nhiều nhất trong giai đoạn sử dụng và bảo dưỡng. Do đó, cách tiếp cận điểm giữa chỉ ra q
trình có đóng góp cao nhất trong mỗi loại tác động và bằng cách này, có thể biết q trình nào cần sửa đổi tùy
thuộc vào loại tác động cần cải thiện. Cách tiếp cận điểm giữa cung cấp thông tin chi tiết nhưng không đưa ra
một điểm số nào thể hiện tác động mơi trường tồn cầu của cây cầu. Với mục đích này, phương pháp tiếp cận
điểm cuối được sử dụng. Như có thể suy ra, trong cách tiếp cận điểm giữa, giai đoạn sản xuất và giai đoạn sử
dụng và bảo trì là những giai đoạn có tác động mơi trường cao hơn.

Sau khi nghiên cứu cả phương pháp tiếp cận điểm giữa và điểm cuối, kết quả cho thấy sự cần thiết phải có
một quy trình mơi trường hồn chỉnh để đánh giá tác động môi trường của cây cầu. Cách tiếp cận điểm giữa
cung cấp thông tin giúp xác định các quá trình cần tiến hành các cải tiến để cải thiện các hạng mục tác động cụ
thể của cây cầu nhưng cách tiếp cận điểm cuối cung cấp một điểm duy nhất có thể đánh giá tác động mơi
trường tồn cầu của cây cầu.
Hơn nữa, mặc dù CO 2 phát thải là một chỉ số quan trọng trong đánh giá tác động môi trường, trong một số
trường hợp khơng đủ khả năng để có được một đánh giá mơi trường chính xác và
cần phải tính đến tất cả các hạng mục tác động khác.
Sự nhìn nhận: Các tác giả ghi nhận sự hỗ trợ tài chính của Bộ Kinh tế và Cạnh tranh Tây Ban Nha, cùng với sự tài trợ của
FEDER (Dự án: BIA2017-85098-R).
Sự đóng góp của tác giả: Bài báo này thể hiện kết quả của tinh thần đồng đội. Các tác giả cùng thiết kế nghiên cứu. Vicent
Penad é s-Pl à soạn thảo bản thảo. Tatiana Garc Tôi a-Segura, Jos é V. Mart Tôi và V Tôi ctor Yepes đã chỉnh sửa và cải tiến bản thảo
cho đến khi tất cả các tác giả đều hài lòng với phiên bản cuối cùng.
Các hành vi quan tâm: Các tác giả tuyên bố không quan tâm.
Người giới thiệu

1.

Liên Hiệp Quốc. Ủy ban Thế giới về Môi trường và Phát triển Tương lai chung của chúng ta; Liên hợp quốc: New York,
NY, Hoa Kỳ, 1987.

2.

Waas, T.; Ôm é, J .; Khối, T.; Được rồi, T.; Benitez-Capistros, F.; Verbruggen, A. Đánh giá và Chỉ số Bền vững: Các công cụ
trong Chiến lược Ra quyết định cho Phát triển Bền vững. Sự bền vững 2014, 6,
5512–5534. [ CrossRef ]


Sự bền vững 2018, 10, 685

3.

16 trên 17

Penad é s-Pl à, V; Garc Tôi a-Segura, T.; Mart Tôi, J .; Yepes, V. Đánh giá các phương pháp ra quyết định đa tiêu chí được áp
dụng cho thiết kế cầu bền vững. Sự bền vững 2016, số 8, 1295. [ CrossRef ]

4.

Zavadskas, EK; Antucheviciene, J .; Vilutiene, T.; Adeli, H. Ra quyết định bền vững trong xây dựng dân dụng, xây dựng và
công nghệ xây dựng. Sự bền vững 2018, 10, 14. [ CrossRef ]

5.

Đúng, V .; Mart Tôi, Liên doanh; Garc Tơi a-Segura, T. Chi phí và CO 2 tối ưu hóa phát xạ của cầu đường dầm chữ U bê tơng dự ứng

lực đúc sẵn bằng thuật tốn bầy sâu phát sáng lai. Tự động hóa. Xây dựng. 2015, 49, 123–134. [ CrossRef ]

6.

Trại, CV; Assadollahi, A. CO 2 và tối ưu hóa chi phí của móng bê tơng cốt thép bằng cách sử dụng thuật toán kết hợp giữa
big bang-big crunch. Kết cấu. Đa ngành. Tối ưu. 2013, 48, 411–426. [ CrossRef ]

7.

Garc Tôi a-Segura, T.; Đúng, V .; Mart Tôi, Liên doanh; Alcal á, J. Tối ưu hóa dầm chữ I bê tơng bằng cách sử dụng thuật
toán bầy sâu phát sáng lai mới. Lat. Là. J. Cấu trúc chất rắn. 2014, 11, 1190–1205. [ CrossRef ] Garc Tơi a-Segura, T.; Yepes,

số 8.

V. Tối ưu hóa đa phương diện của cầu đường bộ dầm hộp bê tông dự ứng lực
xem xét chi phí, CO 2 khí thải và an toàn. Tiếng Anh Kết cấu. 2016, 125, 325–336. [ CrossRef ] Garc Tôi a-Segura, T.; Đúng, V .;

9.

Frangopol, DM Thiết kế đa mục tiêu cầu đường bê tông dự ứng lực
bằng cách sử dụng mạng nơ-ron nhân tạo. Kết cấu. Đa ngành. Tối ưu. 2017, 56, 139–150. [ CrossRef ]

10.

Laurent, A. .; Olsen, SI; Hauschild, MZ Hạn chế của lượng khí thải carbon như một chỉ số về tính bền vững của mơi
trường. Mơi trường. Khoa học. Technol. 2012, 46, 4100–4108. [ CrossRef ] [ PubMed ]

11.

Du, G.; Karoumi, R. Đánh giá vòng đời của cầu đường sắt: So sánh hai thiết kế cấu trúc thượng tầng.

Kết cấu. Cơ sở hạ tầng. Tiếng Anh 2012, 9, 1149–1160. [ CrossRef ]

12.

Du, G.; Sa fi, M.; Pettersson, L.; Karoumi, R. Đánh giá vịng đời như một cơng cụ hỗ trợ quyết định cho việc mua sắm cầu:
So sánh tác động môi trường giữa các thiết kế cầu. Int. J. Đánh giá vòng đời. 2014, 19,
Năm 1948–1964. [ CrossRef ]

13.

Hammervold, J.; Reenaas, M.; Brattebø, H. Đánh giá vịng đời mơi trường của cầu. J. Cầu Eng.
2013, 18, 153–161. [ CrossRef ]

14.

Pang, B.; Yang, P.; Vương, Y .; Kendall, A. .; Xie, H.; Zhang, Y. Đánh giá tác động mơi trường vịng đời của một cây cầu với
các phương án gia cố khác nhau. Int. J. Đánh giá vòng đời. 2015, 20, 1300–1311. [ CrossRef ] Zastrow, P.; Molina-Moreno,

15.

F.; Garc Tôi a-Segura, T.; Mart Tơi, Liên doanh; Yepes, V. Đánh giá vịng đời của tường chắn đất có trụ được tối ưu hóa chi
phí: Một nghiên cứu tham số. J. Sạch sẽ. Sản phẩm. 2017, 140, 1037–1048. [ CrossRef ] Penad é s-Pl à, V; Mart Tôi, Liên

16.

doanh; Garc Tôi a-Segura, T.; Yepes, V. Đánh giá vòng đời: So sánh giữa hai cầu đường bộ dầm hộp bê tông dự ứng lực

tối ưu. Sự bền vững 2017, 9, Năm 1864. [ CrossRef ] Trung tâm Ecoinvent Ecoinvent v3.3. 2016. Có sẵn trực tuyến: />
17.
18.

(truy cập ngày 15 tháng 1 năm 2018).
Goedkoop, M.; Heijungs, R .; Huijbregts, M.; Schryver, AD; Struijs, J .; Van Zelm, R. ReCiPe 2008. Đánh giá tác động vòng

đời bao gồm các chỉ số hạng mục hài hòa ở mức trung bình và ở mức điểm cuối;

Bộ trưởng van Volkshuisigration, Ruimtleijke Ordening en Milieubeheer: Den Haag, Hà Lan, 2009. Có sẵn trên mạng: earchgat
fi le / Mark_Goedkoop / edition / 230770853_Recipe_ 2008 / links / 09e4150dc068ff22e9000000.pdf (truy cập ngày 15
tháng 1 năm 2018). Cohn, MZ; Dinovitzer, AS Ứng dụng của tối ưu hóa kết cấu. J. Kết cấu. Tiếng Anh 1994, 120, 617–650. [ CrossRef

19.
20.

]
Blum, C.; Puchinger, J.; Raidl, GR; Roli, A. Siêu phân tích kết hợp trong tối ưu hóa tổ hợp: Một cuộc khảo sát.

Appl. Tính tốn mềm. 2011, 11, 4135–4151. [ CrossRef ] Mart Tôi, Liên doanh; Garc Tôi a-Segura, T.; Yepes, V. Thiết kế kết

21.

cấu cầu đường dầm chữ U bê tông dự ứng lực đúc sẵn dựa trên năng lượng thể hiện. J. Sạch sẽ. Sản phẩm. 2016, 120, 231–240.
[ CrossRef ] Tổ chức Tiêu chuẩn hóa Quốc tế (ISO). Quản lý Mơi trường — Vòng đời

22.
Đánh giá - Nguyên tắc và Khung; ISO: Geneva, Thụy Sĩ, 2006.

23.

Yi, S.; Kurisu, KH; Hanaki, K .; Hanaki, K. Đánh giá tác động vòng đời và giải thích các kịch bản quản lý chất thải rắn đơ thị
dựa trên các phương pháp tiếp cận điểm giữa và điểm cuối. Int. J. Đánh giá vòng đời.

2011, 16, 652–668. [ CrossRef ] Ủy ban Châu Âu. Ủy ban Tiêu chuẩn hóa Châu Âu EN 206-1 Bê tơng — Phần 1: Đặc điểm kỹ

24.

thuật, Hiệu suất, Sản xuất và Sự phù hợp; Ủy ban Châu Âu: Brussels, Bỉ, 2000. Ministerio de Fomento. EHE-08: Mã kết
cấu bê tông; Ministerio de Fomento: Madrid, Tây Ban Nha, 2008. Ministerio de Fomento. IAP-11: Mã về Hành động Thiết

25.
26.

kế Cầu Đường bộ; Ministerio de Fomento: Madrid, Tây Ban Nha, 2011.


sustainability
Article

An Optimization-LCA of a Prestressed Concrete
Precast Bridge
Vicent Penadés-Plà 1 , Tatiana García-Segura 2 , José V. Martí 1 and Víctor Yepes 1, *
1
2

*

ID

Institute of Concrete Science and Technology (ICITECH), Universitat Politècnica de València,
46022 Valencia, Spain; (V.P.-P.); (J.V.M.)
Construction Engineering Department, Universitat Politècnica de València, 46022 Valencia, Spain;

Correspondence: ; Tel.: +34-96-387-9563; Fax: +34-96-387-7569

Received: 30 January 2018; Accepted: 1 March 2018; Published: 2 March 2018

Abstract: The construction sector is one of the most active sectors, with a high economic,
environmental and social impact. For this reason, the sustainable design of structures and buildings
is a trend that must be followed. Bridges are one of the most important structures in the construction
sector, as their construction and maintenance are crucial to achieve and retain the best transport
between different places. Nowadays, the choice of bridge design depends on the initial economic
criterion but other criteria should be considered to assess the environmental and social aspects.
Furthermore, for a correct choice, the influence of these criteria during the bridge life-cycle must
be taken into account. This study aims to analyse the life-cycle environmental impact of efficient
structures from the economic point of view. Life-cycle assessment process is used to obtain all the
environmental information about bridges. In this paper, a prestressed concrete precast bridge is
cost-optimized and afterwards, the life-cycle assessment is carried out to achieve the environmental
information about the bridge.
Keywords: sustainability; bridges; life-cycle assessment; optimization; ReCiPe

1. Introduction
The basis for the definition of sustainable development lies in the Brundtland Commission’s
report [1], which describes it as “development that meets the needs of the present generation without
compromising the needs of the future generation”. This idea implies the consideration of different aspects
of three main components: economic, environmental and social. Therefore, achieving sustainable
development implies a consensus among these three main pillars, which usually have different goals.
Wass et al. [2] stated that sustainable development implies that a decision-making strategy must be
considered. Decision making is a process that can help to find a solution that provides a compromise
between different aspects and therefore achieves a sustainable solution [3,4].
The construction sector is one of the most active sectors and one of the ones with a greater
influence on the economic, environment and social aspects of the world. This indicates a need for
a trend toward sustainability of buildings and structures. One of the most important structures in

this sector is bridges. The construction and maintenance of bridges are crucial to generate and keep
the best transport possible between different places. For this reason, the assessment of sustainable
development during the whole life-cycle is necessary. Of the three main components of sustainable
development, the social aspect is the least studied and there are more doubts about its assessment.
On the contrary, the economic and environmental aspects have been studied more intensively and it is
convenient to assume that their consideration is sufficient. Considering the evaluation of these two
components to achieve sustainability of bridges, the objective is to design the bridge with the lowest

Sustainability 2018, 10, 685; doi:10.3390/su10030685

www.mdpi.com/journal/sustainability


Sustainability 2018, 10, 685

2 of 17

cost and lowest environmental impact. Although these two pillars of sustainability have different
goals, some works have stated that there is a relationship between the cost and CO2 emissions of
structures [5,6]. Therefore, reducing the cost implies a reduction of CO2 emissions.
Obtaining the lowest cost or CO2 emissions have been studied by several works.
Optimization algorithms are most often used to reduce the cost or CO2 emissions of structures. In some
cases, this involves a mono-objective optimization of cost and CO2 emissions [5–7], whereas other works
carry out multi-objective optimization to achieve both objectives at the same time [8,9]. Despite the
relationship between cost and CO2 emissions, the environmental impact cannot be assessed by taking
into account CO2 emissions alone [10]. For this reason, the environmental impact assessment must
achieve a complete environmental profile. This complete environmental profile can be obtained using
the life-cycle assessment (LCA) process. LCA is one of the most important and accepted methods of
assessing the environmental impacts [11–16], making it an excellent tool for assessing the environmental
impact of a bridge.

In this paper, a prestressed concrete precast 40 m bridge is selected as the subject of an
optimization-LCA. The optimization of the cost will reduce the cost of the bridge directly and the
associated CO2 emissions indirectly. This process makes it possible to obtain a cost-optimized bridge
with a low environmental impact. After finishing the optimization, all the features of the cost-optimized
bridge will be known, including its cost but the environmental impact will not yet have been obtained.
The LCA makes it possible to obtain a complete environmental profile of this cost-optimized bridge.
With this methodology, a bridge whose costs have been optimized directly and whose environmental
impact has been improved is obtained and finally the LCA for the whole life-time can be performed.
For this purpose, a hybrid memetic algorithm is used to carry out the cost-optimization of the bridge.
Then, the Ecoinvent database [17] and the ReCiPe method [18] are used to conduct the LCA process of
the bridge.
2. Optimization
The optimization process is used to achieve the best solution to a problem. This process is a
clear alternative to designs based on experience. Optimization methods can be categorized into
exact methods and heuristic methods. On one hand, the exact methods are based on mathematical
algorithms that make it possible to obtain the global optimal solution [19]. On the other hand,
the heuristic methods, which include a large number of algorithms [20], obtain an optimal solution
starting from an initial solution. The exact methods are very useful in problems where there are a
small number of variables, because the computing time becomes unworkable for a large number of
variables. Structural optimization problems are defined for a large number of design variables and
thus the heuristic method is the most useful for structural optimization. There are a large number of
works that use heuristic algorithms for the optimization of different kinds of structures [8,9,21].
3. Life-Cycle Assessment
Life-cycle assessment (LCA) is one of the most important and accepted methods of evaluating the
environmental impact of a product, process, or service during its whole life-cycle, taking into account
all the activities involved, which are defined as inputs and outputs. The limits defined for these inputs
and outputs are the boundaries of the system and represent the scheme to be considered. The LCA must
be complete and thus it should consider all the activities needed for the achievement of the product,
process, or service. Therefore, focusing on the construction sector, a full LCA of structures must
consider all the activities from the acquisition of the raw material to the end of life. These activities

associated with the whole life-cycle of the structures are grouped into the manufacturing phase,
construction phase, use and maintenance phase and end of life phase. The LCA makes it possible to
carry out an environmental impact assessment of a set of activities associated with the different stages
of a structure’s life-cycle and the global environmental impact by adding these phases. For all that,
the LCA is an excellent tool to evaluate the environmental impact of structures. ISO 14040:2006 [22]


Sustainability 2018, 10, 685

3 of 17

provides guidance on carrying out the LCA, divided into four steps: (1) definition of goal and scope;
(2) inventory analysis; (3) impact assessment; and (4) interpretation.
The first step defines all the specifications that will be considered in the LCA. This involves
other features besides the definition of the goal and scope, such as the life-cycle inventory to be
taken into account, the life-cycle assessment methodology considered, the functional unit and the
assumptions and limitations that have been considered in the LCA. According to the guidance defined
by ISO 14040:2006 [22], the characterization defines some assumptions and limitations of the LCA that
condition the following life cycle inventory and life cycle assessment. Another important feature is the
functional unit that represents the unit in which the assessment will be referred.
The inventory analysis is the collection of the data needed to define the inputs and outputs that
represent the system studied. This data can be obtained in different ways: from direct measurements,
literature, or other sources such as databases. The most common way to obtain data is from databases.
Once these first steps have been defined, the environmental impact assessment is used to evaluate
the result of the inventory analysis to obtain a set of environmental indicators that represent the
environmental profile of the product, process, or service. There are different methods of representing
the environmental profile. These methods can be grouped into two different approaches: midpoint
and endpoint assessments. The midpoint approach defines the environmental profile by means of
a set of impact categories and the endpoint approach defines the environmental profile by means
of a set of damage categories. There are three damage categories (human health, resource depletion

and ecosystems) into which the impact categories are clustered. Therefore, although the midpoint
approach provides a complete environmental profile, it is more difficult to interpret [23]. Conversely,
the endpoint approach does not provide a detailed environmental profile like the midpoint approach
but is easier to understand.
Finally, the information obtained must be interpreted. For this purpose, an analysis of the different
stages of life-cycle of the bridge is carried out. In addition, a study of the environmental impact of
a product, process, or service can be made to improve the environmental impact associated with
its activities.
4. Case Study
For the purpose of this work, a bridge is selected to carry out the optimization-LCA. First,
a cost-optimization of the bridge will be carried out and then a LCA of the cost-optimized bridge will
be applied to obtain a complete environmental profile. In the next points, a precise description of the
bridge will be presented and then the cost-optimization and the LCA will be described in detail for the
bridge described.
4.1. Bridge Description
The bridge studied is a single span prestressed concrete precast bridge of 40 m. The section of the
bridge is formed by two prestressed concrete precast isostatic beams with a U-shaped cross-section.
The cross-section integrates a 12 m upper reinforced concrete slab. Note that the substructure is not
included in the analysis since it depends on the ground characteristics and the orography. Figure 1
shows a general view of the bridge. The bridge is located in the eastern coastal area of Spain and the
environmental ambient corresponds to XC-4 according to EN 206-1 [24]. Thus, corrosion is mainly
caused by carbonation.


Sustainability 2018, 10, 685
Sustainability 2018, 10, x FOR PEER REVIEW

4 of 17
4 of 17

Figure1.1.General
Generalview
viewof
ofthe
theprestressed
prestressedconcrete
concreteprecast
precastbridge.
bridge.
Figure

4.2.Optimization
Optimization
4.2.
Inthis
this section,
section, the
concrete
precast
bridge
willwill
be explained.
This
In
the cost-optimization
cost-optimizationofofthe
theprestressed
prestressed
concrete
precast

bridge
be explained.
optimization
process
consists
in
the
minimization
of
the
cost
C
while
some
restrictions
g
j are satisfied.
This optimization process consists in the minimization of the cost C while some restrictions gj
are satisfied.
(1)
, ,…,
C = f ( x1 , x2 , . . . , x n )
(1)
, ,…,
0
(2)
g ( x1 , x2 , . . . , x n ) ≤ 0
(2)
used for the optimization. The objective function
Note that x1, x2, …, xn are the designj variables

C expresses
thevariables
restrictions
gj for
arethe
theoptimization.
serviceabilityThe
limit
states (SLS),
the
Note thatthe
x1 ,cost
x2 , .of
. . the
, xn bridge
are the and
design
used
objective
function
limit
the durability
limit statesgj and
the serviceability
geometric and
constructability
Cultimate
expresses
the states
cost of(ULS),

the bridge
and the restrictions
are the
limit
states (SLS),
constraints
the states
problem.
There
40 designlimit
variables,
including
eight variables
that define the
the
ultimateoflimit
(ULS),
theare
durability
states and
the geometric
and constructability
geometry of
two
that are
define
the concrete
of the
slab andeight
the beam,

fourthat
thatdefine
definethe
the
constraints
ofthe
thesection,
problem.
There
40 design
variables,
including
variables
prestressed
and 26 two
that that
define
the reinforcing
Furthermore,
arefour
a setthat
of parameters
geometry
of steel
the section,
define
the concretesteel.
of the
slab and thethere
beam,

define the
that have no
influence
optimization
problem,
such
as the width,
span
inclination.
prestressed
steel
and 26 on
thatthe
define
the reinforcing
steel.
Furthermore,
there
areand
a setweb
of parameters
Structural
constraints
been
consideredproblem,
accordingsuch
to the
codes
[25,26].
The inclination.

ULSs verify
that
have no
influencehave
on the
optimization
as Spanish
the width,
span
and web
if the ultimate
resistance
greater
than theaccording
ultimate load
Besides,
minimum
amount
of
Structural
constraints
haveisbeen
considered
to theeffect.
Spanish
codes the
[25,26].
The ULSs
verify
steel

for the stress
requirements
the geometrical
conditions
considered.
The
ifreinforcing
the ultimate
resistance
is greater
than theand
ultimate
load effect.
Besides, are
thealso
minimum
amount
SLSs
examinesteel
different
aspects.
Cracking limitand
state
compliance
of the
and
of
reinforcing
for the
stress requirements

therequires
geometrical
conditions
are compression
also considered.
tension
as different
well as the
decompression
limit state
state requires
in the area
where theofpost-tensioned
steel
The
SLSscracks,
examine
aspects.
Cracking limit
compliance
the compression
andis
located.cracks,
Deflections
areaslimited
to 1/1000 of the
freestate
spaninlength
for where
the quasipermanent

combination.
tension
as well
the decompression
limit
the area
the post-tensioned
steel is
In addition,
the concrete
and steel
fatigue
considered
in this
study. Table 1 summarizes
of
located.
Deflections
are limited
to 1/1000
ofhas
the been
free span
length for
the quasipermanent
combination.
the
ULSs and
considered.
In

addition,
theSLSs
concrete
and steel fatigue has been considered in this study. Table 1 summarizes of the
this
optimization,
ULSs In
and
SLSs
considered.a hybrid memetic algorithm (MA) is applied. The MA is a population-based
approach
to stochastic aoptimization
thatalgorithm
combines
theis parallel
by evolutionary
In this optimization,
hybrid memetic
(MA)
applied. search
The MAused
is a population-based
algorithms
a local
search of the
solutions
forming
a population
[27].by
Regarding

the local
search
approach
to with
stochastic
optimization
that
combines
the parallel
search used
evolutionary
algorithms
used,aa local
variable-depth
search (VDNS)
is used[27].
as a variant
of thethe
very
large-scale
with
search of neighbourhood
the solutions forming
a population
Regarding
local
search
neighbourhood
search (VLSN)
[28]. In this

MA-VDNS,
of 500
(n) islarge-scale
generated
used,
a variable-depth
neighbourhood
search
(VDNS) aisset
used
as random
a variantsolutions
of the very
as the population.
Then
each of
these
solutions
is improved
of asolutions
VDNS search
to reach a
neighbourhood
search
(VLSN)
[28].
In this
MA-VDNS,
a set ofby
500means

random
(n) is generated
local
ToThen
this each
end, of
thethese
algorithm
begins
by changing
only one
and when
ten
as
the optimum.
population.
solutions
is improved
by means
of a variable
VDNS search
to reach
movements
have the
been
performed
without
improvement
(no_imp),
there

beten
an
aconsecutive
local optimum.
To this end,
algorithm
begins
by changing
only one
variable
and will
when
increase
in
the
number
of
variables
(var)
that
are
changed
simultaneously,
up
to
eight.
Then,
with
this
consecutive movements have been performed without improvement (no_imp), there will be an increase

new improved population, a genetic algorithm is applied. The genetic algorithm develops the
population, which is subjected to random movements (mutations and crossovers), preserving the


Sustainability 2018, 10, 685

5 of 17

in the number of variables (var) that are changed simultaneously, up to eight. Then, with this new
improved population, a genetic algorithm is applied. The genetic algorithm develops the population,
which is subjected to random movements (mutations and crossovers), preserving the better adapted
solutions. The cost assessment takes into account a penalty cost; nevertheless, the VDNS does not
Sustainability
2018, 10, x FOR
REVIEW
5 of 17divergence
consider
the penalty
costPEER
(only
feasible solutions are accepted) in order to avoid the early
of the algorithm. The VDNS is applied to the new generation up to 150 generations. Figure 2 shows a
better adapted solutions. The cost assessment takes into account a penalty cost; nevertheless, the
flowVDNS
chartdoes
of the
hybrid memetic algorithm.
not consider the penalty cost (only feasible solutions are accepted) in order to avoid the
early divergence of the algorithm. The VDNS is applied to the new generation up to 150 generations.
Table

1. Ultimate
andalgorithm.
serviceability limit states.
Figure 2 shows a flow chart of
the hybrid
memetic

Limit States

Table 1. Ultimate and serviceability limit states.

Flexure
Limit
States
Vertical shear
Flexure
Longitudinal
Vertical
shear shear
Punching
Longitudinalshear
shear
Torsion shear
Punching
Torsion combined with flexure and shear
Torsion
Fatigue
Torsion
combined with flexure and shear
Crack width <0.2 mm

Fatigue
Compression and tension stress. Decompression in post-tensioned steel depth
Crack width <0.2 mm
Deflection for the quasipermanent combination <1/1000
Compression and tension stress. Decompression in post-tensioned steel depth
Deflection for the quasipermanent combination <1/1000

Figure
memetic
algorithm
flow chart.
Figure2.2.Hybrid
Hybrid
memetic
algorithm
flow chart.


Sustainability 2018, 10, 685

6 of 17

Sustainability 2018, 10, x FOR PEER REVIEW

6 of 17

The solution
obtained
40 m-long
prestressed

concrete
precast
has acost
totalofcost of
The solution
obtained
for thefor
40the
m-long
prestressed
concrete
precast
bridgebridge
has a total
108,274.45
€.
The
geometry
of
this
bridge
is
shown
in
Figure
3.
The
amount
of
beam

concrete
108,274.45 €. The geometry of this bridge is shown in Figure 3. The amount of beam concrete used isused is
3 /m2 , with a strength of 35 MPa, while the amount of slab concrete used is3 0.1797
m3 /m2 ,
0.11170.1117
m3/m2,mwith
a strength of 35 MPa, while the amount of slab concrete used is 0.1797 m /m2, with
2
Sustainability
2018,
10,
x
FOR
PEER
REVIEW
6
of
17
with aofstrength
of Furthermore,
40 MPa. Furthermore,
the concrete
precast concrete
beams require
6163
kg (12.52
a strength
40 MPa.
the precast
beams require

6163 kg
(12.52
kg/m2kg/m
) of ) of
2 ) of prestressed steel, while the concrete slab is defined by
2kg/m
reinforcing
steel
andkg
5184
kg (10.53
reinforcing
steel and
(10.53
kg/m
steel,concrete
while the
concrete
defined
by
The 5184
solution
obtained
for the) of
40 prestressed
m-long prestressed
precast
bridgeslab
has aistotal
cost of

2
kg
(23.92
) of reinforcing
steel.is shown in Figure 3. The amount of beam concrete used is
11,77211,772
kg (23.92
kg/m2kg/m
)€.ofThe
reinforcing
108,274.45
geometry
ofsteel.
this bridge
0.1117 m3/m2, with a strength of 35 MPa, while the amount of slab concrete used is 0.1797 m3/m2, with
a strength of 40 MPa. Furthermore, the precast concrete beams require 6163 kg (12.52 kg/m2) of
reinforcing steel and 5184 kg (10.53 kg/m2) of prestressed steel, while the concrete slab is defined by
11,772 kg (23.92 kg/m2) of reinforcing steel.

FigureFigure
3. Geometry
of optimized
bridge.bridge.
3. Geometry
of optimized

4.3. Life-Cycle
Assessment
4.3. Life-Cycle
Assessment

Figure 3. Geometry of optimized bridge.

4.3. Life-Cycle
Assessment
In thisIn
section,
the guidance
defined
by ISOby
14040:2006
[22] will
bewill
applied
to the bridge
studied.
this
section,
the guidance
defined
ISO 14040:2006
[22]
be applied
to the bridge
studied.
For this
purpose,
the
different
steps

will
be
particularized
to
the
case
of
study,
describing
and
taking
In this section,
the guidance
ISO 14040:2006 to
[22]the
willcase
be applied
to the
bridge studied.
For this purpose,
the different
stepsdefined
will beby
particularized
of study,
describing
and taking
into account
the
characteristics

for this
Figure
4ofshow
adescribing
general
view
of
the of the
Forspecific
this
purpose,
thecharacteristics
different considered
steps will
be particularized
the case
study,
and taking
into account
the
specific
considered
forstudy.
thistostudy.
Figure
4 show
a general
view
into account
the specific characteristics considered for this study. Figure 4 show a general view of the

LCA process
carried
out.
LCA process carried out.
LCA process carried out.

Figure 4. General scheme LCA process.

Figure 4. General scheme LCA process.
4.3.1. Goal and Scope

Figure into
4. General
LCA of
process.
4.3.1. Goal and
Scope
The LCA
will be divided
the fourscheme
main phases
the whole life-cycle of the bridge for a better
understanding: (1) manufacturing; (2) construction; (3) use and maintenance; and (4) end of life. Each
LCA
will be divided into the four main phases of the whole life-cycle of the bridge for a
4.3.1. Goal The
and
Scope
phase
will be defined separately and thus each phase will be limited by its own system boundary.

better understanding:
(1) manufacturing; (2) construction; (3) use and maintenance; and (4) end of life.
The functional unit will be 1 m of the length of the bridge. The final goal is to find the environmental
The
LCA
will
be
divided
intoseparately
the four main
phases
of the
whole
ofby
theitsbridge
for a better
Each phase will be defined
and thus
each
phase
willlife-cycle
be limited
own system
boundary.
understanding:
(1)
manufacturing;
(2)
construction;
(3)

use
and
maintenance;
and
(4)
end
of
Each
The functional unit will be 1 m of the length of the bridge. The final goal is to find the life.
environmental
phase will be defined separately and thus each phase will be limited by its own system boundary.
The functional unit will be 1 m of the length of the bridge. The final goal is to find the environmental


Sustainability 2018, 10, 685

7 of 17

impact of each phase and consequently the global environmental impact of the bridge by adding the
environmental impacts of different phases.
Manufacturing
The manufacturing phase includes the upstream processes of the products used in the bridge and
the associated transport, from the acquisition of raw materials to materials that are ready to be used in
the construction of the bridge. The prestressed concrete precast bridge has three main components:
beams of precast concrete, fresh concrete and steel. Therefore, first it is necessary delimit the activities
associated with each product including the transport.
On one hand, the manufacture of the beams of precast concrete takes into account all the activities
from the extraction of raw materials to the finishing of the beams in the precast plant, while the
manufacture of the fresh concrete for the slab takes into account the activities from the extraction of
raw material to the point when the concrete is ready to be used in the construction place. In both

cases, the distance considered between the quarry and the precast plant or concrete plant is 50 km,
the distance considered in the cement transportation is 20 km and the distance between the concrete
plant and the construction site is 50 km. Furthermore, the dosage of concrete is taken into account to
achieve the strength required. On the other hand, the manufacture of the steel takes into account all
the activities from the acquisition of the raw material to the point when the steel is ready to be used
in the precast plant or construction site. Considering that the bridge is built in Spain, the analysis
takes the Spanish steel production characteristics. This implies that 67% of the steel is produced in an
electric arc furnace and the remaining 33% is produced in a basic oxygen furnace. This ratio generates
a recycling rate of steel of 71%. The distance considered between the steel production plant and the
precast plant or construction site is 100 km. Table 2 shows the amount of material needed for the beam
and slab and the dosage of the concrete in both cases.
Table 2. Amount of materials.

Strength (MPa)
Reinforcing steel (kg/m2 )
Prestressed steel (kg/m2 )
Concrete (m3 /m2 )
Cement (kg/m3 )
Gravel (kg/m3 )
Sand (kg/m3 )
Water (kg/m3 )
Superplasticizer (kg/m3 )

Precast Concrete Beam

Concrete Slab

35
12.52
10.53

0.1117
300
848
1088
160
4

40
23.92
–
0.1797
320
829
1102
162
5

Construction
The construction phase includes all the materials and construction machinery necessary for the
erection of the bridge. It includes the transportation and elevation of precast beams using special
transport over 50 km. Furthermore, the bridge slab is considered to be cast in place. The construction
machinery considered for the slab construction was obtained from the Bedec database [29]. The concrete
machinery consumes 123.42 MJ of energy and emits 32.24 kg of CO2 per m3 of concrete. The distance
travelled considered by the construction machinery is 50 km. In addition, the formwork is made by
wood and can be reused 3 times.
Use and Maintenance
The maintenance and use phase includes everything that happens in the service life of the bridge.
It takes some activities and processes (considering its own maintenance activities and the traffic detour
due to the closure of the bridge) and the fixed CO2 . On one hand, the bridge needs one maintenance
period of 2 days to satisfy with the regulations during its 120 years of service life. This maintenance

Sustainability 2018, 10, 685

8 of 17

activity considers that the concrete cover is replaced by a repair mortar. The maintenance action
consists firstly of removing the concrete cover and providing a proper surface for the coating adhesion.
Then, a bonding coat is applied between the old and new concrete. Finally, a repair mortar is placed to
provide a new reinforcement corrosion protection [30]. Note that the study considers that the quality
on-site work is adequate to guarantee that the bridge does not have durability problems during the
service life. Besides, it is important to highlight that other maintenance activities to repair or replace
equipment elements may take place. However, they are not evaluated in this study.
This study takes into account all the machinery necessary to repair the deterioration of the bridge
including the transport to the bridge location and the increase in emissions generated due to the
traffic detour [13,14]. The traffic detour is considered taking into account the average daily traffic of
8500 vehicles/day, where trucks comprise 10% of vehicles and a detour distance of 2.9 km. On the other
hand, the fixation of the CO2 by the concrete is a widely studied fact [31,32] that has been considered
in the bridge studied.
End of Life
The end-of-life phase includes everything that happens after the service life of the bridge. All the
activities and processes associated with this phase are related with the demolition of the bridge and
the treatment of the generated wastes. On one hand, demolition activities for the destruction or
dismantling of the bridge will be necessary. These demolition activities take into account all the
machinery necessary for this purpose. On the other hand, the treatment of generated wastes takes into
account a greater set of activities depending on the purpose of the processing. In this case, the bridge
will be destroyed, after which all the wastes will be transported to a sorting plant where the concrete
and steel will be separated. The concrete will be crushed and transported to a landfill and in this way,
the complete carbonation of the concrete [32] and thus a higher fixation of CO2 is assured. Seventy-one
per cent of the steel will be recycled and in this way, the life-cycle of the bridge ends.

4.3.2. Inventory Analysis
The major part of the information of the products or processes used to define the activities of the
whole life-cycle of the bridge is obtained from Ecoinvent database [17]. In the case of the information
of the products or processes needed for the environmental impact assessment that do not exist in the
Ecoinvent database, the data will be created by means of the data obtained from the literature or the
Bedec database [29].
The Ecoinvent database is one of the most complete databases for the construction sector and has
been created and grown thanks to the information obtained from different institutions. It was created
in 2004 through the efforts of the several Swiss Federal Offices and research institutes. That implies
that the major part of the information existing in the first versions of Ecoinvent was obtained from
Swiss institutions but later, data from other countries were inserted. In this case, the bridge is located
on the eastern coast of Spain. In the Ecoinvent database there is no information about this region and
therefore it is necessary to consider information about the products or processes from other regions that
do not coincide exactly with the products or processes used on the eastern coast of Spain. That means
that there is inconsistency between the real data and the data from the Ecoinvent database. For this
reason, uncertainty is applied to the Ecoinvent data. The uncertainty is divided into two parts: the first
part concerns the type of product or process [33] and the second part concerns the differences between
the real data and the data considered by means of the pedigree matrix [34].
4.3.3. Impact Assessment
There are many works in which the environmental impact assessment is carried out taking
into account a small number of indicators, of which the CO2 emissions are the most popular [35,36].
Despite the importance of the emission of CO2 , a complete impact assessment must consider a set
of indicators that represent a complete environmental profile. That implies the use of environmental


Sustainability 2018, 10, 685

9 of 17

impact assessment methods. These methods can be separated depending on the approach used:

midpoint or endpoint. On one hand, the midpoint approach defines the environmental profile by
means of a set of impact categories. One of the most popular methods that take into account the
midpoint approach is the CML. On the other hand, the endpoint approach defines the environmental
profile considering only a small set of damage categories. One of the most frequently used methods
that consider the endpoint approach is the Eco-indicator. Both approaches are necessary to carry out a
complete environmental interpretation of the bridge. On one hand, the midpoint approach can provide
a more accurate and complete environmental profile. On the other hand, the endpoint approach can
be easier to interpret. For these reasons, the environmental impact assessment method used in this
work is the ReCiPe method [18], whose main objective is to provide a combination of the Eco-indicator
and CML, considering the midpoint and endpoint approaches.
4.3.4. Interpretation
The results are obtained considering the descriptions presented in the preceding sections.
As stated above, the ReCiPe method will be used to carry out the environmental impact assessment
of the bridge. For this purpose, by means of the midpoint approach, 18 impact categories will be
shown with the associated uncertainty. In addition, the contribution of the different processes of the
bridge life-cycle for the most popular impact categories will be represented. In the endpoint approach,
the three damage categories are studied. Both approaches allow a higher level of interpretation.
Midpoint Approach
The midpoint approach of the ReCiPe method provides a complete environmental profile of each
stage of the bridge life-cycle represented by 18 impact categories: agricultural land occupation (ALO),
climate change (GWP), fossil depletion (FD), freshwater ecotoxicity (FEPT), freshwater eutrophication
(FEP), human toxicity (HTP), ionizing radiation (IRP), marine ecotoxicity (MEPT), marine eutrophication
(MEP), metal depletion (MD), natural land transformation (NLT), ozone depletion (OD), particulate
matter formation (PMF), photochemical oxidant formation (POFP), terrestrial acidification (TAP),
terrestrial ecotoxicity (TEPT), urban land occupation (ULO) and water depletion (WD). This large
amount of information makes the results difficult to interpret. Although it is difficult to achieve a
global assessment of the environmental impact of the bridge with the information obtained by means
of the midpoint approach, it is very helpful to obtain more accurate knowledge of the impact of each
category and the contribution of each process to the different impact categories.
As explained above, the data used for the environmental impact assessment do not correspond

with the real data. This implies that the uncertainty associated with the different products or processes
should be taken into account to obtain more realistic results. Table 3 shows the mean and coefficient
of variance of each impact category for each bridge life-cycle phase. Although it is not possible to
carry out a global assessment for each bridge life-cycle phase, it is possible to obtain information about
the phase in which each impact category is the most significant and the variance of the information
obtained. In this way, it can be observed that the manufacturing phase is the phase in which there
are a higher number of impact categories with the highest contribution followed by the use and
maintenance phase. The impact categories with the highest contribution in the manufacturing phase
are ALO, GWP, FEPT, FEP, HTP, IRP, MEPT, MD, TETP, ULO and WD and the impact categories with
the highest contributions to the use and maintenance phase are FD, MEP, NLT, ODP, PMFP, POFP
and TAP. Neither the construction phase nor the end of life phase has impact categories with the
highest contribution. All of this can be seen better in Figures 5 and 6, in which the bars represent
the ratio of the contribution of each impact category to each life-cycle phase in relation to the highest
contribution. In addition, Table 3 shows the variance of each result. In this way, although the GWP
has the highest variance in the manufacturing phase, the manufacturing phase is the one in which
more impact categories have the lowest variance, with a mean of 7.13%. The construction phase has
the highest mean of variances (17.15%), followed by the end-of-life phase (13.16%) and the use and