工程全壽命期設計流程和準則研究

[摘要]本文從工程全壽命期的概念出發(fā)，構建了工程全壽命期設計的流程；以國家的治國理念作為工程建設的總體指導思想，引導出了工程全壽命期設計的準則，包括可靠性和安全性、可施工性、可維護性、可擴展性、人性化、環(huán)境友好型、防災和突發(fā)事件處理、全壽命期費用優(yōu)化等。本文還以集成化管理思想為原則，構建了工程全壽命期設計的系統(tǒng)集成過程。

[關鍵詞]建設工程；全壽命期；設計；流程；準則

[中圖分類號] [文獻標識碼]A [文章編號]1671-511X(2010)01-0021-04

工程設計是工程的靈魂，決定著工程建設和運營的費用、能源和資源消耗量的高低，決定著工程與環(huán)境的關系是否協(xié)調、工程是否人性化、運行是否安全可靠，規(guī)模的擴展性如何，拆除回收的難易程度如何等方面。根據(jù)國外數(shù)據(jù)統(tǒng)計，設計階段的累計費用在工程項目總投資額中的比例不到20％，但是對工程項目的影響程度達到75％以上。所以，工程全壽命期設計是貫徹落實科學發(fā)展觀、建設節(jié)約型和環(huán)境友好型社會、發(fā)展循環(huán)經濟等科學理念的重要體現(xiàn)。

筆者參與了國家電網的工程全壽命期設計和管理試點項目投標工作，并承擔了相應的研究課題，對工程的全壽命期設計進行了比較系統(tǒng)的探索。對工程全壽命期設計準則和流程的研究，旨在提升工程全壽命期設計水平和能力，以期為全壽命期理論在工程設計中的應用提供理論指導。

一、工程的壽命期過程和工程全壽命期理念

1、工程的全壽命周期劃分

工程作為一個人造技術系統(tǒng)，與一個生物體一樣，在壽命期中經歷由產生到消亡(滅失)的過程，分為如下五個階段，如圖1所示。(1)前期策劃階段，從工程的構思到批準立項為止。(2)設計和計劃階段，即開發(fā)階段，從批準立項到現(xiàn)場開工為止；(3)施工階段，即從現(xiàn)場開工直到工程竣工并通過驗收為止；(4)運行階段，從交付使用開始，經歷運行和維護，直到最后工程拆除為止。在其中可能會有工程的加固、擴建、改建、更新等過程。(5)結束階段。工程被拆除，還原到一塊平地，再進行下一個工程。

2、工程全壽命期理念

在過去的建設工程項目中，人們過于注重工程的建設過程和近期的使用過程，以工程的質量(功能)、工期、成本為三大目標管理控制項目。這種工程理念是近視的、局限性的，視角太低，也是我國建設工程領域存在著眾多問題的根源之一。

工程全壽命期理念是以工程前期策劃、規(guī)劃設計、施工、運營維護(包括加固、擴建、改建、更新等)、拆除的整個過程為對象進行規(guī)劃設計、計劃、組織、監(jiān)督和控制，以實現(xiàn)工程全壽命期整體最優(yōu)目標。

二、工程建設總體指導思想

近幾十年來我國政府提出許多新的治國方針和發(fā)展戰(zhàn)略，應作為工程的總體指導思想，具體包括五方面的內容。

(1)科學發(fā)展觀、可持續(xù)發(fā)展理念。在工程的目標設置、規(guī)劃、設計、計劃、施工、運行全過程中，必須符合如下總體要求：一是工程應能夠促進國家和地區(qū)的社會及經濟健康、可持續(xù)的發(fā)展；二是工程有可持續(xù)性，能夠長期、健康、穩(wěn)定、高效率地運行，能夠“健康長壽”。

(2)綠色經濟、循環(huán)經濟和生態(tài)文明。建設資源節(jié)約型社會。就是要設計和建設環(huán)境友好型工程。

(3)和諧。使工程相關者各方面滿意，促進工程與自然的和諧。

(4)以人為本。在工程的設計和建設過程中滿足人性化要求。

(5)集成創(chuàng)新。集成創(chuàng)新是指在工程的規(guī)劃和設計、計劃和施工中，通過對工程各專業(yè)子系統(tǒng)、工程過程中的人流、物流、技術等各方面進行優(yōu)化組合而創(chuàng)新，達到集成效應。

三、工程全壽命期設計的總體流程構建

1、工程全壽命期設計的因素

要進行工程全壽命期設計必須考慮如下因素：

(1)落實國家建設總體指導思想，如科學發(fā)展觀、建設資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會、和諧、集成創(chuàng)新等；同時應該包括先進的現(xiàn)代工程創(chuàng)新和發(fā)展理念。

(2)反映工程系統(tǒng)的特殊性。工程是由許多工程專業(yè)子系統(tǒng)集成的復雜系統(tǒng)，工程的全壽命期設計必須落實在各個工程專業(yè)子系統(tǒng)上，同時工程全壽命期沒計的準則應能夠指導各個工程專業(yè)的創(chuàng)新和整個工程系統(tǒng)的集成創(chuàng)新。

(3)反映工程壽命期時間長、過程復雜的特點。一般工程項目周期跨度長，而且在全壽命期過程中可能有更新、擴建、加固等工作內容，因此工程的全壽命期設計必須考慮工程的這些特點。

(4)體現(xiàn)工程所擔負的重大社會和歷史責任。不僅要考慮到使工程相關者滿意，全壽命期過程中的環(huán)境影響，還要考慮工程最后的拆除和生態(tài)復原。

2、工程全壽命期設計流程

工程項目全壽命周期設計理念就是在工程技術系統(tǒng)設計過程中體現(xiàn)工程的可施工性、可靠性、節(jié)能性、可維護性、可擴展性、人性化、可回收性、環(huán)境友好型等要求。而這些要求必須體現(xiàn)在工程的整個功能設計和具體的各個工程技術子系統(tǒng)設計中。因此，工程全壽命期設計流程可以用圖2來表示。這是一個二維技術體系，圖中橫向表示各個專業(yè)工程系統(tǒng)，工程項目可以根據(jù)其技術系統(tǒng)按功能區(qū)間或按照專業(yè)系統(tǒng)進行工程系統(tǒng)分解(EBS，EngineeringBreakdown Structure)?？v向是工程全壽命期管理設計的目標，“●”與“○”表示EBS與全壽命期設計目標之間存在或不存在對應關系。該流程圖清晰反映出在工程項目各專業(yè)子系統(tǒng)建設過程中，如何體現(xiàn)全壽命期設計要求和目標。

四、工程系統(tǒng)結構分析和全壽命期設計準則

1、工程系統(tǒng)結構分解工程是在一定空間上的技術系統(tǒng)。工程系統(tǒng)可以按照系統(tǒng)方法進行結構分解，得到工程系統(tǒng)分解結構EBS(見圖3)。例如學校的教學樓提供教學功能，它包括建筑、結構、給水排水、電力系統(tǒng)、消防、通風系統(tǒng)、通信、多媒體系統(tǒng)、語音系統(tǒng)、智能化、電梯、控制系統(tǒng)等許多專業(yè)工程子系統(tǒng)。這些專業(yè)子系統(tǒng)不能獨立存在，它們緊密結合，相互配合、相互依存通過系統(tǒng)集成共同組合成教學樓的功能。工程總系統(tǒng)和各個工程專業(yè)子系統(tǒng)是工程全壽命期設計的具體對象。

2、工程全壽命期設計準則

工程全壽命期設計準則就是將工程建設的總體指導思想轉化為對工程技術系統(tǒng)設計的具體要求。對現(xiàn)代工程，這些要求體現(xiàn)在以下八個方面。

(1)可靠性和安全性設計，即工程系統(tǒng)運行是安全的，具有高的可靠性和穩(wěn)定性，在運行時保障人身安全不受威脅，不發(fā)生故障和事故。有時還要充分考慮大風、覆冰、高溫、低溫、安裝、檢修、短路、地震等工況下建構筑物基礎、結構、連接的受力性能滿足規(guī)范要求。

(2)工程可施工性設計。在工程設計中最佳地應用施工知識和經驗，使設計方案便于施工，保證工期和成本的節(jié)約，避免施工過程中設計變更。例如：選擇施工方便、簡潔的建筑和結構方案，不要采用怪異的奇特的結構形式；要盡量使用預制構件，以滿足“建筑工業(yè)化”的要求；設計時對當?shù)氐慕ㄖ牧?、土源、水源、運距等進行調查，考慮材料、設備的可供性，提高設計對自然環(huán)境的適應性；推廣應用標準化設計，盡可能多地采用工廠生產的預制建筑部件；設備盡可能采用標準型號，采用螺栓連接，方便施工、安裝。

(3)可維護性設計，即設計方案要使工程的運行維護簡單、方便和低成本、不影響安全。如：總平面布置充分考慮運行維護的需求，保證車輛、機械設備、人員在運行檢修時可以靠近設備附近進行操作；設備附近設置操作平臺，以方便運行維護人員登高操作；設備與支架皆采用螺栓連接，方便拆卸和安裝；盡量選擇成熟定型的電氣設備產品，該類產品一般運行可靠，維護工作量小。

(4)可擴展性設計，即為將來工程壽命期中規(guī)模的擴展、工程的更新改造留有余地。由于社會的發(fā)展對工程的產品和服務的要求會逐漸加大，就需要工程具有可擴展性，要求工程設計能夠做到：工程規(guī)劃和總平面布置時，應預留遠景擴建的場地，不堵死超規(guī)模擴建的可能性；工程系統(tǒng)的可擴展性；擴建邊界的預留，使將來處理方便；使將來的擴展不影響使用。

(5)人性化設計。包括：建設過程中，對施工人員和周邊居民的人性化；使用戶能夠安全、舒適、方便、快捷地使用工程或工程產品，提供安全、穩(wěn)定、快捷、人性化的服務；使工程操作人員能夠安全、方便、舒適地運行工程。

(6)環(huán)境友好型設計，即工程應與生態(tài)環(huán)境協(xié)調、和諧。

①應注重工程與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調，保護環(huán)境，保護生態(tài)，減少污染，減少工程對環(huán)境的影響，促進清潔生產、生態(tài)設計的推廣，做環(huán)境友好型工程。

②在達到工程的功能目標和保證工程質量的前提下，盡可能節(jié)約地、綜合地、循環(huán)地利用自然資源，特別是不可再生資源，如節(jié)約使用能源、水、木材、鋼材、土地等。特別是選用建設和運行的能源消耗和資源消耗少的設計方案，選用低能耗產品和設備；減少工程總建筑面積、體積，以減少占地和能耗；盡可能使用環(huán)保材料和部件；采用節(jié)水型設備和太陽能等。

③盡可能采用生態(tài)工法，保持工程的生態(tài)功能，減少對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境(如水環(huán)境、大氣環(huán)境、水土流失、生物多樣性等)的損害，應用環(huán)保、清潔生產工藝等環(huán)境友好型技術。

④充分利用工程中產生的廢棄物，達到工程廢棄材料的循環(huán)使用。

⑤工程方案應方便工程最后的拆除，不僅使工程廢棄物得到回收，再循環(huán)利用，而且方便工程拆除后再建新的工程。

(7)防災和突發(fā)事件處理設計。在工程設計中，要充分考慮在工程全壽命期中發(fā)生的各種災害(地震、水災、冰災、火災等)帶來的危害，以確保在這些災害面前，工程可以最大程度維持運行，災害易損性小，災后恢復快。

(8)工程全壽命期費用優(yōu)化設計。

工程全壽命周期費用(Life Cycle Cost，LCC)既包括工程建設過程中設計、設備和材料采購、施工、安裝、試驗等一系列費用，又包括項目投產后運營中的使用、保養(yǎng)、維修、能源、保險、報廢的費用。其費用分解結構如圖5所示。

全壽命期費用優(yōu)化是指全面考慮整個工程系統(tǒng)的規(guī)劃、設計、制造、購置、安裝、運行、維修、改造、更新、直至報廢的全過程費用和長期經濟效益，使全壽命期費用達到最優(yōu)的一種管理理念和方法。對具體的工程系統(tǒng)，上述各個設計準則還可以細分為許多指標。

3、各工程專業(yè)的全壽命期設計措施

上述工程全壽命期設計要求必須體現(xiàn)在工程的整個功能設計和具體的各個工程子系統(tǒng)設計中，必須依此研究各工程專業(yè)子系統(tǒng)實現(xiàn)全壽命期設計準則的技術手段及措施。工程全壽命期設計是所有工程技術專業(yè)和工程管理專業(yè)共同的命題，是大家的共同責任，需要各個工程專業(yè)的技術創(chuàng)新和集成創(chuàng)新。

五、工程全壽命期設計系統(tǒng)集成

由于各個工程專業(yè)子系統(tǒng)之間，以及各個準則之間存在著矛盾，則在工程全壽命期設計中必須解決系統(tǒng)的集成問題。系統(tǒng)集成的過程見圖6。

系統(tǒng)集成主要分兩個步驟：

(1)每個工程子系統(tǒng)針對各個設計準則提出設計措施，但由于這些設計準則之間存在矛盾性，所以對該工程子系統(tǒng)必須設定這些設計準則的優(yōu)先級，按照優(yōu)先級統(tǒng)一提出該工程子系統(tǒng)的設計規(guī)范。

(2)各個工程子系統(tǒng)之間也存在著矛盾性，導致各個工程專業(yè)子系統(tǒng)設計規(guī)范之間會存在矛盾，必須對各個工程子系統(tǒng)設定優(yōu)先級，按照優(yōu)先級統(tǒng)一提出整個工程的全壽命期設計規(guī)范。

六、結 語

工程全壽命期設計能將國家科學發(fā)展觀、建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的方針具體落實在工程中，體現(xiàn)了工程的社會責任和歷史責任，是建設工程理性的回歸。推行工程全壽命期設計能夠使人們從更高的角度和更長的時間跨度認識工程問題，有助于引導工程技術創(chuàng)新和管理創(chuàng)新，有助于新技術和先進管理方法的推廣應用。工程全壽命期設計的實現(xiàn)需要各個工程專業(yè)和工程管理專業(yè)的創(chuàng)新和它們的集成創(chuàng)新，要求項目各參與方的協(xié)同合作與信息共享，這些都是實現(xiàn)工程全壽命周期設計的條件和保證。