港口工程結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計(jì)方法理論分析

劉學(xué)勇，楊林虎

（1.中國(guó)交通建設(shè)股份有限公司，北京　100088；2.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京　100007）

港口工程結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計(jì)方法理論分析

劉學(xué)勇1，楊林虎2

（1.中國(guó)交通建設(shè)股份有限公司，北京100088；2.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京100007）

摘要：在目前港口工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)管理各階段分析的基礎(chǔ)上，對(duì)港口工程結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了理論分析。針對(duì)港口工程結(jié)構(gòu)壽命的階段，分析了全壽命成本組成，確定了全壽命成本計(jì)算的主要經(jīng)濟(jì)參數(shù)和計(jì)算模型。提出在初步設(shè)計(jì)階段和施工圖設(shè)計(jì)階段全壽命分析和計(jì)算方法?？晒┫嚓P(guān)工程參考。

關(guān)鍵詞：港口工程；全壽命設(shè)計(jì)；全壽命成本；理論分析

中圖分類號(hào)：U652.72

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-7874（2015）03-0037-04

doi：10.7640/zggWjs201503007

收稿日期：2014-12-08

作者簡(jiǎn)介：劉學(xué)勇（1978—），男，天津市人，碩士，高級(jí)工程師，港口航道工程專業(yè)。E-mail：zgjjlxy@sina.cn

Theoretical analysis on life cycle design Method of port structures

LIU Xue-yong1，YANG Lin-hu2
（1.China Communications Construction Co.,Ltd.,Beijing 100088,China;2.CCCC Water Transportation Consultants Co.,Ltd., Beijing 100007,China）

Abstract：On the basis of the analysis for current design,construction,maintenance and managementof portengineering,we carried a theoreticalanalysis for life cycle design procedure of portstructures.Aiming at the phases of portstructures life cycle, we analyzed the composition of life cycle cost,identified the main economic parameters for these costs and the corresponding costmodels,and provided the life cycle analysis and computation methods for preliminary design phase and detailed design phase,which can provide references for similar projects.

Keywords：port engineering；life cycle design method；life cycle cost；theoretical analysis

0　引言

全壽命理論（Lifetime Engineering）源于工業(yè)生產(chǎn)與加工領(lǐng)域，起初針對(duì)工業(yè)元件，其基本思想是將產(chǎn)品元件的原材料、生產(chǎn)、維護(hù)和廢棄處理等環(huán)節(jié)計(jì)入總成本，用總成本最小化的方法來(lái)確定元件的原材料與生產(chǎn)工藝。因此，全壽命理論從成本的觀點(diǎn)又被稱為全壽命成本分析法（Life Cycle Cost Analysis，LCCA）。近年來(lái)，土木基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域中由于環(huán)境作用導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)過(guò)早劣化、使用功能失效普遍成為重要問(wèn)題，在發(fā)達(dá)國(guó)家由此引發(fā)的基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)費(fèi)用已經(jīng)體現(xiàn)在GDP的百分位上[1-2]。國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法重視荷載作用，忽視環(huán)境作用，重視強(qiáng)度設(shè)計(jì)，忽視使用性能的設(shè)計(jì)，重視建設(shè)階段的設(shè)計(jì)，忽視使用期間的維護(hù)。探尋荷載與環(huán)境并重，同時(shí)兼顧施工和使用階段需求的設(shè)計(jì)方法是土木工程各領(lǐng)域共同關(guān)注的問(wèn)題和總體趨勢(shì)[3]。正是在這種技術(shù)需求的總體趨勢(shì)下，全壽命理論被引入了土木工程領(lǐng)域，并已經(jīng)取得了初步研究成果[4-5]，部分研究成果見(jiàn)表1所示。

全壽命的設(shè)計(jì)觀點(diǎn)符合目前我國(guó)倡導(dǎo)的節(jié)約型和循環(huán)經(jīng)濟(jì)導(dǎo)向，以合理的方式引入港口工程結(jié)構(gòu)的已有設(shè)計(jì)理論與方法體系中，將有助于整體提高港口工程的服役質(zhì)量，降低工程壽命周期內(nèi)的投資總成本，并解決相關(guān)的環(huán)境污染與資源的再利用問(wèn)題。

1　港口工程結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計(jì)基本理念

港口工程結(jié)構(gòu)全壽命周期可分為4個(gè)階段，即：規(guī)劃設(shè)計(jì)階段、施工階段、運(yùn)營(yíng)階段和退役階段[7]。全壽命設(shè)計(jì)的基本思想是：在工程結(jié)構(gòu)的整個(gè)服役周期內(nèi)，將外界對(duì)結(jié)構(gòu)所作出的各種

“犧牲”均以成本的形式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出工程結(jié)構(gòu)整個(gè)壽命周期內(nèi)備選方案的總成本，從而為工程結(jié)構(gòu)的方案決策提供參考。

表1　土木工程LCCA部分的研究成果Table 1 SoMe partsof the research results for civilengineering LCCA

港口工程結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期遭受海洋的嚴(yán)酷環(huán)境作用。如果在設(shè)計(jì)階段、施工階段、運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段、退役階段等某些環(huán)節(jié)缺乏合理的實(shí)施方案，就可能會(huì)加劇結(jié)構(gòu)的性能退化，影響用戶的使用功能需求，增加額外的維護(hù)費(fèi)用，并對(duì)環(huán)境造成更大污染。港口工程結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計(jì)方法從全壽命周期角度，在工程結(jié)構(gòu)的規(guī)劃設(shè)計(jì)階段就統(tǒng)籌考慮建設(shè)階段、運(yùn)營(yíng)階段和退役階段的建設(shè)和管理活動(dòng)，并通過(guò)全壽命成本優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)人們對(duì)工程結(jié)構(gòu)功能、環(huán)境、成本的多目標(biāo)需求。

從整個(gè)港口工程的設(shè)計(jì)方法來(lái)看，全壽命設(shè)計(jì)方法是繼安全系數(shù)法和極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法（承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)）后的又一次設(shè)計(jì)觀念的重大改變。它將傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)拓展到整個(gè)壽命周期，主要意義在于：1）通過(guò)考慮結(jié)構(gòu)性能退化規(guī)律，掌握港口工程結(jié)構(gòu)從投入使用到退出全過(guò)程中的性能變化，滿足結(jié)構(gòu)的可靠性要求。2）通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與維護(hù)設(shè)計(jì)的合理匹配和科學(xué)決策，降低工程結(jié)構(gòu)的全壽命周期成本；3）通過(guò)合理維護(hù)設(shè)計(jì)，將目前工程結(jié)構(gòu)的“被動(dòng)維護(hù)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲃?dòng)維護(hù)”，從而延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命，提升結(jié)構(gòu)使用性能。

2　港口工程全壽命成本計(jì)算模型

2.1港口工程LCC構(gòu)成

港口工程LCC分析涉及諸多成本因素和經(jīng)濟(jì)

參數(shù)。港口工程的整個(gè)壽命周期劃分為3個(gè)可產(chǎn)生成本的壽命階段：建設(shè)期、運(yùn)營(yíng)期和退役期。其中，規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的成本統(tǒng)計(jì)在建設(shè)期成本中。由此，港口工程全壽命周期總成本共有3部分構(gòu)成，如公式（1）所示。

式中：Cc為建設(shè)期成本；Cm為運(yùn)營(yíng)期成本；Cd為退役期成本。

其中，建設(shè)期成本、運(yùn)營(yíng)期成本、退役期成本的成本構(gòu)成分別為公式（2）、（3）、（4）所示。

式中：Cc1為建筑安裝工程費(fèi)；Cc2為設(shè)備、工具、器具及家具購(gòu)置費(fèi)；Cc3為工程建設(shè)其他成本；Cc4為預(yù)備費(fèi)、建設(shè)期貸款利息、固定資產(chǎn)投資方向調(diào)節(jié)稅；Cm1為維護(hù)成本；Cm2為用戶成本；Cm3為環(huán)境影響成本；Cd1為人工、機(jī)械、材料成本；Cd2為廢棄物處理成本；Cd3為材料回收利用成本。

2.2主要經(jīng)濟(jì)參數(shù)

港口工程從開(kāi)始投資到最后退役所經(jīng)歷的時(shí)間跨度大，資金流動(dòng)頻繁，在計(jì)算港口工程全壽命周期成本時(shí)需要明確統(tǒng)一的經(jīng)濟(jì)參數(shù)。所涉及的主要的經(jīng)濟(jì)參數(shù)是折現(xiàn)率、設(shè)計(jì)使用年限和成本分析基年。

折現(xiàn)率是度量資金時(shí)間價(jià)值的尺度，反映了對(duì)未來(lái)貨幣價(jià)值所作的衡量。它是將未來(lái)資金折成現(xiàn)值的比率，反映了資產(chǎn)與其未來(lái)運(yùn)營(yíng)收益現(xiàn)值之間的比例關(guān)系。在港口工程全壽命成本分析中，折現(xiàn)率是最為敏感的經(jīng)濟(jì)參數(shù)。在實(shí)際工程中，折現(xiàn)率的影響因素復(fù)雜，根據(jù)國(guó)內(nèi)外大量研究，可通過(guò)社會(huì)折現(xiàn)率和物價(jià)波動(dòng)水平（PPI年變化率）來(lái)表征和計(jì)算。根據(jù)Philip Cady提出的模型，三者之間的關(guān)系可表示為：

式中：Ii為折現(xiàn)率；ici為社會(huì)折現(xiàn)率；fi為PPI年變化率。

于是，

實(shí)踐表明，隨著時(shí)間的遞增工程結(jié)構(gòu)的不確定性和風(fēng)險(xiǎn)因素也呈現(xiàn)一種遞增趨勢(shì)。因此，在港口工程壽命周期內(nèi)，成本折現(xiàn)率也呈遞增規(guī)律。在工程結(jié)構(gòu)全壽命成本分析中，折現(xiàn)率可分階段取值，通常取30 a為一個(gè)階段。

港口工程設(shè)計(jì)使用年限是統(tǒng)計(jì)全壽命周期成本的時(shí)間長(zhǎng)度。不同的設(shè)計(jì)使用年限可能采用不同的計(jì)算公式和折現(xiàn)率。

成本分析基年是貨幣時(shí)間價(jià)值的折算基點(diǎn)。發(fā)生在壽命周期內(nèi)不同時(shí)間上的各種費(fèi)用都要折算到這一基點(diǎn)上。一般以工程結(jié)構(gòu)的竣工年為計(jì)算基年。

2.3港口工程LCC的計(jì)算方法

計(jì)算全壽命成本需要考慮資金的時(shí)間價(jià)值，計(jì)算公式為：

式中：PV為成本現(xiàn)值，即計(jì)算基年的LCC值；FVk為第k年的現(xiàn)金流出，即成本構(gòu)成中各成本折算到計(jì)算基年的現(xiàn)值；k為成本產(chǎn)生的年份；N為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限；Ik為成本產(chǎn)生年份的年折現(xiàn)率。

3　港口工程結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計(jì)

3.1港口工程結(jié)構(gòu)功能分析

港口工程結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計(jì)按照“功能需求—設(shè)計(jì)要求—設(shè)計(jì)指標(biāo)”三級(jí)關(guān)系進(jìn)行。港口工程結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計(jì)首先從工程結(jié)構(gòu)的功能分析開(kāi)始。功能分析（FA，F(xiàn)unction Analysis）是價(jià)值工程（VE，Value Engineering）的核心內(nèi)容，也被稱為價(jià)值方法[8]。它是對(duì)某產(chǎn)品或服務(wù)的各功能和相關(guān)成本進(jìn)行識(shí)別，對(duì)功能的必要性進(jìn)行評(píng)估的系統(tǒng)過(guò)程。

功能分析首先從業(yè)主角度把港口工程的功能進(jìn)行分組，每一組又由若干具體功能構(gòu)成。根據(jù)港口工程特點(diǎn)，將港口工程的功能按照對(duì)象的不同，分為使用（Utility）、環(huán)境條件（Environment）、建設(shè)管理（Construction and Management）和可持續(xù)發(fā)展（Sustainability）4組，每一組中又包括若干功能單元（Element）。

3.2港口工程全壽命設(shè)計(jì)基本流程

全壽命理論為我國(guó)現(xiàn)行港口工程設(shè)計(jì)增添了很多新的元素。這些新的元素在初步設(shè)計(jì)階段主要包括：1）設(shè)計(jì)使用年限；2）維修周期、維修方案及維修成本；3）環(huán)境影響成本；4）退役期成本；5）LCC的計(jì)算；6）設(shè)計(jì)指標(biāo)和設(shè)計(jì)使用年限對(duì)LCC影響的量化分析；7）維護(hù)設(shè)計(jì)；

8）建設(shè)期成本與運(yùn)營(yíng)期維護(hù)成本的關(guān)系等。

根據(jù)設(shè)計(jì)階段的不同，LCC成本計(jì)算的粗略程度也不同。對(duì)于設(shè)計(jì)階段難以量化的成本，如用戶成本和環(huán)境影響成本等，可參照已有工程的實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀況，以建設(shè)期成本為基數(shù)，乘以相應(yīng)系數(shù)得到估計(jì)值。

港口工程結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計(jì)統(tǒng)籌考慮了港口工程的設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)（管理）以及退役4個(gè)階段的各項(xiàng)活動(dòng)。并以LCC方法作為方案決策的指導(dǎo)方法（但不唯成本而定），通過(guò)該方法分析設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)建設(shè)期成本、維護(hù)成本以及全壽命成本的影響?？紤]到港口工程結(jié)構(gòu)的形式多樣、使用性質(zhì)不同、環(huán)境條件不同、覆蓋內(nèi)容復(fù)雜、時(shí)間跨度大、施工管理技術(shù)不斷更新等各種因素，在港口工程全壽命設(shè)計(jì)流程中主要明確基本的設(shè)計(jì)步驟以及需要考慮的問(wèn)題，目前尚不涉及具體的技術(shù)細(xì)節(jié)。港口工程全壽命設(shè)計(jì)基本流程可概括如圖1所示。

圖1　港口工程結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計(jì)基本流程Fig.1 Basic floWof life cycle design for portstructures

4　結(jié)語(yǔ)

1）闡述了港口工程結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計(jì)的基本理念，分析了港口工程領(lǐng)域引入全壽命設(shè)計(jì)的意義和必要性。

2）分析了港口工程結(jié)構(gòu)全壽命成本構(gòu)成，明確了主要經(jīng)濟(jì)參數(shù)，建立了港口工程結(jié)構(gòu)全壽命成本計(jì)算模型。

3）提出港口工程結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計(jì)按照“功能需求-設(shè)計(jì)要求-設(shè)計(jì)指標(biāo)”三級(jí)關(guān)系進(jìn)行，建立了港口工程結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計(jì)基本流程以及需要考慮的問(wèn)題。港口工程結(jié)構(gòu)形式多樣、使用性質(zhì)不同、環(huán)境條件不同、覆蓋內(nèi)容復(fù)雜、時(shí)間跨度大、施工管理技術(shù)不斷更新等因素，目前尚不涉及具體的技術(shù)細(xì)節(jié)。

4）全壽命理論在港口工程領(lǐng)域中的研究與應(yīng)用剛剛起步，它在實(shí)際工程中的推行仍需要大量的工作。但我們相信，全壽命理念和設(shè)計(jì)理論一定會(huì)對(duì)我國(guó)乃至世界港口工程的發(fā)展起到重要的推動(dòng)作用。

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