基于全壽命周期經(jīng)濟(jì)效益分析的瀝青路面加鋪方案研究

張 明，盧 超

(1. 江蘇寧常鎮(zhèn)溧高速公路有限公司，金壇 213245；2. 蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京211112)

公路建設(shè)反應(yīng)了一個(gè)地區(qū)的交通發(fā)達(dá)程度及經(jīng)濟(jì)整體發(fā)展水平[1]。然而，隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，交通量日益加大，車輛荷載不斷累積，使得瀝青路面承受著前所未有的壓力。路面病害不斷增多，不僅影響了公路的服務(wù)質(zhì)量，降低了路網(wǎng)的運(yùn)輸效率，同時(shí)嚴(yán)重影響區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此，需要通過(guò)必要的維修改造來(lái)改善這一狀況，維持公路的通行能力，提升公路的運(yùn)輸效率和服務(wù)質(zhì)量。

選擇瀝青路面加鋪方案時(shí)，以往的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)未考慮公路日常養(yǎng)護(hù)維修成本等因素，經(jīng)常出現(xiàn)選用方案初期建設(shè)成本較低，但全壽命成本很高的情況。故在項(xiàng)目初期對(duì)公路項(xiàng)目進(jìn)行基于全壽命周期的成本分析尤為重要。但影響項(xiàng)目效益的關(guān)鍵因素該如何評(píng)價(jià)，仍然是一個(gè)問(wèn)題，文章主要引用我國(guó)當(dāng)前公路經(jīng)濟(jì)分析與評(píng)價(jià)方法的既有成果，結(jié)合瀝青路面加鋪?lái)?xiàng)目自身的特點(diǎn)來(lái)選擇。進(jìn)而通過(guò)分析和比較不同的路面加鋪方案在項(xiàng)目全壽命周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)影響，選擇設(shè)計(jì)年限內(nèi)既能滿足服務(wù)需求，又能獲得最大經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益的方案。

近年來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者將全壽命周期成本分析運(yùn)用到交通運(yùn)輸行業(yè)中，并取得了一定的成果。王一帆[2]將壽命周期評(píng)價(jià)法運(yùn)用于公路橋梁領(lǐng)域，建立公路橋梁壽命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)模型和壽命周期環(huán)境成本分析模型。唐皓[3]從能耗的角度，應(yīng)用基于過(guò)程的壽命周期分析法，從原材料的生產(chǎn)、混合料的生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)施工和材料運(yùn)輸四個(gè)過(guò)程研究了公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)的能耗，并通過(guò)經(jīng)濟(jì)分析為方案決策提供依據(jù)。Wu D[4]通過(guò)基于概率的全壽命周期分析方法對(duì)工程案例進(jìn)行了分析，表明該方法在公路行業(yè)的可行性與科學(xué)性。Adelino Ferreira[5]提出了貼現(xiàn)率敏感性分析的概念，通過(guò)LCCA系統(tǒng)分析的手段，發(fā)現(xiàn)最佳的路面結(jié)構(gòu)隨著折現(xiàn)率的變化而變化。

綜上，全壽命周期可為公路決策提供經(jīng)濟(jì)支持，但該方法在瀝青路面養(yǎng)護(hù)中應(yīng)用較少，尤其是路面加鋪工程，故將全壽命周期成本分析引入到瀝青路面加鋪方案中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

1 壽命周期費(fèi)用分析

1.1 定義

全壽命周期成本分析(Life Cycle Cost Analysis，LCCA)是指對(duì)整個(gè)壽命周期內(nèi)產(chǎn)生的所有費(fèi)用的總和進(jìn)行分析，包括原材料的獲取和產(chǎn)品的使用費(fèi)用等。建設(shè)項(xiàng)目的全壽命周期成本通常指工程從規(guī)劃到施工、運(yùn)營(yíng)，再到最終廢棄所產(chǎn)生費(fèi)用的總和[6]。LCCA是對(duì)同類產(chǎn)品進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析的有效工具，其最終目的就是實(shí)現(xiàn)全壽命周期內(nèi)產(chǎn)品效益的最大化。

LCCA是指在不同方案比選中，采用綜合費(fèi)用成本最優(yōu)理論，而非將初始投資最少的方案作為最佳比選方案。與價(jià)值工程不同之處在于LCCA分析方案可以有效實(shí)現(xiàn)全壽命周期投資效益最優(yōu)化。相比于傳統(tǒng)的可行性研究報(bào)告，LCCA分析的主要目標(biāo)在于費(fèi)用需求分析，并且可以作為可行性研究報(bào)告的一部分。項(xiàng)目在實(shí)施過(guò)程中，通過(guò)LCCA分析有效控制壽命周期內(nèi)的費(fèi)用需求時(shí)機(jī)和比例，對(duì)減少投資風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)效益最大化具有極大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1.2 壽命周期成本組成

LCCA分析最初在橋梁工程中被應(yīng)用，直到上世紀(jì)90年代初期，AASHTO將其引入到路面設(shè)計(jì)中，迅速獲得認(rèn)可并被大量應(yīng)用，成為公路項(xiàng)目投資決策的重要依據(jù)。根據(jù)我國(guó)道路的建設(shè)程序，可將全壽命周期劃分為以下四個(gè)階段[7]：規(guī)劃設(shè)計(jì)期、建設(shè)期、運(yùn)營(yíng)及最終廢棄，其中規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建設(shè)施工費(fèi)用均是圍繞工程建設(shè)產(chǎn)生，稱其為建設(shè)期成本；在公路的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，由用戶和養(yǎng)護(hù)維修管理所產(chǎn)生的費(fèi)用被稱為運(yùn)營(yíng)期成本；公路壽命周期末期所產(chǎn)生的殘值，被稱為棄置成本。

根據(jù)前文理論分析可知，運(yùn)營(yíng)期成本包括了管理養(yǎng)護(hù)成本，出行用戶成本，以及對(duì)環(huán)境造成影響所產(chǎn)生的環(huán)境成本。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，用戶成本由車輛運(yùn)營(yíng)成本、交通事故費(fèi)用及時(shí)間延誤成本等組成，其結(jié)果主要跟道路狀況和外界條件有關(guān)，測(cè)算難度較大[4]。環(huán)境影響成本逐漸引起行業(yè)的高度關(guān)注，但由于它的評(píng)價(jià)指標(biāo)不明確，且費(fèi)用取值難以量化，暫不做考慮。

綜上，LCCA分析的主要內(nèi)容包括三個(gè)部分：建設(shè)階段成本、運(yùn)營(yíng)期管養(yǎng)成本和最終的棄置成本。

2 壽命周期成本計(jì)算模型

2.1 確定功能單位

為確保不同路面結(jié)構(gòu)全壽命周期經(jīng)濟(jì)效益的可比性，需確定研究功能單位。選取雙向六車道公路半幅1km作為1個(gè)基本單元。由于各路面結(jié)構(gòu)規(guī)模不同，獲取各階段材料、機(jī)械的使用量相差很大，在經(jīng)濟(jì)投資上差別較大；再加上不同路面結(jié)構(gòu)使用壽命不一和養(yǎng)護(hù)維修措施的不同，均會(huì)對(duì)全壽命周期評(píng)價(jià)產(chǎn)生影響，需要建立一個(gè)橫向比較的平臺(tái)。將路面壽命周期成本分析的功能單位定義為一個(gè)基本單元經(jīng)歷一個(gè)設(shè)計(jì)使用年限(15年)所必需的經(jīng)濟(jì)成本投入，以確保評(píng)價(jià)結(jié)果之間的一致性和可比性。

2.2 壽命周期分析方法

壽命周期費(fèi)用分析(LCCA)法應(yīng)用于路面經(jīng)濟(jì)分析，出現(xiàn)于上世紀(jì)70年代，被認(rèn)為是較合理的方法[8]。根據(jù)1997年美國(guó)聯(lián)邦公路管理局(FHWA)調(diào)查，采用LCCA法來(lái)確定路面類型的機(jī)構(gòu)達(dá)到52個(gè)。文章嘗試采用這種方法來(lái)分析橡膠瀝青用于干線公路改造的路面結(jié)構(gòu)方案。

2002年版AASHTO新建和改建路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南詳細(xì)介紹了LCCA的方法。分析過(guò)程主要包括下面8個(gè)步驟：

(1) 制定各種路面設(shè)計(jì)對(duì)策；

(2) 確定路面使用性能期，制定養(yǎng)護(hù)和修復(fù)活動(dòng)時(shí)限；

(3) 估算管理部門費(fèi)用；

(4) 估算使用者費(fèi)用；

(5) 繪制開(kāi)支(費(fèi)用)流程圖；

(6) 計(jì)算壽命周期費(fèi)用；

(7) 分析結(jié)果；

(8) 重新評(píng)估方案。

第2～6步適用于每一選用的方案。在第8步得出結(jié)論，路面設(shè)計(jì)者已能確定最經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方案或最合適的設(shè)計(jì)方案。

在道路全壽命周期成本分析中，不同的投資發(fā)生在不同的時(shí)間節(jié)點(diǎn)上，初始建設(shè)費(fèi)用發(fā)生在道路全壽命周期的前期，養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用發(fā)生在壽命中期，殘值費(fèi)用發(fā)生在壽命末期。在不同時(shí)間產(chǎn)生的花費(fèi)，不能進(jìn)行簡(jiǎn)單疊加，可以說(shuō)資金是時(shí)間的函數(shù)，會(huì)隨著時(shí)間的推移而增值。因此，要想比較各個(gè)方案全壽命周期成本之和，必須引入時(shí)間與資金的函數(shù)關(guān)系，將各個(gè)時(shí)間點(diǎn)產(chǎn)生的費(fèi)用轉(zhuǎn)換為同一時(shí)間點(diǎn)產(chǎn)生的費(fèi)用。

通過(guò)貼現(xiàn)率將分析期內(nèi)不同時(shí)間支出的費(fèi)用轉(zhuǎn)化為現(xiàn)值[9]，在此基礎(chǔ)上比較各方案的成本，采用費(fèi)用凈現(xiàn)值法，其表達(dá)式如下：

(1)

式中，PWCx1,n為方案x1在分析期n年內(nèi)的總費(fèi)用現(xiàn)值；ICx1為方案x1的初期修建費(fèi)；RCx1,t、MCx1,t、UCx1,t分別為方案x1在t年的改建費(fèi)、養(yǎng)護(hù)費(fèi)和用戶費(fèi)；SVx1,n為方案x1在分析期末(n年)的殘值；pwfi,t為貼現(xiàn)率i年份t的現(xiàn)值系數(shù)，pwfi,t=1/(1+i)t。

文章主要為公路管理部門決策提供一種新的思路與方法，故僅考慮管養(yǎng)費(fèi)用，將油耗費(fèi)、輪耗費(fèi)等用戶費(fèi)略去。

3 實(shí)例分析

近年來(lái)，橡膠瀝青得到了廣大道路工作者的青睞，不但在環(huán)境保護(hù)方面獨(dú)樹(shù)一幟，且具有優(yōu)良的路用性能。隨著該技術(shù)的日趨成熟，應(yīng)用也日益廣泛。為了定量分析橡膠瀝青在瀝青路面中的應(yīng)用前景，對(duì)橡膠瀝青AR-AC13和SMA-13，AC-13三種混合料的加鋪方案進(jìn)行壽命周期成本分析[10-13]。

3.1 建設(shè)期成本計(jì)算

以SBS改性瀝青混合料AC-13、SBS改性瀝青SMA-13和橡膠瀝青混合料AR-AC13三種混合料為對(duì)象，進(jìn)行壽命周期費(fèi)用的對(duì)比分析。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，擬定路面寬度為11.5m，結(jié)合實(shí)際調(diào)研確定三種混合料路面加鋪方案的修建費(fèi)，見(jiàn)表1。

表1 不同面層瀝青混合料造價(jià)

3.2 運(yùn)營(yíng)管養(yǎng)成本計(jì)算

(1) 日常養(yǎng)護(hù)費(fèi)用

日常養(yǎng)護(hù)費(fèi)用是指日常運(yùn)營(yíng)中對(duì)公路進(jìn)行的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)和修補(bǔ)所產(chǎn)生的費(fèi)用，是高速公路運(yùn)營(yíng)管理過(guò)程中重要的日常支出之一。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，日常養(yǎng)護(hù)費(fèi)用主要跟路面類型、環(huán)境條件和交通量等影響因素有關(guān)。文章重點(diǎn)對(duì)壽命周期成本分析方法進(jìn)行介紹，日常養(yǎng)護(hù)費(fèi)用不做重點(diǎn)研究，因此結(jié)合實(shí)際調(diào)研將每年的日常養(yǎng)護(hù)費(fèi)用定為每公里每年1萬(wàn)元。

(2) 大中修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，SBS改性瀝青AC-13的壽命按10年計(jì)算，SMA路面的使用壽命按15年計(jì)算。橡膠瀝青路面根據(jù)其優(yōu)良的高溫性能和低溫抗裂性能，亦按15年估算。

在考慮大中修養(yǎng)護(hù)時(shí)，SBS改性瀝青AC-13在15年計(jì)算周期內(nèi)需要進(jìn)行1次維修，而SMA路面和橡膠瀝青路面在周期內(nèi)均不需要大中修養(yǎng)護(hù)。大中修養(yǎng)護(hù)維修方案按照新建面層計(jì)算，見(jiàn)表2。

表2 30年壽命周期費(fèi)用現(xiàn)值

3.3 棄置階段成本計(jì)算

棄置階段的殘值指路面喪失基本的行駛功能后具有的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。路面殘值可以通過(guò)按剩余壽命占其預(yù)期使用壽命的比例來(lái)確定，是指一個(gè)項(xiàng)目的服務(wù)壽命超過(guò)了他的分析年限，然后對(duì)其剩余服務(wù)價(jià)值做估計(jì)。在不同的比選方案中，剩余服務(wù)壽命價(jià)值是不同的，這部分應(yīng)該在LCCA過(guò)程中進(jìn)行考慮。對(duì)比方案剩余服務(wù)壽命的價(jià)值，計(jì)算公式如下：

SV=(1-LA/LE)Cr

(2)

式中，LA為最后一次養(yǎng)護(hù)的施工年份到壽命末(或分析期末)的年數(shù)；LE為該養(yǎng)護(hù)措施的預(yù)期使用壽命；Cr為該項(xiàng)改造措施的修建費(fèi)用；SV為路面殘值。

用公式分別計(jì)算三種方案的路面殘值，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 三種方案在路面使用末期的路面殘值(1個(gè)基本單元)

3.4 壽命周期成本分析

分析壽命周期成本時(shí)，費(fèi)用利率取8%，計(jì)算15年壽命周期內(nèi)上述三種材料的壽命周期費(fèi)用，見(jiàn)表4。

表4 全壽命周期費(fèi)用匯總 元

三種材料的費(fèi)用由小到大排序：AR-AC13

4 結(jié)論

文章從全壽命周期角度出發(fā)，對(duì)路面的壽命周期成本進(jìn)行分析，確定了瀝青路面加鋪方案壽命周期成本分析的組成部分，并建立各階段的分析模型，得到如下結(jié)論：

(1) LCCA分析方法在瀝青路面加鋪方案確定時(shí)具有很好的科學(xué)性和適用性。

(2) 確定了LCCA分析方法在瀝青路面加鋪方案研究中的具體步驟與模型，通過(guò)實(shí)例證明該方法在確定瀝青路面養(yǎng)護(hù)方案時(shí)可以減少投資風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)效益最大化。

(3) 橡膠瀝青不僅初期修建費(fèi)用比SMA-13、AC-13等混合料的初期造價(jià)低，而且從壽命周期費(fèi)用角度分析，橡膠瀝青性價(jià)比最高。