全壽命周期成本分析在不同材料橋梁方案比選中的應(yīng)用

胡鐵山， 王勇， 夏俊波

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司， 湖北 武漢 430051)

預(yù)應(yīng)力砼和鋼結(jié)構(gòu)是現(xiàn)當(dāng)代橋梁兩大主要建造材料，預(yù)應(yīng)力砼能就地取材、施工方便、建設(shè)成本相對(duì)較低，被廣泛應(yīng)用于中國公路橋梁建設(shè)中；鋼結(jié)構(gòu)的自重輕、各向性能均勻、易于工廠化制造和吊裝施工、質(zhì)量好控制且方便加固改造和回收利用，在國外橋梁中應(yīng)用較多，美、日、法等國家的鋼結(jié)構(gòu)橋梁占比分別為35%、41%和85%。由于鋼結(jié)構(gòu)橋梁前期建造成本較高，在中國主要用于特大跨徑橋梁及跨線橋。對(duì)于不同結(jié)構(gòu)材料的橋梁方案，通常從技術(shù)先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)合理性兩方面進(jìn)行比選論證，其中技術(shù)先進(jìn)性側(cè)重于施工工藝、結(jié)構(gòu)安全及材料性能，經(jīng)濟(jì)合理性主要從工程費(fèi)用的角度進(jìn)行比較。傳統(tǒng)的橋梁設(shè)計(jì)理念偏重橋梁建設(shè)期成本的經(jīng)濟(jì)性，而忽視了橋梁結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)過程中的成本支出。全壽命周期成本分析從設(shè)計(jì)階段就開始考慮橋梁的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)管理到壽命終結(jié)拆除等全過程的成本即橋梁全壽命周期成本，具有重要的社會(huì)意義。該文以某高速公路通航橋梁為依托，對(duì)預(yù)應(yīng)力砼、鋼結(jié)構(gòu)兩種材料的橋梁方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比選，通過預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)、施工、營(yíng)運(yùn)到拆除階段兩橋梁方案的全壽命周期成本，確定滿足橋梁正常使用功能需求與經(jīng)濟(jì)費(fèi)用最低的最佳方案。

1 橋梁全壽命周期成本分析理論

從本質(zhì)上說，單純地只考慮橋梁建設(shè)期成本而忽視后期運(yùn)營(yíng)管理費(fèi)用是片面的。為全面考慮橋梁全過程經(jīng)濟(jì)成本，在設(shè)計(jì)階段便全面考慮橋梁建設(shè)期成本及運(yùn)營(yíng)期的管理、養(yǎng)護(hù)、維修和拆除回收等費(fèi)用，綜合預(yù)測(cè)橋梁建造成本、用戶成本和社會(huì)成本。從全壽命性能設(shè)計(jì)的角度，綜合考慮橋梁設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)和管理，可有效控制橋梁全壽命期的服務(wù)水平和長(zhǎng)期投資。

1.1 橋梁全壽命周期成本分析方法

橋梁全壽命周期成本分析(LCCA)是指在設(shè)計(jì)階段綜合考慮未來橋梁設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)階段全過程的總成本?？紤]時(shí)間價(jià)值的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用分析方法有現(xiàn)值法、年費(fèi)用法、收益率法、效益-費(fèi)用比法等，該橋采用凈現(xiàn)值分析法，將未來成本費(fèi)用折現(xiàn)為凈現(xiàn)值NPV，用于設(shè)計(jì)方案評(píng)估。橋梁全壽命周期成本計(jì)算模型為：

pc(k,j,t)

(1)

式中：NVP為全壽命周期成本總和的凈現(xiàn)值；t為成本發(fā)生時(shí)間；T為分析周期；k為成本種類；j為成本種類項(xiàng)目；rt為該年的基準(zhǔn)折現(xiàn)率；pc(k,j,t)為各項(xiàng)成本發(fā)生的概率。

1.2 橋梁全壽命周期成本構(gòu)成

中國橋梁全壽命設(shè)計(jì)與管理理念起步較晚，對(duì)橋梁運(yùn)營(yíng)期的統(tǒng)計(jì)資料很少，各項(xiàng)成本計(jì)算參數(shù)值取定少有可參考的資料。為此，采用專家問卷調(diào)查法對(duì)國內(nèi)橋梁設(shè)計(jì)、管理養(yǎng)護(hù)、檢測(cè)維修等進(jìn)行調(diào)查，得出具有代表性的全壽命周期成本分析的基本參數(shù)值。橋梁全壽命周期成本構(gòu)成見圖1。

1.3 橋梁結(jié)構(gòu)的全壽命周期

橋梁在全壽命周期內(nèi)，隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，其材料性能逐漸下降，常出現(xiàn)疲勞、病害及損傷，導(dǎo)致其性能狀態(tài)逐漸退化，且退化速率越來越快(見圖2)。因此，一般橋梁的正常使用年限很難滿足設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期。

圖1 橋梁全壽命周期成本構(gòu)成

Cf為橋梁正常使用的最低性能狀態(tài)；T0為橋梁建成

為盡可能地延長(zhǎng)橋梁的正常使用年限，滿足設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期要求，通常橋梁使用過程中會(huì)進(jìn)行構(gòu)件維修、替換甚至整體加固改造，提高橋梁性能狀態(tài)，其中預(yù)防性養(yǎng)護(hù)維修(一般維護(hù))可在較低程度上提高橋梁的性能，重大維修(重大維護(hù))可較大程度提高甚至恢復(fù)橋梁的整體性能(見圖3)。

Ts為橋梁全壽命終止時(shí)刻。

2 橋梁方案擬定

2.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

公路等級(jí)：高速公路；路基全寬26 m；設(shè)計(jì)速度100 km/h。

橋面凈寬：2×凈-11.75 m。

設(shè)計(jì)荷載：公路Ⅰ級(jí)。

設(shè)計(jì)洪水頻率：1/300。

通航標(biāo)準(zhǔn)：通航等級(jí)為Ⅳ級(jí)；通航凈空為梯形，其中B=90 m，H=8 m，b=81 m，h=5 m；最高通航水位為29.18 m。

2.2 設(shè)計(jì)構(gòu)思

(1) 預(yù)應(yīng)力砼橋梁主要應(yīng)用分類及適應(yīng)范圍。預(yù)應(yīng)力砼橋梁前期建設(shè)成本低，可就地取材、適應(yīng)性強(qiáng)、整體性好，結(jié)合砼的高抗壓強(qiáng)度及預(yù)應(yīng)力鋼筋的抗拉性能，使預(yù)應(yīng)力砼橋梁的結(jié)構(gòu)性能、使用壽命大幅提高。由于預(yù)應(yīng)力砼材料靈活的適應(yīng)性，其在梁橋、拱橋、斜拉橋及懸索橋上都有很好的應(yīng)用。但由于其自重大、易開裂等缺陷，在高墩大跨度橋梁等領(lǐng)域的應(yīng)用受到一定限制。

(2) 鋼結(jié)構(gòu)橋梁主要應(yīng)用分類及適應(yīng)范圍。鋼結(jié)構(gòu)橋梁包括鋼箱梁、鋼桁架梁及鋼砼結(jié)合梁，以鋼箱梁為代表進(jìn)行分析。鋼箱梁又叫鋼板箱形梁，主要適用于有下限凈空要求的市政橋梁、有保通要求的跨線(公路、鐵路、通航河流)橋梁、大跨度斜拉橋、懸索橋及拱橋加勁梁等。其外形設(shè)計(jì)可多樣化，適合于景觀橋梁。采用預(yù)制吊裝施工，可縮短工期，減小對(duì)現(xiàn)有交通或通航的壓力，且因其自重小、安裝方便、抗扭剛度好，可避免砼梁開裂，抗震性能高，在大跨徑橋梁中應(yīng)用較廣泛。但其前期建設(shè)成本較高，在中小跨徑橋梁中應(yīng)用較少。

2.3 方案擬定

根據(jù)通航要求，該梁主跨應(yīng)大于通航凈寬90 m。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于百米級(jí)的公路橋梁，無論是從結(jié)構(gòu)安全、施工工藝，還是工程造價(jià)等因素考慮，應(yīng)首選變截面連續(xù)梁橋。結(jié)合橋墩結(jié)構(gòu)自身安全，橋梁跨徑采用60 m +100 m +60 m(見圖4)。

圖4 橋型立面示意圖(單位：m)

采用不同結(jié)構(gòu)材料擬定以下兩種方案：

方案一為鋼結(jié)構(gòu)變截面連續(xù)箱梁。橋梁分為左右兩幅，上部構(gòu)造采用全鋼結(jié)構(gòu)變截面連續(xù)箱梁、單箱單室箱形截面，墩頂梁高5.0 m，跨中梁高2.5 m，箱梁頂板全寬2×12.75 m；下部構(gòu)造采用空心薄壁墩、樁基礎(chǔ)(見圖5)。

圖5 鋼橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面示意圖(單位：cm)

方案二為預(yù)應(yīng)力砼變截面連續(xù)箱梁。橋梁分為左右兩幅，上部構(gòu)造采用預(yù)應(yīng)力砼變截面連續(xù)箱梁、單箱單室箱形截面，墩頂梁高6.0 m，跨中梁高3.0 m，箱梁頂板全寬2×12.75 m；下部構(gòu)造采用空心薄壁墩、樁基礎(chǔ)(見圖6)。

圖6 預(yù)應(yīng)力砼橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面示意圖(單位：cm)

3 全壽命周期成本分析

3.1 計(jì)算基本參數(shù)

(1) 計(jì)算基年。計(jì)算基年即全壽命周期成本折算成現(xiàn)值的基準(zhǔn)時(shí)間、貨幣時(shí)間價(jià)值折算基點(diǎn)。該橋以其所在高速公路項(xiàng)目竣工年為計(jì)算基年。

(2) 折現(xiàn)率。折現(xiàn)率是橋梁全壽命周期成本計(jì)算的重要參數(shù)，考慮時(shí)間價(jià)值折現(xiàn)，其取值對(duì)計(jì)算未來成本現(xiàn)值具有直接影響。其值不應(yīng)低于資金的機(jī)會(huì)成本或最低回收率，一般采用國家公布的行業(yè)基準(zhǔn)收益率。該橋折現(xiàn)率取6%。

(3) 分析期。根據(jù)JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》，公路橋涵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年。該橋結(jié)構(gòu)的分析期按100年計(jì)算。

3.2 橋梁建設(shè)期成本

橋梁建設(shè)期成本包括橋梁規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工等發(fā)生的費(fèi)用。根據(jù)該橋設(shè)計(jì)總說明、施工圖預(yù)算等文件計(jì)算，其建設(shè)期成本為竣工年成本即基年成本,不進(jìn)行折現(xiàn)(見表1)。

表1 不同橋梁方案的建設(shè)期成本

3.3 橋梁營(yíng)運(yùn)期成本

(1) 管養(yǎng)成本。橋梁的管理、養(yǎng)護(hù)、維修一方面跟結(jié)構(gòu)材料及施工質(zhì)量有關(guān)，另一方面與橋型結(jié)構(gòu)、管理模式、環(huán)境條件有關(guān)。該橋?qū)儆诟咚俟返囊徊糠?，其日常管理及養(yǎng)護(hù)依托高速公路整體日常管理養(yǎng)護(hù)體系，不同材料橋梁的日常管養(yǎng)費(fèi)用區(qū)別不大。為簡(jiǎn)化計(jì)算，不考慮橋梁的日常性管理養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，根據(jù)國內(nèi)類似工程經(jīng)驗(yàn)，將兩種橋梁方案上部結(jié)構(gòu)的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)與維修費(fèi)用進(jìn)行簡(jiǎn)化分析。鋼橋預(yù)防性養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用包括鋼箱梁涂裝、橋面鋪裝、伸縮裝置、支座、防撞護(hù)欄維修或更換成本，按照每15年一次計(jì)算；預(yù)應(yīng)力砼橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用包括砼構(gòu)件病害處理、橋面鋪裝、伸縮裝置、支座、防撞護(hù)欄維修和更換成本，按照每10年一次小修、30年一次大修計(jì)算。根據(jù)《橋梁全壽命設(shè)計(jì)指南》、該橋分項(xiàng)工程預(yù)算表、調(diào)查及評(píng)估結(jié)果,結(jié)合國內(nèi)其他橋梁維修情況,計(jì)算確定該橋維修成本現(xiàn)值見表2。

表2 不同橋梁方案的管養(yǎng)成本

(2) 用戶成本。由于橋面鋪裝等維修中均進(jìn)行合理的保通方案設(shè)計(jì)，且兩種橋梁方案的保通模式和費(fèi)用均相當(dāng)，不影響比選結(jié)論，為簡(jiǎn)化計(jì)算，不考慮用戶成本。

(3) 環(huán)境影響成本。橋梁環(huán)境影響成本主要包括橋梁營(yíng)運(yùn)、維修、養(yǎng)護(hù)和拆除中的噪音、土地臨時(shí)占用、水土流失、空氣污染等生態(tài)破壞而發(fā)生的成本。通過調(diào)查分析、專家商討,環(huán)境影響成本按照建設(shè)及管養(yǎng)成本的30%來估算。

3.4 橋梁回收期成本

橋梁回收期成本包括拆除成本和剩余價(jià)值兩部分，其中拆除成本主要包括拆除時(shí)的人、機(jī)、料成本和廢棄物處理成本，剩余價(jià)值為回收利用負(fù)成本。拆除方法不同,拆除成本及回收再利用成本可能相差較大，鑒于橋梁拆除成本與橋梁建設(shè)期成本密切相關(guān),采用拆除成本占建設(shè)期成本的百分比來估算拆除成本。根據(jù)《橋梁全壽命設(shè)計(jì)指南》、調(diào)查及評(píng)估結(jié)果,結(jié)合國內(nèi)其他橋梁的拆除經(jīng)驗(yàn),計(jì)算確定該橋維修成本現(xiàn)值，鋼結(jié)構(gòu)橋梁按建設(shè)期成本的20%、預(yù)應(yīng)力砼橋梁按建設(shè)期成本的30%計(jì)算；剩余價(jià)值，預(yù)應(yīng)力砼橋梁計(jì)為零，鋼結(jié)構(gòu)按照同類型鋼材市場(chǎng)價(jià)計(jì)算。

3.5 橋梁全壽命周期成本計(jì)算

綜上，橋梁方案一全壽命周期成本為16 204.96萬元，其中：建設(shè)期成本為11 189.8萬元，占69.1%；營(yíng)運(yùn)期成本為4 972.84萬元，占30.7%；回收期成本為42.32萬元，占0.3%。橋梁方案二全壽命周期成本為17 654.22萬元，其中：建設(shè)期成本為7 992.7萬元，占45.3%；營(yíng)運(yùn)期成本為7 263.71萬元，占41.1%；回收期成本為2 397.81萬元，占13.6%(見表3)。

表3 不同橋梁方案的全壽命周期成本現(xiàn)值

4 結(jié)論

(1) 考慮100年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期，鋼結(jié)構(gòu)橋梁方案的全壽命周期成本比預(yù)應(yīng)力砼橋梁方案的低，鋼結(jié)構(gòu)方案更合理。

(2) 在不同橋梁方案比選中，可根據(jù)工程實(shí)際情況適當(dāng)簡(jiǎn)化全壽命周期成本構(gòu)成，弱化類似的影響較小的構(gòu)成項(xiàng)，強(qiáng)化有區(qū)別的影響較大的構(gòu)成項(xiàng)，合理分析計(jì)算其全壽命周期成本。