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公路2004年12月第12期HIGHWAYDec；文章編號:0451-0712(2004)12-0；壽命周期成本分析方法在；橋梁工程中的應用；1概述與問題；摘要:橋梁耐久性低、服務壽命短的問題已經嚴重影響；關鍵詞:橋梁;壽命周期成本分析;機構成本;使用者；吳海軍1,2,陳艾榮1；(11同濟大學上海市200092;21重慶交通學；問題,相關的典型問題如下；近年

公路 2004 年12 月 第12 期 H IGHW A Y D ec12004 N o 112

文章編號: 0451- 0712 (2004) 12- 0034- 05 中圖分類號: F 224. 5: U 44 文獻標識碼: B

壽命周期成本分析方法在

橋梁工程中的應用

1 概述與問題

摘 要: 橋梁耐久性低、服務壽命短的問題已經嚴重影響了結構正常服務功能的發(fā)揮, 并給社會造成了巨大 的經濟負擔。文中介紹了壽命周期成本分析的概念及其應用于橋梁工程的發(fā)展歷程, 闡述了它的基本原理, 探討了 橋梁壽命周期成本的構成, 并給出了進行分析時的計算公式。利用國外的兩個例子說明了橋梁全壽命成本分析對 于橋梁設計和維護管理的重要性。

關鍵詞: 橋梁; 壽命周期成本分析; 機構成本; 使用者成本; 風險與易損性成本

吳海軍1, 2 , 陳艾榮1

(11 同濟大學 上海市 200092; 21 重慶交通學院 重慶市 400074)

問題, 相關的典型問題如下。

近年來, 世界各國普遍認識到, 橋梁使用性能 (1) 在橋梁規(guī)劃和設計階段, 對多個方案進行比 差、耐久性低、服務壽命短、全壽命經濟性指標差等 選時, 只注重建設初期(包括設計與施工) 的成本, 而 問題(與人們最初的設計和規(guī)劃預期有很大差異) 已 忽視橋梁從規(guī)劃、建設到運營、破壞整個壽命周期的 經嚴重影響了其正常服務功能的發(fā)揮, 并且給養(yǎng)護、 總成本。而合理的經濟性應當體現為使橋梁的建造 維修等后期運營管理工作帶來難以承受的巨大經濟 與在整個使用期內檢查、養(yǎng)護及維修費用之和達到 和社會負擔, 也使橋梁的建設管理面臨著極大的系 最低。各國橋梁使用實踐證明, 如果片面追求較低的 統(tǒng)風險。 建造費用而忽視了對結構耐久性的改善, 不僅影響

經過長期的探索, 人們認識到除了設計合理、施 結構的安全、減少結構使用壽命, 同時投入的養(yǎng)護維 工得當、維護及時外, 要從根本上解決以上問題還需 修費用將十分可觀, 甚至遠遠超過建造中節(jié)省的 要改變橋梁建設管理的一些理念和習慣做法。實際 費用。 上, 我國當前橋梁建設中的某些慣例和辦法在很大 (2) 國內橋梁工程招投標中經常是報價越低, 得 程度上導致或加劇了橋梁使用壽命短、耐久性差的

分越高, 中標的希望越大。由于公路橋梁建設市場的

收稿日期: 2004- 06- 23

下任何固定模板的痕跡, 也就是說, 取消所有穿過混 凝土的對拉螺桿, 就像豎直滑模施工墩塔一樣, 進行 懸澆水平滑模施工, 它不僅能簡化施工程序, 加快懸 澆速度, 還能夠提高混凝土的澆注質量, 增加橋跨的 外形美感。

5 結語

工, 不僅使整體施工程序簡化, 加快進度, 提高建橋 質量, 增加了橋梁的美觀。更重要的是, 掛籃連續(xù)滑 模法施工高橋墩懸澆橋梁, 可以從根本上取消傳統(tǒng) 施工方法為施工平臺及模板提升、掛籃就位所必須 架設的耗資巨大的纜索吊裝系統(tǒng); 也取消了為0 號 塊澆注, 或橫系梁澆注專門架設的高空支撐托架。它 集纜索吊裝系統(tǒng)、0 號塊施工的專用托架、懸澆施工 的移動掛籃, 三位為一體。它在跨越深山、峽谷的鐵 路橋梁、公路橋梁施工中的推廣意義是不言而喻的。

高橋墩懸澆橋梁一般位于高山峽谷之中, 其明 顯的施工技術難度就是生產要素的升降, 0 號塊的

支撐托架在高空的架設, 以及懸澆掛籃在高空的安 它所帶來的技術創(chuàng)新意義和經濟價值應該是顯而易 裝、就位。利用掛籃完成全橋豎直及水平連續(xù)滑模施 見的。

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2004 年 第12 期 吳海軍 陳艾榮: 壽命周期成本分析方法在橋梁工程中的應用

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競爭非常激烈, 導致一些工程報價被壓得過低, 施工 企業(yè)的合理利潤得不到保證。這在客觀上助長了橋 梁建設中層層分包這種不良運作方式的存在。工程 的實際建設者往往是資質差、技術力量薄弱、管理松

C yc le Co st A na lyze, 簡號或 L CCA )。分析時, 必須

要確定橋梁從建成到其壽命期結束的總費用, 有時 也表示為W L CA (W ho le2life Co st ing A na ly sis)。簡 單地講, 它是為了回答橋梁在其整個壽命過程中要 使用多少“今天的錢”(凈現值, N e t P re sen t V a lue)。

全壽命經濟分析法的本質是要求在設計施工階段,

不論是事先采取防護措施還是以后“壞了再修”,都

散的隊伍, 這將對橋梁的建設質量十分不利。

(3) 還有一些工程 ( 如一些政績工程、獻禮工

程) , 因為種種原因過分縮短建設周期, 一味追求施

工速度

, 難免出現違背科學規(guī)律的做法, 也在一定程 度上增加了橋梁的病害

, 減少了橋梁的壽命。

(4) 以往的工程移交方式不夠合理。橋梁一般在 竣工后一年進行驗收

, 期間出現的問題由施工方負 責

, 驗收合格即移交給建設方或管理方。工程驗收 后

, 設計和工程承包方一般不再承擔使用期間工程 損壞、修復、重建等的義務和責任

, 而工程即使存在 質量問題

, 也往往在短期內不會明顯暴露出來。這就 造成了大量工程因建設原因導致的耐久性不足

, 卻 由國家承擔經濟損失

, 給橋梁后期的養(yǎng)護維修帶來 了隱患

, 這是制度上存在的缺陷。

我國正處于橋梁建設的高峰時期, 大量的在役 與待建橋梁都面臨著如何保證其全壽命期間的安

全、耐久及維護管理的經濟性問題。因此關于橋梁全

壽命周期有關問題的研究有十分緊迫和現實的意

義。本文將主要探討橋梁全壽命周期成本分析的原

理及其應用。

2 橋梁壽命周期成本分析方法的發(fā)展歷程及基本

原理 壽命周期成本(L ife C yc le Co st, 簡寫成L CC ) 及全壽命經濟性概念首先由美國軍方于20 世紀60 年 代提出, 應用于軍用器材采辦, 并迅速推廣到民用企 業(yè)。從開始提出到70 年代, 是醞釀和探索階段; 到20 世紀80 年代, 壽命周期成本方法已在國際上得到公 認, 相關規(guī)定已較為完善, 在航空、航天、艦船、車輛、建筑, 及小型機械等各方面都有一定的研究與應用, 是進行投資決策的重要依據。

從20 世紀80 年代開始, L CC 方法逐漸應用到 道路交通行業(yè), 人們開始研究建設項目的全壽命成 本優(yōu)化問題, 從成本的角度提出全壽命管理的觀念, 綜合考慮建設成本, 選擇全壽命成本最優(yōu)的方案。鑒

要做出經濟預算和比較, 承建者要對工程的“全壽

命”負責到底, 這樣可避免“短期行為”給后人帶來的 麻煩與巨大經濟損失。

采用L CCA 法對項目評估的目的與標準是在

保

證工程壽命期的前提下, 使綜合花費成本最少, 實現

技術可靠、經濟合理。鑒于美國已經有用4 座橋的費

用維持1 座橋的深刻教訓, 故特別強調適當增加初 始投入以減少后期的巨大開支。美國L CCA 委員

會

指出, 實行L CCA 法的目的就是減少后期投資、提高 項目質量與性能。這是一個使長期效益最大化的有 效方法。

在20 世紀90 年代, L CCA 方法在交通基礎設

施

建設中的應用產生了一些階段性成果, 其中有代表 性的是1998 年美國聯邦公路局頒布的“道路設計中

的全壽命費用分析”(L ife2C yc le Co st A na ly sis in

P avem en t D e sign)。關于全壽命的設計理論和原理

也已經寫入了美國和英國橋梁設計的有關規(guī)范和手

冊, 例如英國的BD 36 (1992) 以及BA 28 (1992) 等。近

年來, 美國和英國對于橋梁全壽命問題也開展了更

為系統(tǒng)的研究。這些研究成果對于在役橋梁的維護 管理策略優(yōu)化和新建工程的耐久性設計及經濟性評 估都將起到非常積極的作用。 盡管如此, L CCA 方法在橋梁工程中的應用尚 沒有形成一套得到公認的計算方法和模型, 加之在 分析和比較的過程中存在著較多的不確定因素, 所 以, 還有很多問題有待進一步研究。

3 橋梁壽命周期成本的基本構成與計算、分析模型 3 1 基本構成

橋梁壽命周期成本由“機構成本”和“使用者成 本”兩部分組成�！皺C構”一般指橋梁的建設者和擁有 者, 政府實體是典型的“機構”。由于我國以往橋梁的

于以往教訓(對基礎設施的耐久性認識不足或重視 不夠, 經濟損失嚴重) , 以美國為首的一些國家, 率先 針對道路、橋梁等基礎設施項目提出了“壽命期成本 分析”的概念, 也稱為“全壽命經濟分析”(T o ta l L ife

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投資方、建設方與橋梁運營期間的管理者往往不是 同一個實體, 經常是政府部門(如各省交通廳) 投資, 然后授權某個機構(如各省的高速發(fā)展有限公司或 者建設指揮部) 負責建設, 建成后再交給另外的部門

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— 36—公 路 2004 年 第12 期

(4) 橋梁沖刷和洪水引起的損失(這方面的例子

進行運營養(yǎng)護管理, 因此要明確“機構”的含義是復

雜的�，F在我國日益推廣執(zhí)行投資管理一體化的建

設模式, 因此“機構”的概念也明確了�！皺C構成本”指

橋梁規(guī)劃、設計、施工以及建成后的運營、維護等的

成本的總和。具體地講,“機構成本”包括以下內容:

(1) 橋梁的規(guī)劃、設計等相關成本; (2) 橋梁的施工和 建設成本; (3) 橋梁的常規(guī)維護成本; (4) 構件的修復

費用; (5) 橋梁構件更換成本; (6) 橋梁更新的成本。

“使用者”是一個廣義的概念, 包括使用橋梁的 車輛, 以及附近區(qū)域可能依靠橋梁進出的商業(yè)和居

民�！笆褂谜叱杀尽币话闶怯捎跇蛄旱墓δ苋毕�(例如

橋梁限載、封閉或由于橋梁清掃、維修、修復和更換

而限制通行) 所引起的額外費用, 這些功能缺陷將可

能導致車輛繞行, 時間延誤和浪費, 事故率提高, 從

而引起車輛的運營費用提高。

“機構成本”和“使用者成本”的具體構成要視橋

梁的具體情況進行分析。一般情況下, 橋梁全壽命周

期成本可以定義為——在橋梁整個壽命周期內所發(fā)

生的一切與橋梁的建設、維護、管理等有關的費用。 3 12 風險與易損性成本

也很多, 例如2003 年隴海鐵路灞河橋由于人為挖砂

導致洪水沖垮橋墩, 引起列車停開或繞道等嚴重問 題 , 經濟損失巨大)。

(5) 超載和疲勞, 超載現象在我國公路運輸中較

為普遍。超載會使橋梁疲勞應力幅度加大, 損傷加 劇 , 甚至會出現超載引發(fā)的結構破壞事故。另一方 面 , 由于超載造成的橋梁內部損傷不能恢復, 將使得 橋梁在正常荷載下的工作狀態(tài)發(fā)生變化, 從而可能

危害橋梁的安全性和耐久性。

(6) 橋梁服務功能過時或落后的風險。

(7) 其他風險。 3 13 橋梁全壽命成本分析的計算模型

上述項目是橋梁全壽命成本分析的輸入項, 具 體地, 橋梁全壽命成本分析模型可以寫成:

L CC = D C + CC + M C + R C + U C + S V

(1)

式中: D C 為設計成本; CC 為建設成本; M C 為維 修成本; R C 為修復成本; U C 為使用者成本; S V 為剩

余價值(可以為正, 也可以為負)。

這里需要指出的是: 在使用壽命終止時, 橋梁具

有的一定價值必須計入到壽命周期成本分析中。這

些價值可稱之為“剩余價值”(S V ) 或“終點價值”,它

風險與易損性成本是“機構成本”和“使用者成

本”的組成部分, 是由于橋梁具有抵抗意外和偶然事

件的易損性缺陷所產生的。與其他成本相比, 這是較

容易被人們忽視的部分, 主要是因為該項成本的發(fā)

生與否存在偶然性和隨機性。但是, 這部分成本在很

多時候是不可忽視的, 例如橋梁會由于地震而產生

巨大的損失。工程的風險和不確定性通常是由于橋

梁和環(huán)境因素相互作用而產生的部分或全部功能喪

失所決定。其中, 最常見的工程風險和易損性的誘因

可能為正(+ ) (例如如果建材可以回收利用) , 也可

能為負(- ) (如果拆除的費用超過轉售剩余資源所 得 )。

由于橋梁壽命周期的各項費用是在不同時間發(fā)

生的, 一般利用貼現率將未來成本折算成現值, 以便

于比較, 未來成本與現值之間的換算關系為:

FV N

PV =

(1+ r) N

(2)

如下。

( 1) 與橋梁狀態(tài)相關的橋梁在承載力和壽命方

面性能的降低。

重復荷載作用下, 隨著橋梁性能隨著時間退化,

使用者面臨的風險及潛在的不方便也逐漸增大。橋

梁的部分或全部失效會產生極大的麻煩, 失效風險

式中: PV 為凈現值費用; FV N 為未來成本發(fā)生

的年份; r 為分析時的貼現率。

為便于理解和使用, 考慮到其他各項成本與費 用 , 橋梁全壽命周期成本分析的計算公式也可以更 為具體地寫成如下形式:

) 1+ r 1+ r i= N 1, N 2, . . .

式中: N PV 為凈現值費用; CL 為評估期結束

時的資金損失; OM C i 為第i 年的維護費用; T D C i 為 第 i 年的交通阻隔等引起的費用; N 1 , N 2 , ?為進行

(

N PV = CC +

的增大將意味著失效導致的成本增大, 因此失效風

險的變化也應計入成本中。這些直接和間接的成本

將包括橋梁的更換、交通繞行、交通堵塞、生命喪失

∑

ii

CL

引起的費用。

(2) 地震易損性, 主要針對處于地震區(qū)的橋梁, (3) 風振易損性, 主要指產生如龍卷風、颶風等

維護時的年份。

4 基于L CCA 分析的橋梁工程示例

為了揭示L CCA 方法對于橋梁設計和維護的重

由于地震導致的人員、結構和財物等損失。

意外風現象所導致的損失。

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