港口工程結構全壽命設計方法理論分析

劉學勇，楊林虎

（1.中國交通建設股份有限公司，北京　100088；2.中交水運規劃設計院有限公司，北京　100007）

港口工程結構全壽命設計方法理論分析

劉學勇1，楊林虎2

（1.中國交通建設股份有限公司，北京100088；2.中交水運規劃設計院有限公司，北京100007）

摘要：在目前港口工程結構設計、施工和維護管理各階段分析的基礎上，對港口工程結構全壽命設計流程進行了理論分析。針對港口工程結構壽命的階段，分析了全壽命成本組成，確定了全壽命成本計算的主要經濟參數和計算模型。提出在初步設計階段和施工圖設計階段全壽命分析和計算方法。可供相關工程參考。

關鍵詞：港口工程；全壽命設計；全壽命成本；理論分析

中圖分類號：U652.72

文獻標志碼：A

文章編號：2095-7874（2015）03-0037-04

doi：10.7640/zggWjs201503007

收稿日期：2014-12-08

作者簡介：劉學勇（1978—），男，天津市人，碩士，高級工程師，港口航道工程專業。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）源于工業生產與加工領域，起初針對工業元件，其基本思想是將產品元件的原材料、生產、維護和廢棄處理等環節計入總成本，用總成本最小化的方法來確定元件的原材料與生產工藝。因此，全壽命理論從成本的觀點又被稱為全壽命成本分析法（Life Cycle Cost Analysis，LCCA）。近年來，土木基礎建設領域中由于環境作用導致的結構過早劣化、使用功能失效普遍成為重要問題，在發達國家由此引發的基礎設施維護費用已經體現在GDP的百分位上[1-2]。國內外傳統的結構設計方法重視荷載作用，忽視環境作用，重視強度設計，忽視使用性能的設計，重視建設階段的設計，忽視使用期間的維護。探尋荷載與環境并重，同時兼顧施工和使用階段需求的設計方法是土木工程各領域共同關注的問題和總體趨勢[3]。正是在這種技術需求的總體趨勢下，全壽命理論被引入了土木工程領域，并已經取得了初步研究成果[4-5]，部分研究成果見表1所示。

全壽命的設計觀點符合目前我國倡導的節約型和循環經濟導向，以合理的方式引入港口工程結構的已有設計理論與方法體系中，將有助于整體提高港口工程的服役質量，降低工程壽命周期內的投資總成本，并解決相關的環境污染與資源的再利用問題。

1　港口工程結構全壽命設計基本理念

港口工程結構全壽命周期可分為4個階段，即：規劃設計階段、施工階段、運營階段和退役階段[7]。全壽命設計的基本思想是：在工程結構的整個服役周期內，將外界對結構所作出的各種

“犧牲”均以成本的形式進行統計，計算出工程結構整個壽命周期內備選方案的總成本，從而為工程結構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

港口工程結構長期遭受海洋的嚴酷環境作用。如果在設計階段、施工階段、運營維護階段、退役階段等某些環節缺乏合理的實施方案，就可能會加劇結構的性能退化，影響用戶的使用功能需求，增加額外的維護費用，并對環境造成更大污染。港口工程結構全壽命設計方法從全壽命周期角度，在工程結構的規劃設計階段就統籌考慮建設階段、運營階段和退役階段的建設和管理活動，并通過全壽命成本優化設計方法，實現人們對工程結構功能、環境、成本的多目標需求。

從整個港口工程的設計方法來看，全壽命設計方法是繼安全系數法和極限狀態設計法（承載力極限狀態和正常使用極限狀態）后的又一次設計觀念的重大改變。它將傳統的結構設計拓展到整個壽命周期，主要意義在于：1）通過考慮結構性能退化規律，掌握港口工程結構從投入使用到退出全過程中的性能變化，滿足結構的可靠性要求。2）通過結構設計與維護設計的合理匹配和科學決策，降低工程結構的全壽命周期成本；3）通過合理維護設計，將目前工程結構的“被動維護”轉變為“主動維護”，從而延長結構使用壽命，提升結構使用性能。

2　港口工程全壽命成本計算模型

2.1港口工程LCC構成

港口工程LCC分析涉及諸多成本因素和經濟

參數。港口工程的整個壽命周期劃分為3個可產生成本的壽命階段：建設期、運營期和退役期。其中，規劃設計階段的成本統計在建設期成本中。由此，港口工程全壽命周期總成本共有3部分構成，如公式（1）所示。

式中：Cc為建設期成本；Cm為運營期成本；Cd為退役期成本。

其中，建設期成本、運營期成本、退役期成本的成本構成分別為公式（2）、（3）、（4）所示。

式中：Cc1為建筑安裝工程費；Cc2為設備、工具、器具及家具購置費；Cc3為工程建設其他成本；Cc4為預備費、建設期貸款利息、固定資產投資方向調節稅；Cm1為維護成本；Cm2為用戶成本；Cm3為環境影響成本；Cd1為人工、機械、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主要經濟參數

港口工程從開始投資到最后退役所經歷的時間跨度大，資金流動頻繁，在計算港口工程全壽命周期成本時需要明確統一的經濟參數。所涉及的主要的經濟參數是折現率、設計使用年限和成本分析基年。

折現率是度量資金時間價值的尺度，反映了對未來貨幣價值所作的衡量。它是將未來資金折成現值的比率，反映了資產與其未來運營收益現值之間的比例關系。在港口工程全壽命成本分析中，折現率是最為敏感的經濟參數。在實際工程中，折現率的影響因素復雜，根據國內外大量研究，可通過社會折現率和物價波動水平（PPI年變化率）來表征和計算。根據Philip Cady提出的模型，三者之間的關系可表示為：

式中：Ii為折現率；ici為社會折現率；fi為PPI年變化率。

于是，

實踐表明，隨著時間的遞增工程結構的不確定性和風險因素也呈現一種遞增趨勢。因此，在港口工程壽命周期內，成本折現率也呈遞增規律。在工程結構全壽命成本分析中，折現率可分階段取值，通常取30 a為一個階段。

港口工程設計使用年限是統計全壽命周期成本的時間長度。不同的設計使用年限可能采用不同的計算公式和折現率。

成本分析基年是貨幣時間價值的折算基點。發生在壽命周期內不同時間上的各種費用都要折算到這一基點上。一般以工程結構的竣工年為計算基年。

2.3港口工程LCC的計算方法

計算全壽命成本需要考慮資金的時間價值，計算公式為：

式中：PV為成本現值，即計算基年的LCC值；FVk為第k年的現金流出，即成本構成中各成本折算到計算基年的現值；k為成本產生的年份；N為結構的設計使用年限；Ik為成本產生年份的年折現率。

3　港口工程結構全壽命設計

3.1港口工程結構功能分析

港口工程結構全壽命設計按照“功能需求—設計要求—設計指標”三級關系進行。港口工程結構全壽命設計首先從工程結構的功能分析開始。功能分析（FA，Function Analysis）是價值工程（VE，Value Engineering）的核心內容，也被稱為價值方法[8]。它是對某產品或服務的各功能和相關成本進行識別，對功能的必要性進行評估的系統過程。

功能分析首先從業主角度把港口工程的功能進行分組，每一組又由若干具體功能構成。根據港口工程特點，將港口工程的功能按照對象的不同，分為使用（Utility）、環境條件（Environment）、建設管理（Construction and Management）和可持續發展（Sustainability）4組，每一組中又包括若干功能單元（Element）。

3.2港口工程全壽命設計基本流程

全壽命理論為我國現行港口工程設計增添了很多新的元素。這些新的元素在初步設計階段主要包括：1）設計使用年限；2）維修周期、維修方案及維修成本；3）環境影響成本；4）退役期成本；5）LCC的計算；6）設計指標和設計使用年限對LCC影響的量化分析；7）維護設計；

8）建設期成本與運營期維護成本的關系等。

根據設計階段的不同，LCC成本計算的粗略程度也不同。對于設計階段難以量化的成本，如用戶成本和環境影響成本等，可參照已有工程的實際運營狀況，以建設期成本為基數，乘以相應系數得到估計值。

港口工程結構全壽命設計統籌考慮了港口工程的設計、施工、維護（管理）以及退役4個階段的各項活動。并以LCC方法作為方案決策的指導方法（但不唯成本而定），通過該方法分析設計指標對建設期成本、維護成本以及全壽命成本的影響。考慮到港口工程結構的形式多樣、使用性質不同、環境條件不同、覆蓋內容復雜、時間跨度大、施工管理技術不斷更新等各種因素，在港口工程全壽命設計流程中主要明確基本的設計步驟以及需要考慮的問題，目前尚不涉及具體的技術細節。港口工程全壽命設計基本流程可概括如圖1所示。

圖1　港口工程結構全壽命設計基本流程Fig.1 Basic floWof life cycle design for portstructures

4　結語

1）闡述了港口工程結構全壽命設計的基本理念，分析了港口工程領域引入全壽命設計的意義和必要性。

2）分析了港口工程結構全壽命成本構成，明確了主要經濟參數，建立了港口工程結構全壽命成本計算模型。

3）提出港口工程結構全壽命設計按照“功能需求-設計要求-設計指標”三級關系進行，建立了港口工程結構全壽命設計基本流程以及需要考慮的問題。港口工程結構形式多樣、使用性質不同、環境條件不同、覆蓋內容復雜、時間跨度大、施工管理技術不斷更新等因素，目前尚不涉及具體的技術細節。

4）全壽命理論在港口工程領域中的研究與應用剛剛起步，它在實際工程中的推行仍需要大量的工作。但我們相信，全壽命理念和設計理論一定會對我國乃至世界港口工程的發展起到重要的推動作用。

參考文獻：

[1] DIMITRIV VALL.Effectofdifferent limitstateson life-cycle cost of RC structures in corrosive environment[J].Journal of Infrastructure Systems,2005,11(4):231-240.

[2] MITCHELL D,FROHNSDORFF G.Service-lifemodeling and design of concrete structures for durability[J].Concrete International, 2004,26(12)57-63.

[3] SARJA A.Integrated life cycle design of structures[M].Florida: CRC Press,2002.

[4] ZAYED T M,FRICKER JD.Life-cycle costanalysis using deterministic and stochastic methods:conflicting results[J].Journal of PerformanceofConstructed Facilities,2002.16(2):63-74.

[5] NALANIE MITHRARATNE,BRENDA VALE.Life cycle analysis model for NeWZealand houses[J].Buildingand Environment,2004, 39(4):483-492.

[6]中交公路規劃設計院有限公司.橋梁工程全壽命設計理論與方法研究-項目研究報告[R].2008. CCCC Highway Consultants Co.,Ltd.Design theory andmethod of life cycle design for bridge engineering:project research report[R]. 2008.

[7] PIANC WG103.Life cycle management of port structure-recommended practice for implementation[Z].Maritime Navigation Commission,2008.

[8] SPAULDING WM,BRIDGE A,SKITMORE M.Theuse of function analysis as the basis of value management in the Australian construction industry [J].Construction Management and Economics, 2005,23(7),723-732.