（管理科学与工程专业论文）基于全寿命周期成本的公路路面设计造价管理研究.pdf

摘要 公路建设项目往往只注重建设成本的一次性投资 而很少考虑建成后需要正 常养护的长期成本 从而造成公路耐久性低 后期养护费用高 公路造价持续上 涨 给社会带来严重的经济负担 因此 对成本问题的研究很重要 从全寿命周 期成本角度选择设计方案是解决问题的有效途径之一 本文提出路面设计时进行全寿命周期成本分析 是在对路面结构行为规律有 了充分认识并考虑新建及养护维修后路面使用性能变化的基础上 在设计之初就 考虑和处理公路使用周期内的初始及养护改建后的路面性能和费用问题 安排出 科学养护改建策略 即在路面整个寿命周期内寻求满足性能标准和全寿命周期成 本最低的方案 首先建立合理的全寿命周期成本体系是关键 本文构建了全寿命周期成本框 架 阐述了寿命期内机构成本 使用者成本和用户成本的构成 分析了各自的特 点 通过路面质量指数对路面使用性能进行评估 并结合路面等级 用马尔克夫 方法对路面使用性能进行预测 研究了路面使用性能同养护成本之间的关系 将公路寿命周期养护成本进行最优化决策 因为养护工作有不确定性因素 不同的养护工作也会给路面性能带来不同的性能变化且影响下一次养护工作的 开展 针对寿命周期中这些不确定性因素 采用了事件树法来比较客观全面的反 映公路结构寿命周期的养护时间 采取概率的算法求得公路路面结构寿命周期的 养护概率成本 根据目标优化函数进行养护安排 在满足寿命周期内路面功能要 求的同时 保证公路在其寿命周期内养护成本最小 从而预测出最优化的寿命周 期成本 利用最少的成本带来最大的收益 关键词 全寿命周期成本 养护成本 养护决策 路面使用性能 a b s t r a c t h i g h w a yc o n s t r u c t i o np r o j e c t sa r eo f t e no n l yf o c u s e do n o n e t i m ec a p i t a lc o s to f i n v e s t m e n t a n dw i t h l i t t l er e g a r df o rt h en e e dt on o r m a la f t e rt h ec o m p l e t i o no f l o n g t e mc o s t so fc o n s e r v a t i o n r e s u l t i n gi ns o m eo ft h e s ep r o b l e m s s u c h a st h e l o w r o a dd u r a b i l i t y t h eh i g hm a i n t e n a n c ec o s t s t h e s h o r ts e r v i c el i f e h i g h w a y c o n s t n l c t i o nc o s t sc o n t i n u e dt or i s e i tb r i n gs e r i o u se c o n o m i cb u r d e n t h e r e f o r e r e s e a r c h i n go nt h ec o s ti sv e r yi m p o r t a n t f r o mt h ep e r s p e c t i v eo f t h ee n t i r el i f e c y c l e c o s td e s i g nt oc h o o s ei sa ne f f e c t i v ew a y t os o l v et h ep r o b l e m t h i sp a p e rp r e s e n t st h el i f e c y c l ec o s ta n a l y s i si nt h ed e s i g no f t h er o a d a f t e rt h e p a v e m e n ts t r u c t u r eh a sb e e nf u l l y a w a r eo ft h el a w a n dc o n s i d e r i n gn e wa n d m a i n t e n a n c eo fp a v e m e n tp e r f o r m a n c eh a v es o m ec h a n g e s c o n s i d e r e di n t h ed e s l g n a n dp r o c e s s i n ga tt h eb e g i n n i n go ft h er o a do nt h el i f ec y c l ea n dc o n s e r v a t i o no tt h e i n i t i a lr e c o n s t l l j c t i o no ft h er o a da f t e rt h ep e r f o r m a n c ea n dc o s t a r r a n g e m e n t sf o rt h e c o n v e r s i o no fs c i e n t i f i cc o n s e r v a t i o ns t r a t e g y s e e k i n gt om e e tt h ep e r f o r m a n c es t a n d a r d s p r o g r a m t h a ti s t h ee n t i r el i f ec y c l ei nt h er o a d a n dm i n i m u ml i f e c y c l e c o s to ft h e f i r s to fa 1 1 t oe s t a b l i s har a t i o n a ls y s t e mf o rt h ee n t i r el i f e c y c l ec o s ti st h ek e y t h i sa r t i c l eh a sb e e nt ob u i l dt h ef r a m e w o r ko fl i f ec y c l ec o s e l a b o r a t e sl i f ea g e n c y c o s t s u s e rc o s t sa n du s e rc o s t sc o n s t i t u t ea n da n a l y s i st h e i rc h a r a c t e r i s t i c s i nt h i s p a p e rt h ea u t h o ra s s e s st h et h eu s eo fp e r f o r m a n c eo nt h er o a d t h r o u g hp a v e m e n t q u a l i t yi n d e x a n dc o m b i n e dw i t ht h er o a dh i e r a r c h y p r e d i c tp a v e m e n tp e r f o r m a n c e i n u s i n gm a r k o v p a v e m e n tp e r f o r m a n c es t u d yo ft h ec o s tw i t ht h er e l a t i o n s h i p b e t w e e n c o n s e r v a t i o n t h er o a do fl i f ec y c l ec o n s e r v a t i o n c o s tw i l lb eo p t i m i z a t i o n e d o ft h e d e c i s i o n m a k i n g s i n c et h ec o n s e r v a t i o nw o r kh a v es o m eu n c e r t a i n t i e s t h ed i f f e r e n t c o n s e r v a t i o nw o r kw i l lb r i n gt ot h ed i f f e r e n tt h ep a v e m e n tp e r f o r m a n c ep r o p e r t i e s ta n d b r i n ga b o u tt h ei n f l u e n c eo f t h ew o r ko fn e x tc o n s e r v a t i o n i nv i e wo f t h el i f ec y c l eo f t h e s eu n c e r t a i n t i e s u s i n gt h ee v e n tt r e em e t h o di sm o r eo b j e c t i v er e f l e c t i o no f t h ef u l l l i f ec v c l eo fh i g h w a ys t r u c t u r e s t h ec o n s e r v a t i o nt i m eo ft h ea l g o r i t h mt ot a k e t h e p f o b a b i l i t yo fr o a dp a v e m e n ts t r u c t u r et oa c h i e v et h ec o n s e r v a t i o n o ft h ep r o b a b i l i t yo f l i f e c y c l ec o s t s o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nb a s e do nf u n c t i o na n dc o n s e r v a t i o ng u i d e l i n e s a r e m e e t i n gt h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so ft h er o a di nt h el i f ec y c l e a tt h es a m e t i m e i i t oe n s u r et h a tt h er o a di ni t sl i f ec y c l ec o s to ft h em i n i m u mc o n s e r v a t i o ni no r d e rt o p r e d i c to p t i m a ll i f ec y c l ec o s t s t h ec o s to ft h eu s eo f a tl e a s tb r i n gt h eg r e a t e s tr e t u r n s k e yw o r d s l i f e c y c l ec o s t t h ec o s tc o n s e r v a t i o n c o n s e r v a t i o nd e c i s i o n m a k i n g p a v e m e n tp e r f o r m a n c e i i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究 成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写的成果作品 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明 确方式标明 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担 作者签名 张纶 日期 歹1 1 年6 月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授 权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以 采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 本学位论文属于 l 保密口 在年解密后适用本授权书 2 不保密团 请在以上相应方框内打 作者签名 跟珞 日期 1 年b 月 日 导师虢家夕1 旅日期 吖年占月3 日 第一章绪论 1 1 研究背景 公路设施的发展体现一个国家经济发展速度以及其对公路交通运输的需求 我国公路建设自建国以来经历了一个迅猛的发展过程 特别是 十五 以来 高 速公路建设实现历史性突破 五年建成高速公路2 4 7 万公里 两纵两横三个重 要路段 全部建成 高速公路总里程达到4 2 万公里 根据交通部发布 国家高 速公路网规划 到2 3 6 年 我国将建成8 7 万公里高速公路 可以说 巨大 的公路基础设施网已经成为我国固定资产的一个重要组成部分 更是我国未来社 会经济发展的重要的 动脉 在大规模公路建设过程中 如何加强公路建设项 目投资控制进而提高公路建设项目的投资效益和社会效益已成为一项急待解决 的课题 目前已建成的高速公路实践中遇到的主要问题是路面的实际寿命低于设计 寿命 路况差 寿命短 养护与营运成本高 在国外 许多沥青路面的使用寿命 不超过1 0 12 年 许多最近修建的高速公路在半年至两年内就发生了严重的损 坏 损失十分惊人 这主要是由于设计方案选择时只考虑建设阶段的费用 强调 建设期成本 对建成后的养护成本和营运成本考虑不足 方案决策错误造成的 路面设计时可以有多种策略性选择 是花费较高的初期修建费用 采用承载能力 较强的结构和保证优良的施工质量 以获得较长的使用寿命 较少的改建费用 较好的使用性能和较省的使用者费用 还是采用较弱的结构 维持不高的施工质 量 以节省初期修建费 但由此带来较短的使用寿命 较多的养护和改建费用 较差的使用性能和较高的使用者费用 在不同地区 对不同等级的道路和不同的 投资方式 人们可以有不同的考虑 但我们很难简单地判断采取何种方案 必须 借助于科学的分析工具一寿命周期费用分析 进行技术比较 才能从整个寿命角 度去选择最经济合理的路面结构方案 美国在对路面进行寿命周期经济分析中发 现 有些方案初期投资较高 但性能和使用寿命很长 养护费用小 如沥青玛蹄 脂碎石面层的成本虽比传统的热沥青混合料高出2 0 2 4 而其寿命比采用密 集配混合料铺筑的路面可延长5 0 以上 沥青玛蹄脂的直接工程造价高于普通沥 青路面 但可以降低维修养护成本 从整个建设和营运期分析 成本比普通沥青 路面小 总体上产生重大的经济效益 可知选择不同的设计方案 对工程的成本 影响很大 高速公路建设项目具有周期长 投资高 风险大 加上具有单件性和不可逆 转性的特点 如果在实施时才发现决策错误 将会造成难以挽回的损失 因此在 路面设计时应以使用性能为约束条件 经济指标为优化目标 通过寿命周期费用 分析寻求满足设计要求的最经济合理方案 即在设计阶段就考虑和处理在建设阶 段和全部使用周期内可能出现的性能退化 病害及养护方案和成本问题 选择在 寿命周期内满足性能标准和寿命周期成本最优的方案 1 2 研究现状 1 2 1 全寿命周期成本理论 1 国外研究现状 全寿命成本是确定公路从建成到其寿命期结束的总费用 一般以l c c 来表 示 有时也表示为w l c w h o l e l i f ec o s t i n g n 进行全寿命成本分析的方法 就是全寿命经济性分析法 从上世纪8 0 年代开始l c c 方法逐渐应用到道路交通 行业 人们开始研究建设项目的全寿命周期成本优化问题 从成本的角度提出了 全寿命管理的概念 综合考虑了建设成本后选择全寿命成本最优的方案 1 9 8 6 年和1 9 9 3 年版的a a s h t o 路面设计指南都积极倡导寿命周期费用分析 并就寿命周期费用分析应当包含哪些费用进行了详细的讨论 其他国家如加拿 大 澳大利亚 和埃及等也发展了寿命周期费用分析的方法 四十年来 该方法 不断得到补充和发展 考虑的费用因素也越全面 在1 9 9 6 年 a a s h o 就提出了在路面中采用寿命周期费用分析的概念 也是 在2 0 世纪6 0 年代 美国为促进寿命周期费用原理在路面设计和路面类型选择方 能的应用而设立了两个项目 t h en a t i o n a lc o o p e r a t i v eh i g h w a yr e s e a r c h p r o g r a m n c h r p 承担的编号为n c h r p i o 的项目 该项目要求采用寿命周期费用 分析对备选方案进行评级 提供了寿命周期费用分析在路面领域的研究基础 j a m e sw a l l s 和m i c h a e lr s m i t h 在1 9 9 8 年撰写了一份关于路面设计中的 寿命周期费用分析的研究报告 该报告对寿命周期费用分析在的基本原理进行了 论述 讨论了输入参数的不确定性 推荐了时间价值和贴现率的可接受范围 并 探讨了敏感性允析在传统的寿命周期费用分析方法中的应用 其显著特点是对施 工区用户的确定进行了详细的说明 并引入了概率分析方法以说明输入变量的不 确定性 而对车辆运营费和事故费等用户费用研究较少 没有建立合适的模型 德克萨斯州公路运输部门于1 9 9 6 年承担了 刚性路面的寿命周期费用分 析 的研究项目 其目的在于促进寿命周期费用分析在德克萨斯州的应用 并建 立一种统一的方法来实施寿命周期费用分析 该项目的主要目标是建立一个综合 的 模块化的寿命周期费用分析方法 以评价现有和未来的路面项目 所建立的 寿命周期费用分析框架包括路面设计费用 管理费用 用户费用和其他费用的所 2 有可能方面 r o bh a r r is o i l 等人提出了最新寿命周期费用组成和寿命周期费用 分析流程图 这个项目研究的主要成果之一就是允许设计者计算公路路面项目的 寿命周期费用 然后在不同方案之间进行比较 2 国内研究现状 我国对于全寿命成本方面在公路项目中的研究和应用比较晚 在2 0 0 0 年发布 的 建设工程质量管理条例 中华人民共和国国务院号令 中 号召在基础设施 工程中贯彻实施全寿命责任制 2 0 0 4 年国务院提出了改革投资体制的决定 进一 步明确了企业的投资主体地位 对于决策 投资 建设 管理等均由企业承担 因此在项目前期的规划 设计研究阶段 进行工程全寿命周期成本分析是当务之 急 这也是我国逐渐提高技术水平和管理能力 并与国际接轨的重要方面 交通部针对西部地区公路规划 设计 施工中存在的共性问题 于2 0 0 4 年1 月8 日发布了 西部地区公路建设主要技术政策建议 其中第四条中明确表明了 政府对工程全寿命思想的重视 交通部以政府出版物的形式在 新理念公路设计 指南 一书中提出了 坚持系统沦 树立全寿命周期成本的理念 书中的主要观 点是 要从项目生命周期的全过程去看待成本 把公路放到环境和社会的大系统 中去考察成本 不但应注重项目初期建设成本 还要注重后期维修和养护成本 不但要看到项目自身成本 还要看到社会成本和环境成本 应该说 全寿命成本 己经引起了政府一定程度的重视 同济大学经济与管理学院的黄如宝教授在2 0 0 7 年的工程管理课程中指出 全 寿命周期成本管理的要点为 管理的目标是使初始建设费用与营运期使用费用的 总和最低或项目的价值最高 管理的重点在投资决策阶段和设计阶段 应多做方 案比选 投资决策阶段要从建设和使用综合的角度进行考虑 设计阶段要考虑工 程的合理使用寿命 主要材料 结构体系 设备系统的综合优化 招标阶段要对 投标方案进行综合评价 施工阶段要尽量杜绝工程隐患 提交准确的竣工图 必 要时 还应提供维护手册 运营阶段为了减少浪费 要制定维修保养计划 积累 各种使用费用的原始资料 对于路面全寿命周期的研究 同济大学的孙立军等人提出基于使用性能和生 命周期成本分析的全生命设计方法 包括新建和改建沥青路面结构设计 该方法 根据路面在整个分析期内的使用性能来设计路面结构厚度组合 可按照不同的设 计标准给出最优的设计结果 郭忠印 李立寒等人提出利用生命周期费用分析方法确定路面养护决策 把 生命周期费用分析分为八个步骤 制定分析周期内的路面养护可选方案 确定性能 周期和养护时间 预测机构费用 预测用户费用 支出费用时间 计算净现值 分析养护对策再评价 张起森 曹志远等人提出了路面性能质量指数和路面服务能力与年费用的关 3 系法 对每种方法都提出了一种分析框架 把寿命周期费用和路面性能因素结合 起来 严峻的现实对公路建设者提出了巨大的挑战 工程建设者开始反省以往公路 建设和管理存在的问题 并深刻意识到只有基于对公路全寿命周期使用性能 耐 久性能 经济性能及风险性的统一规划 协调考虑 优化与平衡才能解决这些问 题 只注重公路设施建成时性能而忽视使用期性能 只注重初期建 设投入 包括设 计与施工 而忽视养护管理成本 忽视耐久性及使用寿命 只关注眼前利益而忽视 后期风险的现象 必须得到彻底纠正 如何将l c c 技术应用到实际工程项目 还 需要进一步深化研究 1 2 2 设计造价管理方法 1 设计方案的优选和优化 对公路项目来说 能够满足功能要求的方案有很多 但每个方案的技术特点 全寿命周期费用 实施难易程度等却不尽相同 设计方案的优选结果直接影响到 工程项目的综合投资效果 对工程造价的影响更是显著 因此 选取符合实际 简便的设计方案优选方法就成为设计阶段造价控制的重要手段和方法 设计方案优选 对于公路建设项目具有重要的意义 不少学者在公路建设 项目设计方案优选理论和方法方面进行了大量的研究 归纳起来主要有单一层次 分析法 模糊层次法 模糊综合评价法等 在实际运用中 这些方法各有其局限 性和不足 单一层次分析法是由专家对方案的各组成部分进行权重分配 并对方案打 分 用权重加权计算排序得到最优方案 这种方法虽然操作简便 但依赖专家的 经验 过于定性化 可信度不高 没有考虑方案评价的模糊特点 并且对工程经 济方面的因素考虑也不足 采用模糊综合评价法对公路项目设计方案进行优选 主要思想是利用模糊数 学原理和方法对方案进行分析 本质是利用专家经验获得指标的权重 然后列出 很好 好 一般 不太好 不好五个评价项目的尺度级别 专家以此尺度对待选 方案的评价项目进行打分 最后综合专家的打分形成模糊矩阵 然后利用该矩阵 与权重向量相乘得到结果向量 该结果再乘以评价尺度得到方案优先度 最后由 每个方案的优先度排序得到最佳方案 这种方法考虑了公路设计和方案优选的模 式特性 较前一方法有了改进 但仍旧过于依赖专家打分 对设计方案功能和成 本的关系考虑不够 以上这些方法在进行方案优选的实际应用中存在着各种问题和局限 归纳起 来主要是 经验和主观数据多 过分依赖专家经验 缺少定量分析 过于偏重定 性分析 优选过程工作量大 从一定程度上降低了方法的应用价值 优选过程中 4 过多考虑方案的功能性 忽视了方案的经济性 不能很好的体现功能和成本的关 系 2 限额设计的应用 要在设计阶段对投资进行有效的控制 需要从整体上加强对项目投资的控 制 把被动反应变成主动控制 把事后核算变成事前控制 限额设计就是根据上 述要求提出的一种有效控制造价的方法 限额设计可以定义为 按照批准的设 计任务书及投资估算控制初步设计 按照批准的初步设计总概算控制施工图设 计 同时在保证达到使用功能的前提下 按分配的投资限额严格控制设计 并控 制技术设计和施工图设计的不合理变更 保证总投资限额不被突破 由上述限额设计的定义可知 限额设计的控制对象是影响工程设计的静态投 资项目 实行限额设计的最有效途径是进行投资分解和工程量控制 通过层层限 额设计来实现对项目投资限额的动态控制与管理 目前限额设计的应用主要有以下不足 1 传统限额设计理论没有给出限额设计值分配的方法和操作方法 因此 在实际应用中常常缺乏操作性 常规方法是参考类似工程的技术经济资料 将投 资估算加以分割到各单位工程中 但这种方法和实际情况往往出入较大 因为工 程造价的高低随着年代的变迁 技术条件和工程地点的不同 常会有较大的差异 仅以类似工程的投资比例作为参考不能准确的反映项目投资各组成部分的关系 此方法有待改进 2 限额设计由于过分强调设计限额的重要性 从而在一定程度上限制了 设计人员的创造性 使得一些新技术 新材料不能在项目中得到应用 可能造成 项目后期运营成本较大 3 限额设计中的限额如投资估算 设计概算和施工图预算等 均是指项 目的一次性投资 没有考虑项目的全寿命周期成本 因而造成限额设计的效果不 好 3 价值工程 价值工程 v a l u ee n g i n e e r i n g 心 是二十世纪五 六十年代美国独创的一种 企业经济管理措施 价值工程可以定义为 价值工程是通过各相关领域的协作 对所研究对象的功能与费用进行系统分析 不断创新 从而提高所研究对象的价 值的思想方法和管理技术 价值工程的目的可定为 对象以最低寿命周期成本 可靠地实现所有使用功能 以获得最佳的综合效益 价值工程的宗旨是提高研究 对象的价值 即提高对象的功能与费用之比 价值工程的创始人麦乐斯将价值工 程的宗旨表述为 价值的提高是由于功能增加或由于降低成本而提高 价值工程作为工程中的一种重要应用方法 它有如下特点 1 价值工程的主要内容是研究功能与成本的关系 但这两方面的关系是相 5 当复杂的 应当用系统的方法进行价值工程分析 以保证分析过程的准确性 2 价值工程侧重于功能分析 其基础是满足使用者的功能需要 随着我国 公路建设项目的发展 首要条件就是满足使用者对公路路面功能的要求 价值工 程的核心功能分析 通过功能分析可以摆脱传统习惯的约束条件客观的确定项目 功能 找出实现所需功能的最优方案 从而实现方案的优化 一 3 价值工程对成本的考虑 着眼于全寿命周期成本 即不仅要降低生产成 本 而且要尽量降低使用成本 才能提高产品的竞争能力 4 价值工程强调多方协作 按程序地进行 根据价值工程实施以来的实际 经验 要对产品的生产和结构提出改造建议 要有多方合作 只有组织各有关人 员 博采众家之长 充分发挥集体智慧 灵活运用各方面的知识和经验 才能找 出提高产品价值的可行方案 作为一种现代化管理方法 价值工程已成为进行功能成本分析的重要工具 它作为经济管理方面的技术手段 在工程设计中有着广泛的运用 建设项目设计 阶段应当大力推广应用价值工程 有如下的意义 1 公路建设项目投资规模大 具有运用价值工程有广泛的前景 2 价值工程是以最低的全寿命周期成本实现用户所需的所有功能 公路的 一次性特性使得同样规模的建设项目在不同的地区 地点和不同的资源条件下会 有不同的变化 如果对这些变化因素处理不当 就对可能对成本产生不必要影响 甚至影响功能的实现 因此 在方案设计时针对不同的条件运用价值工程是投资 控制的重要手段 3 公路建设项目在建造过程中消耗大量能量 在使用过程中也长期耗用可 观的能源 如果运用价值工程改进设计并采取节能措施 可节约2 8 的能源消 耗 这对于像我国这种能源匮乏的国家就具有重要的意义 1 3 主要研究内容及意义 1 3 1 研究内容 本文从现阶段我国公路建设成本问题着手 根据设计阶段是控制成本的关键 阶段 提出在设计阶段方案选择时进行全寿命周期成本分析 使公路建设项目在 保证价值水平的情况下 实现全寿命周期养护成本最小 从而实现全寿命周期成 本最小 1 研究了公路项目全寿命周期成本的构成及计算模型 将公路建设项目 寿命周期内成本划分为机构成本 用户成本和社会成本 论述了各种成本的内涵 并建立了成本计算模型 对以后的研究工作奠定了一定的基础 2 通过马尔可夫过程对公路路面使用性能进行了分析和预测 不仅可以 6 评定路面性能等级 还有助于建立路面性能等级与养护成本的关系方程 研究养 护成本的预测方法 同时通过路面性能等级思想将路面使用性能改变进行了一系 列定量的评估 从而保证了养护成本计算的准确性 路面性能等级思想的应用还 有助于对路面外观现象和舒适程度等其它性能的评价 从而保证了公路在寿命周 期外观和舒适的服务指标 3 由于养护工作是公路寿命周期工作中的重点和难点 同时有许多不确定 性因素和许多突发因素影响着养护工作的选取 并且不同的养护工作会给路面性 能带来不同的性能变化 也直接影响下一次养护工作的开展 针对寿命周期中这 些不确定性的因素 本文采用了事件树法来比较客观全面的反映公路结构寿命周 期内的维护事件 并且采用概率的算法求得公路结构寿命周期的维护概率成本 4 将公路寿命周期养护进行优化决策 建立相关的目标优化函数和公路养 护安排准则 在确保路面结构寿命周期内安全可靠的前提下 使其寿命周期维护 成本保证最小化 通过优化理论对公路建设项目寿命周期内的养护方案进行智能 优化分析 可以保证公路建设项目在全寿命周期内其维护成本最少 从而利用最 少的维护成本而带来最大的收益 1 3 2 研究意义 我国正处于高速公路建设的巅峰 大量的公路正待建设 基于全寿命周期成 本的造价管理方法是在设计之初 就考虑在保证公路寿命周期内安全运营的前提 下的成本问题 确保其寿命周期成本最优的一种方法 不仅从观念上打破了旧的 公路设计 养护 管理 运营等一系列原本相关但却各自独立的现象 而且从根 本上保证了公路建设项目最优化成本核算 从而可以节约资金 更好的为社会百 姓服务 它与以往的方法不同是在设计之初就考虑了公路在整个服务期内的成 本 在设计时考虑公路路面在寿命期内的使用性能变化规律 拟定养护改建策略 以获得满足所求性能目标下的长期费用最低的方案 7 第二章公路全寿命周期成本 2 1 全寿命周期成本理论 全寿命周期成本理论包括全寿命周期成本分析和全寿命周期成本管理 全寿 命周期总成本包括初始投资 运营和维护成本 替换成本等 通过研究历史成本 和现行成本来预测未来的成本是全寿命周期成本理论的核心内容 比较各种可选 方案或者进行资产评估是全寿命周期成本理论的直接目标 最终目的是实现全寿 命周期成本最小或者全寿命周期利润最大化 本文主要应用全寿命周期成本分析 对设计方案决策进行指导 全寿命周期成本理论n 主要有如下特点 1 全寿命周期成本理论的基本理念 具有最小的初始投资不作为方案的优 选的唯一标准 它是一种面向成本的技术 为决策者提供基于数据化处理的决策 支持 通常情况下 整个寿命期的成本不考虑政治 美学 安全 环境等因素 由于这些因素的成本和收益无法明确计算 3 全寿命周期成本理论与价值工程的区别 价值工程是一种效益管理工具 其主要内容是功能分析 是一种面向功能的技术 而全寿命周期成本技术是一种 效益评估工具 一种面向成本的技术 在价值工程分析过程中可应用全寿命周期 成本进行分析 4 全寿命周期成本理论与可行性研究的区别 最初的全寿命周期成本理论 是可行性研究的一部分 在可行性研究当中予以应用 随着全寿命周期成本理论 的发展 它并不仅应用于可行性研究阶段 它还可以应用于项目的实施和运营阶 段 5 全寿命周期成本理论在项目实施过程中能够动态的控制项目成本 在建 设项目的实施阶段 通过比较实施成本与预测成本之间的差异 不断修正前期的 成本分析报告及结论 以此来指导后期的建设项目成本控制 在成本控制方面发 挥着重要作用 2 2 全寿命周期成本理论在设计阶段的应用 全寿命周期成本理论的最初目的是在项目可行性研究阶段 在满足一定的经 济收益的各个方案中 选定全寿命周期成本最小的方案 但是随着理论的发展和 项目的推进 将全寿命周期成本理论仅用于可行性研究阶段显然无法满足需要 应将全寿命周期成本理论贯穿于项目的整个建设项目中 即在项目建设的全进程 进行全寿命周期成本分析 l i f ec y c l e c o s ta n a l y s i s 简称l c c a 8 对于公路全寿命问题的研究主要集中在全寿命的使用性能及经济性两个方 面 其中全寿命使用性能的本质是公路路面耐久性问题 而全寿命经济性的本质 是公路投资的最优化问题 在设计阶段对公路项目进行全寿命周期成本分析尤为 重要 分析和比较不同的设计方案 以便确定这些方案对于项目全寿命周期的经 济影响 当然 试图评价所有的方面是不可能的 面面俱到的评价反而会降低节 省成本的可能性 应该对那些影响成本较大的且效应较大的方面进行评估 随着 全寿命周期成本分析技术不断的完善 进行评价和分析也变的越来越容易 进而 促进了其他方面的深入研究 对于成本控制而言 设计阶段的全寿命周期成本分 析是非常有效的 尤其在初步设计阶段更为有效 因为与设计接近完成时相比 在初步设计阶段进行变更非常容易 而在详细设计阶段 即使发现成本问题有待 改善 设计师也不愿意重新设计 因为在详细设计阶段变更的阻力非常大 哪怕 只是部分的重新设计 也会打乱设计的整体部署 传统的公路建设项目经济评价是根据国民经济发展和有关技术经济政策的 要求 结合工程技术和交通量预测情况 计算项目的投入费用与效益 通过对多 种经济指标的分析 对拟建工程项目的经济合理性做出评价 为项目决策和建设 方案的比选提供科学依据 表2 1 为我国传统的公路建设项目评价的费用效益组 成及其使用参数 在实际的公路建设中 在设计阶段进行相关方案选择时 没有 对于不同养护策略的成本分析 对环境产生的影响即产生的环境成本也没有考 虑 在运营阶段 只考虑经济效益而没有考虑到用户成本 延迟成本和意外风险 所带来的费用成本 这样就容易造成营运费用过高 使得公路造价持续上涨 因 此 全寿命周期成本分析方法对于公路这种长期的项目来说是非常必要的 主要 表现为以下几个方面 1 传统项目中 业主往往最先考虑初始建设成本 而忽视营运期间成本 公路作为公共基础设施 其投资是一次性的 如果方案选的不好 营运期间的成 本将会是一个很大的数字 不仅得不到预期的收益 还给业主带来沉重的负担 2 全寿命周期成本分析强调了业主与一些功能性成本项目之间的关系 可以评估初始建造成本和长期养护成本之间的协调与平衡 例如 削减研究勘测 成本 设计成本可能会导致以后寿命周期内的养护成本的增加 因为未能满足其 允许的质量表现水平 而且 全寿命周期成本分析始终强调综合经济效益 从成 本数据来直接观察各种成本之间的关系 可以认为只有当公路全寿命周期成本减 少时 才能达到公路建设项目中所有成本之间的平衡 才能获取最大的投资利益 9 表2 1 公路建设项目的费用 效益及参数 评价的内容国民经济评价 财务评价 公路基建费 公路大 中修费 养 公路基建费 护费用 费用公路管理费 公路残值公路大 中修费用 公路养路费 其他间接费用 相关道路减少拥挤 运输成本降 低的效益 客货运输成本降低效益 效益客货在涂时间节约产生的效益其他间接收入 道路里程缩短节约客货运输费用 车辆过路费收入 货物损失减少产生的效益 交通事故减少产生的效益 使用参数影子价格 社会折现率等现行价格 财务折现率等 2 3 全寿命周期成本有关概念分析 2 3 1 公路寿命周期成本 寿命周期成本是价值工程中的一个术语 现己广泛应用于社会建设的许多方 而 应用全寿命周期成本分析公路建设方案时 寿命周期成本的定义一般是基于 业主的角度定义的指发生在道路寿命周期内的所有成本之和 也叫总成本 它包 括初始建设费用 业主在运营期间的维修费用 日常的养护费用以及以后的残值 按照成本类型划分 全寿命周期成本不仅包括资金成本 还包括环境成本 社会 成本 从整个社会的角度看 全寿命周期成本包括生产者成本 使用者成本和社 会成本 按照阶段划分 全寿命周期成本包括决策阶段成本 设计阶段成本 施 工阶段成本 营运阶段成本和回收阶段成本 2 3 2 寿命周期 全寿命周期成本分析的第二个研究要素是时间周期 合理确定项目计算期是 全面 正确计算全寿命周期成本的前提 一般认为道路的寿命周期是指项目从立 项开始 包括前期调查 设计 建设 养护直到重建或最终丧失使用功能的时间 区间 公路的全寿命根据其研究和界定的不同 主要有心 物理寿命 功能寿命 法律寿命和经济寿命四种 1 0 1 物理寿命 在正常使用的情况下 从公路项目决策阶段到由于物理损坏而导致其功能无 法满足用户的正常使用的整段时间 被称为物理寿命期 公路的物理寿命期难以 准确地界定 它会受到施工情况 社会灾害 自然灾难等方面的影啊 2 功能寿命 任何建设项目都是为了满足业主的功能的需要 公路的功能寿命就是指公路 项目在决策 实施 投入使用之后到其功能不能满足业主需要之间的期限 公路 功能的丧失主要是技术问题 物理消耗和需求的变化等原因导致的 公路的功能 寿命取决于工程内部因素和外在因素 且具有随机性 因此 公路的功能寿命也 具有不确定性 3 法律寿命 法律寿命就是法律上规定的公路建设项目的合理使用年限 4 经济寿命 经济寿命是指公路从其寿命开始到其使用成本在经济上不合理需要更新所 经历的时间 它是由营运 养护成本的提高和使用价值的降低决定的 公路使用 年限越长 所分摊的年资产消耗成本越少 但是随着使用年限的增加 需要更多 的营运和养护费用来维持其功能 在整个变化过程中存在着公路年平均使用成本 最低的某一年费 称为公路的经济寿命 所以 公路的经济寿命就是从经济观点 来确定的建设项目的寿命周期 由此 公路全寿命周期应该是公路的经济寿命周期 本文中的寿命周期是指 公路建设项目从开始立项 可研 设计 施工 投入营运 直至退役弃雹为止的 整个时期 我国高速公路具体使用寿命期如表2 2 由下表可知 不同面层的 高速公路设计寿命不同 表2 2 公路路面设计年限表 公路等级面层类型设计年限 年 设计年限内累计标准轴 次 万次 车道 高速或一级沥青混凝土 1 5 4 0 0 高速或二级沥青混凝土 1 3 2 0 0 高速或二级热拌沥青碎石 1 0 1 0 0 一2 0 0 高速或二二级沥青贯入式 1 01 0 0 一2 0 0 高速或三级 乳化沥青碎石 81 0 1 0 0 高速或三级沥青表面处治 81 0 1 0 0 高速或四级级配碎 砾 石 6 1 0 高速或四级粒料改善土 5 1 0 高速或四级 泥结 水结碎石5 1 0 高速或四级半整齐石块路面 5 1 0 公路等级 面层类型设计基准值目标可靠度 高速水泥混凝士 3 09 5 一级水泥混凝土2 5 9 0 二级水泥混凝土 2 08 5 2 3 3 折现值 为了精确地求出初始支出和未来支出 必须准确计算出所有支出的现值 现 值计算要用折现率和时间 折现率是对资金时间价值的估值 是用以将技术资产 的未来收益还原 或转换 为现在价值的比率 有些初始支出被认为在研究期的 基年发生 其现值就等于他们的实际成本 未来成本可能在到研究周期末之间任 何一个时间发生 现值计算可以是初始化成本和未来成本分别计算相加得出 未 来成本可以被分为两个范畴一次性成本和重复发生的成本 重复发生的成本是在 研究周期范围内每年都会发生的成本 如运营成本和养护成本 都是重复发生的 这为我们估计未来成本提供了方便 为了简化l c c a 所有重复发生的成本表示为每年末发生的年度支出 一次 性成本发生在它们实际发生的年末 用下列公式计算未来一次性成本的现值 p v c l 2 1 1 6 y 其中 p v 一现值 c 一在t 时刻一次性成本之和 f 一时间 6 一实折现率 用下列公式计算未来重复发生的成本的现值 埽揣 2 其中 p v 一现值 c o 一未来重复发生的成本之和 f 一时间 b 一实折现率 在实际工作中 除计算上述成本外 还应该根据残值率计算出公路的残值 从总成本中扣除 1 2 2 4 全寿命周期成本框架及计算 对公路全寿命周期成本进行分析的首要任务即要明确寿命周期成本的构成 本章把公路全寿命周期成本划分为机构成本 使用者成本和社会成本三大部分 如图2 1 图2 1 公路全寿命周期成本构成图 1 机构成本指公路规划 设计 施工以及建成后的运营 养护成本的总 和 具体地讲 机构成本包括初始建设成本 以及运营期的管理成本 日常养护 成本 大中修成本 改建成本等 2 使用者成本即用户成本 用户是一个广义的概念 包括使用公路的车 辆 以及附近可能依靠公路的商业和居民 一般是指由于公路的功能缺陷 如公 路的封闭 限载或由于养护 更换而限制通行引起的额外费用 这些功能缺陷将 可能导致车辆绕行 时间延误和浪费 事故率提高 从而引起车辆的营运成本提 高 3 社会成本指由于公路施工等工作影响给环境带来的污染以及自然灾害 引发的意外成本 政治环境 政策变化引发的意外风险成本 2 4 1 公路的机构成本 公路的机构成本包括整个寿命期内发生的所有直接成本 主要包括工程前 期 建设阶段和未来所有的养护维修阶段的费用及残余价值 其中残余价值是指 不同投资最后阶段的价值 对于建设成本的估算现在已经处于比较成熟的地步 而养护成本由于养护方案的不确定性和多样性成为公路机构成本中的重点和难 点 在本文的下面章节中会对养护成本重点阐述 在这里 我们把建设成本等同于国内的投资估算价 这部分成本研究相对成 熟 我国在这方面作了很多有益的工作 提出了不少方便 易用 快速的估算方 法 如类似法 指标法 定额计价法 工程量清单计价法及一些快速估算方法等 1 指标法 指标法是拟建工程的工程量对建筑物来说一般指的是建筑面积乘以技术条 件相同或基本相同的估算指标编制估算的方法 由于拟建工程往往与类似工程的估算指标的技术条件有差别 而且估算指 标编制年份的人工 材料 设备等价格与拟建工程当时当地的价格也不一样 因 此运用时必须进行调整 调整的方法如下 拟建工程建造年份与估算指标编制年份不一致的情况 调整后估算指标 造价指数 估算指标 拟建工程结构特征与估算指标结构特征不一致时 公式如下 k l k s 1 日一s 2 最 2 3 式中 k 一结构变化修正估算指标 k 一原估算指标 一换入新结构的含量 s 一换出旧结构的含量 只一换入新结构的成本单价 只一换出旧结构的成本单价 2 类似工程法 类似工程估算法是利用与拟建工程的技术条件相类似的已完工程或在建工 程的造价资料来编制拟建工程投资估算的方法 类似工程估算法适用于拟建工程与已完工程或在建工程相类似的情况 但没 有相应的估算指标时 必须对工程差异和价差进行调整 调整方法与估算指标的 调整方法相同 类似工程的价差调整通常有两种方法 一是有类似工程造价资料 有具体的人工 机械台班 材料的用量时 可按类似工程中的主要材料用量 机 械台班数量 工日数量乘以拟建工程所在地的主要材料预算价格 机械台班单价 和人工单价 计算出直接费 再乘以当地的综合费率 即可求出所需要的造价指 标 二是类似工程造价资料 只有人工 材料 机械台班费用和其他直接费 现 场经费 间接费时 可按下面公式调整 c e k 2 4 k a k l 6 k 2