桥梁全寿命周期成本分析在工程中的应用

胡江碧,刘 妍

(北京工业大学交通研究中心,北京 100124)

桥梁全寿命周期成本分析在工程中的应用

胡江碧,刘 妍

(北京工业大学交通研究中心,北京 100124)

为了探讨桥梁全寿命周期成本计算模型的可操作性,作者以国内某大桥为例,在专家调查法及评估方法的基础上对桥梁全寿命周期成本构成中桥梁建设期成本、营运期成本和拆除成本进行分析与估算,得出该桥 100年的全寿命周期成本为20.76亿元.通过实例计算结果分析进一步证明了桥梁全寿命周期成本分析的必要性.

桥梁全寿命周期成本;建设期成本;营运期成本;拆除成本

1 概述

我国的桥梁建设规模和发展速度已进入世界桥梁强国之列,各类桥梁 53.36万座,其中,跨径超千米的特大型桥梁达 7座.根据交通运输部调查结果显示,我国危桥数目逐年增多,绝大多数设计载重低于现行标准,结构也存在不同程度的损坏.传统的桥梁设计理论是从满足安全使用的角度出发,比较注重桥梁建设期成本的经济性,忽视了桥梁结构构件在使用中的耐久性和营运期桥梁的养护、检测及维修的经济性,造成桥梁使用一段时间后结构破坏严重,且营运过程中的管理、维修、养护成本以及对用户和环境的影响成本大幅度提高.有关专家预测,在未来 10～20 a内,我国将提前迎来大范围的桥梁老化现象,大量的在役与待建桥梁都面临着寿命期间的安全、耐久及维护管理成本的经济性问题.从设计阶段就开始考虑桥梁的设计、施工、运营管理到寿命终结拆除处理等各阶段的桥梁全寿命周期成本的经济性具有重要社会经济意义.但是由于我国桥梁管理的原始统计数据匮乏,使桥梁全寿命周期成本计算模型在工程中的应用难度大.

桥梁全寿命周期成本分析(bridge life-cycle cost analysis,BLCCA)是在桥梁全寿命设计(bridge lifecycle design,BLCD)研究基础上提出的一种全新的成本分析理念[1],它综合考虑安全、耐久、适用、经济、美学、人文、生态等各方面的性能要求,实现桥梁的可持续发展.在桥梁设计分析时,必须要确定桥梁从初始建设到寿命期终结的总成本.

根据桥梁全寿命周期成本框架体系研究,桥梁全寿命周期成本是桥梁在其寿命期内耗费的各种资源消耗费用的总称,包括整个桥梁寿命期内用于桥梁规划、研究、设计、实验、施工、养护、检测、维修、管理、拆除等各阶段作业所支付的费用[2-3].

作者结合桥梁全寿命周期成本研究成果进行实例探讨,通过预测规划设计阶段、施工阶段、营运阶段和拆除阶段成本,确定满足桥梁功能需求与经济约束的最佳方案,从而更加合理、有效地利用资金,在保证桥梁安全的前提下,使有限的资金发挥最大效益.这对于推广全寿命周期成本分析理念以及提高桥梁工程投资经济效益等方面,不仅有着重要的科学价值,而且还有广泛的工程应用前景和重大的社会和经济效益.

2 工程概况

2.1 桥型方案布置

国内某大桥为国家“十一五”重点交通基础建设项目.该大桥为主跨 926m双塔混合梁斜拉桥,跨径布置:(4×70+926+4×70)m,按 6车道高速公路标准设计,主桥长 1 476m.主桥桥型方案如图 1所示.

图1 桥型方案示意图Fig.1 Sketch map of bridge project

该大桥采用了寿命设计思想,即从桥梁结构规划、设计、建设、运营管理以及拆除的各个阶段寻求恰当方法和措施来满足桥梁结构寿命周期的总体需求(文化、使用、成本、生态等)最优.

2.2 桥梁结构构件分类

该桥是大跨径混合梁斜拉桥结构体系,主要构件的功能、构造形式、所处位置和材料等不同,桥梁各构件在特定使用条件、环境条件、管理条件下其退化模式也完全不同,须在不同时间对每个结构构件进行各种检测、养护、维修或更换处理.

根据桥梁构件的管理、养护与维修情况对该大桥主桥结构构件进行分类,如图 2所示.

根据桥梁构件的管理、养护与维修计划,对构件进行分类并分别确定其可能发生的检测、养护、维修的时间及其相应的成本,确定桥梁结构的营运期成本,并最终得到桥梁的全寿命周期成本.

图2 桥梁结构构件分类Fig.2 Classification ofbridge structure

3 桥梁全寿命周期成本构成

结合桥梁全寿命周期成本研究成果,该大桥全寿命周期成本构成如图 3所示.限于我国桥梁全寿命设计与管理理念刚刚开始,以往对桥梁管理、养护与维修的统计资料十分匮乏,各项成本计算参数值很难取定.作者采用专家调查法对国内桥梁设计、管理养护、检测单位专家,高校相关专业老师等进行了调查,得到具有代表性的全寿命周期成本分析的基本参数值.

调查范围围绕与研究桥梁桥型、环境、管理相似的国内 10余座大中桥,包括:军山长江大桥、武汉长江二桥、武汉长江三桥、舟山桃夭门大桥、朱家尖跨海大桥、南京长江二桥、南京长江三桥、上海南浦大桥、上海杨浦大桥、上海徐浦大桥.

图3 桥梁全寿命周期成本构成Fig.3 Composition of Bridge Life Cycle-cost

4 全寿命周期成本分析与计算

4.1 建设期成本组成分析与计算

桥梁建设期成本包括桥梁从开始规划到施工阶段涉及到的管理、规划、设计、施工等发生的费用.

根据该桥《主桥设计总说明》、《施工图预算——总预算表》和《公路基本建设工程概算、预算编制办法》(JTG B06—2007)[4],该桥建设期成本为 11.9亿元[5].

4.2 营运期成本组成分析与计算

1)管理成本

桥梁管理成本主要包括 2部分:管理人员费用和管理服务费用.

该大桥管理有限公司是由私人控股,其管理模式具有私人性质.本研究以调研的国内 38座桥梁为基础,确定该大桥的管理模式,如图 4所示.

根据专家调查及评估结果分析并参考国内其他大桥数据,确定该桥管理成本为 179万元/a.

2)养护成本

桥梁养护成本主要包括:养护人员费用和其他养护费用(养护材料和检测工具损耗费).根据《桥梁全寿命设计指南》[6]、该大桥养护手册、专家调查及评估结果分析并参考国内其他大桥数据,确定该桥养护成本计算参数,包括大桥养护人员配备人数、养护人员工资(元/月)、养护年成本。结合桥梁全寿命周期成本计算模型中的养护成本计算模型,确定该桥养护成本为 300万元/年.

3)专项检测成本

桥梁专项检测成本按构件来说包括不可更换构件专项检测成本(主要有主梁、索塔、桥墩、基础专项检测成本)和可更换构件专项检测成本(主要有斜拉索、钢箱梁涂装、桥面铺装、伸缩装置、支座、防撞护栏专项检测成本).

根据《桥梁全寿命设计指南》[7]、该大桥养护手册[8]及分项工程预算表[9]、调查及评估结果的分析,结合国内其他大桥检测情况,确定该桥各主要构件专项检测成本基本计算参数,包括各构件(可更换构件和不可更换构件)的专项检测周期(a/次)和专项检则单价(万元/次).结构桥梁全寿命周期成本计算模型中的专项检测成本计算模型,计算确定该桥专项检测成本为 0.15亿元.

4)维修成本

桥梁维修成本包括不可更换构件维修成本(主要为混凝土构件病害处理成本)和可更换构件维修成本(主要为斜拉索、钢箱梁涂装、桥面铺装、伸缩装置、支座、防撞护栏中修和更换成本).

根据《桥梁全寿命设计指南》[7]、该大桥养护手册[8]及分项工程预算表[9]、调查及评估结果分析,结合国内几座大桥维修情况,确定该桥各主要构件的维修成本基本计算参数,包括不可更换构件的中修周期(a/次)、中修单价(万元 /次)以及可更换构件的中修周期(a/次)、中修单价(万元 /次)和更换周期(年 /次)、更换单价(万元/次).结合桥梁全寿命周期成本计算模型中的维修成本计算模型,计算确定该桥维修成本为 2.2亿元.

5)环境影响成本

桥梁环境影响成本,主要包括桥梁营运、维修、养护和拆除时造成的噪音、土地的临时占用、水土流失、空气污染等生态破坏而发生的成本.

通过调查分析、专家商讨的方法,估算出环境影响成本占建设期成本的百分比来进行环境影响成本的估算,确定该桥环境影响成本为 3.6亿元,占建设期成本的 30%.

4.3 拆除成本组成分析

桥梁拆除成本主要包括拆除时的人、机、料成本、废弃物处理成本及回收利用负成本.根据采用的拆除方法的不同,其拆除成本及回收再利用成本可能相差较大.鉴于桥梁拆除成本与桥梁建设期成本密切相关,因此,仅考虑采用拆除成本占建设期成本的百分比来进行拆除成本的估算,确定该桥拆除成本为7.1亿元,占建设期成本的 60%.

4.4 其他成本参数分析

1)成本折现率

进行桥梁全寿命周期成本分析时应考虑成本时间价值问题,其中折现率在桥梁全寿命周期成本分析中是最为敏感、最有意义的参数之一,折现率的取值对计算未来成本的等量现值具有深刻影响[8].因此,在该大桥全寿命周期成本分析中,选取合适的成本折现率至关重要,应该使用合理的、反映长期的历史趋势的折现率.成本折现率的确定取决于 2个参数——社会折现率和 PPI的年变化率[9].

随着时间的递增,桥梁全寿命阶段的不确定性和风险因素也呈现一种递增趋势.结合国内外对于折现率的研究成果[7],在桥梁全寿命内,其成本折现率呈递增规律.根据对社会折现率和 PPI的年变化率的取值研究结果,确定成本折现率在 1.9%～2.9%,以 30a为 1个阶段分阶段递增取值[10].

2)成本基年

成本基年即成本分析的基准时间、货币时间价值折算基点.作者以桥梁的竣工年为计算现值的基年,建设期成本为竣工年成本即基年成本,不进行折现.营运期由于周期长,需要考虑资金时间价值因素,在其成本计算中需要进行折现.拆除成本由于时间跨度大,在计算中需要进行折现.

5 全寿命周期成本计算

根据全寿命周期成本模型[2],计算得出该桥全寿命周期成本,如表 1所示.

根据桥梁全寿命周期成本的实例计算分析,该桥全寿命周期折现成本为 20.8亿元,其中建设期成本占 57.3%,营运期成本占 39.3%,拆除成本占 3.4%,不同于当前国外一些桥梁全寿命成本中的营运期远大于其初始建设成本(有的甚至为 5倍)的情况.其原因在于:该大桥在设计时已经引入全寿命设计思想,并在设计时进行了耐久性设计和必要的可检查、可维修及可更换构造措施设计;同时,也未对桥梁用户成本、桥梁保险成本进行计算,而这部分成本在桥梁营运期成本中占很大比例[11].

表 1 全寿命周期成本构成总表Table 1 Composition of Life Cycle-cost

6 结束语

桥梁全寿命周期成本分析是保证工程在全寿命期安全的前提下,使其寿命期花费成本最少,实现技术可靠、经济合理.桥梁全寿命周期成本分析理论不但可以用于新建桥梁的设计决策中,也适合在役桥梁的维护管理策略的选择,可以为我国在役桥梁的维护管理策略优化和新建工程的耐久性设计及经济性评估提供基础分析依据.适当地增加初始建设成本,尤其是耐久性设计成本和可检查、可维修和可更换设计的成本,可以极大地降低桥梁的后期维护成本,从而达到降低桥梁全寿命周期成本的目的.

进行桥梁全寿命周期成本分析需要有大量的基础工作和可靠的依据,鉴于目前相关数据资料的获取较为困难,加之在成本分析和比较的过程中存在着较多的不确定因素,所以建议交通行业主管部门组织各级桥梁主管单位进行桥梁营运期成本基本参数的统计收集和整理工作,建立并完善桥梁营运期基础资料数据库,进一步加强管理、养护、维修和拆除等处理导致的用户成本和环境成本方面的研究;不断修正桥梁全寿命成本分析的结果,并探索改进全寿命周期成本分析的方法,为桥梁全寿命周期成本分析参数奠定科学的依据.

[1]叶文亚,李国平,范立础.桥梁全寿命成本初步分析[J].公路,2006(6):101-104.YEWen-ya,LIGuo-ping,FAN Li-chu.Primary analysis of bridge life-cycle cost[J].Highway,2006(6):101-104.(in Chinese)

[2]胡江碧,刘妍,高玲玲.桥梁全寿命周期成本模型研究[R].北京:北京工业大学建工学院,2009:11-14.HU Jiang-bi,LIU Yan,GAO Ling-ling.Research on bridge life-cycle costmodel[R].Beijing:College of Architecture and civil Engineering,Beijing University of technology,2009:11-14.(in Chinese)

[3]马军海,陈艾荣,贺君.桥梁全寿命设计总体框架研究[J].同济大学学报,2007,35(8):1004-1007.MA Jun-hai,CHEN Ai-rong,HE Jun.General framework of bridge whole life design[J].Journal of Tongji University,2007,35(8):1004-1007.(in Chinese)

[4]中华人民共和国交通部.公路基本建设工程概算、预算编制办法(JTG B06—2007)[S].北京:人民交通出版社,2007:1-6.

[5]中交公路规划设计院有限公司.桥梁全寿命设计指南[M].北京:中交公路规范设计院有限公司,2008:11.

[6]中交公路规划设计院有限公司.鄂东长江公路大桥养护手册[M].北京:中交公路规划设计院有限公司,2008:13-54.

[7]中交公路规划设计院有限公司.鄂东长江公路大桥分项工程预算表[M].北京:中交公路规划设计院有限公司,2008:2.

[8]蔡成祥.公路工程经济分析[M].北京:人民交通出版社,2004:9-10.

[9]SULLIVAN GW,WICKSM E,LUXHOJT J.Engineering economy[M].US:Pearson Education Inc,2003:206-210.

[10]胡江碧,刘妍,高玲玲.桥梁全寿命周期费用折现率分析[J].公路,2008(9):365-367.HU Jiang-bi,LIU Yan,GAO Ling-ling.Analysis of discount rate of bridge life-cycle cost[J].Highway,2008(9):365-367.(in Chinese)

[11]高玲玲.桥梁全寿命周期成本分析[D].北京:北京工业大学建筑工程学院,2008.GAO Ling-ling.Cost analysis research for bridge life-cycle[D].Beijing:College of Architecture and Civel Engineering Bejing University of Technology,2009:30-35.(in Chinese)

(责任编辑 郑筱梅)

Application of Bridge Life Cycle-Cost Analysis in the Engineering

HU Jiang-bi,LIU Yan
(Transportation Research Center,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)

For the sake of discussing maneuverability of bridge life cycle-cost model,takes a domestic bridge as an example.Base on the method of expert investigation and valuations,analyzes and valuates construction cost,operation cost,back out cost in bridge life-cycle cost.Get the bridge's 100 years life-cycle cost is 2 076 million yuan.Calculation and result analysis of example further proves the necessity of bridge life-cycle cost analysis.

bridge life cycle-cost;construction cost;operation cost;backout cost

U 442.1

A

0254-0037(2010)04-0500-06

2009-02-26.

交通部西部交通建设科技项目资助(200431882225)

胡江碧(1965—),女,贵州毕节人,教授.