浅谈建设项目全寿命周期成本的优化

白万鹏

(沧州双盛公路工程咨询有限公司,河北 沧州 061000)

改革开放以来,特别是1998年以来,国家加大基础设施投资力度,取得了举世瞩目的成就。但长期以来,在投资建设项目时仅注重如何降低建设期成本,然而大量事实表明,建设项目的未来成本(包括运行费、维修费和报废处置费等)有时超过建设成本。在新的历史发展时期,党中央、国务院提出了“建立节约型社会”的战略目标,为工程建设指明了方向,同时也提出了更高的要求。因此,不仅要在建设项目各个阶段考虑项目阶段的建设成本,而且还要考虑建设项目全寿命周期成本,实现建设项目全寿命周期的经济与合理性。

1 建设项目全寿命周期成本

建设项目全寿命周期,又称建设项目寿命周期,是指建设项目从其寿命开始到寿命结束的时间[1]。建设项目全寿命周期的主要组成部分就是项目从构思到拆除的全寿命周期过程,主要可以分为项目决策阶段、项目建造阶段(包括设计和施工阶段)、项目使用与维护阶段、项目拆除阶段。

建设项目全寿命周期成本(Life Cycle Cost,简称 LCC)的概念最早是由美国国防部提出来的,其主要原因是典型武器系统的运行和支持成本占了产品购买成本的75%。美国国防部给出的全寿命周期成本的定义为:政府为了设置和获得系统以及系统一生所消耗的总费用,其中包括开发、设置、使用、后勤支援和报废等费用。美国国家标准和技术局也分别对寿命周期成本分析和寿命周期成本进行了定义。在其研究中认为:寿命周期周期成本是指一个建筑物或建筑系统在一段时期内拥有、运行、维护和拆除的折现货币值。在我国《全国造价工程师执业资格考试培训教材》中对工程项目的寿命周期成本的论述中认为工程寿命周期成本是工程设计、开发、建造、使用、维修和报废过程中发生的费用,也即该项工程在确定的寿命周期内或在预定的有效期内所需支付的研究开发费、制造安装费、运行维修费、回收报废等费用的总和[1]。

2 建设项目全寿命周期成本优化的概念

研究创造方案并在众多可用的方案中选择最令人满意的方案,就是“优化”。一个建设项目从立项、可行性论证、总体规划与布局、结构选型与设计、工程施工、项目使用与维修,直到报废的全寿命周期,每一个阶段都存在着多方案比选,即“优化”的问题,人们可以针对各个阶段问题的性质研究相应的优化方法和措施,这就是建立建设项目全寿命优化理论和方法的途径与基础。

建设项目全寿命周期成本优化就是指在全寿命周期优化理论和方法的指导下,综合运用各种理论方法,协调组合项目各种要素,寻求降低建设项目全寿命周期成本的过程。建设项目全寿命周期成本优化既包括针对必要的生产或服务功能,通过优化寻求建设项目的最低寿命周期成本的过程,也包括强调建设项目功能与全寿命周期成本的紧密联系,对建设项目的功能和寿命周期成本进行综合分析、优化,以寻求建设项目的全寿命周期价值最大化的过程。

建设项目全寿命周期成本优化要求在建设项目成本优化中必须贯彻全寿命周期的思想,脱离了全寿命周期的思想,优化的实现将困难重重。优化的思想在我国工程建设领域早已有之,但决策者和工程技术人员缺乏寿命周期成本思想,在实践中没有开展全寿命周期成本分析是主要原因。因为有的设计人员往往为了达到业主结构优化设计的要求或限额实际目标(这些要求或目标往往是针对一次性建设投资的),而以提高项目的使用维护费用为代价(这些使用维护费用业主通常难以界定和评价),甚至导致项目全寿命周期成本提高,使得优化设计失去意义。

建设项目全寿命周期成本优化必须建立在全局优化的基础之上。建设项目通常由若干个建筑物或构筑物,若干设备设施,若干专业系统组成的,他们构成了一个“项目系统”。它就是我们进行建设项目全局优化的研究对象。建设项目大系统的各个构成部分单独进行优化的结果形成的总体并不一定优化,因此,建设项目的优化必须从系统全局进行优化,才能真正达到优化的效果,这也就是建设项目全局优化设计的思想。建设项目全寿命周期成本优化需要将建设项目全局优化的思想运用于建设项目寿命周期的所有阶段,应该在每个阶段都进行该阶段的全局性优化。

建设项目全寿命周期各阶段都有优化的问题,建设项目全寿命周期成本优化建立在建设项目寿命周期各阶段成本优化的基础之上。但是同建设项目全局优化和局部优化关系一样,建设项目寿命周期某阶段的成本优化并不等于整体全寿命周期的成本优化。建设项目全寿命周期成本优化的关键是从系统的角度考虑建设项目的全寿命周期成本。

建设项目全寿命成本优化需要在一系列成本优化保障的基础之上,需要广大项目决策者、管理人员、优化者普遍具有优化意识,需要有明确的成本优化目标,需要对寿命周期的各阶段工作内容和项目构成系统实施优化,通过优化可为实现项目寿命周期成本最优提供决策支持和措施建议。

3 建设项目全寿命周期成本优化方法

3.1 建设项目全寿命周期成本优化方法

如前所述,研究创造方案并在众多可用的方案中选择最令人满意的方案,就是“优化”。实现方案最佳的一系列数学方法称为最优化方法,简称为优化方法。优化方法在解决工程问题中的正确应用称为优化技术。

建设项目全寿命周期各阶段,都有优化的问题。这些优化问题既包括对构成项目系统的建筑物、构筑物、设备、设施、专业系统的优化,也包括对材料成本、设备成本、人力资源成本、管理成本等项目成本要素的优化。这些优化问题既有与项目寿命周期成本密切相关的“大”的问题的优化,也有影响项目寿命周期成本的“小”的问题的优化。这些优化问题无处不在,数不胜数。因此,建设项目寿命周期成本优化需要运用与上述问题有关的各种可能优化方法。

3.2 优化方法的发展

20世纪50年代以前,用于解决最优化问题的数学方法还仅限于经典微分法和变分法,称为经典优化方法。20世纪50年代以后,随着近代科学技术和生产的迅速发展,经典优化技术已经远不能适应发展的需要。在 20世纪50年代末,优化方法中数学规划方法被首次应用于结构最优化并取得巨大成功,成为优化方法的理论基础。计算机的出现、发展以及普及,进一步促进了优化技术的发展。目前优化已经成为数学中的一个重要分支。优化方法日趋完善,包括的内容和应用范围日趋扩大。线性规划、非线性规划、几何规划、动态规划、随机规划等数学规划优化方法和满应力准则、能量准则等准则优化方法均已经陆续应用到建筑、交通、电力、机械制造等工程建设各行业。常用的建设项目全寿命周期成本优化方法有基于Q(质量)、T(时间)、C(成本)的决策优化方法、基于价值工程的方案优选方法以及基于全寿命周期成本限额设计的成本优化方法等。

3.3 一般数学模型

解决上述优化问题,通常需要按照研究对象的不同构造各种不同的优化模型。模型是研究者对客观现实经过思想抽象后用文字、图表、符号、关系式以及实体模样描述所认识到的客观对象。模型的有关参数和关系式较容易较容易改变,这样有助于问题的分析和研究。模型有三种基本形式:形象模型、模拟模型、符号或数学模型,目前用得最多的是符号或数学模型[2]。

优化问题的一般模型可表达为:

其中,设计变量是指优化问题中待确定的某些参数。以结构优化设计为例,一个结构的设计方案是由若干个变量来描述的,这些变量可以是结构的截面尺寸,如面积、惯性矩等几何参数,也可以是结构的形状布置几何参数,如高度、跨度等,还可以是结构材料的物理特性参数。这些参数中的一部分可能是按照某些具体要求规定事先给定的,它们在最优化设计中始终保持不变,称为预定参数;另外一些参数在最优化设计中是可以改变的量,即为设计变量。设计变量是最优化问题数学模型的基本成分,是最优化设计最后阶段所需要确定的参数。设计变量的个数,即为所需要求解最优化问题的维数。维数的多少通常可表现为问题的复杂程度,建设项目整体或建设方案、结构设计等主要决策问题的优化问题可能是几十维,几百维,甚至更高。

目标函数是解决优化问题时,判断方案优劣标准的数学表达式。它是设计变量的函数,它代表所优化对象的某个最重要的特征或指标。优化设计就是从许多可行的方案中,以目标函数为标准,找出这个函数的极大或极小值,从而选出最优的方案。成本通常可作为成本优化设计中的目标函数。

约束条件是优化设计寻求目标函数极值时的某些限制条件,它反映了有关产业政策、法律法规、设计规范、计算规程、技术发展水平、运输、安装、施工、构造、使用、回收报废等各方面的要求,有的约束条件还反映了优化者的设计意图。

表1 钢筋的下料方式

以简单的线性规划下料问题,可帮助大家理解优化的一般模型。

例如:某桥梁施工现场预制某种构件,需要钢筋长度为2.9 m的 129根 ,2.1 m的 100根,1.5 m的 72根 ,钢筋原材料进货时的长度为7.4 m。应如何下料,才能使用料最省?

首先分析每根钢筋的切断方式,如表 1所示。

设xj(j=1,2,…,6)为第j种加工方式所需要的钢筋根数,Z为总残料,由已知可建立如下的数学模型:

针对该模型,运用线性规划求解方法,可计算得到如下加工方式:按照第1种加工方式切断钢筋13根;第2种加工方式切断33根;第4种加工方式切断 50根,可获得各类产品数量而使总残料最少。

3.4 基于数学模型的一般优化步骤

优化设计通常是基于数学模型进行的。基于数学模型的一般优化步骤简要如下:

1)分析设计对象综合数据,建立目标、构筑模型。即把一个建设项目寿命周期阶段的优化问题变成一个数学问题。由于实际问题的复杂性,在建立数学模型时,有时需要只能考虑一些主要因素,忽略一些次要因素以简化计算。

2)选择合适的优化方法。对研究对象进行分析设计的方法是优化数学方法,一个设计参数的调整是计算机沿着使方案向着更好的方向自动进行的,从而选出最优方案。

3)用计算机对问题求解。设计的手段是计算机及计算机计算程序,由于计算机运算速度快,分析一个优化问题非常迅速,因此可以从大量的方案中选出最优方案。

4)对计算结果进行分析和比较,并侧重分析实现的可行性。

以上四步可多次反复进行,直到结果满意为止。

4 投资建设项目决策的优化

1)对已获批准的可行性研究报告中投资估算部分进行认真分析,在此基础上编制设计招标文件(或设计委托书)。一般说来,工程可行性研究报告都有投资估算偏小的倾向。如果将这一估算作为设计阶段投资控制的基本目标,无疑有很大的压力。因此,在设计招标文件中应对设计目标中的投资控制提出原则意见,并就合理选用相关技术经济指标、制定节约投资降低成本措施等提出详细要求。这就是控制过程中限定范围的工作。如在南京地铁的设计招标文件中,明确提出设计必须实现“安全可靠、功能合理、经济适用、技术先进、用户满意”的目标,在安全可靠、功能合理的前提下,应尽可能追求经济适用、降低造价,必须实行限额设计。

2)在设计招示中重点对设计投标方案作投资控制分析与评价。应在考察设计单位的资质、信誉和人财物保障条件时着重考虑其对投资控制的能力,应对设计投标方案的设计指导思想是否正确、建设标准是否合理、限额设计是否有保障、投资控制措施是否得力等方面进行综合比选,以确定最合适的设计单位中标。这就是控制过程中识别主要特性的工作。南京地铁在设计招标时就将设计单位的设计投资控制能力作为主要的特性来考核。

3)设计单位制定经济评价体系,明确主要经济控制指标,推行限额设计,选用科学合理的设计概算编制方法。这就是控制过程中订立标准的工作。标准是衡量投资控制绩效的依据和准绳。标准来自控制目标并服务于控制目标,订立标准必须根据设计阶段投资控制的特点定量确定。

4)业主与设计单位共同采取行之有效的控制方法及组织措施、经济措施、技术措施、合同措施,及时收集控制中的各种动态数据,认真对比分析研究,确保设计方案的优化与概算文件编制质量。

5)抓好过程控制,及时衡量绩效。所谓衡量绩效就是抠出投资控制中的实际工作情况与标准之间的偏差信息,并根据这种信息来评估实际控制工作的优劣。只有在投资控制过程中不断地将实际控制状态和效果与标准进行对比,找出差异,才能对控制活动进行客观公正的评价,才能不断趋近控制目标。

6)认真诊断及纠正,精心做好设计概算审查和调整。如果设计阶段投资控制衡量绩效后发现偏差,就要诊断偏差,分析偏差产生的原因并加以纠正,直至最后完成对设计概算的审查和修正。

5 结束语

建设项目全寿命周期成本优化的目标是建设项目全寿命周期成本最优,通过优化可以可以实现三个层次的目标。一是实现建设项目全寿命周期成本持续改进,二是实现“技术、经济、社会、生态”的协调统一,三是实现建设项目寿命周期内全社会成本最低。在公路交通建设工程项目中进行建设项目全寿命周期成本的优化,是贯彻落实“坚持以人为本,树立全面、协调、可持续的科学发展观”的具体体现,对推动我国公路建设管理理念和水平的全面提升,实现公路交通更高品质的跨越式发展具有重要的现实意义。

[1]张仕廉.建设项目全寿命周期成本控制理论与方法[M].北京:中国计划出版社,2007.

[2]尹贻材.工程造价管理基础理论与相关法规 [M].北京:中国计划出版社,2010.

[3]交通部公路司.降低造价公路设计指南 [M].北京:人民交通出版社,2005.

[4]郑岭峰.浅谈工程施工项目的信息化管理建设及应用[J].河北工程技术高等专科学校学报,2009(1):46-48.