基于全寿命周期经济效益分析的沥青路面加铺方案研究

张 明，卢 超

(1. 江苏宁常镇溧高速公路有限公司，金坛 213245；2. 苏交科集团股份有限公司，南京211112)

公路建设反应了一个地区的交通发达程度及经济整体发展水平[1]。然而，随着经济的快速增长，交通量日益加大，车辆荷载不断累积，使得沥青路面承受着前所未有的压力。路面病害不断增多，不仅影响了公路的服务质量，降低了路网的运输效率，同时严重影响区域的经济发展。因此，需要通过必要的维修改造来改善这一状况，维持公路的通行能力，提升公路的运输效率和服务质量。

选择沥青路面加铺方案时，以往的经济评价未考虑公路日常养护维修成本等因素，经常出现选用方案初期建设成本较低，但全寿命成本很高的情况。故在项目初期对公路项目进行基于全寿命周期的成本分析尤为重要。但影响项目效益的关键因素该如何评价，仍然是一个问题，文章主要引用我国当前公路经济分析与评价方法的既有成果，结合沥青路面加铺项目自身的特点来选择。进而通过分析和比较不同的路面加铺方案在项目全寿命周期内的经济影响，选择设计年限内既能满足服务需求，又能获得最大经济社会效益的方案。

近年来，越来越多的学者将全寿命周期成本分析运用到交通运输行业中，并取得了一定的成果。王一帆[2]将寿命周期评价法运用于公路桥梁领域，建立公路桥梁寿命周期环境影响评价模型和寿命周期环境成本分析模型。唐皓[3]从能耗的角度，应用基于过程的寿命周期分析法，从原材料的生产、混合料的生产、现场施工和材料运输四个过程研究了公路养护技术的能耗，并通过经济分析为方案决策提供依据。Wu D[4]通过基于概率的全寿命周期分析方法对工程案例进行了分析，表明该方法在公路行业的可行性与科学性。Adelino Ferreira[5]提出了贴现率敏感性分析的概念，通过LCCA系统分析的手段，发现最佳的路面结构随着折现率的变化而变化。

综上，全寿命周期可为公路决策提供经济支持，但该方法在沥青路面养护中应用较少，尤其是路面加铺工程，故将全寿命周期成本分析引入到沥青路面加铺方案中具有重要的现实意义和实用价值。

1 寿命周期费用分析

1.1 定义

全寿命周期成本分析(Life Cycle Cost Analysis，LCCA)是指对整个寿命周期内产生的所有费用的总和进行分析，包括原材料的获取和产品的使用费用等。建设项目的全寿命周期成本通常指工程从规划到施工、运营，再到最终废弃所产生费用的总和[6]。LCCA是对同类产品进行经济分析的有效工具，其最终目的就是实现全寿命周期内产品效益的最大化。

LCCA是指在不同方案比选中，采用综合费用成本最优理论，而非将初始投资最少的方案作为最佳比选方案。与价值工程不同之处在于LCCA分析方案可以有效实现全寿命周期投资效益最优化。相比于传统的可行性研究报告，LCCA分析的主要目标在于费用需求分析，并且可以作为可行性研究报告的一部分。项目在实施过程中，通过LCCA分析有效控制寿命周期内的费用需求时机和比例，对减少投资风险，实现效益最大化具有极大的经济价值。

1.2 寿命周期成本组成

LCCA分析最初在桥梁工程中被应用，直到上世纪90年代初期，AASHTO将其引入到路面设计中，迅速获得认可并被大量应用，成为公路项目投资决策的重要依据。根据我国道路的建设程序，可将全寿命周期划分为以下四个阶段[7]：规划设计期、建设期、运营及最终废弃，其中规划、设计和建设施工费用均是围绕工程建设产生，称其为建设期成本；在公路的运营过程中，由用户和养护维修管理所产生的费用被称为运营期成本；公路寿命周期末期所产生的残值，被称为弃置成本。

根据前文理论分析可知，运营期成本包括了管理养护成本，出行用户成本，以及对环境造成影响所产生的环境成本。根据相关文献，用户成本由车辆运营成本、交通事故费用及时间延误成本等组成，其结果主要跟道路状况和外界条件有关，测算难度较大[4]。环境影响成本逐渐引起行业的高度关注，但由于它的评价指标不明确，且费用取值难以量化，暂不做考虑。

综上，LCCA分析的主要内容包括三个部分：建设阶段成本、运营期管养成本和最终的弃置成本。

2 寿命周期成本计算模型

2.1 确定功能单位

为确保不同路面结构全寿命周期经济效益的可比性，需确定研究功能单位。选取双向六车道公路半幅1km作为1个基本单元。由于各路面结构规模不同，获取各阶段材料、机械的使用量相差很大，在经济投资上差别较大；再加上不同路面结构使用寿命不一和养护维修措施的不同，均会对全寿命周期评价产生影响，需要建立一个横向比较的平台。将路面寿命周期成本分析的功能单位定义为一个基本单元经历一个设计使用年限(15年)所必需的经济成本投入，以确保评价结果之间的一致性和可比性。

2.2 寿命周期分析方法

寿命周期费用分析(LCCA)法应用于路面经济分析，出现于上世纪70年代，被认为是较合理的方法[8]。根据1997年美国联邦公路管理局(FHWA)调查，采用LCCA法来确定路面类型的机构达到52个。文章尝试采用这种方法来分析橡胶沥青用于干线公路改造的路面结构方案。

2002年版AASHTO新建和改建路面结构设计指南详细介绍了LCCA的方法。分析过程主要包括下面8个步骤：

(1) 制定各种路面设计对策；

(2) 确定路面使用性能期，制定养护和修复活动时限；

(3) 估算管理部门费用；

(4) 估算使用者费用；

(5) 绘制开支(费用)流程图；

(6) 计算寿命周期费用；

(7) 分析结果；

(8) 重新评估方案。

第2～6步适用于每一选用的方案。在第8步得出结论，路面设计者已能确定最经济的设计方案或最合适的设计方案。

在道路全寿命周期成本分析中，不同的投资发生在不同的时间节点上，初始建设费用发生在道路全寿命周期的前期，养护维修费用发生在寿命中期，残值费用发生在寿命末期。在不同时间产生的花费，不能进行简单叠加，可以说资金是时间的函数，会随着时间的推移而增值。因此，要想比较各个方案全寿命周期成本之和，必须引入时间与资金的函数关系，将各个时间点产生的费用转换为同一时间点产生的费用。

通过贴现率将分析期内不同时间支出的费用转化为现值[9]，在此基础上比较各方案的成本，采用费用净现值法，其表达式如下：

(1)

式中，PWCx1,n为方案x1在分析期n年内的总费用现值；ICx1为方案x1的初期修建费；RCx1,t、MCx1,t、UCx1,t分别为方案x1在t年的改建费、养护费和用户费；SVx1,n为方案x1在分析期末(n年)的残值；pwfi,t为贴现率i年份t的现值系数，pwfi,t=1/(1+i)t。

文章主要为公路管理部门决策提供一种新的思路与方法，故仅考虑管养费用，将油耗费、轮耗费等用户费略去。

3 实例分析

近年来，橡胶沥青得到了广大道路工作者的青睐，不但在环境保护方面独树一帜，且具有优良的路用性能。随着该技术的日趋成熟，应用也日益广泛。为了定量分析橡胶沥青在沥青路面中的应用前景，对橡胶沥青AR-AC13和SMA-13，AC-13三种混合料的加铺方案进行寿命周期成本分析[10-13]。

3.1 建设期成本计算

以SBS改性沥青混合料AC-13、SBS改性沥青SMA-13和橡胶沥青混合料AR-AC13三种混合料为对象，进行寿命周期费用的对比分析。根据工程经验，拟定路面宽度为11.5m，结合实际调研确定三种混合料路面加铺方案的修建费，见表1。

表1 不同面层沥青混合料造价

3.2 运营管养成本计算

(1) 日常养护费用

日常养护费用是指日常运营中对公路进行的预防性养护和修补所产生的费用，是高速公路运营管理过程中重要的日常支出之一。根据相关文献，日常养护费用主要跟路面类型、环境条件和交通量等影响因素有关。文章重点对寿命周期成本分析方法进行介绍，日常养护费用不做重点研究，因此结合实际调研将每年的日常养护费用定为每公里每年1万元。

(2) 大中修养护费用

根据工程经验，SBS改性沥青AC-13的寿命按10年计算，SMA路面的使用寿命按15年计算。橡胶沥青路面根据其优良的高温性能和低温抗裂性能，亦按15年估算。

在考虑大中修养护时，SBS改性沥青AC-13在15年计算周期内需要进行1次维修，而SMA路面和橡胶沥青路面在周期内均不需要大中修养护。大中修养护维修方案按照新建面层计算，见表2。

表2 30年寿命周期费用现值

3.3 弃置阶段成本计算

弃置阶段的残值指路面丧失基本的行驶功能后具有的经济价值。路面残值可以通过按剩余寿命占其预期使用寿命的比例来确定，是指一个项目的服务寿命超过了他的分析年限，然后对其剩余服务价值做估计。在不同的比选方案中，剩余服务寿命价值是不同的，这部分应该在LCCA过程中进行考虑。对比方案剩余服务寿命的价值，计算公式如下：

SV=(1-LA/LE)Cr

(2)

式中，LA为最后一次养护的施工年份到寿命末(或分析期末)的年数；LE为该养护措施的预期使用寿命；Cr为该项改造措施的修建费用；SV为路面残值。

用公式分别计算三种方案的路面残值，结果见表3。

表3 三种方案在路面使用末期的路面残值(1个基本单元)

3.4 寿命周期成本分析

分析寿命周期成本时，费用利率取8%，计算15年寿命周期内上述三种材料的寿命周期费用，见表4。

表4 全寿命周期费用汇总 元

三种材料的费用由小到大排序：AR-AC13

4 结论

文章从全寿命周期角度出发，对路面的寿命周期成本进行分析，确定了沥青路面加铺方案寿命周期成本分析的组成部分，并建立各阶段的分析模型，得到如下结论：

(1) LCCA分析方法在沥青路面加铺方案确定时具有很好的科学性和适用性。

(2) 确定了LCCA分析方法在沥青路面加铺方案研究中的具体步骤与模型，通过实例证明该方法在确定沥青路面养护方案时可以减少投资风险，实现效益最大化。

(3) 橡胶沥青不仅初期修建费用比SMA-13、AC-13等混合料的初期造价低，而且从寿命周期费用角度分析，橡胶沥青性价比最高。