淺談港口工程結(jié)構(gòu)的全壽命設(shè)計
引言
全壽命理論 （Lifetime Engineering） 源于工業(yè)生產(chǎn)與加工領(lǐng)域，起初針對工業(yè)元件，其基本思想是將產(chǎn)品元件的原材料、生產(chǎn)、維護和廢棄處理等環(huán)節(jié)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(chǎn)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（LifeCycle Cost Analysis,LCCA）。近年來，土木基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域中由于環(huán)境作用導致的結(jié)構(gòu)過早劣化、使用功能失效普遍成為重要問題，在發(fā)達國家由此引發(fā)的基礎(chǔ)設(shè)施維護費用已經(jīng)體現(xiàn)在 GDP 的百分位上[1-2].國內(nèi)外傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法重視荷載作用，忽視環(huán)境作用，重視強度設(shè)計，忽視使用性能的設(shè)計，重視建設(shè)階段的設(shè)計，忽視使用期間的維護。探尋荷載與環(huán)境并重，同時兼顧施工和使用階段需求的設(shè)計方法是土木工程各領(lǐng)域共同關(guān)注的問題和總體趨勢[3].正是在這種技術(shù)需求的總體趨勢下，全壽命理論被引入了土木工程領(lǐng)域，并已經(jīng)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(shè)計觀點符合目前我國倡導的節(jié)約型和循環(huán)經(jīng)濟導向，以合理的方式引入港口工程結(jié)構(gòu)的已有設(shè)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(zhì)量，降低工程壽命周期內(nèi)的投資總成本，并解決相關(guān)的環(huán)境污染與資源的再利用問題。
1 港口工程結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計基本理念
港口工程結(jié)構(gòu)全壽命周期可分為 4 個階段，即：規(guī)劃設(shè)計階段、施工階段、運營階段和退役階段[7].全壽命設(shè)計的基本思想是：在工程結(jié)構(gòu)的整個服役周期內(nèi)，將外界對結(jié)構(gòu)所作出的各種“犧牲”均以成本的形式進行統(tǒng)計，計算出工程結(jié)構(gòu)整個壽命周期內(nèi)備選方案的總成本，從而為工程結(jié)構(gòu)的方案決策提供參考。
港口工程結(jié)構(gòu)長期遭受海洋的嚴酷環(huán)境作用。
如果在設(shè)計階段、施工階段、運營維護階段、退役階段等某些環(huán)節(jié)缺乏合理的實施方案，就可能會加劇結(jié)構(gòu)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(huán)境造成更大污染。港口工程結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計方法從全壽命周期角度，在工程結(jié)構(gòu)的規(guī)劃設(shè)計階段就統(tǒng)籌考慮建設(shè)階段、運營階段和退役階段的建設(shè)和管理活動，并通過全壽命成本優(yōu)化設(shè)計方法，實現(xiàn)人們對工程結(jié)構(gòu)功能、環(huán)境、成本的多目標需求。
從整個港口工程的設(shè)計方法來看，全壽命設(shè)計方法是繼安全系數(shù)法和極限狀態(tài)設(shè)計法 （承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)） 后的又一次設(shè)計觀念的重大改變。它將傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計拓展到整個壽命周期，主要意義在于：1） 通過考慮結(jié)構(gòu)性能退化規(guī)律，掌握港口工程結(jié)構(gòu)從投入使用到退出全過程中的性能變化，滿足結(jié)構(gòu)的可靠性要求。2） 通過結(jié)構(gòu)設(shè)計與維護設(shè)計的合理匹配和科學決策，降低工程結(jié)構(gòu)的全壽命周期成本；3） 通過合理維護設(shè)計，將目前工程結(jié)構(gòu)的“被動維護”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲃泳S護”,從而延長結(jié)構(gòu)使用壽命，提升結(jié)構(gòu)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(gòu)成
港口工程 LCC 分析涉及諸多成本因素和經(jīng)濟參數(shù)。港口工程的整個壽命周期劃分為 3 個可產(chǎn)生成本的壽命階段：建設(shè)期、運營期和退役期。
其中，規(guī)劃設(shè)計階段的成本統(tǒng)計在建設(shè)期成本中。
由此，港口工程全壽命周期總成本共有 3 部分構(gòu)成，如公式（1）所示。【1】
2.2 主要經(jīng)濟參數(shù)
港口工程從開始投資到最后退役所經(jīng)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(tǒng)一的經(jīng)濟參數(shù)。所涉及的'主要的經(jīng)濟參數(shù)是折現(xiàn)率、設(shè)計使用年限和成本分析基年。
折現(xiàn)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(xiàn)值的比率，反映了資產(chǎn)與其未來運營收益現(xiàn)值之間的比例關(guān)系。在港口工程全壽命成本分析中，折現(xiàn)率是最為敏感的經(jīng)濟參數(shù)。在實際工程中，折現(xiàn)率的影響因素復雜，根據(jù)國內(nèi)外大量研究，可通過社會折現(xiàn)率和物價波動水平（PPI 年變化率） 來表征和計算。根據(jù) Philip Cady 提出的模型，三者之間的關(guān)系可表示為：1 + ici=（1 + fi）（1 + Ii） （5）式中：Ii為折現(xiàn)率；ici為社會折現(xiàn)率；fi為 PPI 年變化率。于是，【2】
實踐表明，隨著時間的遞增工程結(jié)構(gòu)的不確定性和風險因素也呈現(xiàn)一種遞增趨勢。因此，在港口工程壽命周期內(nèi)，成本折現(xiàn)率也呈遞增規(guī)律。在工程結(jié)構(gòu)全壽命成本分析中，折現(xiàn)率可分階段取值，通常取 30 a 為一個階段。
港口工程設(shè)計使用年限是統(tǒng)計全壽命周期成本的時間長度。不同的設(shè)計使用年限可能采用不同的計算公式和折現(xiàn)率。成本分析基年是貨幣時間價值的折算基點。發(fā)生在壽命周期內(nèi)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(jié)構(gòu)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：【3】
式中：PV 為成本現(xiàn)值，即計算基年的 LCC 值；FVk為第 k 年的現(xiàn)金流出，即成本構(gòu)成中各成本折算到計算基年的現(xiàn)值；k 為成本產(chǎn)生的年份；N為結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限；Ik為成本產(chǎn)生年份的年折現(xiàn)率。
3 港口工程結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計
3.1 港口工程結(jié)構(gòu)功能分析
港口工程結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計按照“功能需求-設(shè)計要求-設(shè)計指標”三級關(guān)系進行。港口工程結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計首先從工程結(jié)構(gòu)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(nèi)容，也被稱為價值方法[8].它是對某產(chǎn)品或服務的各功能和相關(guān)成本進行識別，對功能的必要性進行評估的系統(tǒng)過程。
功能分析首先從業(yè)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(gòu)成。根據(jù)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(huán)境條件（Environment）、建設(shè)管理（Construction and Management）和可持續(xù)發(fā)展（Sustainability）4 組，每一組中又包括若干功能單元 （Elemen）t.
3.2 港口工程全壽命設(shè)計基本流程
全壽命理論為我國現(xiàn)行港口工程設(shè)計增添了很多新的元素。這些新的元素在初步設(shè)計階段主要包括：1） 設(shè)計使用年限；2） 維修周期、維修方案及維修成本；3） 環(huán)境影響成本；4） 退役期成本；5） LCC 的計算；6） 設(shè)計指標和設(shè)計使用年限對 LCC 影響的量化分析；7） 維護設(shè)計；8）建設(shè)期成本與運營期維護成本的關(guān)系等。
根據(jù)設(shè)計階段的不同，LCC 成本計算的粗略程度也不同。對于設(shè)計階段難以量化的成本，如用戶成本和環(huán)境影響成本等，可參照已有工程的實際運營狀況，以建設(shè)期成本為基數(shù)，乘以相應系數(shù)得到估計值。
港口工程結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計統(tǒng)籌考慮了港口工程的設(shè)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(shè)計指標對建設(shè)期成本、維護成本以及全壽命成本的影響�？紤]到港口工程結(jié)構(gòu)的形式多樣、使用性質(zhì)不同、環(huán)境條件不同、覆蓋內(nèi)容復雜、時間跨度大、施工管理技術(shù)不斷更新等各種因素，在港口工程全壽命設(shè)計流程中主要明確基本的設(shè)計步驟以及需要考慮的問題，目前尚不涉及具體的技術(shù)細節(jié)。港口工程全壽命設(shè)計基本流程可概括如圖1 所示。【4】
4 結(jié)語
1） 闡述了港口工程結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計的基本理念，分析了港口工程領(lǐng)域引入全壽命設(shè)計的意義和必要性。
2） 分析了港口工程結(jié)構(gòu)全壽命成本構(gòu)成，明確了主要經(jīng)濟參數(shù)，建立了港口工程結(jié)構(gòu)全壽命成本計算模型。
3） 提出港口工程結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計按照“功能需求-設(shè)計要求-設(shè)計指標”三級關(guān)系進行，建立了港口工程結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計基本流程以及需要考慮的問題。港口工程結(jié)構(gòu)形式多樣、使用性質(zhì)不同、環(huán)境條件不同、覆蓋內(nèi)容復雜、時間跨度大、施工管理技術(shù)不斷更新等因素，目前尚不涉及具體的技術(shù)細節(jié)。
4） 全壽命理論在港口工程領(lǐng)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(shè)計理論一定會對我國乃至世界港口工程的發(fā)展起到重要的推動作用。
參考文獻
[1] 胡愷。民辦院�！案邔咏ㄖY(jié)構(gòu)設(shè)計”課程應用型教學改革探討[J].中國電力教育，2012,（26）。
[2] 牛海成，徐海賓。面向可持續(xù)發(fā)展的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計課程教學改革探討[J].高等建筑教育，2013,22（2）。
[3] 季靜，黃超，韓小雷，等�；谛阅艿脑O(shè)計方法在超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應用研究[J].世界地震工程，2010,23（1）。
[4] 徐培福，薛彥濤，肖從真，等。帶轉(zhuǎn)換層型鋼混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)模型擬靜力試驗對抗震設(shè)計的啟示[J].土木工程學報，2010,38（9）。
【淺談港口工程結(jié)構(gòu)的全壽命設(shè)計】相關(guān)文章：
3.淺談雙工位轎車輪轂軸承疲勞壽命試驗機的結(jié)構(gòu)設(shè)計論文
4.淺談建筑結(jié)構(gòu)工程設(shè)計的系統(tǒng)優(yōu)化及原則
5.淺談建筑工程室內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)加層設(shè)計論文