路面寿命周期费用分析法研究.docx
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路面寿命周期费用分析法研究
摘要
我国公路建设在经历了近20年的快速发展,取得了巨大成就的同时,也出现了工程质量、结构耐久性、环境保护等方面的问题。
面临公路建设在未来20年持续发展的局面,在原有公路建设经验的基础上,学习和借鉴国外全寿命周期理论的先进经验与做法,研究公路建设与管理的相关政策,对于公路建设资源集约利用、提高工程质量与耐久性、保护生态环境、确保工程安全等方面意义重大。
基于现阶段高速公路方案决策存在的不足之处,本文提出方案决策重点应落在方案全寿命周期成本比较上,建立合理的全寿命周期成本体系是关键。
本文通过对我国高速公路路面常用面层和基层结构、性能总体分析,详细阐述了增从高速公路项目各路面方案结构特性和路用性能,对比分析不同面层、基层材料的优势与劣势。
同时,根据国内外路面结构性能周期研究成果,对本文各路面方案的性能寿命周期进行预测,为路面全寿命周期成本分析奠定基础。
通过使用全寿命周期成本理论分析(LCCA),结合国内外对高速公路成本控制研究,建立高速公路路面全寿命周期成本计算模型,进而应用该模型对增从高速公路项目路面结构选型经济比选。
关键词:
全寿命周期成本分析;成本控制;路面;高速公路
Abstract
BesidesthefastdevelopmentandgloriousachievementsinthehighwayeonstructionofChina,therearestillsomeproblemsinconstructionqualityandenvironmentprotectaswellasstructuraldurabilityetc.Thetheoreticalandmethodologicalpolicysystemsofthehighwayconstructionbasedontheoptimizedlifecyclebenefithavebeenstudiedinthreeaspectsofhighwaylayoutpolicies,constructionpoliciesandmaintenancepoliciesinthisdissertation.
Basedonthedeficiencyofourpresentschemedecision-making,thisthesisproposesthatitshouldemphasislife-cycle-costcomparisonintheschemedecision-making;constructingareasonableLCCsystemhascriticalsignificance.
Inthispaper,basedontheanalysisofthepavementsurfacelayerandbase,elaboratedthestructurecharacteristicsandroadperformanceofthepavementprogramofZengconghighwayproject.Comparethestrengthsandweaknessesofthedifferentsurfacelayerandbasematerials.Meanwhile,predictthelifeofthisarticle’sprogramaccordingtotheforeignstudy.Throughlife-cyclecostanalysis(LCCA),Referenceexpresswaycostcontrolathomeandabroad,tobuildpavementlifecyclecostcalculationmodel,applicationofthemodelprogramofpavementeconomiccomparison.
KeyWords:
LCCA,costcontrol,pavement,expressway
目录
摘要1
Abstract2
第一章绪论5
1.1研究背景与意义5
1.1.1研究背景5
1.1.2研究意义6
1.2国内外研究现状7
1.2.1国外研究现状7
1.2.2国内研究现状8
1.3研究内容与论文思路10
1.3.1研究内容10
1.3.2论文思路11
第二章公路建设成本分析方法概述11
2.1传统公路建设成本分析方法11
2.2全寿命周期成本理论12
2.3全寿命周期成本理论在设计阶段的应用13
2.4全寿命周期理论与传统方法对比13
第三章LCC的基本理论与实践14
3.1LCC的概念14
3.2LCC的基本要素14
3.3LCC的应用意义16
3.4现阶段方案决策中LCC体系及其分析17
第四章全寿命周期成本分析模型18
4.1全寿命成本分析的作用及特点18
4.2全寿周期成本分析模型的建立19
4.2.1全寿命周期成本体系构建原则19
4.2.2全寿命周期成本体系20
4.3基于LCC的高速公路建设方案成本体系分析22
4.3.1方案拟定22
4.3.2建设初期成本23
4.3.3日常维护成本25
4.3.4大中维修成本25
4.3.5用户成本26
4.3.6寿命周期费用分析26
第五章结论与展望29
参考文献31
致谢33
第一章绪论
1.1研究背景与意义
1.1.1研究背景
交通运输是国民经济的命脉,是联系工业与农业、城市与乡村、生产与消费的纽带,是推动国民经济发展的“领跑者”。
交通运输的现代化,是实现国民经济现代化的必然条件。
现代交通运输系统是由铁路、公路、水运、航空和管道运输有机结合所形成的综合运输系统。
这五种运输方式各具特色,并担当各自的分工,在社会主义建设中发挥着巨大的作用。
而其中,公路运输因其机动灵活、适应性好、通达性强、初期投资较低而成为一种主要的运输方式。
自1988年上海至嘉定高速公路的建成通车,实现了我国高速公路零的突破;1990年沈大高速公路的建成通车,标志着我国公路建设重心由一般公路建设向高等级公路建设的转移,到1997年底,我国高速公路里程为4771公路,这十年间高速公路以每年400多公路的速度增长,在这期间,我国积累了大量与高速公路的设计、施工、监理和运营相关的经验,为1998年后高速公路的快速发展奠定了基础。
自1998年后,我国高速公路以每年4000公路的速度增长,国家平均每年投资1400亿用于高速公路的建设,到2012年底达10万公路,高速公路总里程跃居世界第二,图1.1为我国高速公路的发展历程。
图1.1我国高速公路建设的发展历程
我国修筑的高等级沥青路面普遍采用半刚性材料作为基层,这种路面结构形式具有较高强度和稳定性以及便于就地取材等优点。
由于我国正处于社会主义初级阶段并将长期处于这个阶段,所以国家每年投入公路建设的资金是有限的,如果采用较厚面层、基层采用柔性基层,这样的路面将消耗大量的资金。
为了推动我国高速公路建设事业的高速发展,有必要寻找一种各项性能指标满足设计要求且经济的路面结构形式,所以强基薄面的半刚性路面在我国应运而生,并在接下来的20多年时间内得到快速发展。
但是,随着我国经济的快速发展,人民生活水平的提高,交通量快速增长,路面设计年限内的累积轴载作用次数必将超过设计轴载,且随着运输成本的提高,道路使用者为了获取更大的经济利益,只能进行超载。
这些原因导致半刚性基层路面在使用过程中出现了很多问题,如半刚性基层裂缝;在超载的作用下,路面结构的中面层受到的剪应力远远大于正常荷载状况下,造成面层发生剪切破坏,同时重载也是造成车辙、拥包等病害的主要原因,病害的出现,必将缩短路面的使用寿命。
1.1.2研究意义
我国高速公路从开始起步,用十几年时间,走过发达国家几十年才能走过的历程。
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2.47万公里,是“八五”、“九五”建成高速公路总和的1.5倍,“两纵两横三个重要路段”全部建成,高速公路总里程达到4.1万公里。
根据交通部发布《国家高速公路网规划》,到2035年,我国将建成8.5万公里高速公路。
在高速公路快速发展的同时,建设成本迅速上升,上涨幅度超过同期GDP增长速度。
1990年通车的沈大高速公路,每公里造价仅630万元,而2001年通车的高速公路,每公里平均造价超过2500万元,有些甚至超过了4000万元。
山区高速公路平均每公里造价5000万元,特殊地区8000万元,甚至突破1亿元。
尽管我国大幅度提高对高速公路建设的投资,但是资金仍严重不足。
2006年至2012年高速公路建设资金缺口达1107亿元。
我国高速公路建设所需资金庞大,根本原因之一在于成本较高:
①我国高速公路快速发展,已消耗大量资金,未来的高速公路建设资金更难筹措,资金成本更大;
②建设方案决策不合理。
目前投资与管理重点都放在建设阶段,强调建设期成本,对建成后的养护成本与营运成本考虑不足,导致已建成高速公路路况差,寿命短,维修与营运成本高。
加拿大工程院院士尔玛(Dr.M.YFisekci)博士在2000~2003年期间对我国37条高速公路进行调查发现,“高达27%的新沥青路面在前三年中便不合格,54%在前五年中便不合格,而整体上竟有91.8%的沥青道路不能达到8-10年的寿命指标”;
③计划修建的高速公路大部分在山区高速,成本更高;
④通货膨胀因素致使高速公路成本上升。
成本问题制约着高速公路发展,因此对成本问题的研究显得更加紧迫和必要。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
全寿命周期成本分析理论主要是由英、美的一些工程造价领域的学者于20世纪70年代末提出的。
后在英国皇家测量师协会的推动下,进行了广泛的研究和推广,至今,已经形成一种相对完整的方法体系。
全寿命周期造价管理是一种实现工程项目全寿命周期,包括建设前期、建设期、使用期和翻新与拆除期等阶段总造价最小化的方法。
一个工程的生命周期,分为建设期和服务期,而建设期又分为五个阶段,即项目决策阶段、项目设计阶段、工程招投标阶段、施工阶段、竣工结算阶段。
因此,生命周期
成本控制,就是在上述五个阶段以及服务期内对工程造价进行有的控制。
进入20世纪80年代,英国工程造价管理界的学者在全寿命周期成本造价管理方面研究取得了丰硕的成果。
《全寿命周期造价》一文从建筑设计方案比较的角度出发,提出了工程项目成本划分方法、工程项目造价的数学方法模型和工程项目的不确定性风险的估算方法。
而Flanagan.R的《全寿命周期造价管理所涉及的问题》、《全寿命周期造价管理:
理论与实践》从建筑学的角度出发,深入的探讨了全寿命周期造价管理所涉及的技术要求等一些问题。
90年代后,全寿命周期工程造价管理体系已基本形成,人们开始把注意力转到技术和应用方面的研究。
美国交通部(US.DepartmentofTransportation1998)介绍了寿命周期成本分析技术在公路设计中的应用,提供了一个详细的过程来决定工作区域的使用者成本,引入了一个概率方法来解决进行LCCA(Life-CycleCostAnalysis)时输入数据的不确定性问题。
另外,A.Ockwell的《公路管理:
一种全生命周期工程造价管理技术的开发》的文章,从公路建设项目出发,探讨了这类公益性项目的全寿命周期的造价管理的思想和方法,他认为公路项目的全寿命周期造价不仅应该包括公路初始的建设成本和运营费用,而且应该充分考虑公路使用者的使用成本,从而使全社会获得最大化的经济效益。
为了克服生命周期成本分析不准确的缺点,人们也提出了许多可行的方法,主要有模糊数学和蒙特卡罗法等。
其中1999年MohammedKish和A.AL-Hajj提出了一个集成的LCC框架,该框架利用统计学、模糊集合论和人工神经网络提高LCC作为一个决策制定工具的质量。
随着计算机技术的不断成熟,人们开发了很多全寿命周期造价管理的信息系统,其中比较著名的有BLCC5.0,HDM4等,这些软件大部分都是用来计算LCC的。
目前,在探讨工程项目的全寿命周期成本时,生命周期成本和环境影响的集成研究成为新的研究热点。
E.Sterner(2002)探讨了环境功能如何影响建筑物的生命周期成本,建立起由运营阶段能源的使用而带来的生命周期成本与环境影响之间的关系。
同时,对于公路建设中比较难以界定的环境价值的计算应用也日趋成熟。
在城市可持续发展的研究中,对城市环境污染的经济计量问题也作出了许多探索。
比较典型和全面的是皮尔斯(Pearce)的城市发展阶段对策模型,该模型主要根据城市发展的不同阶段所出现的资源环境问题,计算其环境价值损失,从而采取相对应的环境策略。
可以说,在国外,路面设计方式已经几经变革,而且仍在不断的发展中,而全寿命周期成本理论已广泛运用到工程实际工作中。
1.2.2国内研究现状
我国在路面结构的研究与结构方案对比分析上起步较国外晚,总体上讲,大多是参照国外经验,依据本国实际情况加以修正。
国内路面结构及全寿命周期成本研究具体如下:
八十年代初,路面结构设计方法的经济对比方法的研究开始得到重视,与此同时,电子计算机的发展与普及、基础理论的完善使得从整体上用优化的方法寻求最佳效益--费用路面结构已为可能。
为此,全国各个地区和部门纷纷着手研究路面结构优化方法,增强了高速公路路面结构、厚度组合优化理念,这也是我国最原始的路面典型结构优化设计。
九十年代后期,甚至到现在,因为我国对交通基础设施建设的重视,高速公路路面典型结构设计方法研究迅猛发展,国内许多省份、地区开始结合本地区实际情况针对各等级公路路面的具体展开典型结构的研究。
如:
河南省干线公路路面典型结构的研究,提出了针对河南省公路建设特点的公路沥青路面典型结构以及相应的设计指南。
其他各省市随后也纷纷展开了研究。
从沥青路面设计规范这个侧面来看,我国沥青路面发展经过了1958至2006年版的演变。
1958年版沿用了苏联1954年《柔性路面设计须知》的方法,在道路气候分区上作了改动。
1966年路面设计规范,在我国道路工作者大量工作的基础上,交通部正式批准列入部颁标准《公路路面设计规范》(JTJ004-66),该版规范提出了双层和多层体系连续积分法的一套基本公式和参数,修订了道路气候分区图,规范基本公式的体系以均匀体弹性理论为基础,荷载为单圆图式。
1978年版规范,有了中国道路自然区划图,双圆双层体系弯沉值及综合修正系数,多层等效层法,容许弯沉值公式,车辆换算公式,厚度补强经验公式,并建立了一系列的参数。
1986年版规范,解决了参数测定问题,解决了多层体系换算问题,公路规范采用弯沉、弯拉应力两个指标控制;城市道路规范采用弯沉、弯拉、剪切三项指标控制。
1997年版规范,设计理论与方法为双圆垂直均布荷载作用下的多层连续体系理论,以设计弯沉值为路面整体刚度的设计指标,计算路面结构厚度。
标准轴载换算增加了轴数系数,将厚度计算和弯拉验算交通量分开换算。
将容许弯沉值变为设计弯沉值。
对基层材料的要求更加具体详细。
2006版规范与1997年规范相比,增加了路面全寿命周期成本概念,增加了水泥稳定集料、二灰稳定集料骨架密实级配、悬浮级配,增加了柔性基层、底基层、刚性基层设计内容,增加了沥青面层抗裂设计要求,丰富了沥青排水设计内容,减少了附录中各级公路典型路面推荐结构。
甘肃黄土地区高等级公路路面典型结构研究,通过对甘肃黄土地区在建和已建的高等级公路进行资料调查,进行交通和土基强度等级划分,并实测了影响路面设计的材料参数,利用改进的遗传算法进行路面结构造价优化,推荐了适合甘肃黄土地区筑路特点的路面典型结构。
我国工程造价管理模式长期以来,还是以全过程工程造价管理体系为主。
2000年,归国博士戚安邦的《工程项目全面造价管理》一书成为国内最早介绍全生命周期工程造价管理的著作。
同济大学丁士昭教授在《关于建立工程项目全寿命管理系统的探讨—一个新的集成DM、PM和FM的管理系统的总体构思》一文中,提出了建设项目全生命周期管理思想,谈到了全生命周期决策管理阶段投资控制的问题。
我国真正从工程造价管理角度介绍与研究全生命周期工程造价管理并取得初步成果的是天津理工学院任国强。
他先后发表了《全生命周期工程造价管理及其计算机实现》、《生命周期成本分析在城市水利系统中的应用》等学术论文和研究报告。
尤其在《全生命周期工程造价管理及其计算机实现》研究项目报告中,给出了一个比较符合中国实际的全生命周期造价管理的思想和方法及二者结合的原则。
把工程造价的全寿命周期分为了六个阶段:
决策阶段、设计阶段、招投标阶段、施工阶段、竣工验收阶段和运营维护阶段。
所有的这些成果都在工程实际中得到了广泛的运用,并取得了良好的效果。
但在某些方面的研究还存在许多问题,尤其是在对工程造价影响甚大的设计阶段的造价控制还有所欠缺。
在我国目前的高速公路建设的设计阶段,主要存在设计时间仓促,设计的错、漏、补问题多以及缺少从全周期成本的角度考虑设计方案,造成局部、短期成本较低,但总体成本较高的问题。
越来越多的专业人士在周期成本计算时开始关注环境价值的量化,苏万军在《环境价值在公路建设方案比选中的应用研究》中提出将环境影响因素纳入公路建设的方案必选,明确了环境价值的概念,对环境价值的组成给予分析,总结了环境价值损失估算的方法。
现在我国高速公路建设主要是半刚性基层路面结构,因此,当前高速公路建设项目在做路面结构选型对比时,一般只是在选材和部分结构形式等方面做微观的经济对比分析,几乎不考虑全寿命的经济效益。
我国现行的路面设计规范并没有将全寿命周期成本分析作为路面结构方案比选的方法。
因此国内对路面组合方案对比时,单纯重视公路建设初期成本投入,然而往往最后敲定方案不能维持较长寿命,且日常维护费用、用户成本等都大大增加,从全寿命角度分析,不论是最后的工程造价总成本还是路面使用性能,都不是最优方案。
单纯考虑项目建设初期成本的现状与我国国情以及投资体制有关。
值得一提的是,我国主要采取半刚性基层结构,路面后期养护成本、改扩建成本不存在较大的优劣,因此,项目初期投入则是影响路面经济的主要环节。
直至新型的长寿命沥青路面结构出现,长寿命路面结构形式以其较长的使用寿命,较低的养护维修成本、用户费用,应用全寿命周期成本分析后便体现出了巨大的优势。
近年来,国内公路行业内就全寿命周期成本分析方法在道路工程中的应用进行了大量的研究,并取得了不错的成果。
1.3研究内容与论文思路
1.3.1研究内容
本文将以高速公路设计阶段路面选型部分的为研究对象,从寿命、成本控制的角度,研究如何利用全寿命周期成本的理论分析,使得高速公路路面选型的建设投资效益最大化。
进一步提出性能良好、经济合理、切实可行的路面结构设计方案。
最终实现为高速公路设计审批单位、项目业主做出合理的投资决策,为设计单位提供路面选型理论参考,提高高速公路项目建设投资的经济效益。
本文的主要研究内容包含:
1)分析我国高速公路设计阶段路面成本控制现状
路面成本是我国高速公路建设项目成本的主要组成部分,如何控制路面成本成为高速公路建设项目投资的一大热点问题。
通过调研相关资料,分析我国路面成本控制现状,对本文的全寿命周期成本分析法的展开有理论指导意义。
2)高速路面结构对比分析
由于我国目前沥青路面结构设计还是根据已有经验和规范推荐的路面结构,拟定几种可能的路面结构组合与厚度方案,根据选用的材料进行配合比试验及测定各结构层材料的抗压、抗拉强度,确定各结构层材料结构参数。
因此,对不同材料方案的路面特性分析是路面结构选型重要环节。
通过对比不同路面结构的使用性能与使用寿命,得到各路面结构方案的相对优劣。
3)高速公路路面全寿命周期成本分析
通过建立高速公路路面全寿命周期成本分析模型,针对高速公路项目具体情况,对不同的路面结构方案进行全寿命周期成本分析,对比分析结果,进而提出投资最大化的最优路面设计方案,为业主决策、设计单位设计提出宝贵的意见。
1.3.2论文思路
论文的整体研究思路具体如下:
第一章为绪论,阐述了本论文的基本背景和研究意义,总结国内外的研究概况,提出用全寿命周期成本理论指导我国高速公路方案决策。
第二章,对比介绍传统公路建设成本分析方法和基于全寿命考虑的成本分析方法,比较其异同,然后通过多种表达方式,详细介绍基于全寿命考虑公路建设成本的多种计算模型,加深对全寿命成本分析方法的理解,并完善后续政策研究的技术基础。
第三章,介绍全寿命周期成本理论,主要包括基本属性及组成,分析我国高速公路建设方案决策与LCC的适应性,为下文方案决策时建立全寿命周期成本体系打下基础。
第四章,提出全寿命周期成本体系建立原则及构建思路,并建立全寿命周期成本体系,分析体系。
第五章,总结了论文的主要研究成果,分析存在的问题。
第二章公路建设成本分析方法概述
本章研究中将对比介绍传统公路建设成本分析方法和基于全寿命考虑的成本分析方法,比较其异同,然后通过多种表达方式,详细介绍基于全寿命考虑公路建设成本的多种计算模型,加深对全寿命成本分析方法的理解,并完善后续政策研究的技术基础。
2.1传统公路建设成本分析方法
传统的公路建设项目经济评价,是根据国民经济发展规划和有关技术经济政策的要求,结合交通量预测和工程技术情况,计算项目的投入(费用)与产出(效益),通过多种经济指标的分析比较,对拟建工程项目的经济合理性与财务可行性做出评价,为项目决策和建设方案的比选提供科学依据。
公路建设项目在决策时,按照要求对不同的方案进行经济合理性和财务可行性评价,为项目决策和建设方案的比较提供科学依据。
其中用项目的经济费用与财务费用来作为具体的评价指标。
经济费用是衡量国民经济为项目的兴建与经营所付出的代价,衡量由于执行一个项目而带来的国民经济收入减少及各类资源的消耗,以作出合理的宏观决策或调整政策。
而财务费用衡量的是在执行项目过程中所有资金现值收支代价,仅站在投资者的角度考虑。
公路设施的国民经济评价分析主要是费用投入与后期效益的体现上,评价的运营期按20年设计使用寿命计算,是一种宏观经济的理论性评价。
财务评价中主要的相关费用是工程建设期和运营期的费用。
但在实际的建设中,由于我国公路的建设与运营管理相分离,工程建设项目实行招标投标制,基本上以较低标底为中标要求。
因此,几乎所有的建设单位提出的设计施工方案通常考虑的建设费用都是建设期间发生的所有成本,并不包括运营期的维护费用及使用者成本,在投标过程中建设期间的很多正常成本也由于市场竞争的需要而有所降低。
2.2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
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