港口工程结构的全寿命设计

　　引言
　　
　　全寿命理论 （Lifetime Engineering） 源于工业生产与加工领域，起初针对工业元件，其基本思想是将产品元件的原材料、生产、维护和废弃处理等环节计入总成本，用总成本最小化的方法来确定元件的原材料与生产工艺。因此，全寿命理论从成本的观点又被称为全寿命成本分析法（LifeCycle Cost Analysis,LCCA）。近年来，土木基础建设领域中由于环境作用导致的结构过早劣化、使用功能失效普遍成为重要问题，在发达国家由此引发的基础设施维护费用已经体现在 GDP 的百分位上[1-2].国内外传统的结构设计方法重视荷载作用，忽视环境作用，重视强度设计，忽视使用性能的设计，重视建设阶段的设计，忽视使用期间的维护。探寻荷载与环境并重，同时兼顾施工和使用阶段需求的设计方法是土木工程各领域共同关注的问题和总体趋势[3].正是在这种技术需求的总体趋势下，全寿命理论被引入了土木工程领域，并已经取得了初步研究成果[4-5],部分研究成果见表 1 所示。

　　全寿命的设计观点符合目前我国倡导的节约型和循环经济导向，以合理的方式引入港口工程结构的已有设计理论与方法体系中，将有助于整体提高港口工程的服役质量，降低工程寿命周期内的投资总成本，并解决相关的环境污染与资源的再利用问题。

　　1 港口工程结构全寿命设计基本理念
　　
　　港口工程结构全寿命周期可分为 4 个阶段，即：规划设计阶段、施工阶段、运营阶段和退役阶段[7].全寿命设计的基本思想是：在工程结构的整个服役周期内，将外界对结构所作出的各种“牺牲”均以成本的形式进行统计，计算出工程结构整个寿命周期内备选方案的总成本，从而为工程结构的方案决策提供参考。

　　港口工程结构长期遭受海洋的严酷环境作用。

　　如果在设计阶段、施工阶段、运营维护阶段、退役阶段等某些环节缺乏合理的实施方案，就可能会加剧结构的性能退化，影响用户的使用功能需求，增加额外的维护费用，并对环境造成更大污染。港口工程结构全寿命设计方法从全寿命周期角度，在工程结构的规划设计阶段就统筹考虑建设阶段、运营阶段和退役阶段的建设和管理活动，并通过全寿命成本优化设计方法，实现人们对工程结构功能、环境、成本的多目标需求。

　　从整个港口工程的设计方法来看，全寿命设计方法是继安全系数法和极限状态设计法 （承载力极限状态和正常使用极限状态） 后的又一次设计观念的重大改变。它将传统的结构设计拓展到整个寿命周期，主要意义在于：1） 通过考虑结构性能退化规律，掌握港口工程结构从投入使用到退出全过程中的性能变化，满足结构的可靠性要求。2） 通过结构设计与维护设计的合理匹配和科学决策，降低工程结构的全寿命周期成本；3） 通过合理维护设计，将目前工程结构的“被动维护”转变为“主动维护”,从而延长结构使用寿命，提升结构使用性能。

　　2 港口工程全寿命成本计算模型
　　
　　2.1 港口工程 LCC 构成
　　
　　港口工程 LCC 分析涉及诸多成本因素和经济参数。港口工程的整个寿命周期划分为 3 个可产生成本的寿命阶段：建设期、运营期和退役期。

　　其中，规划设计阶段的成本统计在建设期成本中。

　　由此，港口工程全寿命周期总成本共有 3 部分构成，如公式（1）所示。【1】

　　
　　2.2 主要经济参数
　　
　　港口工程从开始投资到最后退役所经历的时间跨度大，资金流动频繁，在计算港口工程全寿命周期成本时需要明确统一的经济参数。所涉及的主要的经济参数是折现率、设计使用年限和成本分析基年。

　　折现率是度量资金时间价值的尺度，反映了对未来货币价值所作的衡量。它是将未来资金折成现值的比率，反映了资产与其未来运营收益现值之间的比例关系。在港口工程全寿命成本分析中，折现率是最为敏感的经济参数。在实际工程中，折现率的影响因素复杂，根据国内外大量研究，可通过社会折现率和物价波动水平（PPI 年变化率） 来表征和计算。根据 Philip Cady 提出的模型，三者之间的关系可表示为：1 + ici=（1 + fi）（1 + Ii） （5）式中：Ii为折现率；ici为社会折现率；fi为 PPI 年变化率。于是，【2】

　　
　　实践表明，随着时间的递增工程结构的不确定性和风险因素也呈现一种递增趋势。因此，在港口工程寿命周期内，成本折现率也呈递增规律。在工程结构全寿命成本分析中，折现率可分阶段取值，通常取 30 a 为一个阶段。

　　港口工程设计使用年限是统计全寿命周期成本的时间长度。不同的设计使用年限可能采用不同的计算公式和折现率。成本分析基年是货币时间价值的折算基点。发生在寿命周期内不同时间上的各种费用都要折算到这一基点上。一般以工程结构的竣工年为计算基年。

　　2.3 港口工程 LCC 的计算方法
　　
　　计算全寿命成本需要考虑资金的时间价值，计算公式为：【3】

　　
　　式中：PV 为成本现值，即计算基年的 LCC 值；FVk为第 k 年的现金流出，即成本构成中各成本折算到计算基年的现值；k 为成本产生的年份；N为结构的设计使用年限；Ik为成本产生年份的年折现率。

　　3 港口工程结构全寿命设计
　　
　　3.1 港口工程结构功能分析
　　
　　港口工程结构全寿命设计按照“功能需求-设计要求-设计指标”三级关系进行。港口工程结构全寿命设计首先从工程结构的功能分析开始。

　　功能分析 （FA,Function Analysis） 是价值工程（VE,Value Engineering） 的核心内容，也被称为价值方法[8].它是对某产品或服务的各功能和相关成本进行识别，对功能的必要性进行评估的系统过程。

　　功能分析首先从业主角度把港口工程的功能进行分组，每一组又由若干具体功能构成。根据港口工程特点，将港口工程的功能按照对象的不同，分为使用（Utility）、环境条件（Environment）、建设管理（Construction and Management）和可持续发展（Sustainability）4 组，每一组中又包括若干功能单元 （Elemen）t.

　　3.2 港口工程全寿命设计基本流程
　　
　　全寿命理论为我国现行港口工程设计增添了很多新的元素。这些新的元素在初步设计阶段主要包括：1） 设计使用年限；2） 维修周期、维修方案及维修成本；3） 环境影响成本；4） 退役期成本；5） LCC 的计算；6） 设计指标和设计使用年限对 LCC 影响的量化分析；7） 维护设计；8）建设期成本与运营期维护成本的关系等。

　　根据设计阶段的不同，LCC 成本计算的粗略程度也不同。对于设计阶段难以量化的成本，如用户成本和环境影响成本等，可参照已有工程的实际运营状况，以建设期成本为基数，乘以相应系数得到估计值。

　　港口工程结构全寿命设计统筹考虑了港口工程的设计、施工、维护（管理）以及退役 4 个阶段的各项活动。并以 LCC 方法作为方案决策的指导方法（但不唯成本而定），通过该方法分析设计指标对建设期成本、维护成本以及全寿命成本的影响。考虑到港口工程结构的形式多样、使用性质不同、环境条件不同、覆盖内容复杂、时间跨度大、施工管理技术不断更新等各种因素，在港口工程全寿命设计流程中主要明确基本的设计步骤以及需要考虑的问题，目前尚不涉及具体的技术细节。港口工程全寿命设计基本流程可概括如图1 所示。【4】

　　
　　4 结语
　　
　　1） 阐述了港口工程结构全寿命设计的基本理念，分析了港口工程领域引入全寿命设计的意义和必要性。

　　2） 分析了港口工程结构全寿命成本构成，明确了主要经济参数，建立了港口工程结构全寿命成本计算模型。

　　3） 提出港口工程结构全寿命设计按照“功能需求-设计要求-设计指标”三级关系进行，建立了港口工程结构全寿命设计基本流程以及需要考虑的问题。港口工程结构形式多样、使用性质不同、环境条件不同、覆盖内容复杂、时间跨度大、施工管理技术不断更新等因素，目前尚不涉及具体的技术细节。

　　4） 全寿命理论在港口工程领域中的研究与应用刚刚起步，它在实际工程中的推行仍需要大量的工作。但我们相信，全寿命理念和设计理论一定会对我国乃至世界港口工程的发展起到重要的推动作用。