当前在建筑业拉动经济发展的同时,也必须考虑到将来建筑结构维护所带来的经济负担,据统计美国在二十世纪末每年基础设施的修复费用约为1400亿美元,若持续维护50年,累计的修复费用将是基础设施项目总投资的6倍,而重建又将面临巨额的拆除、重建及环境损害成本。我国既有建筑中,钢筋混凝土结构占绝大比例,长期以来工程结构设计侧重考虑混凝土强度问题,对混凝土耐久性及建筑将来的可维护性缺乏全面考虑,造成一些建筑使用寿命下降,特别是住宅的使用寿命更是与西方有较大的差距,且按照我国当前50年的建筑设计使用年限,由于施工质量、不合理使用及缺乏维护等问题往往很多建筑实际达不到50年的使用年限,更由于对工程结构耐久性认识不够造成在设计阶段只注重建设成本而忽视了维护成本和结构失效造成的垃圾回收和处理成本。以英美为代表的西方国家执行更为经济可持续的全生命周期设计标准,通过全生命周期的结构设计及结构维护往往能够使得建筑的使用寿命超过设计使用寿命。维护阶段混凝土的耐久性问题及钢筋锈蚀问题带来的巨额维护加固成本使得结构工程师们越来越重视工程结构的全生命周期设计及经济评价,本文从全生命周期的角度对工程结构设计及经济评价影响因素进行分析,构建工程结构全生命周期经济评价(Life Cycle Cost Analysis,LCCA)模型及评价流程,统筹工程结构决策、设计、施工及运营维护各阶段设计及经济评价流程,对提高工程结构耐久性及降低全生命周期成本(Life Cycle Cost,LCC)具有实际意义。

LCCA方法起源于美国,由于其在建筑成本控制上的优越性近几年国内诸多学者也对该领域做了诸多结合应用研究。在LCCA与工程结构设计的结合上,范重等从全生命周期的角度对结构耐久性年限、材料及体系进行了深入探讨。庞博分别以经济成本、环境成本等作为目标函数,提出了在气候变化背景下PC桥梁全生命周期综合维护加固优化策略。金伟良,钟小平结合结构全寿命设计的理念分析了结构性能、成本和寿命之间的关系,构建了工程结构全生命周期设计的理论框架。董继伟以全生命周期成本效益分析的角度对装配式结构建筑进行经济分析,对比了装配式建筑结构和现浇建筑结构的全生命周期成本效益,提出促进装配式建筑结构发展的建设性意见。2018年我国修订并推出了新版的《建筑结构可靠性设计统一标准》(GB50068-2018)对工程结构耐久性极限状态设计、材料性能及参数、结构可靠度分析基础和设计方法等做出了新的规定。

影响工程结构全生命周期经济评价的因子包括技术参数和经济参数,技术参数具体涉及结构整体设计、结构构件设计、结构材料性能、可控的可变作用和偶然作用、结构的施工影响因素,具体如表1所示。

经济参数包括工程设计方案研究分析周期、折现率两大参数。在全生命周期经济评价中,研究周期包括工程项目的决策、设计、施工、竣工及运营维护阶段,国内建筑物主体结构的设计使用年限一般为50年,基础设施如桥梁的设计使用年限是100年,而建筑局部构件的使用寿命往往达不到50年或者100年,比如屋面防水层只有10～20年,外墙装饰和地砖一般为40年,斜拉桥的拉索只能使用30年等。工程的实际使用年限与设计、施工及维护情况有关,工程实际使用年限的长短是衡量工程结构设计成败的关键要素。折现率是反映资金时间价值的利息率,折现率的选择与通货膨胀、汇率、资金供给量等因素有关,一个合理的折现率是工程项目方案全生命周期经济评价结果是否合理的关键要素,依据我国《建设项目经济评价方法与参数》(第三版)的规定,建设项目经济评价社会折现率取定为8%。该折现率取值比欧美、日本等发达国家高较多,见表2。过高的折现率会将工程项目方案未来运营维护成本进行粗暴折扣,对长期运营的工程设计方案不利,因此长期运营的项目可以分阶段取定折现率或者取一个相对较低的折现率。

当前工程建设过程中基本只考虑了结构的安全性、可靠性和适用性,而忽视了经济性因素,特别是在结构方案设计时未能从全生命周期经济性的角度执行结构设计方案全生命周期经济评价。工程结构全生命周期经济分析是在工程结构方案技术可行的前提下,从全生命周期的角度在既定的经济参数条件下通过工程建设成本及运营维护成本的预算来分析工程结构设计方案的经济可行性。随着我国大型建筑工程越来越多,出现很多投资巨大、技术环境复杂、维护难度大、维护周期长的“超级工程”,当前只满足结构的安全性的设计方法已经不能满足这些大型工程的要求。如港珠澳大桥、上海中心大厦等工程,从全生命周期经济性的角度要求建成的工程结构具有可维修性、可更换性、可检测性、可加强性、可控性和可持续性六大性能。在结构设计和施工阶段耐久性设计时应考虑各个构件的六大性能,兼顾工程全生命周期成本,在结构设计阶段进行维修检测方案设计,在运营维护阶段执行维修检测方案,定期进行维修、检测和加固,延长工程结构使用寿命,提高工程结构全生命周期经济性。

工程全生命周期成本的高低与工程结构可靠度、工程维护方案息息相关,结构可靠度是工程结构在设计使用寿命及条件下完成使用功能的概率。Frangopol通过采用蒙特卡罗模拟法研究发现在一定范围内,工程结构可靠度越高则建设成本越高,而维护成本则会降低。工程结构全生命周期成本包括建设成本、结构检测成本、预防性维护及加固成本、结构失效损失成本,而融合工程结构可靠度、工程结构失效直接损失和间接损失可得公式(1)。

其中C_I为工程建设成本,C_PM为预防性维护成本,C_INS工程日常检测成本,C_INS为工程加固维护成本,C_FAIL为工程结构失效成本。C_c0为工程结构接近失效时的建设成本,依据文献2的研究成果α=hC₀,h为结构投资平均收益率,B为工程单位检测成本,n_f为工程检测次数,J为单位工程加固维护成本,i为社会折现率,T₁为结构劣化开始时间,T为工程结构实际使用寿命,p_f为工程结构失效概率,C_F1、C_F2分别为工程结构失效造成的直接经济损失和间接经济损失。

预防性维护和加固性维护活动都与结构的可靠度有关,如图1所示。预防性维护是指结构在劣化至最低可靠指标前进行维护加固防止结构失效,具体包括提高可靠指标和减缓劣化速率,西方很多国家在结构可靠度到达一定水平时都会采取预防性加固以提高结构的使用寿命。必要性维护也叫加固性维护,是指当可靠指标劣化至最低要求时进行加固的行为,加固性维护也是为了提高结构的使用寿命所采取的一种干预措施。这两种不同的结构可靠度干预手段都各自拥有各自的优点,在实际工程中都有广泛的运用,大多数工程特别是桥梁工程中经常采用两种干预手段。

工程结构设计方案全生命周期经济评价需要解决几个关键问题:一是明确结构最低可靠度以及结构在各个时间点的失效概率,即确定结构在使用过程中各个时间点的失效概率;二是要确定工程结构经济使用寿命T,而非物理使用寿命;三是要确定运营维护阶段的维修加固策略,具体包括预防性维护方案、加固性维护方案、检测频率、单次预防及加固成本估算等;四是需要足够的已完工程数据,预防性维护成本、加固性维护成本、工程检测成本和工程处置成本的计算需要依据大量的已完工程数据进行计算。

在满足以上条件的情况下,工程结构设计方案全生命周期经济评价需遵循的基本原则是:经济评价的前提必须保障工程结构的安全性,也就是工程结构可靠度要大于工程结构最低可靠度的前提条件下,使得工程全生命周期的经济效益期望值最大化,在工程经济效益无法计算的情况下可使工程全生命周期成本期望值最小化来选择最优工程结构设计方案。绝大多数工程项目其期望收益难以计量,比如道路、桥梁等公共基础设施项目,此种情况下一般只追求全生命周期成本最小化来实现经济评价的目标。

p_s为剩余年限使用期间结构可靠度,p^'_s0为剩余使用期间工程结构最低可靠度。

不同工程结构可靠度函数β_t、工程结构使用寿命T、工程结构劣化开始时间T₁、工程结构劣化率A和结构初始可靠度β₀之间存在函数关系,依据2018年发布的《建筑结构可靠性设计统一标准》(GB50068-2018),几者之间函数关系如下。

有些结构设计会强调提高工程结构初始可靠度,但是高结构初始可靠度带来亦是高额的工程初始建设成本,容易造成浪费,且工程前期造价超过概算也会导致财政审批通不过。如何确定工程结构可靠度必须从全生命周期的角度考虑,平衡好工程结构初始可靠度、工程结构使用寿命、工程结构整体可靠度之间的关系,可通过设定标准取值推导出几者之间的关系。而依据《建筑结构可靠性设计统一标准:GB50068-2018》中的规定,一级结构延性破坏的可靠度取值3.7,可设定最低可靠度指标值为0.85,则β_t=3.7×0.85=3.145,代入公式(2)可得工程结构使用寿命、工程结构初始可靠度及工程结构劣化开始时间三者之间的关系函数。

T=T₁+(β₀-3.145)/A(4)

综合公式(1)、(2)、(3)、(4)可得工程结构全生命周期经济评价的函数如公式(5)所示。

工程结构全生命周期经济评价贯穿决策、设计、施工及运营维护各个阶段,决策阶段对个工程方案进行投资估算经济评价,设计阶段进行设计概算,施工阶段进行施工图预算经济评价,运营维护阶段进行维护成本计算及维护设计方案经济评价。

如图2所示,各阶段从全生命周期经济性的角度所做内容包括:一是进行关键时间参数确定及优化,主要设计工程结构的设计使用年限及剩余使用年限,在决策阶段应借助已完工程数据库进行拟建方案全生命周期成本估算并作为设计阶段最高限额进行限额设计和可持续性设计,在工程设计、施工及使用阶段运用科学检测方法对工程结构可靠度进行计算及测量,定期进行预防性维修和加固维修,优化工程结构的剩余使用寿命,延长工程结构失效时间,减少工程全生命周期成本;二是以工程结构可靠度为目标,进行全生命周期性能优化,设定工程结构可靠度指标优化荷载及抗力取值,进行几何参数、材料参数计算,控制结构施工的质量,优化结构质量、成本管理目标水平,基于可靠度设定其取值、确定规范、优化取值,最后拟定基于优化可靠度的运管维护方案;三是进行基于全生命周期经济评价的方案优化,进行建设成本与运营维护成本之间的合理分配,既要避免过低的建设成本造成高额的运营维护成本,也要避免过高的建设成本造成结算超过概算,在方案设计阶段可以采用限额设计、价值工程等诸多方法用于优化结构设计方案;四是进行可持续性设计,特别是桥梁工程可根据工程结构的“可替换性”和“可强化性”为可持续性设计预留后路,在施工及使用过程中均可根据实际情况进行设计优化或改善,以提高整个工程的使用寿命及经济性。在维护阶段还可采用阴极防护、硅烷涂层、环氧树脂修补等耐久性维护措施,其中如阴极防护就是一种极其有效的耐久性提高措施,利用直流电抵抗钢筋锈蚀以提高使用寿命。

在当前比较流行的装配式建筑结构设计过程中更应注重构件的可持续性、可替换性设计。装配式建筑的设计工作是整个工程建设过程成本控制的关键,必须有一套完整而科学的技术标准作为依托,提高部品部件的通用化和标准化程度。

工程结构设计目前提高耐久性水平的有效措施有采用高性能混凝土、采用耐腐蚀钢筋、混凝土及钢筋中加入阻锈剂及采用新型高性能材料等。目前已研发成功的如再生混凝土、环氧涂层钢筋、双钢筋、万能钢筋钢、碳纤维筋、透水混凝土、清水混凝土、彩色混凝土、泡沫混凝土、玻璃混凝土、稻壳灰掺和料等新型材料正渐渐的应用到工程建设的不同领域,这些新型材料的加入节省了工程建设的全生命周期成本,提高了工程的使用寿命。

如表3所示,可用公式(5)计算各结构耐久性措施LCC净现值。表中数据对桥梁工程所采取的几种氯环境混凝土耐久性加强措施进行全生命周期成本比较,研究了75年内各种工程结构耐久措施的LCC,发现未对工程采取任何防护措施的情况下,工程建设成本固然偏低,但是其结构初始劣化时间也最早,大约15年以后结构开始劣化,就得进行初次维修,初次维修成本就已经是初始建设成本32倍左右,60年内的维护成本更是建设成本的5倍。而在混凝土中掺入硅灰或采用环氧涂层钢筋会使得全生命周期成本有所下降,效果最好的是钢筋阻锈剂和硅灰的同时使用,这也使得该种结构耐久性处理方法得以在工程实践中大力推广应用。

近年来,工程结构维护决策问题得到各地方政府的重视,特别是在桥梁、超大型建筑等重点工程的结构设计过程中如何解决未来的维护问题已成为重点讨论的议题。在工程结构设计中,全生命周期的结构设计理念越来越得到重视,而目前尚缺乏全生命周期结构设计的统一标准和完善的经济评价体系。如何在实践中进行全生命周期结构设计还需要出台相应的标准、切实可行的操作流程以及辅助设计软件,并转变和完善目前的经济评价体系。