路面预防性养护及寿命周期成本分析方法

路面预防性养护及寿命周期成本分析方法作者：朱伟雄摘要：简要介绍预防性养护理念和预防性养护措施，以及寿命周期成本分析方法在道路项目方案比选中的应用。阐述预防性养护与寿命周期成本分析的关系，应用寿命周期成本分析方法进行预防性养护策略方案的效益及成本分析，通过案例分析阐述寿命周期成本分析计算方法。公路路面养护一般分为日常养护、矫正性养护、预防性养护等。通常意义上的养护都是指被动式的矫正性养护，即哪里路面出现破损，就优先进行维修，或称之为“破者优先”(WorstFirst)模式。而预防性养护是一种在路面状况良好的情况下采取的对现有道路系统进行有计划的、基于费用一效益的养护策略。预防性养护实际上是业主对道路的又一次成本投资，成本属于整个寿命周期成本的一部分，成本发生的时间段为整个运营期。为了合理地进行投资，获取最大收益，道路管理者就需要对道路的整个成本进行优化，特别是运营期的成本投入。因此，业主想通过优化选出最具成本效益的养护策略计划，而这个养护方案的效益分析就应选用合适的工具来进行。当前，最为常用的就是寿命周期成本分析法，它比较适合分析长期投资的项目方案。对于这种投资，管理部门不仅要考虑到道路的技术效果，还要考虑经济效果。寿命周期成本分析法主要用来评价经济效果，即评价项目合理或有效利用现有资源的程度。本文介绍预防性养护与寿命周期成本分析方法的关系。1预防性养护及其主要措施路面预防性养护概念是美国在20世纪90年代初提出的。基本理念是：(1)让状态良好的道路系统保持更长时间，延缓未来的破坏，不增加结构承载能力的前提下改善系统的功能状况；(2)在适当的时间，将适用的措施应用在适宜的路面上。预防性养护的核心是要求采用最佳成本效益的养护措施，强调养护管理的计划性。而矫正性养护一般是修补路面的局部损害或对某些特定病害进行养护作业，适用于路面已经发生局部的结构性破损，但还没有波及全局的情况，是一种事后、被动的养护方式，治标不治本，各种局部病害积累起来将形成全局性的结构性破坏，最终导致昂贵的修复(大修)工程。目前用于柔性路面预防性养护的措施主要有：雾封层，石屑封层，超薄冷拌封层(稀浆封层、微表处、开普封层)，薄层及超薄热沥青罩面(密级配混合料、OGFC开级配磨耗层、多孔隙路面、SMA、Novachip超薄粘结磨耗层、封缝)等。2预防性养护与寿命周期成本分析预防性养护的核心就是采用最佳成本效益的养护措施，评估这些措施成本效益的关键方法就是寿命周期成本分析。所谓寿命周期成本分析(Life—CycleCostAnalysis，简称LCCA)，主要是基于某个合理的基础经济指标，对2个或2个以上的备选方案进行比较。综合考虑备选方案在整个使用年限内(从实施开始到最终丧失使用功能为止)的所有费用，包括建设成本、养护成本以及用户成本，并对其进行分析，选出能在使用年限内提供必需的性能且成本最低的方案，即寿命周期成本最低。LCCA法主要用来评价经济效益。因此，被分析的这些方案本身都应具有2个最基本的特点：一是让状态良好的道路保持更长的时间；二是措施的实施应在合适的时间和合适的路面。而且由于这些预防性养护措施都是主动性养护策略，对业主来说是一种提前投资。所以希望所投入成本能发挥到最佳经济效益。LCCA在对成本效益进行对比分析时，对象是养护方案。对同一条道路在同一时间采取的措施方案如果不一样，造成道路的性能变化就不同，从而延长的道路寿命长短也会不同，相应的成本效益也会不同。一般养护方案的比选主要有3个步骤：(1)采取的方案能够提高路面性能路面性能包括舒适性、便利性、安全性或者是寿命周期成本的高低。如果一套方案对上面这些方面都没有任何改善的话，这样的方案就没有理由被采用。(2)备选方案的成本效益评价养护方案的效益应该包括对路面性能的评价，而不需对处理方案本身的性能进行评价。例如，假设在某一路面上要做封层，这时在成本效益分析时应该是将这一路面在进行封层处理后的寿命与另一相似的而未进行封层处理的路面寿命进行比较。封层本身的寿命可能也就只有5年左右，然而它可能会将路面的寿命延长10年。同样，如果实施裂缝封补而使得路面寿命额外延长了若干年，那么在决定养护方案的成本效益性能时就应该考虑路面寿命延长产生的价值。(3)选择最佳养护方案一旦处理方案的成本效益被确定后，便可根据这个指数选出最好的材料以及最为先进的施工技术。3LCCA法对预防性养护策略方案的效益分析预防性养护措施对道路的寿命延长是指当采取养护措施后，路面的性能值提高使得性能衰减到某个水平值的时间推迟出现的时间长度。在实践中，一些常用预防性养护措施能延长的寿命总结如表1所示。预防性养护措施实施后的成本效益变化，主要体现在对路况质量的提高和为后期的养护节约成本，而对路况的质量提高可以通过与不采取任何措施状况下的路况质量做对比。图1所示为采取养护后的性能衰减趋势和不采取养护措施的性能衰减趋势。采取预防性养护措施的成本效益关系可以通过图2、图3表示出来。从图2可以看出，当路况随着时间逐渐衰减，特别是当道路的性能很低时，养护费用成本一般都很大；而在正确的时间采用合适的预防性养护措施后，路况性能有所提升，养护成本会减少且路面的寿命也会相应延长，大修的时间也会推后，次数也会相应减少。从图2中还可以发现：在路面经历了75％的设计寿命，其质量下降40％时，进行预防性养护，假如要花l元钱；如果等路面质量下降到80％，亦即其剩余寿命仅为12％时才进行养护，那么这时通过大修所得到与进行预防性养护所得到相同的路况时所需的费用就为4～5元或更多。更为重要的是，路面质量在很短的时间内就下降了40％，而路面剩余寿命也迅速从60％下降到18％。推迟路面的养护将会面临着路面的大修和重建，这不仅使路面长期处于较低的服务水平，还会造成寿命期的高费用。如图3(a)，如果在路面状况不太好时(新建后第15年)选择罩面(大修)1次，罩面的价格为8万元，则30年的寿命期内的养护维修费用为8万元。如果选择路面状况较好时就进行表面处理，如图3(b)所示(微表处预防性养护措施2次)，其价格每次为2万元，则在服务期内的养护费用为4万元，但后者可以使路面长期保持在良好状态。4LCCA法对预防性养护方案的成本分析一套预防性养护方案，包括多种养护措施，不同措施对道路性能的改善也不同，因此产生的成本效益也会不同。为合理选择这些措施形成一个最佳策略，就需要对其进行优化分析，分析的核心就是对这些措施的成本进行估算分析，即将不同时间点的成本放在同一个基点进行折算，它是对整个道路建设项目进行寿命周期成本分析的一部分，而一条道路的整个寿命周期成本发生的过程可用图4表示。一个道路建设项目的寿命周期成本即总成本就是图4中初始建设、大修、养护所有成本的总和，而初始建设成本、大修成本、养护成本都主要包括材料费、人工费以及现场管理费用，其中大修和养护成本中还涉及到一个现场交通控制的费用。在分析某单个养护措施的成本时，可划分为3部分：实施时所需的业主成本；实施养护时给用户带来不便所造成的用户延期费用成本；安全费用成本。其成本表达式为：式中，MC为每种类型的养护方案实施所需要的业主成本；DC为由于采取养护造成的用户延误成本；SC为由于进行养护所需要的安全成本；N为寿命周期长度；PWF为折现率；Xij等于1，指方案j在第i年内使用，等于0则不被采用。整个成本计算过程中，除了对业主成本、用户成本计算外，还要计算残值。期末残值可能为正，也可能为负。正值代表材料仍可利用，而负值代表处理残余材料的费用比材料本身的价值还要高。可以用计算期末残留的路面材料价值来估算，或者可用初始费用的百分比来估算，它是根据路面残余寿命的百分比或以往经验及历史资料推算的。5LCCA分析计算方法采用LCCA对养护策略方案的成本进行评估时，一般采用考虑资金的时间价值，把不同方案各种现金流量折算在同一基年下的净现值后进行比较。例：某一项目有2个初始方案，方案l的初期建设费为800000元，20年后的修复费为200000元，30年后的期末残值为100000元；方案2的初期建设费为600000元，第12年及22年的修复费分别为300000元和200000元，30年后的期末残值为60000元。分别采用不同的折现率时，其成本总额结果有明显的差异(表2)。计算过程如下：当采用3％折现率时，方案1的成本比较低；而采用5％折现率时，方案2的成本比较低。这时，方案的选择完全受到折现率的影响。分析期也是现值法中一个很重要的影响因素。计算成本时，首先要确定折现率和分析期。采用现值法进行分析，要求每个方案的分析期相同才能进行比较，设计寿命相同时(即设计成同等交通量下具有相同的使用寿命)，新建设计方案可以在相同的计算期内很容易地进行比选。但事实上这种情况很少，大多数情况都在不同的设计寿命期方案间进行比较分析。特别是在采取预防性养护措施后，路面寿命延长，设计方案的寿命就会不同。在以下3种情况下，采用不同的方法来确定分析期：(1)假定各个方案不断重复实施，直到所有方案都一致达到设计寿命，从而将各方案设计寿命的最小公倍数作为分析期。例如，某一项目的水泥混凝土路面方案预估寿命为18年，而沥青混凝土路面方案预估寿命期为12年，这2个方案可以在36年的计算期内进行比较。其中，水泥混凝土重复实施1次，而沥青混凝土重复实施2次。(2)对一个或多个方案增加未来的修复使用期，从而达到相同的计算期。如前例所述，在沥青混凝土方案12年寿命期后，加铺薄层使其延长6年，则可与水泥混凝土路面在18年的分析期内比较。这种调整方法可能比最小公倍数法更符合实际。(3)选取某个方案的设计寿命(首选最短的)作为分析期，其它方案的“剩余寿命”作为其残值。6分析从LCCA在对方案进行比选的结果中可以看出，分析期应该足够长，才能选出最具成本效益的方案。如果以我国规范规定的设计年限作为分析期，并不适合用LCCA法作长期战略的评价。在分析中，以初建期为基年，运营期的成本是整个成本分析的重点，它占整个寿命周期总成本的大部分。运营期的成本包括2部分：(1)业主成本、用户成本；(2)业主成本与用户成本之间相互约束，其总和影响着整个寿命周期成本分析的结果，方案的成本效益表现为用户成本的减少与业主成本增加的比值。因此，合理计算每一次投资即养护的业主成本和用户成本是寿命周期成本分析过程的关键。7结语通过分析及相关概念的介绍，得出以下结论：(1)预防性养护这种主动养护方式，是未来养护管理的发展趋势；(2)预防性养护措施是解决路面功能改善的有效途径；(3)预防性养护的核心是采用最佳成本效益的养护措施，评估这些措施成本效益的关键方法就是寿命周期成本分析；(4)预防性养护措施对道路的寿命延长是当采取养护措施后，路面的性能值提高使得性能衰减到某个水平值的时间推迟出现的时间长度；(5)预防性养护方案分析比选应采用现值法，并要合理取用折现率及分析期。