金偉良，鐘小平，2

(1.浙江大學(xué)結(jié)構(gòu)工程研究所，杭州310058;2.揚州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚州225009)

1 前言

工程結(jié)構(gòu)的完整周期應(yīng)該包括規(guī)劃、設(shè)計、施工、運營、老化及廢除各個階段。可持續(xù)結(jié)構(gòu)工程就是要求結(jié)構(gòu)在設(shè)計中涵蓋上述各個環(huán)節(jié)，并體現(xiàn)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)性、經(jīng)濟發(fā)展可持續(xù)性和社會文化可持續(xù)性?，F(xiàn)有的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，無論是容許應(yīng)力法、極限狀態(tài)法還是可靠性方法，主要針對施工完成后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，僅僅體現(xiàn)了上述諸多環(huán)節(jié)中結(jié)構(gòu)設(shè)計這一環(huán)?？梢?，現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計理論已不能滿足建造可持續(xù)發(fā)展工程的需要。為了使新建工程結(jié)構(gòu)的全壽命性能(安全、適用、耐久、經(jīng)濟、美觀、生態(tài)等)達到最優(yōu)或優(yōu)化，最終實現(xiàn)可持續(xù)結(jié)構(gòu)工程的目標(biāo)，以美國為首的一些國家，率先在建筑領(lǐng)域提出了工程結(jié)構(gòu)“全壽命經(jīng)濟分析”(life cycle cost analysis，LCCA)的概念，也稱做“壽命期成本分析”［1～5］。美國ISO標(biāo)準(standard 15686)對“全壽命經(jīng)濟分析”給出的定義是:“它是工程項目費用的評估方法，旨在優(yōu)選、對比實現(xiàn)壽命目標(biāo)的不同措施，即包括初建成本也包括之后的一切運行、維護費用”。LCCA法既是政府法令，又是工程投資的評估、計算方法。設(shè)計、工程承包和投資方都要以“全壽命”為出發(fā)點，為保證規(guī)定的工程使用年限，采取技術(shù)、經(jīng)濟合理的戰(zhàn)略措施。工程結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計的理念正逐步被世界主要國家的結(jié)構(gòu)工程研究者所接受，有可能促成新一代結(jié)構(gòu)設(shè)計理論和方法的變革。由于這種新的設(shè)計理念正處于孕育和發(fā)展之中，有許多科學(xué)問題需要研究解決。

2 工程結(jié)構(gòu)全壽命周期設(shè)計目標(biāo)體系

工程結(jié)構(gòu)實施全壽命周期設(shè)計，首先必須從“全壽命”的角度出發(fā)，建立工程結(jié)構(gòu)全壽命周期設(shè)計的目標(biāo)體系。目標(biāo)體系的建立應(yīng)能夠反映結(jié)構(gòu)在整個壽命期間的要求，既要考慮當(dāng)前的利益，又要考慮后期的風(fēng)險;既要重視結(jié)構(gòu)建設(shè)的初始造價，又要考慮到壽命周期內(nèi)所需的費用;既要考慮節(jié)約資源，又要保證工程質(zhì)量，同時還要兼顧對環(huán)境、社會造成的影響以及可持續(xù)發(fā)展的需要［6］。按照上面的要求與思路，綜合國內(nèi)外對全壽命周期工程項目目標(biāo)體系的研究成果［7］，筆者將工程結(jié)構(gòu)全壽命周期設(shè)計的目標(biāo)體系分解為兩部分 :一是核心目標(biāo);二是綠色目標(biāo)。

1)核心目標(biāo)。體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計的最初本意，包括三部分:質(zhì)量可靠目標(biāo)、經(jīng)濟優(yōu)化目標(biāo)和時間優(yōu)化目標(biāo)。三大核心目標(biāo)各自又有豐富的內(nèi)涵，見圖1。

圖1 工程結(jié)構(gòu)全壽命周期設(shè)計目標(biāo)體系構(gòu)成Fig.1 Target systems constitute of design on engineering structures in whole life-cycle

質(zhì)量可靠目標(biāo)、經(jīng)濟優(yōu)化目標(biāo)和時間優(yōu)化目標(biāo)構(gòu)成了工程結(jié)構(gòu)全壽命周期設(shè)計目標(biāo)體系的基礎(chǔ)，反映了人們對工程設(shè)計現(xiàn)實性的思維。質(zhì)量、經(jīng)濟(費用)和時間優(yōu)化目標(biāo)之間的內(nèi)在聯(lián)系十分復(fù)雜，追求較高的質(zhì)量可靠目標(biāo)，可有效地延長結(jié)構(gòu)的使用壽命，提高結(jié)構(gòu)全壽命的收益，但也必然會增加結(jié)構(gòu)全壽命成本的投入;追求費用的最優(yōu)化，必須確知各項時間指標(biāo)，且須以工程結(jié)構(gòu)的質(zhì)量可靠為前提;追求各項時間指標(biāo)的優(yōu)化，其實質(zhì)是在工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量可靠的基礎(chǔ)上追求經(jīng)濟的最優(yōu)化。因此，工程結(jié)構(gòu)全壽命周期設(shè)計研究的基本目的就是要科學(xué)地認識質(zhì)量、經(jīng)濟、時間三大核心指標(biāo)之間的內(nèi)在聯(lián)系，找到合理的平衡點，從而有效地處理它們之間的關(guān)系。

2)綠色目標(biāo)。綠色目標(biāo)是核心目標(biāo)的發(fā)展和深化，反映了理性、哲學(xué)的思維。綠色目標(biāo)主要有:用戶滿意目標(biāo)、社會和環(huán)境目標(biāo)以及可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

用戶滿意目標(biāo)是使與工程項目發(fā)生各類關(guān)系的不同群體(如用戶、投資者、業(yè)主等)，在各方面利益達到一定的平衡，使各方面滿意。

社會及環(huán)境目標(biāo)是指工程項目在建設(shè)、運營和廢除的過程中對社會及生態(tài)環(huán)境應(yīng)有良好、正面、積極的影響，如注重工程項目對公共團體、社會文化、風(fēng)俗習(xí)慣、宗教信仰等的社會性影響;在工程結(jié)構(gòu)的壽命周期內(nèi)不產(chǎn)生環(huán)境污染，符合法律規(guī)定的環(huán)保指標(biāo);保持健康的生態(tài)，如防止植被的破壞，水土流失，動植物滅絕等;節(jié)約使用自然資源，特別是對不可再生的資源，如土地、水、礦物資源等。工程項目作為人們改造自然的行為，它的過程和最終結(jié)果應(yīng)與自然融為一體，互相適應(yīng)，和諧共處。

可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)是指工程項目不僅符合可持續(xù)發(fā)展，同時還能促進地區(qū)及城市可持續(xù)發(fā)展的要求，并且還具有自身可持續(xù)發(fā)展的能力。工程結(jié)構(gòu)的整個壽命期內(nèi)，結(jié)構(gòu)的使用功能穩(wěn)定，具有持續(xù)性，當(dāng)功能需求發(fā)生變化時，能方便地進行功能更新或轉(zhuǎn)型。

工程結(jié)構(gòu)全壽命周期設(shè)計中，首先必須實現(xiàn)核心目標(biāo)中的質(zhì)量、經(jīng)濟、時間三大核心目標(biāo)才有可能使各方面滿意，各方面滿意的目標(biāo)中也有與社會及環(huán)境協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展相關(guān)的內(nèi)容。社會及環(huán)境協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展是互相聯(lián)系的，沒有與社會及環(huán)境協(xié)調(diào)，就不可能有可持續(xù)發(fā)展。

3 工程結(jié)構(gòu)全壽命周期設(shè)計指標(biāo)體系

從全壽命周期設(shè)計的角度來看，質(zhì)量可靠目標(biāo)不僅包括設(shè)計的質(zhì)量，還包括施工質(zhì)量、壽命期內(nèi)的運營質(zhì)量，它的核心是要保證工程結(jié)構(gòu)在全壽命周期內(nèi)的安全性、適用性、耐久性、舒適性和其他相關(guān)的特殊性能，因此，在全壽命周期設(shè)計中可通過對結(jié)構(gòu)各項技術(shù)性能指標(biāo)的設(shè)計來滿足質(zhì)量可靠目標(biāo)的要求，當(dāng)采用結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)來滿足質(zhì)量可靠目標(biāo)要求時，設(shè)計問題的關(guān)鍵就轉(zhuǎn)化為對結(jié)構(gòu)全壽命性能指標(biāo)的分析、確定，對各項性能指標(biāo)的把握和控制等。

工程結(jié)構(gòu)全壽命周期的經(jīng)濟優(yōu)化目標(biāo)是建立在質(zhì)量可靠目標(biāo)基礎(chǔ)之上的，工程項目的實施實質(zhì)上是一種資金的投入，其內(nèi)在要求是在全壽命周期內(nèi)以最小的投入獲得最大的效益來滿足經(jīng)濟優(yōu)化目標(biāo)的要求。全壽命設(shè)計理論與方法強調(diào)結(jié)構(gòu)壽命期內(nèi)的經(jīng)濟性而不是初始一次性投資，必須將結(jié)構(gòu)檢測、維修加固等的費用反映在結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟指標(biāo)中，同時還需要綜合考慮結(jié)構(gòu)全壽命周期性能、使用壽命、對生態(tài)環(huán)境的影響、可持續(xù)發(fā)展的能力等。

工程項目的時間優(yōu)化目標(biāo)，不僅包括建設(shè)期、投資回收期、維修或更新改造的周期等，從全壽命周期設(shè)計的角度來看，更重要的是結(jié)構(gòu)的使用壽命指標(biāo)。結(jié)構(gòu)的使用功能及性能會隨著時間不斷發(fā)生變化，且資金又具有時間價值，因此，各項措施所屬的時間指標(biāo)取值的不同，將直接影響到結(jié)構(gòu)后續(xù)使用功能及性能的變化情況，且全壽命的成本及效益也將不同。使用壽命是工程結(jié)構(gòu)最重要的時間指標(biāo)，它的大小將在很大程度上直接影響經(jīng)濟優(yōu)化的結(jié)果和結(jié)構(gòu)初建的質(zhì)量可靠水平以及后續(xù)的維護維修管理程度。

綜上所述，由工程結(jié)構(gòu)全壽命周期設(shè)計三大核心目標(biāo)出發(fā)，產(chǎn)生了工程結(jié)構(gòu)全壽命周期設(shè)計研究的三大核心指標(biāo)，即時間指標(biāo)、性能指標(biāo)和經(jīng)濟指標(biāo)，見圖2。

圖2 工程結(jié)構(gòu)全壽命周期設(shè)計指標(biāo)體系Fig.2 Index systems of design on engineering structures in whole life-cycle

由綠色目標(biāo)決定的綠色指標(biāo)如公眾對工程項目 的滿意度指標(biāo)、項目的環(huán)境評價指標(biāo)、項目的可持續(xù)發(fā)展能力指標(biāo)等，由于影響因素十分復(fù)雜，目前尚難以定量的進行研究，只能進行定性的分析。

4 工程結(jié)構(gòu)全壽命周期設(shè)計階段劃分

在工程結(jié)構(gòu)的整個生命歷程中，不同的階段結(jié)構(gòu)三大核心指標(biāo)研究的內(nèi)容和重點有所不同，因此，將結(jié)構(gòu)全壽命周期性能、經(jīng)濟及壽命分析研究的過程劃分為規(guī)劃—設(shè)計—施工—運營—老化—廢除幾個階段。各個階段具體研究的內(nèi)容及其關(guān)系見圖3。

圖3 工程結(jié)構(gòu)全壽命周期理論研究基本內(nèi)容及其關(guān)系Fig.3 Basic contents and their relationship for life cycle research of engineering structures

1)規(guī)劃設(shè)計階段:主要針對工程項目的目標(biāo)使用要求，依據(jù)各類行業(yè)的技術(shù)規(guī)范、行政規(guī)定等進行技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境、可持續(xù)發(fā)展等方面的分析和論證。在各方面協(xié)調(diào)的情況下，從技術(shù)層面上合理確定結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用壽命，設(shè)計的目標(biāo)可靠水平，并據(jù)此設(shè)計結(jié)構(gòu)的幾何及材料參數(shù)，標(biāo)定結(jié)構(gòu)設(shè)計的荷載和抗力分項系數(shù)以進行基于可靠性的結(jié)構(gòu)設(shè)計，優(yōu)化結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計水平，進行必要的耐久性設(shè)計加強和設(shè)計防護，確定設(shè)計的檢測維護決策，在此基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)進行全壽命成本的預(yù)測及大致分配。

2)施工階段:施工階段是運用一定的方法、工具和材料將圖紙結(jié)構(gòu)變?yōu)楝F(xiàn)實空間實體的過程。施工過程中，需對各類設(shè)計參數(shù)進行施工控制，并考慮合理的人為錯誤作用影響，使施工后的結(jié)構(gòu)實體滿足設(shè)計的要求。

3)運營及老化階段:工程結(jié)構(gòu)在作用、環(huán)境及材料內(nèi)部因素影響下，結(jié)構(gòu)性能逐漸劣化，抗力下降，可靠性降低。根據(jù)對結(jié)構(gòu)可靠性能的預(yù)測及可允許的管理措施成本，建立工程結(jié)構(gòu)全壽命的管理措施優(yōu)化決策方法，以指導(dǎo)對實際結(jié)構(gòu)進行檢測、維護和必要的維修，并滿足結(jié)構(gòu)全壽命周期核心目標(biāo)的要求。

4)廢除階段:建立結(jié)構(gòu)使用壽命判定準則，優(yōu)化決策工程結(jié)構(gòu)壽命的終止時間，同時包含了壽命終止之后的結(jié)構(gòu)拆除等。在拆除過程中，不同結(jié)構(gòu)也將產(chǎn)生不同的廢除費用或者效益。

5 工程結(jié)構(gòu)全壽命周期核心指標(biāo)研究

5.1 時間指標(biāo)

使用壽命是工程結(jié)構(gòu)全壽命周期設(shè)計中影響最大的時間指標(biāo)，對結(jié)構(gòu)全壽命周期性能和成本分析都將產(chǎn)生較大的影響，因此其確定應(yīng)綜合考慮技術(shù)、功能和經(jīng)濟等方面的因素。使用壽命主要包括設(shè)計使用壽命、技術(shù)性使用壽命、功能性使用壽命和經(jīng)濟性使用壽命。

結(jié)構(gòu)設(shè)計使用壽命是設(shè)計人員預(yù)定據(jù)以進行設(shè)計的壽命，是建筑工程的地基基礎(chǔ)工程和主體結(jié)構(gòu)工程的“合理使用年限”的具體化。但是，主體結(jié)構(gòu)建成后的實際使用年限必然會隨荷載條件、環(huán)境條件、結(jié)構(gòu)材料性能和施工質(zhì)量等多種因素的變異而變化，因而與結(jié)構(gòu)的設(shè)計承載能力相似，設(shè)計使用年限也必須有足夠的保證率，在統(tǒng)計概念上它并不是預(yù)期的平均值。理論上，結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限的保證率與構(gòu)件使用年限的保證率并不一定相同，同一結(jié)構(gòu)不同構(gòu)件的保證率也不盡相同，詳盡的分析需要針對各個使用年限終結(jié)狀態(tài)量化并明確基本分析變量，顯然，現(xiàn)有的研究積累并不足以支持該層次上的理論研究，因此，實際確定時可作簡化處理，結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件與結(jié)構(gòu)取相同的保證率，可替換構(gòu)件的保證率可與結(jié)構(gòu)保證率不同。

結(jié)構(gòu)設(shè)計使用壽命是針對主體結(jié)構(gòu)而言，并不表示各種部件都能達到這一要求。即使是結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件，有時也不能都達到所要求的結(jié)構(gòu)使用壽命而需要在使用過程中加以更換。結(jié)構(gòu)整體不同構(gòu)件的使用壽命存在差異，因此，需對具有不同使用壽命的不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行有效的壽命匹配優(yōu)化設(shè)計。

工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用壽命在一定程度上反映了結(jié)構(gòu)的重要性，設(shè)計使用壽命越高其重要性程度也普遍越高，結(jié)構(gòu)的作用尤其是可變作用的取值越大，對結(jié)構(gòu)材料性能及設(shè)計可靠水平等方面的要求也越高，結(jié)構(gòu)初期投資和全壽命期內(nèi)的總投資將升高。設(shè)計使用壽命的確定需要綜合考慮結(jié)構(gòu)類型的重要性程度、經(jīng)濟性、材料本身的性能等因素。在實際設(shè)計中，設(shè)計者可根據(jù)有關(guān)規(guī)范標(biāo)準與業(yè)主和用戶共同確定結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用壽命，或者通過對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件實際使用壽命的調(diào)查分析，得到其使用壽命的分布范圍及統(tǒng)計規(guī)律，借以進行參考確定。

對技術(shù)使用壽命的要求關(guān)鍵是要掌握建筑物的荷載效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力變化的規(guī)律。目前對結(jié)構(gòu)常遇荷載已有了較全面的把握，但是對災(zāi)害荷載(火災(zāi)、爆炸、沖擊等)的預(yù)測方面還十分薄弱。在抗力衰減方面的預(yù)測模型一般還限于鋼筋銹蝕、混凝土的碳化、硫酸鹽侵蝕、凍融等單項影響因素的描述。結(jié)構(gòu)的技術(shù)使用壽命涉及結(jié)構(gòu)的安全性、適用性、耐久性等性能指標(biāo)，要準確預(yù)測結(jié)構(gòu)的技術(shù)使用壽命，關(guān)鍵是對各項性能指標(biāo)的極限狀態(tài)進行標(biāo)定，即確定失效準則。

結(jié)構(gòu)功能性使用壽命的確定與業(yè)主的要求及設(shè)計人員的許諾有關(guān)，也與社會、經(jīng)濟的快速發(fā)展對結(jié)構(gòu)使用功能要求的提高或改變有關(guān)。對功能性使用壽命的確定，主觀性較大，有可能取決于某個或某些人員的決策，或某些部門的行政命令。

結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟使用壽命確定需對結(jié)構(gòu)進行全壽命的宏觀經(jīng)濟分析，將工程結(jié)構(gòu)作為投資對象來考慮，以投資的回報效益進行使用壽命的確定。一般工程領(lǐng)域可采用全壽命周期成本(LCC)、效益－成本率(BCR)、內(nèi)部回報率(IRR)、純利(NB)、投資回收率(PB)等指標(biāo)或者方法來進行分析。

結(jié)構(gòu)的使用壽命還是結(jié)構(gòu)全壽命經(jīng)濟分析的時間周期，不僅影響折現(xiàn)率的選取，還直接影響了分析的結(jié)果。出于節(jié)約資源和可持續(xù)發(fā)展的需要以及維修、拆除所帶來的巨大經(jīng)濟損失，國際上對基礎(chǔ)設(shè)施工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限有進一步延長的趨勢。

5.2 性能指標(biāo)

工程結(jié)構(gòu)全壽命周期性能的優(yōu)劣可以用各類不同的性能指標(biāo)來反映，如可靠性指標(biāo)和狀態(tài)指標(biāo)。結(jié)構(gòu)的可靠性指標(biāo)主要有安全性、適用性、耐久性。結(jié)構(gòu)的狀態(tài)指標(biāo)主要是指用肉眼或儀器來觀測確定的結(jié)構(gòu)承載能力。結(jié)構(gòu)的狀態(tài)指標(biāo)可大致地反映構(gòu)件是處于正常狀態(tài)還是非正常狀態(tài)。由于結(jié)構(gòu)性能具有時變性［8］，因此工程結(jié)構(gòu)全壽命性能設(shè)計應(yīng)針對各個階段結(jié)構(gòu)性能的特點，結(jié)構(gòu)功能需求以及設(shè)計要求，提出相應(yīng)的設(shè)計控制指標(biāo)，以滿足結(jié)構(gòu)在規(guī)定的壽命期內(nèi)總體性能最優(yōu)的目標(biāo)。

在結(jié)構(gòu)施工建造期，由于結(jié)構(gòu)還未形成整體的受力骨架，施工中的荷載作用與結(jié)構(gòu)使用期的設(shè)計荷載作用有顯著差別，人為錯誤以及缺乏有效的規(guī)范體系保證等因素，結(jié)構(gòu)往往表現(xiàn)出較高的失效概率;在結(jié)構(gòu)正常使用階段，由于這些因素被消除或得到控制，結(jié)構(gòu)的失效概率降低;在結(jié)構(gòu)使用若干年以后，結(jié)構(gòu)由于材料性能的退化、使用過程中累積起來的各種損傷等因素，使得結(jié)構(gòu)的失效概率再次升高［9］。為確保結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，必須對結(jié)構(gòu)全壽命周期各個階段的失效概率或者風(fēng)險進行分析與控制。

在結(jié)構(gòu)的運營及老化階段，結(jié)構(gòu)性能變化的最根本原因是結(jié)構(gòu)耐久性問題的存在。因此，從全壽命周期的意義上對結(jié)構(gòu)耐久性問題的研究，不能僅僅局限于材料的性能劣化和損耗的結(jié)果上，必須考慮結(jié)構(gòu)耐久性損傷對結(jié)構(gòu)安全性、適用性及其他性能的影響，即對結(jié)構(gòu)進行全壽命周期耐久性的設(shè)計。在現(xiàn)行的國家標(biāo)準GB50068—2001中，由于沒有耐久性極限狀態(tài)的判別標(biāo)準，其設(shè)計就缺少了目標(biāo)，無法形成用失效概率表述的極限狀態(tài)方法。因此，確定結(jié)構(gòu)耐久性的極限狀態(tài)是結(jié)構(gòu)全壽命周期耐久性設(shè)計最為重要的因素之一。從已有對結(jié)構(gòu)性能變化發(fā)展的過程以及耐久性對安全性和適用性影響的研究來看［10～12］，結(jié)構(gòu)耐久性是結(jié)構(gòu)的綜合性能，耐久性就是要反映結(jié)構(gòu)性能(包括安全性、適用性等)的變化程度，從這個意義上來說，考慮一種全壽命周期基于性能設(shè)計的耐久性極限狀態(tài)是可行的，也是合理的。這種耐久性的性能極限狀態(tài)應(yīng)具有以下特點:a.動態(tài)性，在結(jié)構(gòu)全壽命周期內(nèi)，每一個特定的時間點所對應(yīng)的結(jié)構(gòu)性能都是不同的，使用者對結(jié)構(gòu)的目標(biāo)期望性能可以根據(jù)需要而變化，即可以定義不同的性能極限狀態(tài)。每一種性能極限狀態(tài)，體現(xiàn)了業(yè)主或使用者對結(jié)構(gòu)某項性能的要求。因此，性能極限狀態(tài)是動態(tài)的性能狀態(tài)。b.性能極限狀態(tài)包涵了安全性、適用性以及其他性能的關(guān)鍵點。由于性能極限狀態(tài)可以根據(jù)使用者的需要來定義，而這些需要可以是安全性的，也可以是適用性的，還可能是其他如混凝土碳化、鋼筋銹蝕等方面。如若以混凝土碳化達到鋼筋表面作為結(jié)構(gòu)使用壽命終結(jié)的標(biāo)準，那么混凝土碳化到鋼筋表面的深度這一事件便是相應(yīng)的性能極限狀態(tài)。因此，性能極限狀態(tài)不僅僅局限于與安全性、適用性有關(guān)的性能，還可以是其他方面的性能。c.性能極限狀態(tài)可根據(jù)用戶的特殊要求來確定，如結(jié)構(gòu)的振動、視覺、采光、噪聲、外觀等性能的特殊要求。d.性能極限狀態(tài)可通過經(jīng)濟與技術(shù)的可行性比較確定，如某結(jié)構(gòu)當(dāng)采取維修、加固、更換等措施已經(jīng)不經(jīng)濟或技術(shù)上難以實現(xiàn)時，即可認為該結(jié)構(gòu)達到了經(jīng)濟或技術(shù)性能指標(biāo)的性能極限狀態(tài)。

在工程結(jié)構(gòu)全壽命周期性能分析中，除了考慮施工、運營及老化等各個階段的荷載對結(jié)構(gòu)性能的影響外，還需要考慮各種偶然災(zāi)害作用下結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性問題。偶然災(zāi)害包括火災(zāi)、爆炸和沖擊等。結(jié)構(gòu)在災(zāi)害作用下的安全性問題均有一個共同特點:在結(jié)構(gòu)的整個生命周期內(nèi)，高強度的災(zāi)害作用出現(xiàn)的可能性很小，但是一旦出現(xiàn)將產(chǎn)生很大的荷載效應(yīng)或災(zāi)難性的破壞作用。顯然，為保障結(jié)構(gòu)的安全性而把結(jié)構(gòu)設(shè)計得足夠強，以抵御所有可能的災(zāi)害作用的想法不切實際，一個比較實際的辦法是把災(zāi)害作用引起的風(fēng)險降低到一個可以接受的水平以內(nèi)。

5.3 經(jīng)濟指標(biāo)

1)工程結(jié)構(gòu)全壽命經(jīng)濟分析的時間周期和資金折現(xiàn)率選擇。a.時間周期。目前，一般投資項目的財務(wù)評價計算期不超過20年［13］，我國建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范規(guī)定普通房屋和構(gòu)筑物的設(shè)計使用年限是50年，特殊重要建筑物是100年及以上?？梢?，對工程建設(shè)項目，尤其是大型的基礎(chǔ)設(shè)施工程項目，20年的財務(wù)評價計算期顯然不能反映工程結(jié)構(gòu)的真實經(jīng)濟狀況。因此，工程結(jié)構(gòu)全壽命經(jīng)濟分析的時間周期應(yīng)取為工程結(jié)構(gòu)的實際使用壽命，當(dāng)設(shè)計階段對工程結(jié)構(gòu)全壽命周期成本進行預(yù)測時，此時間周期可取為工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用壽命。b.資金的折現(xiàn)率。工程結(jié)構(gòu)項目全壽命經(jīng)濟分析的折現(xiàn)率通常是在實際利率的基礎(chǔ)上確定的實際折現(xiàn)率，不考慮通貨膨脹的影響。由于工程項目經(jīng)濟分析的時間周期很長，所以折現(xiàn)率的選擇對項目的經(jīng)濟分析尤為重要。根據(jù)對世界主要國家折現(xiàn)率的研究分析，工程結(jié)構(gòu)全壽命經(jīng)濟分析的折現(xiàn)率可取為2%～3%。

2)工程結(jié)構(gòu)全壽命周期成本構(gòu)成。在工程結(jié)構(gòu)的整個壽命期內(nèi)，根據(jù)成本發(fā)生的主體不同，可分為機構(gòu)成本、社會成本和用戶成本三部分［14］，詳見圖1。

機構(gòu)成本是項目在全壽命周期內(nèi)發(fā)生在結(jié)構(gòu)本身上的投資總和;用戶成本是當(dāng)結(jié)構(gòu)性能降低到一定程度，或由于某些措施的實行，可能造成工程結(jié)構(gòu)使用功能的不完全而產(chǎn)生的費用。如工程維修時，因項目停產(chǎn)造成的損失等，這些成本除了考慮相關(guān)措施的機構(gòu)成本之外，尚需考慮間接的額外損失成本;社會成本是指工程項目本身以及由于施工建造、檢測維護及維修加固等工作對社會及環(huán)境的影響通過折算成貨幣后的總成本。

在全壽命周期成本組成中，機構(gòu)成本是最直接的成本，用戶成本和社會成本由于影響因素極為復(fù)雜，很難進行定量的分析。因此，目前在全壽命周期經(jīng)濟分析中重點關(guān)注的仍然是機構(gòu)成本。工程結(jié)構(gòu)的機構(gòu)成本應(yīng)包括初始投資和后續(xù)投資兩部分:第一部分指初始建設(shè)成本，包括建設(shè)時的規(guī)劃、設(shè)計、施工等相關(guān)費用;第二部分是為了保證工程結(jié)構(gòu)達到設(shè)計使用壽命所必須的后續(xù)費用，包括整個壽命期內(nèi)的檢測、維護、維修和改造等的費用，大量工程實踐表明，這一部分的費用相當(dāng)可觀。應(yīng)當(dāng)看到，機構(gòu)成本中后續(xù)費用的產(chǎn)生，其主要原因也是由于結(jié)構(gòu)耐久性問題的存在。因此，工程項目全壽命周期機構(gòu)成本優(yōu)化的核心就是充分考慮結(jié)構(gòu)耐久性影響的基礎(chǔ)上，平衡初始投入和后續(xù)投入之間的關(guān)系。在規(guī)劃設(shè)計階段，決策設(shè)計人員可根據(jù)已有的知識和資料，對工程對象在整個壽命期內(nèi)的性能進行預(yù)測，并估算全壽命成本，提供工程建造的一次性投資費用和在預(yù)期使用壽命內(nèi)的維修、檢測費用、修復(fù)或更換部件的費用以及結(jié)構(gòu)失效可能造成的損失。這需要設(shè)計人員站在全壽命周期的角度上，合理選擇材料、施工工藝，對使用過程中的正常維修與檢測等提出要求。有時只需增加不多的初期投入，就可以大為改善結(jié)構(gòu)的耐久性能，延長使用壽命。例如適當(dāng)提高混凝土材料的強度等級，能夠大量節(jié)約以后使用期內(nèi)的維修費用;在運營階段，除了正常維護外，可能還要進行若干次的修復(fù)，每次修復(fù)后結(jié)構(gòu)的性能提高，使用壽命得以延長。何時進行結(jié)構(gòu)修復(fù)需要進行綜合的技術(shù)分析和經(jīng)濟分析，不一定要等到結(jié)構(gòu)達到性能最低要求時再采取修復(fù)措施。修復(fù)時點的選擇及修復(fù)程度的確定，對結(jié)構(gòu)全壽命周期成本及性能都將產(chǎn)生一定的影響;在廢除階段，工程項目與其他生產(chǎn)設(shè)備不同，廢除時可能有較少的價值，但一般情況下，可能沒有價值甚至反而有負價值，因此，結(jié)構(gòu)廢除產(chǎn)生的費用也作為成本來對待。

工程項目在運營中突然中斷，如結(jié)構(gòu)突然性的倒塌。這時不僅將產(chǎn)生巨大的直接和間接經(jīng)濟損失，還會產(chǎn)生次生災(zāi)害、政治損失(主要指由此產(chǎn)生的社會不良影響)、生命損失等，這些損失折算成貨幣成本在數(shù)值上可能是巨大的，也是困難的，通常在全壽命經(jīng)濟分析中做簡化處理。

3)工程結(jié)構(gòu)全壽命周期各項成本的預(yù)測模型。工程結(jié)構(gòu)全壽命周期內(nèi)具有多種不同的成本形式，其性質(zhì)、影響因素、相關(guān)信息量等都存在著一定的差別，因此，需從各項成本的內(nèi)在變化規(guī)律出發(fā)，建立不同的成本預(yù)測模型。根據(jù)上述成本的構(gòu)成方式，機構(gòu)成本中主要包括:初始建設(shè)成本、檢測維護成本、維修改造成本和項目殘值。為了便于實際工程運用并與當(dāng)前結(jié)構(gòu)設(shè)計方法相協(xié)調(diào)，各項成本模型建立可根據(jù)工程項目的實際情況并結(jié)合工程概預(yù)算來確定。其中成本計算中各項取費標(biāo)準按國家標(biāo)準執(zhí)行。

通過對三大核心指標(biāo)的分析可以看出，時間指標(biāo)、性能指標(biāo)和經(jīng)濟指標(biāo)與現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中同一表述內(nèi)容的指標(biāo)內(nèi)涵有本質(zhì)的區(qū)別。時間指標(biāo)是充分考慮結(jié)構(gòu)耐久性的基礎(chǔ)上，綜合了技術(shù)、功能和經(jīng)濟等因素的壽命設(shè)計指標(biāo)。性能指標(biāo)是涵蓋了施工期、使用期和老化期的可靠度性能指標(biāo)。經(jīng)濟指標(biāo)是全壽命的成本經(jīng)濟指標(biāo)，包括了初始建設(shè)成本和之后的一切運行、維護費用等。三大核心指標(biāo)之間的研究內(nèi)容相互滲透，相互制約，需要綜合考慮并進行優(yōu)化設(shè)計。

6 結(jié)語

1)文章構(gòu)建了工程結(jié)構(gòu)全壽命周期設(shè)計的目標(biāo)體系，該體系分為核心目標(biāo)和綠色目標(biāo)兩部分。從全壽命目標(biāo)體系出發(fā)，構(gòu)建了工程結(jié)構(gòu)全壽命周期設(shè)計的指標(biāo)體系，確定了工程結(jié)構(gòu)時間指標(biāo)、性能指標(biāo)、經(jīng)濟指標(biāo)在全壽命設(shè)計指標(biāo)體系中的核心地位。

2)耐久性問題是影響工程結(jié)構(gòu)全壽命周期性能、成本和使用壽命等最主要的因素，尤其是對處于惡劣環(huán)境條件下的工程結(jié)構(gòu)影響更為嚴重，因此，進行結(jié)構(gòu)全壽命周期設(shè)計時必須考慮耐久性的影響并對其進行耐久性設(shè)計。對結(jié)構(gòu)進行耐久性設(shè)計的關(guān)鍵是盡快建立耐久性的極限狀態(tài)判別標(biāo)準。筆者等在充分認識耐久性對結(jié)構(gòu)性能、成本及使用壽命影響的基礎(chǔ)上，提出了一種基于性能設(shè)計的耐久性失效準則，并指出了耐久性性能極限狀態(tài)所具有的特點。

3)工程項目實施全壽命周期設(shè)計的新理念，就是合理地確定工程結(jié)構(gòu)的使用壽命，以對象的整個壽命期為研究時間，充分考慮壽命期內(nèi)工程結(jié)構(gòu)性能的變化，以工程項目的成本效益分析為手段，對工程項目進行決策、設(shè)計、施工、運行、維護及維修乃至報廢等管理措施。全壽命周期設(shè)計能有效地提高各項決策的科學(xué)性和合理性，在降低工程項目的全壽命成本的同時，使技術(shù)上的可靠性與項目投資的經(jīng)濟性達到最優(yōu)化，使項目的決策方案、設(shè)計方案、施工方案、維修、維護及加固方案更加合理，促進環(huán)境友好和資源節(jié)約，實現(xiàn)工程建設(shè)項目的可持續(xù)發(fā)展。因此，推行工程項目全壽命周期設(shè)計，具有重大的現(xiàn)實意義。

4)實施工程結(jié)構(gòu)全壽命周期設(shè)計，不僅涉及到設(shè)計理論、設(shè)計方法的調(diào)整，還涉及到政策、法規(guī)的調(diào)整，需要盡快建立一套與全壽命理論相適應(yīng)的政策法規(guī)和技術(shù)體系。

［1］Sarja A.Integrated Life Cycle Design of Structures［M］.New York:Taylor＆ Hancis Group，2002.

［2］American Institute of Architects.Life Cycle Cost Analysis:A Guide for Architects［M］.USA:American Library Association，1977.

［3］Ockwell A.Pavement management:development of a life cycle costing technique［R］.Australian:Bureau of Transport and Communication Occasional Paper 100，Australian Government Publishing Service，1999.

［4］Arditid，Messiha H.Life cycle cost analysis in municipal organization［J］.Journal of Infrastructure System，1999，5(1):1－10.

［5］Asiedu Y.Life cycle cost analysis and probabilistic cost estimating in engineering design［D］.Canada:University of Calgary，2000.

［6］陳肇元，徐有鄰.土建結(jié)構(gòu)工程的安全性與耐久性［J］.建筑技術(shù)，2002，33(4):248 －253.

［7］陳 光，成 虎.建設(shè)項目全壽命期目標(biāo)體系研究［J］.土木工程學(xué)報，2004，37(10):87 －91.

［8］金偉良，趙羽習(xí).混凝土結(jié)構(gòu)耐久性［M］.北京:科學(xué)出版社，2002.

［9］金偉良，宋志剛，趙羽習(xí).工程結(jié)構(gòu)全壽命可靠性與災(zāi)害作用下的安全性［J］.浙江大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版，2006，40(11):1862－1868.

［10］金偉良，鐘小平.結(jié)構(gòu)全壽命的耐久性與安全性、適用性的關(guān)系［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2009，30(6):1 －7.

［11］邸小壇，周 燕.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計方法［J］.建筑科學(xué)，1997(1):16－20.

［12］張躍松.建設(shè)工程安全耐久性與投資效益評價及優(yōu)化研究［D］.黑龍江:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2002.

［13］Salem M Ossama.Infrastructure construction and rehabilitation:risk －based life cycle cost analysis［D］.Canada:University of Alberta，1999.

［14］邵旭東，彭建新，晏班夫.橋梁全壽命設(shè)計方法框架性研究［J］.公路，2006，51(1):44 －49.