趙 昕，姜世鑫

（1.同濟(jì)大學(xué) 建筑設(shè)計研究院，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué) 建筑工程系，上海 200092）

近十年來，隨著世界各地經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，城市化進(jìn)程越來越快，城市商業(yè)綜合體得到迅猛發(fā)展；另一方面，由于城市土地資源緊張，超高層建筑便成為政府及房地產(chǎn)公司投資的熱點。在建筑功能方面，超高層建筑主要以出租的形式進(jìn)行商業(yè)、辦公、酒店、公寓等用途，所以其投資持有人一般固定不變；在社會影響方面，超高層建筑的高度、數(shù)量及外觀體現(xiàn)了一個城市經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的程度，故其具有投資量大、建成后的使用周期長等特點；在結(jié)構(gòu)體系方面，超高層建筑結(jié)構(gòu)對抗震、抗風(fēng)以及可靠度有較高的需求，故其結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸大，結(jié)構(gòu)構(gòu)件檢測與維護(hù)費用相對較高。

針對上述特點，在超高層建筑結(jié)構(gòu)初始設(shè)計階段，就應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)生命周期范圍內(nèi)的特征與形態(tài)，從經(jīng)濟(jì)性的角度對不同的方案進(jìn)行全生命周期的評估與優(yōu)化，選取最優(yōu)方案，使結(jié)構(gòu)生命周期內(nèi)的各項費用達(dá)到最小，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的可持續(xù)能力，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)全生命周期的優(yōu)化管理。

全生命周期成本費用這一概念最早來源于美國軍用設(shè)備管理，隨后應(yīng)用于機(jī)械制造、航空航天等各個產(chǎn)業(yè)，二十世紀(jì)八九十年代，來自歐洲和美國的科學(xué)家Sarja，F(xiàn)rangopol等人就開始了對建筑、橋梁等結(jié)構(gòu)的全生命周期性能研究[1]；美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）在其1995年出版的手冊中定義了建筑生命周期費用[2]：建筑或建筑系統(tǒng)在一段時間內(nèi)包括持有、運營、維護(hù)以及廢棄的折現(xiàn)花費。1998年頒布的權(quán)威性《國際標(biāo)準(zhǔn)ISO2394》提出了建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化觀點[3]，從經(jīng)濟(jì)的角度提出了結(jié)構(gòu)全生命周期的優(yōu)化目標(biāo)，即使結(jié)構(gòu)生命周期總費用趨于最?。?/p>

其中，Cb—初始建設(shè)成本；Cm—維護(hù)與拆除成本；Pf—結(jié)構(gòu)生命周期內(nèi)的失效概率；Cf—失效損失。

上述公式高度概括了建筑結(jié)構(gòu)生命周期費用所包含的項目，除初始建設(shè)費用外，一部分是可控制的維護(hù)與拆除成本，另一部分是有一定隨機(jī)性的結(jié)構(gòu)失效費用。造成失效的原因可能是外力作用，如較強(qiáng)的風(fēng)荷載、地震荷載、火災(zāi)、爆炸荷載等；也可能是內(nèi)部作用，如材料的腐蝕老化等。對于現(xiàn)代超高層建筑結(jié)構(gòu)來說，由于其建筑結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)較高，保養(yǎng)維護(hù)的投入也較高，加之目前生產(chǎn)的材料抗老化及抗腐蝕能力越來越強(qiáng)，在設(shè)計階段主要考慮的結(jié)構(gòu)失效原因即為災(zāi)害失效。災(zāi)害失效主要取決于結(jié)構(gòu)所處位置的地理環(huán)境因素，初始建設(shè)時結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的抗震、抗風(fēng)性能目標(biāo)，結(jié)構(gòu)建成以后的檢測、維護(hù)及修復(fù)也能夠通過提高結(jié)構(gòu)質(zhì)量來減少災(zāi)害失效的損失。通過以上分析，建筑結(jié)構(gòu)的生命周期費用項目以及它們之間的關(guān)系可用下圖來表示。

圖1 建筑結(jié)構(gòu)生命周期費用項目關(guān)系圖

現(xiàn)今的超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計，比選不同方案的主要指標(biāo)是經(jīng)濟(jì)因素，但設(shè)計人員在考慮經(jīng)濟(jì)因素時往往只注重不同方案的初始材料費用以及施工費用，這種考慮方式往往不夠全面，因為結(jié)構(gòu)不僅在建設(shè)時會產(chǎn)生費用，在生命周期的各個階段都會產(chǎn)生不同的費用項目。因此，文章提出了一個更加完善的結(jié)構(gòu)全生命周期經(jīng)濟(jì)成本評價體系與方法，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化。

1 基于生命周期經(jīng)濟(jì)成本的結(jié)構(gòu)評估及優(yōu)化體系

超高層結(jié)構(gòu)的生命周期經(jīng)濟(jì)成本評價體系可以分為三個維度：構(gòu)件維度、方案維度以及費用項目維度，如下圖所示。在以往的超高層結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，設(shè)計人員在結(jié)構(gòu)及構(gòu)件造價的優(yōu)化過程中主要考慮的是不同方案下不同構(gòu)件的初始費用，即只考慮了下圖中初始費用對應(yīng)的xz平面。

在基于生命周期的結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)成本評估優(yōu)化方法中，必須計入結(jié)構(gòu)生命周期內(nèi)所有費用項目，即圖中的Y軸，這樣就將原來的二維經(jīng)濟(jì)成本評估體系擴(kuò)展到三維，如圖1所示，由二維擴(kuò)展到三維的優(yōu)化過程，可按照以下兩種方式進(jìn)行：1）針對不同的方案，先在xy平面上進(jìn)行優(yōu)化，即計算不同方案下的結(jié)構(gòu)全壽命周期總費用，然后比選不同方案，得出最終優(yōu)化方案。2）先在yz平面上進(jìn)行優(yōu)化，選取某一個構(gòu)件，針對該構(gòu)件的不同方案計算其全生命周期費用，選取最優(yōu)構(gòu)件方案，然后將不同構(gòu)件的最優(yōu)方案進(jìn)行篩選與組合，形成最終的方案。

圖2 三維結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)成本評價體系

對于一般建筑結(jié)構(gòu)來說，由于其結(jié)構(gòu)材料單一，體系相對簡單，在比選不同方案時，按照第1種方法進(jìn)行即可。而超高層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系比較復(fù)雜，一般為鋼材與混凝土混合結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸較大，構(gòu)件的力學(xué)性能也與傳統(tǒng)構(gòu)件不盡相同。所以，對于超高層建筑結(jié)構(gòu)來說，宜先進(jìn)行整體方案優(yōu)化，如結(jié)構(gòu)體系的不同方案選擇等；再進(jìn)行構(gòu)件層次的優(yōu)化。即先按照第1種方法宏觀控制結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)成本，再按照第2種方法對構(gòu)件進(jìn)行局部優(yōu)化，使結(jié)構(gòu)更加完善。

超高層結(jié)構(gòu)生命周期經(jīng)濟(jì)成本的費用項目種類繁多，為了避免不同費用的重復(fù)計算，需要對不同時段不同情況下的費用進(jìn)行細(xì)化統(tǒng)計，這樣原來的三維評價體系就擴(kuò)展到了四維，如圖3所示。

圖3 四維結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)成本評價體系

2 結(jié)構(gòu)生命周期主要費用項目計算方法：

2.1 初始費用與維護(hù)費用

初始費用主要由材料費用與施工費用組成，其中材料費用不僅指材料的造價，還要包括它在工廠預(yù)制的加工費用，以及加工完成后運輸?shù)绞┕龅氐馁M用，即材料到場費用。施工費用包含勞動力成本與施工器械費用兩部分，施工器械宜采用租賃的形式，這樣即節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本也有益于資源的循環(huán)利用。維護(hù)費用包含不同材料的維護(hù)費用：若構(gòu)件暴露部分為鋼材，則需要定期的防腐防火涂裝，防止涂料過期，造成災(zāi)害隱患；若構(gòu)件暴露部分為混凝土，也需要定期進(jìn)行涂刷與清理，防止保護(hù)層內(nèi)的鋼筋銹蝕，但相比于鋼材，混凝土的維護(hù)費用較少，維護(hù)周期也較長，因此在進(jìn)行方案對比時，可忽略其維護(hù)費用。由于維護(hù)是定期的，所以可以按照時間跨度計算總維護(hù)費用，而時間跨度可以取超高層結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限（一般為100年）。

2.2 災(zāi)害失效費用

結(jié)構(gòu)在生命周期內(nèi)可能遭遇的災(zāi)害主要有地震災(zāi)害、風(fēng)災(zāi)、火災(zāi)以及爆炸荷載等。由于一些災(zāi)害發(fā)生概率極低，而且可以通過一定措施進(jìn)行有效控制，所以暫不考慮其造成的失效費用。而地震災(zāi)害在中國屬于頻發(fā)災(zāi)害，且對結(jié)構(gòu)的威脅也最大，所以此文主要考慮這部分損失費用。根據(jù)抗震設(shè)防規(guī)范與方法，這部分費用的計算主要對結(jié)構(gòu)所在地區(qū)的場地基本烈度、結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度，以及結(jié)構(gòu)設(shè)計時的抗震性能目標(biāo)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性的評估。在某個地震作用下，結(jié)構(gòu)發(fā)生不同性能水準(zhǔn)的破壞概率不同，在計算時，用不同的概率乘以對應(yīng)的性能水準(zhǔn)破壞損失，便可以得到總的失效費用。文章災(zāi)害失效費用計算采用王光遠(yuǎn)建議的損失系數(shù)方法[4]。

結(jié)構(gòu)遭到破壞帶來的損失值D包括三個部分：D＝D（1）＋D（2）＋D（3）。

式中：D（1）——結(jié)構(gòu)破壞本身的直接損失，指結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損失和修復(fù)拆除的費用；D（2）——結(jié)構(gòu)破壞而在屋內(nèi)引發(fā)的損失，包括屋內(nèi)設(shè)備、裝修、工藝品損失；D（3）——結(jié)構(gòu)破壞引發(fā)的間接損失，包括停產(chǎn)、有毒物質(zhì)泄漏等原因造成的社會經(jīng)濟(jì)、政治、人身傷亡等損失。

表1 七度設(shè)防下結(jié)構(gòu)或構(gòu)件發(fā)生各種破壞的概率

2.3 拆除費用

超高層建筑一般為城市地標(biāo)性建筑，因此其使用壽命一般都要高于其設(shè)計使用年限，而且只要維護(hù)保養(yǎng)得當(dāng)，超高層建筑結(jié)構(gòu)可以一直使用下去，所以一般情況下可不考慮其拆除費用。但是超高層建筑結(jié)構(gòu)的構(gòu)件可能因為災(zāi)害失效、建筑功能改變等原因拆除，在進(jìn)行生命周期經(jīng)濟(jì)評估時，宜考慮其拆除費用。拆除方法主要有機(jī)械拆除法以及爆破拆除法，在工期允許的情況下，一般采用更為綠色和經(jīng)濟(jì)的機(jī)械拆除法。拆除費用主要分為拆除工程費用、垃圾運輸處理費用以及材料回收費用，其中材料回收費用為負(fù)值，需要在總費用中減去該部分，這也體現(xiàn)了綠色可持續(xù)的建筑理念。

3 算例

根據(jù)以上基于生命周期經(jīng)濟(jì)成本的評估優(yōu)化方法，選取某超高層結(jié)構(gòu)的框架柱設(shè)計實例。該超高層結(jié)構(gòu)高度約為300m，采用了支撐框架 核心筒 環(huán)帶桁架混合結(jié)構(gòu)體系，圖4為塔樓的結(jié)構(gòu)體系構(gòu)成圖。其中，外框架由型鋼混凝土柱、柱間支撐及鋼梁組成。沿塔樓立面布置了4道加強(qiáng)層，每道加強(qiáng)層由二層樓高的環(huán)帶桁架將外圍框架柱連接在一起，增加了外框結(jié)構(gòu)的整體性和抗側(cè)能力。具體結(jié)構(gòu)形式如下圖所示。

圖4-1 抗側(cè)力體系構(gòu)成圖

圖4-2 加強(qiáng)層軸測圖

參考國內(nèi)規(guī)范，將該超高層結(jié)構(gòu)框架柱的備選方案設(shè)為型鋼混凝土柱與鋼管混凝土柱兩種。

3.1 設(shè)計參數(shù)

設(shè)某超高層結(jié)構(gòu)框架柱截面最不利內(nèi)力組合為：P＝1.5×108N；Mx＝1.2×107N·m；My＝0.8×107N·m；Vx＝1.2×106N；Vy＝1.5×106N。參照相關(guān)規(guī)范（主要為《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》YB 9082-2006與《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》CECS 28：90）對兩種方案柱截面參數(shù)設(shè)計及驗算如下：

圖5 鋼骨混凝土柱與鋼管混凝土柱截面對比

表2 鋼骨混凝土柱與鋼管混凝土柱設(shè)計參數(shù)對比

3.2 生命周期經(jīng)濟(jì)成本計算

在進(jìn)行兩種柱方案的經(jīng)濟(jì)成本評估與計算時，主要需要注意以下幾點：

1）鋼骨混凝土柱由于需要鋼筋綁扎費用以及模板費用，故施工造價要高于鋼管混凝土柱。

2）鋼管混凝土柱由于鋼管暴露在外面，需要定期進(jìn)行防腐、防火涂料維護(hù)與更換，所以其生命周期維護(hù)費用要高于鋼骨混凝土柱。

3）對于兩種柱的地震損失費用，參考《建筑地震破壞等級劃分標(biāo)準(zhǔn)》對兩種柱不同破壞等級下的損失系數(shù)定義如下表[5]。

表3 鋼骨混凝土柱與鋼管混凝土柱不同破壞等級下?lián)p失系數(shù)

此例中假設(shè)柱周圍裝修及設(shè)備價值為柱造價的1.5倍。最后根據(jù)損失系數(shù)以及概率數(shù)據(jù)確定地震損失，加入到生命周期總的經(jīng)濟(jì)成本中進(jìn)行方案對比。

4）拆除費用按照施工費用的70%取值，材料回收費用部分，鋼材按照初始造價的30%取值，混凝土部分忽略不計。

5）此例因僅進(jìn)行方案的經(jīng)濟(jì)性對比，暫不考慮費用貼現(xiàn)率及通貨膨脹率的影響。為使費用值無量綱化，取1m3混凝土的費用為1，其他費用價格參照市場價格及其與混凝土價格的比值進(jìn)行計算。最終得出兩種柱的生命周期各項費用總結(jié)如下表。

表3 鋼骨混凝土柱與鋼管混凝土柱生命周期費用統(tǒng)計

續(xù)表3

3.3 評價

根據(jù)以上評估及計算結(jié)果，可以看出鋼管混凝土方案的生命周期經(jīng)濟(jì)成本明顯高于鋼骨混凝土柱方案。主要原因是鋼管混凝土柱由于鋼材暴露在空氣中，定期進(jìn)行維護(hù)的費用較高，加之超高層結(jié)構(gòu)的生命周期較長，所以鋼管的維護(hù)費用在生命周期費用中占的比重較大。若僅考慮初始費用，則鋼骨混凝土柱初始費用高，鋼管混凝土柱經(jīng)濟(jì)性占優(yōu)，但這種評價方式顯然是不合理的。按照基于生命周期經(jīng)濟(jì)成本的評估方法，應(yīng)選用鋼骨混凝土柱方案。

4 結(jié) 論

文章相比以往的基于初始建設(shè)費用對超高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評估與優(yōu)化的方法，加入了生命周期的維度，即考慮了結(jié)構(gòu)在時間維度下可能產(chǎn)生的費用項目，將原來的二維思考模式擴(kuò)展到三維甚至四維空間中。通過這種方法，使設(shè)計人員在結(jié)構(gòu)設(shè)計時就能明確以生命周期經(jīng)濟(jì)成本為標(biāo)尺的評價體系，針對這種體系選擇更為合理的結(jié)構(gòu)形式與構(gòu)件方案，最大限度節(jié)省資源、節(jié)約成本，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的長遠(yuǎn)利益。這種評價體系建立以后也方便業(yè)主在全生命周期的各個階段對結(jié)構(gòu)進(jìn)行管理，提高結(jié)構(gòu)的耐久性，延長結(jié)構(gòu)的使用壽命。

文章在第三部分選取了一個算例說明了基于生命周期經(jīng)濟(jì)成本的評估方法在實際中的應(yīng)用，該例雖然能夠選出最優(yōu)方案，但對于龐雜的生命周期費用項目體系本例僅選取了具有決定作用的幾個部分，對于具體費用的計算仍缺乏精確性。若想要實現(xiàn)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件生命周期經(jīng)濟(jì)成本的準(zhǔn)確評估與管理，就需要結(jié)構(gòu)工程師與建筑的不同功能部門人員配合協(xié)作，建立完善的結(jié)構(gòu)生命周期經(jīng)濟(jì)成本數(shù)據(jù)庫。對于結(jié)構(gòu)的初始費用評估，中國已經(jīng)有專業(yè)的造價預(yù)算體系，但是對運營階段的維護(hù)費用以及結(jié)構(gòu)失效后的經(jīng)濟(jì)損失，還沒有完善的數(shù)據(jù)系統(tǒng)可供查詢。只有強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)保障，才能建立完善的生命周期經(jīng)濟(jì)評價體系，實現(xiàn)超高層結(jié)構(gòu)生命周期全過程的優(yōu)化設(shè)計與管理。

[1]FRANGOPAL D M，LIN K Y，A C ESTES.Life-cycle cost design of deteriorating Structures[J].Journal of Structural Engineering，1997，10：1390-1401.

[2]FULLER S K，PETERSON S R.Life-cycle cost manual for the federal energy management program[M].U.S.Department of Commerce，1995.

[3]ISO 2394.General principles on reliability for structures[S].Geneva：International Organization for Standardization；1998.

[4]王光遠(yuǎn)，季天健，張鵬.抗震結(jié)構(gòu)全壽命預(yù)期總費用最小優(yōu)化設(shè)計[J].土木工程學(xué)報，2003，36（6）：1-6

[5]建設(shè)部（1990）建抗字第377號.建筑地震破壞等級劃分標(biāo)準(zhǔn)[S].

[6]王光遠(yuǎn)，邵卓民，等.抗震結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)防烈度與可靠度[M].北京：科學(xué)出版社，1999.

[7]吳煒煜，岳媛媛.基于多維費用陣列的工程項目信息管理[J].清華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007，47（12）：2095-2099.

[8]董建，陳光.工程項目全壽命周期費用體系研究[J].土木工程學(xué)報，2010，43（2）：138-142.

[9]WEN YK，KANG YJ.Minimum building Life-cycle cost design criteria.I Methodology[J].Journal of Structural Engineering，2001，3：330-337.

[10]WEN YK，KANG YJ.Minimum building Life-cycle cost design criteria.II Applications[J].Journal of Structural Engineering，2001，3：339-346.

[11]陳艾榮.基于給定結(jié)構(gòu)壽命的橋梁設(shè)計過程[M].北京：人民交通出版社，2009：132-150.

[12]金偉良，鐘小平，胡琦忠.可持續(xù)發(fā)展工程結(jié)構(gòu)全壽命周期設(shè)計理論體系研究[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，2010，30（9）：401-406.

[13]張海霞.基于循環(huán)經(jīng)濟(jì)視角的建（構(gòu)）筑物拆除和建筑垃圾管理研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2009.

[14]Narasimhan H，Chew MYL.Integration of durability with structural design：an optimal life cycle cost based design procedure for reinforced concrete structures[J].Construction and Building Materials，2009，23：918–929.

[15]Mitropoulou CC，Lagaros ND，Papadrakakis.M.Life-cycle cost assessment of optimally designed reinforced concrete buildings under seismic actions[J].Reliability Engineering and System Safety，2011，96：1311–1331.

[16]Cariaga I，El-Diraby T，Osman H.Integrating value analysis and quality function deployment for evaluating design alternatives[J].Journal of Construction Engineering and Management，2007，133（10）：761–770.