第1章绪论
1.1道路工程项目全寿命经济分析起源
1.1.1工程与工程经济的关系
在道路工程建设与管理过程中，工程设计与工程经济分析并不是工程活动的结
束，而是为了满足人类的需要。影响工程建设的有两个主要内容是：材料和自然力、
人类的需要。由于材料和自然力资源的约束，工程与经济密切相关，因此在了解方案
前根据工程的价值和费用对工程建设方案进行评价是公路项目建设与管理的基础.
1.工程与科学
工程并不是科学，而是科学的应用，它是技能、人类智慧和知识相结合的一门
艺术。科学家的目的在于增加人类已经积累起来的系统知识，发现宇宙间的各种规
律。工程技术人员的角色就是应用这些知识和位置去生产产品和提供服务，对工程
技术人员来说，知识本身不是目的，而是他们用来设计、建造和管理各种结构、系
统、过程等的素材.
ABET（accreditationboardforengineeringandtechnology）对工程（engineering）
的定义是：工程是一项职业，它是通过研究、经验和实践所获得的数学和自然科学
知识的运用，也是使用经济材料发展和人类自然力效益方法进行的判断应用。此概
念强调了工程的自然应用[1].
2.工程技术与经济的关系
（1）工程技术的先进性同它的经济合理性相一致。凡是先进的工程技术，一般
说来，总是具有较高的经济效果；而正是因其具有较高的经济效果才决定了它是先
进的工程技术.
（2）在工程技术的先进性和其经济的合理性之间又存在一定的矛盾。在采用工
程技术时，必须凭借当时当地的具体自然条件和社会条件，条件不同，工程技术所
带来的效果也不同。某一工程技术在某种条件下体现出较高的经济效果，而在另一
种条件下就不一定这样。在具体的自然条件和社会条件下，并非一切先进的工程技
术都是经济合理的。例如，我国公路实现机械化施工问题、追求实现高速公路问题
等。联系到具体的自然条件和社会条件，并非一切先进的工程技术都是经济合理的.
因此，为了保证工程技术很好地服务于经济，最大限度地满足社会需要，就必
须研究在当时当地条件下采用哪一种技术才是适合的。这个问题显然不是单单由
工程技术的先进或落后所决定，而必须通过经济效果的计算和比较才能解决.
1.1.2自然与经济效益
一条公路和路网占有有限的资源，使得项目建设必须是在给定投入下产生最大
的产出，也就是高效益产出，因此在有限资源条件下不仅要获得好的机会，而且要
获得最好的机会.
人类不断寻求满足其需要，为了其他更大的价值，他们放弃了一定的效用，这
就是基本的经济过程，其目标就是为了达到经济效益最大化.
工程主要的生产活动就是为了满足人类的需要，其目标是为了获得单位资源消
耗的最大效益，这项基本的自然过程目标是最大化的自然效益，如果诠释清楚，自
然效益就是在自然环境中成功的工程活动措施的结果。其自然界经济效益的计算模
型为
效益（自然）=输出/输入
道路工程必须有两个层面上的效益：第一个层面是自然效益，用输出与输入之
比表达，其值小于1或100%；第二个层面是经济效益，用经济的单位输出与经济的
单位输入之比表达，用货币表达的经济效益可表示为
效益（经济）=价值/费用
因此，自然效益要超过100%是不可能的，然而经济效益却能超过100%，并且
成功的经济项目必须是这样.
1.1.3全寿命经济分析起源
由上可知，道路工程师在工程环境中面临两个相互关联的环境：自然环境和经
济环境，如图1-1所示.
在工程环境中工程技术存在有两类问题：一类是科学技术方面的问题；另一类
是经济分析方面的问题。前者是研究如何把自然规律应用于工程实践，这些知识构
成了诸如工程力学、工程材料学、结构设计原理、路基路面、桥涵隧道等学科的内
容；后者是研究经济规律在工程问题中的应用，这些知识构成了工程经济类学科的
内容.
随着科学技术的快速发展，为了用有限的资源来满足人们的需要，可能采用的
工程技术方案越来越多。如何以经济效果为标准把许多技术上可能的方案互相比
较，作出评价，从中选择最优方案的问题，越来越突出，越来越复杂。人们在生产
实践中逐步体会到工程经济的重要性，使得道路工程经济分析原理和方法应运
而生.
在道路工程经济分析原理与方法的发展进程中，随着道路工程使用时间的增
长，人们对道路工程建设与管理的理解加深，传统的仅考虑工程建设阶段的成本费
用已不能满足随着工程使用寿命的延长，使用期间的管理维修与养护成本费用增加
和结构的可修、可检的需求，特别是道路工程中桥梁、隧道和路面维修与养护成本
费用的高额需求以及人类对自然环境的尊重，使得道路工程在规划与设计阶段就需
要提前考虑道路工程运营阶段将要发生的成本费用需求，使得只注重建设不注重管
理维修与养护的传统的道路工程经济分析原理和方法需要得到完善，道路工程
全寿命建设与管理的理念、原理和技术方法在时代的要求下得到了发展.
1.2道路工程项目全寿命经济分析的国内外发展
1.2.1国外发展
经济学理论在道路工程建设中的应用可以追溯到19世纪中叶。1844年，法国
人Dupuit首次将经济学理论运用于大桥投资的决策工作中，解决了道路桥梁建设
项目国民经济效益计算的理论和方法问题，并为收费标准的制定提供了理论支持.
采用全寿命经济分析（LCCA）的理念在道路工程中进行经济分析首先是在桥
梁工程中展开的。20世纪90年代初期，世界各国首先从经济管理方面着手逐渐开
展桥梁全寿命设计和桥梁全寿命期成本（life-cyclecost）的分析研究，研发了相关
的全寿命期成本计算分析软件。桥梁全寿命期成本分析研究中涉及设计理念、管理
方法、结构知识、维修养护技术、成本数据的收集、积累和分析等诸多复杂的相关
因素.
目前，全寿命期成本理念已在国际上得到认同，并成为进行投资决策的重要依
据，且在航空、航天、舰船、车辆、建筑及小型机械等各方面取得了一定的研究和应
用成果。同时，全寿命期成本的方法也逐渐应用到了交通领域，人们开始研究建设
项目的全寿命期成本优化问题，从成本的角度提出了全寿命管理的理念。全寿命期
成本理念在美国已成为政府法令内容，工程投资评估、计算方法以及工程的投资、
设计、建设承包都要以全寿命为出发点，全寿命经济分析的作用日益得到重视.
在全寿命经济分析方面，具有代表性的研究成果有以下几方面.
1。全寿命成本基本理论体系研究
美国学者Frangopol在近20年内发表了多篇关于桥梁全寿命成本分析的论文,
全面介绍了桥梁全寿命期成本的构成框架，包括设计成本、施工成本、检测成本、
预防性或完全性维护成本、改造成本、失效成本、地震灾害作用成本等[2;3].
NCHRP报告中对全寿命成本的构成也进行了详细研究，提出全寿命期成本主
要包括机构成本、用户成本和第三方成本，同时又对每种成本的构成进行了进一步
划分，明确了用户成本和环境成本的含义[21].
缅甸学者Singh以预应力混凝土桥梁为例，研究了全寿命期成本的构成，主要
包括机构成本、用户成本、事故和其他额外的成本，重点给出用户成本的计算模型：
用户成本=时间延误成本 燃油额外增加成本 汽车额外维修增加的成本，并
根据自己国家的情况进行了相关参数的确定[22].
英国造价管理界的学者与实践工作者在全寿命成本分析方面也做了大量研究
并取得了突破，其中O.Orshan从建筑设计方案比较的角度出发，探讨了在建筑方
案设计中应该全面考虑项目的建造成本和运营维护成本的概念和思想[23].
在芬兰，以AskoSarja为代表对工程全寿命设计进行了研究，主要涉及环境与
生态、混凝土材料、结构耐久性设计并对桥梁的成本优化、养护期成本优化、性能
评价等进行了一系列研究[24].
2。全寿命期成本模型研究
对于道路建设期成本的计算研究，国外均采用估算方法，即先估算修建一条道
路大概需要的劳动力、材料、设备的数量，然后按照劳动力的工资、材料单价和设
备单价进行分析计算.
为了在全寿命成本最小的情况下确定出最佳的维修方案，对道路运营期成本进
行了相应的成本计算模型研究。具有代表性的模型有两个：一是荷兰学者Rijkswa-
terstat提出的基于技术状况的维护成本模型；二是美国学者Frangopol在基于技术
状况的维护成本模型基础上提出的基于可靠性的维护成本模型[26].
1）基于技术状况的维护成本模型
基于技术状况的维护成本模型假设每次维修后，其功能会恢复到初始建设状态
的功能，并假设每次维护都相互独立，具体模型如式（1.1）·式（1.3）所示.
E（K（n；·））=
nXi=1
·ipi[ci E（K（n·i；·））]（1.1）
·=[1 （r=100）]·1（1.2）
当道路服务年限比较长时，采用（1.3）模型
lim
n!1
E（K（n；·））=
1Xi=1
·icipi
1·
1Xi=1
·ipi
（1.3）
式中，E（K（n；·））――维护的期望成本;
i――道路服务时间，单位：年;
r――折现率;
pi――道路在第i年维护的概率;
ci――道路在第i年维护的成本;
n――道路服务年限.
2）基于可靠性的维护成本模型
基于可靠性的维护成本模型分为完全维护和预防性维护。完全维护模型如式
（1.4）所示.
Ci1=C0 p[￠ˉi（t）]q（1.4）
式中，Ci1――第i次完全维护的成本;
C0――与可靠度提高无关的部分维护成本;
￠ˉi（t）――结构在t时刻进行了第i次维护而使可靠度指标提高￠ˉ;
p；q――成本参数.
预防性维护模型如式（1.5）所示.
Ci2=C·
0 g[￠·i（ti）]h（1.5）
式中，Ci2――第i次预防性维护的成本;
C·
0――没有导致结构劣化速度减缓的部分维护成本;
￠·i――结构可靠度的蜕变速度减小值;
g；h――成本参数.
在研究环境影响成本时，由于环境成本不存在市场价格，无法对其进行直接估
算。一些学者通过调查民众对于环境变化引起的身体健康、农业以及土壤流失等问
题所愿意支出的成本来估算环境影响成本，并取得了一系列成果。部分污染物的增
加引起的环境影响成本的文献综述如表1-1所示[27].
芝加哥学者JamshidMohammadi将LCCA方法运用于桥梁管理系统中，将桥
梁服务寿命、退化速率和全寿命期成本等多参数统一起来组成一个单独参数VI（价
值指数），通过参数VI为方案决策者提供依据[28].
2001年J.A.Reigle和J.P.Zaniewski研究了全寿命成本组成。提出全寿命
期成本分析是高速公路管理机构用来进行最佳路面维护方法选择的决策工具。提
出了选择恰当的机构和用户成本构成模型，并使之成为全寿命期成本分析模型的
一部分是高速公路管理机构的责任，并将全寿命期成本模型纳入风险的构成和用户
成本组成模型中，运用敏感性分析方法分析得出对全寿命期成本有很大影响的组成
部分[29].
2008年J.P.Hallin等提出路面历史在堪萨斯州交通运输部（KansasDepart-
mentofTransportation，KDOT）全寿命分析过程中的合理应用。这项研究的首要
任务是评价路面历史，研究分析全寿命成本分析程序是否包括历史组成，如何进行
全寿命成本分析、校正路面铺筑历史等[30].