日本道路桥梁的维护与管理的 资产管理系统

文 / 杨书祥

1. 引言

大部分有着悠久历史的基础设施建设的国家都面临着如何维护并修复这些基础设施的问题。对于这些国家而言，尤其是在大量的基础建筑快速老化的情况下，如何有效地维护建筑物的价值、功能以及如何在有限的财政基础上达到最小的破坏风险度，是一个共同的目标。

日本就是有着 50 年的基础设施高速投资的国家。新建基础设施是必要的，但大部分既有基础设施都应得到良好的维护、修复或重建。日本基础建筑的维护以及修复预算预计到 2015 年会翻倍，届时必然需要一种经济有效的维护结构服务性能的方法。这些基础设施的退化将会增加服务性能维护的风险，并对公众造成安全威胁。

在经济高速发展的时代，人们最关心的问题是保证基础设施的绝对安全，而建设及维护费用可以不必过分考虑。然而，由于经济衰退期，就不得不对每项经费的性能和收益是否相称这个问题作仔细考虑，基础设施的维护费用也不例外。

本文介绍日本在道路桥梁维护与管理中考虑寿命期经济成本方面所取得的一些经验。

2. 有效的资产管理系统

2.1 资产管理系统的概念

资产管理系统在一些国家的道路、桥梁、建筑物等基础设施中用于施工、维护、升级和总体运营以及长期成本的管理。资产管理系统的定义和功能随着目的的变化而变化，一般将资产管理系统的的作用归结如下：

· 基础设施的经济有效的维护、升级和使用。

· 为基础设施提供安全可靠的服务。

· 为管理行政部门以及投资者们探明最优预期战略目标。

不同的国家或组织对资产管理系统有着不同的定义，但是为了一个用于解决与基础设施的施工、维护和服务相关的问题， 或构建一个用于综合部分系统的总管理系统， 则必须有一个概念作为标准。

日本建立在 下列概念基础上的 资产管理系统正在试验中，这个新的系统是基础设施和运输部门共同组成的管理系统的起点。

（ 1 ）基础设施维护的资产管理系统

在正常情况下的基础设施维护是通过定期检查来提供稳定的服务，以及通过高效的维护、修复使寿命周期成本最小化。

（ 2 ）总体运营的资产管理系统

通过对包括各个基础设施，以及新建基础设施的各项投资预算费用和有限财政预算的最佳投资分配来达到要求的服务性能、基础设施价值以及要求的产出。资产管理系统是由检查系统、维护系统以及价值预算管理系统组织而成的。

2.2 资产管理功能的概念

图 1 资产管理功能的标准概念

图 1 给出了资产管理功能的标准概念。定期检查是最基本的系统，通常用来检测结构损伤来确保结构安全，只有很少的系统是为资产管理功能而构建的，例如结构稳定评估；功能退化预测；生命周期成本分析。

在检测所得数据资料基础上的结构稳定评估是可行的，为特定的检测、研究以及修复组成的专家委员会对不完善的结构评估进行设定。从结构稳定评估以及特定的检测中得到数据资料、，功能退化预测、生命周期成本以及每个结构的维护修复计划。这些最优化过程在多种建筑投资有限的情况下，达到全面使用标准以及对股东负责的方针评估，都是必需的。

2.3 部分试验中的资产管理系统及其原理

由定期检查、稳定评估和退化预测、生命周期成本最优化修复计划编制，组织到为特定检测研究提供建议的专家委员会，新系统已经在桥梁上进行试运行 。虽然是从桥梁开始的，但这个新系统将会覆盖所有的公路结构，例如隧道。为了预防人为错误，不管是既有标准还是可靠的经验标准，资产管理系统需要制定资格标准。检测人员必须有桥梁检测员资格，同样协调研究和修复计划的人员也一样需要资格证。

除了常用的检测基础方法，规范也给出了针对频繁破坏的 结构点 的范例。对于其他结构有帮助的破坏模式范例，也应当被添加到规范中去。检查的时间间隔被用来获得退化特性或速度。

研究和修复设计计划编制应当由经验丰富的工程师完成，但是为了获得一个准确的结论，则应组织专家委员会来检查证明这些计划。这个体系的主要目的是，建立经济有效的维护修复和安全使用计划，同时也使多年的预算管理成为可能。

•  定期检测体系预测和评估

3.1 定期检测体系

新的定期检测体系是为进行稳定评估和退化预测而设计的，包括初始检测、周期检测以及常规检测。这几种检测方案有各自的目的以及时间间隔。检测规范中给定了每种结构的检测方法以及时间间隔，主要由直观检测方案以及被设定以满足表 1 内容的时间间隔构成。

表 1 检测系统种类及其用途、时间间隔、实施对象

在 1988 年建设部门所构建的桥梁检测体系的基础上，对跨度大于 15 米 的桥梁每隔 1 至 2 年进行一次远程观测，每 10 年进行一次近距离检测以及细节检测。这个检测频率对于获得退化预测和退化速度来说是不满足的，因此将被新的检测要求所取代。

检测的时间间隔的应用部分是由实际检测数据资料决定。图 2 给出了公路混凝土桥梁桥面板退化特性的示例。退化趋势的数据资料平均标准偏差近似于图 3 中的一条线性函数。当时间间隔足够的短时，检测频率应当被修正。

图 2 观测频率图像

图 3 一些高速公路混凝土桥梁的腐蚀趋势或速度

3.2 结构评估和退化预测

结构稳定性是通过相关性能评估得出的，包括服务能力、结构的强度性能、结构的耐久性能、抵制重大事故发生。这些性能是由具有权威评估资格的工程师评定给出“ I ~ IV ”和“通过”这五个等级，这是一个综合性的稳定性能和数据资料记录。对每种结构类型的每种破坏模式都要评定等级，其性能分为三个等级： a 、 b 、 s 。见表 2~ 表 4

表 2

表 3 影响桥梁性能应检测的混凝土桥面板

表 4 对应各级性能的措施

等级 a ：要求进行快速修复，以及在全面检测和研究之后的实际修复判定

等级 b ：只要求在全面检测和研究之后的实际修复判定

等级 c ：既不要求特定的检测，也不要求修复判定

要进行专门的检测和研究以避免结构的每个部分都评定为 a 或 b 级，其目的是得到必要的信息，以研究破坏的原因、预期的退化速度、必要的修复及其方案评估。这个过程要由经验丰富的工程师参照现有的规范，如《桥梁检测和修复方案》和《混凝土维护管理标准》来实施。

•  基于生命周期成本分析的基础设施修复计划

4.1 修复计划的生命周期成本优化

为预防任何可能发生的事故，需要制定修复计划，并为长期服务改进耐久性能。如果退化趋势或机理是明确的，就有可能预测退化过程，通过比较几个方案得到使生命周期成本最小的方案。例如钢结构的腐蚀和疲劳、混凝土桥面板的疲劳、混凝土的盐损害，都可以用现场的趋势数据近似的预测。将来专家们还要做很多的研究来明确每个结构和材料的退化机理，届时我们可以更精确的 预测生命周期优化 LCC 。

对每个结构的修补方案 倚赖 两个因素，一个是修补时间间隔，另一个是耐久极限。低于耐久极限结构不能再修复，除非结构在使用期内不安排修补。每个方案都要通过退化预测检查使用期内耐久性不低于耐久极限，得出每个结构或构件的最佳修补时间间隔。这些方案分析给出了每个结构最佳的修补时间，而实际的修补计划还要考虑预算、修补效果和紧急等级。不是每个结构都要修复，所以每个结构将来的耐久性等级要在修复方案下评估，以考虑后期修复的影响。这个方案每年都要进行，以得到每年的最优计划。

为得到整体结构的最佳修补方案，计算体系还有待改进，包括由最优生命周期成本得出最优修复计划和后期稳定性评估。这个体系还应给出多年的预算预测和结构资产价值。

图 4 修复方案变化

4.2 修复计划的数据库

所有的观察、稳固评估、检查、研究计划、修补计划的信息都要存入数据库，以避免执行单个任务时出错。数据库可以通过改变未执行计划部分的颜色来报警。

·检测数据库包括过去已有的数据和每个结构及其构件的下个五年计划，同时可以显示最后一次检测的年份。

·专门检测数据库包括所有的稳定评估结果和执行的年份，设计修复方法预先制订的年份。

·修复计划数据库包括专门检查数据库和预先制订的修补时间表。这个数据库中的优先性由后期每个结构的生命周期费用附加值决定。

·这些数据库每年都要使用该年的研究和修复结果更新。

图 5 公路桥梁管理周期评估

•  使用基础设施维护的资产管理系统时要考虑的问题

（ 1 ）经济有效的检测频率

检测系统每种检测都有其标准频率，可以通过三种方式达到最优。第一，公路结构在运行一定的时间后需要维护及修补，所以定期检查可以不用很频繁，只需要获得结构早期的退化趋向。第二，应当校正每个有着不同环境和活载特性结构的初始频率。第三，如果在其生命周期中不打算进行修复又不想引起颤振损伤的结构，不需要进行精确的检测。追踪典型结构对管理整个结构组已经足够。

（ 2 ）初始及周期检测的因素

为了精确的获得退化过程机制，在施工质量、建筑物周边环境及其使用情况（这些因素对于相同的结构可能会改变退化速度）的基础上，获得结构的初始情况是很重要的。为了分析周期检查对退化的影响，这些因素也是很必要的。 对于不同环境的典型数据，也足够获得结构组的特性。

（ 3 ）稳定评估系统服务性能的定义

为了评估结构的稳定性，特别是使用性能，必须严格符合它的标准。尽管不同基础设施和构件会有不同，服务性能都是解释费用出处的重要信息。公路表面的粗糙程度是衡量服务性能的明显例子，然而对于桥来说，只要能使机动车辆跨过河流，它的服务性能就足够了。这两种服务性能不能进行比较，否则很难获得维修和修复费用的有效支出，而且目前的稳定性评估中大部分结构的服务性能都没有被定义。

（ 4 ）每个基础设施的生命周期模式的最优化判定

如图 4 所示，在每种结构和构件都有各自不同的生命周期修复模式的前提下，资产管理系统可以从生命周期最优化方案出发。因为每个结构及部件都有其不同的退化趋向，所以不同的修复方案是可能的。例如，公路能够通过周期修复保持它的服务水平，如果推迟一次修补，可能导致不可恢复的损伤。但是桥梁的 接合构件 是一种损耗物，当它被完全破坏时只要换上新的接合构件即可。

（ 5 ）有目的性的基础设施 资产管理及适用性分析

先前的一些资产管理系统由于两个原因，使得应用时遇到困难。第一，每个结构都有自己特有的初始情况和使用环境，因此资产管理系统功能的定制是复杂的。第二，即使最优化完善系统，它的复杂性也会使没有全面知识和能力的工程师排斥该系统。因此，资产管理系统的简易性是使用并且被工程师掌握的关键，这样使得他们认识到系统的作用及必要性。 如果结构的退化趋势及修补模式足够简单到可以被忽略，则系统没有必要涵盖所有的结构。 在所有这些设计系统中，结构的适用性应该被注重。

（ 6 ）资产管理功能及各部分的风险管理

资产管理系统功能可以被分成两种。一个是用生命周期成本最小化来保持使用性能；另一个是为整个建筑群管理维护预算。越是现场工程师，他们越要保持结构的稳定性水平。要处理的结构数量较小时，他们关心的是通过使用系统以前的功能保证每个结构的使用水平最经济，这样使得整个结构的生命周期成本最小。未来的工程师们必是来自于工程实践并能解决所有基础结构问题的团体，他们需要更多的资产管理功能使总的维修费用最小化，因此没有必要照顾到个别结构，但是管理基础设施群的生命周期成本是必须的，这并不需要对整个基础设施组的检测和评估数据。现场工程师的风险管理，是要经常性地检测结构，以保证远离重大损伤。负责预算控制的工程师的风险管理，是要利用有限数据进行几率分析来预测未来的花费。综上所述，资产管理系统应该按照功能工程师切身的需要来设计或安排，并且不应该是个巨型或繁杂的系统。

（ 7 ）系统最优化修正的管理

基础设施受到大量地域环境和需要的影响，行政管理部门和管理人员在决策时也必须把它们考虑进去。问题是我们可以对资产管理系统寄多少希望来完成行政决策，而且我们必须确定资产管理系统如何对行政决策有所帮助。管理者或行政人员对基础设施所做的决定是根据不同的标准及 价值观 ，这些不能通过机械化的最优化系统来执行。正如社会盈余和费用一样，为了得到一个高水平的准确的决定，市民和 驾驶者 也应该被考虑在内。

•  结论

通过对上述资产管理系统的改进，可以从维护管理到方案评估及其说明实现预算及价值管理。

工程师们对于资产管理系统最关注的是如何降低维护费用。通过进行生命周期成本最优化由此系统给出的多年费用可以很容易在多年预算管理中投入实际应用，同时对利用附加数据库进行价值评估有所帮助。这些数据从服务水平以及资产评估两方面衡量了基础设施的价值。在维护费用持平或者增值的情况下，基础设施的价值随着结构退化而降低。一旦基础设施的价值与服务性能有相关联系时，它们都可以用于基础设施的评估和管理。

不仅是服务水平，还有产出指标都可以用来说明基础设施的价值，因此对包括新的建设投资在内的价值管理是必要的，这样可以使行政管理部门对应于产出指标以及维护成本方案来衡量收益，同时也可以解释维护费用是否合适。

作者单位：河北省京秦高速公路管理处