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风速的重现期换算

写在前面的话

熟悉的老伙伴,都知道写在前面的话,经常是题外话,不过似乎感兴趣的人更多。今天也先来点题外话。
一般可以认为,活荷载、风荷载、雪荷载符合极值I型分布(Gumbel分布)。那么股市的估值会是什么分布呢?


注:这是2013年机器喵先生分析的结果。(其实A股分析存在一个问题,上证综指是失真的无法反应全市场的情况。)

感兴趣的可以继续研究一下。话说,数学的确是我们认识世界的好工具。本人惭愧,学艺不精,美好E=MC2的精神境界令人向往。
好了,回到正题。


年最大风速分布可以认为符合极值I型分布(Gumbel分布)

分布函数为
G_I(x)=e^{-e^{-y(x)}}
表示任意年份的极值xi小于任意选定值x的概率。其中,
y=\alpha(x-\mu)
\alpha=\frac{C_1}{\sigma}
\mu=\bar{x}-\frac{C_2}{\alpha}
其中,\bar{x}和σ分别为n个年度极值xi的平均值和标准差。变异系数为 \nu=\frac{\delta}{\bar{x}}
可以看出C1和C2其实分别就是y的标准差和平均值,它与观测序列的长度n有关。

x的年超越概率为
G(x)=1-G_I(x)

重现期为超越概率的倒数
T(x)=\frac{1}{G(x)}

将GI(x)带入,得
\frac{1}{T}=1-e^{-e^{-y}}

两侧取对数,得
y=-\ln(-ln{(1-\frac{1}{T}})
可以看出,重现期T不依赖于x的均值和标准差。
另外,当T比较大时,可由泰勒展开公式简化,y≈lnT

重现期为T的最大风速x可以表达为:
x=\mu-\frac{y}{\alpha}
x=\bar{x}-\frac{\sigma}{C_1}(C_2-y)
x=\bar{x}\left(1+\frac{\delta}{\bar{x}}(\frac{y-C_2}{C_1})\right)
x=\bar{x}\left(1+\nu\frac{y-C_2}{C_1}\right)


K_{sp}=\frac{\nu}{C_1-C_2\nu}

则各重现期与50年重现期的转换系数可以表示为
C_{prob}=\frac{x_T}{x_{50}}=\frac{1-K_{sp}\ln(-\ln{\left(1-\frac{1}{T}\right))}}{1-K_{sp}\ln(-\ln{\left(1-\frac{1}{50}\right))}}
Cprob只与重现期T、变异系数ν、测量序列的长度n(样本年数)有关。


其中关于C1和C2的计算

可以用经验分布函数(它实际就是累积频率直方图的上边)来近似GI(x)。
y\left(x\right)=-\ln(-\ln{\left(G_I\left(x\right)\right)})

则y的值可取为1到n个zi
z_i=-\ln(-ln\frac{i}{n+1})

则有
C_1=\sigma_z=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}{(z_i-\bar{z})}^2=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}{z_i^2-{\bar{z}}^2}
C_2=\bar{z}
当n无限大时, C_1=\frac{\pi}{\sqrt{6}} , C_2=0.57722 (为欧拉常量)


工程实践中各重现期风速与50年重现期的转换可以参考以下情况:

1. 在EN50341-1中,采用上面的推导的公式,其中风速的变异系数取0.12,观测数据取30年,则Ksp=0.114。转换系数为
C_{prob}=0.692-0.079ln(-ln(1-\frac{1}{T}))

2. 在ASCE7中,根据文献Peterka, J.A., and Shahid, S. (1998). Design gust wind speeds in the United States. J. Struct. Eng. 124(2), 207–214.。对于非飓风区转换系数为
C_{prob}=0.36+0.10ln(12T)

3. 在中国规范中,根据文献《结构风工程:理论规范实践》。转换系数为
C_{prob}=\sqrt{\frac{(0.363log{T}+0.463)}{1.08}}

4. 在EN1991-1-4中,风压的变异系数取24,观测数据取无穷。转换系数为
C_{prob}=\sqrt{0.562-0.112ln(-ln(1-\frac{1}{T}))}
(P.S. 对于Euorcode1的如此处理本人存疑?长重现期的风速会明显偏小。有知道原因的大神可以来讲讲)

各重现期风速与50年重现期的转换系数如下所示

重现期 EN50341-1, ν=0.12 GB ASCE7 EN1991-1-4
3 0.76 0.77 0.72 0.81
50 1.00 1.00 1.00 1.00
100 1.06 1.05 1.07 1.04
150 1.09 1.08 1.11 1.06
200 1.11 1.10 1.14 1.08
300 1.14 1.12 1.18 1.10
400 1.17 1.14 1.21 1.11
500 1.18 1.16 1.23 1.12
600 1.20 1.17 1.25 1.13
700 1.21 1.18 1.26 1.14
800 1.22 1.19 1.28 1.15
900 1.23 1.19 1.29 1.15
1000 1.24 1.20 1.30 1.16

小知识:设计基准期、重现期、设计使用年限间的关系。

重现期T为某事件出现或发生的平均时间间隔。

设计基准期N(是衡量基准,选定后不变,一般为50年)内的超越概率为
P_N=1-(1-\frac{1}{T})N
若年超越概率2%即重现期T=50年,设计基准期N=50年,则PN=63%

设计使用年限L(根据业主要求确定,一般为50年或100年)内的超越概率为
P_L=1-(1-\frac{1}{T})L
移项后两边取对数
ln(1-\frac{1}{T})=\frac{ln(1-P_L)}{L}
当T较大时,由泰勒展开公式, ln(1-\frac{1}{T})\approx-\frac{1}{T}
T≈-\frac{L}{ln(1-P_L)}

令,设计使用年限L内的超越概率与50年设计基准期内的超越概率具有相同的水平
T\approx-\frac{L}{ln(1-63\%)}
则有T≈L,即重现期可取为与设计使用年限相同。
例如设计使用年限取100年时,对于风载采用100年重现期的风荷载即可。

中外结构风荷载的转换

对于风速记录,一般取平均风的时距为10min~1h较为稳定。国际上,多数国家(如中国规范、欧洲规范)将平均风时距取为10min,但也有国家将平均风时距取为3s的瞬时风速(如美国规范),也有的国家取1h(如加拿大)。

对于涉外项目,中国的工程师一般除直接采用当地规范设计外,通常还会采用中国规范验算一遍,或概念上用中国规范进行估计。这就涉及到自然荷载的转换问题,经常遇到的是如何将3s阵风风速转换为10min风速的情况。如果不考虑各国规范体系整体的差异,仅从气象学的角度看,这种风时距的转换就是求阵风因子的问题。

风速可以表达为平均风+脉动风
Vt =VT0+u(t)

定义峰值因子g为脉动风分量的最大值与其标准差之比
g=umaxu

定义湍流强度为脉动风标准差与平均风的之比
Iuu/Vt0

相应的阵风风速可以表达为
Vt=VT0+g*σu

定义阵风因子为阵风风速与平均风速的之比
Kt=Vt/VT0=1+g*Iu

为便于直观理解以文献World Meteorological Organization, Guidelines for Converting between Various Wind Averaging Periods in Tropical Cyclone Conditions, 2010中给出的1989年强热带气旋奥森的实测结果为例。

测量点在距澳大利亚西海岸130km的海上钻井平台。

图中给出的结果包括:
V600——10min平均风速
V60——1min平均风速
V60,600——10min内的1min平均最大风速
V3,600——10min内的3s平均最大风速
V3,3600——1小时内的3s平均最大风速
风速时程曲线持续3小时,展现了台风眼经过测量点的全过程。从风速时程曲线可以看到,1min平均风速围绕10min平均风速上下波动,随时间的变化较为频繁。对风速进行平均时选取的时距越小,得到的最大值就越大。

下图是台风条件下,不同时距平均得到的最大风速与1小时平均风速之间的换算系数,该换算系数即为“阵风因子”。可以看出,虽然各组数据的趋势一致,时距越短,阵风因子越大。

工程实践中可以参考美国规范ASCE/SEI 7-16中给出了不同时距的平均最大风速与1小时平均风速的转换曲线进行转换。

上图的实线用于常态风,是文献Durst C. S., Wind speeds over short periods of time, Meteorological Magazine, 89, 181-186, 1960中,根据实测资料给出了1小时平均风速换算为不同时距平均最大风速的换算系数。

上图的虚线用于飓风。该ESDU曲线可按文献Engineering Science Data Unit, Item No. 83045, Strong winds in the atmospheric boundary layer. II: Discrete gust speeds., London, 2002进行计算。

结论:
1、3s阵风风速转换为10min风速的转换系数为1.43。其它风时距也可参考以上内容得到。文中的计算采用MathCAD 15,如有需要源文件可以联系我。

2、另外采用美标ASCE7-16时要注意,它的重现期和ASCE7-05不同了。如果要转为50年的重现期,需要进行重现期的换算。
得到校对的自然荷载后,其实后续的中美风荷载的计算还有三点主要区别:
1) 中国规范不考虑风向折减,在计算主体结构风荷载时也不考虑内部风压;
2) 风速压力的定义不同,中国和美国分别采用了平均风和阵风对应的风速压力;
3) 中国的风振系数代表的是基于平均风荷载的放大倍数,而美国的阵风效应因子则是基于阵风荷载的调整系数。

3、重要的就是要记住,各国规范不能混用,因为规范体系中考虑了各自的可靠度匹配。自然荷载需要校对为,各自规范规定的参考基准的后方可使用。

发展海外装配式建筑的动因

发展海外装配式建筑的动因

当前在非洲、南美洲、东南亚等地区的房建市场需求明显。中资企业在海外的业务主要也是面向这些欠发达地区。但随着海外劳工成本攀升,弱化了中资企业在当地的竞争力。人工成本的提升主要原因是:

  • 一方面,国外大部分国家,基于对本国就业的保护对于海外劳工数量有配额限制。并且在非洲、南美等国家本地劳工素质较差,工效较低,即使采用大量的本地劳工也很难保证施工的有序进行,人工成本和工期可控性差。
  • 另一方面,中国劳工随着国内农民工数量持续的下滑,其工资持续上涨。2008年以来,我国固定资产投资中人工费价格指数上涨幅度显著高于整体固定资产投资价格指数。


图1 建筑业农民工人数与收入变动情况


图2 人工费与固定资产价格指数

发展海外装配式建筑的机遇

建筑行业一直是各国国民经济中工业化水平较低、劳动力成本占比较高的行业。因此,伴随住房建设与基础设施建设的大量开展,紧缺的劳动力通常会引起劳动力成本的快速上涨,从而推动生产效率更高,人力需求更少的装配式建筑行业发展。建筑业工资上涨与住房的预制率呈现明显的正相关关系。


图3 建筑业工资指数与住宅预制率(以日本为例)

从全球范围装配式建筑发展的历程来看,装配式技术发展的驱动因素均是人工成本上涨。 当前中资企业在海外推广装配式建筑的必要性是存在的,在海外应用装配式技术的时机已经出现。

对于海外市场,采用装配式技术带来的海外劳工成本降低、环保和工期优势将对当前预制构件的成本增量有明显的抵消作用。

  • 装配式建筑随着预制率的提高单位人工费不断下行,人工费占建安费的比重持续下滑。当前海外人工成本的持续上涨,装配率提升所带来的人工成本下降有望逐步与单位材料费、机械费的成本增量打平。
  • 另外,装配式建筑的环保和建造周期的优势也可进一步抵消材料费和机械费成本增量的不利影响。
  • 虽然在非洲、南美洲等地区经济欠发达,但受西方影响,节能环保方面的要求确不能忽视。采用装配式技术将在当地具有良好的社会效益。
  • 采用工业化的生产方式的装配式技术,可提高生产效率35%-54%。随着劳动生产率的提高:一方面,可以加快资金周转为企业提前争取资金回流;另一方面,由于人数少、工期短,将降低安全风险、政治风险等出现的几率。并且成本从海外建造阶段向国内生产加工阶段的前移也将有利于成本的稳定。

关于钢结构建筑产业化

建筑业发展到现在这个时点,的确应该开始走工业化的道路。从事蓝领工作工人的数量会急剧下降,环保要求会越来越紧迫。我的判断是,混凝土的路是走不远的,但钢结构技术路径问题还很多。
制约钢结构建筑产业化,实现规模化发展存在的三大问题:

  • 钢结构防火防腐长效性问题;
  • 钢结构建筑现场仍然有大量砼现浇作业,无法实现完全装配化干作业问题;
  • 结构构件和部品部件难以标准化,无法大规模量产降低成本问题。

具体上需要解决:

  • 解决由面向工程施工的设计方法转化为面向制造与装配的设计方法(Design For Manufacture and Assembly – DFMA)的问题。
  • 解决结构体系与住宅产品匹配性问题。目前我国住宅户型平面设计采用适合现浇砼剪力墙结构体系的设计手法,平面凹凸较多,传统的钢结构体系与户型平面匹配度较低。如何选择适宜的装配式钢结构体系,使之与住宅产品户型相适应,是需要解决的问题。同时,如何解决结构体系化多动力参数为一个动力参数,实现结构构件标准化,达到量产的问题。
  • 解决露梁、露柱,结构防火防腐长效性问题。一是钢构件截面较大,常凸出于墙体,占用室内空间,且使得家居摆设和房间布置受到限制。二是解决结构化的防火防腐技术问题,达到长寿命建筑的目的。
  • 解决围护体系与主体结构匹配性及现场仍存在大量湿作业及二次砌筑等问题。目前钢结构楼板为现浇混凝土结构,影响建设工期,无法实现全装配干作业的问题。
  • 解决防火、防水、保温、防腐、隔声等构造细节做法问题。这些由钢材自身的特性决定,对比钢筋混凝土剪力墙体系,有材料方面的不足。
  • 解决主体结构与管线分离问题。目前存在内装体系与结构体系不分离,设备管线与结构体系不分离,水电管线预埋于结构中,管线老化导致要破坏结构修复。
  • 解决成本可控问题。需要充分考虑钢结构建筑系统性的技术解决方案。

最后,归根结底还是人才的问题。但此中万语千言,尽在不言中……

增值税的原理

增值税一度有些迷糊,后来通过下面的例子豁然开朗,希望对大家也有帮助。

增值税3% 增值税13%
不含税成本=100 不含税成本=100
进项税=100*3%=3 进项税=100*13%=13
现金流出103 现金流出113
含税收入=218,其中

不含税收入现金流入=200

规则报价业主补偿9%,现金流入18

缴纳销项税=200*9%=18

现金流出18

含税收入=218,其中

不含税收入现金流入=200

规则报价业主补偿9%,现金流入18

缴纳销项税=200*9%=18

现金流出18

利润=200-100=100 利润=200-100=100
应纳税额=18-3=15 应纳税额=18-13=5
过程现金流=218-103=115 过程现金流=218-113=105
最终现金流=200+18-18-103+3=100 最终现金流=200+18-18-113+13=100
税负=15/200=7.5% 税负=5/200=2.5%

结论:
1、 不含税成本、收入一致,利润(不考虑附加税)一致;
2、 13%较3%多取得10%的进项,但现金流同样要多付出113-103=10。即多取得进项就要多付出现金流;
3、 无论13%还是3%都是总包交给税务局或者是分包交给税务局的;
4、 13%与3%的税负不同,考虑附加税(城建税7%,教育费附加3%,地方教育费附加2%,共计12%),利润影响10%*12%=1.2%。

主题公园项目的设计体系

© Written by J.Y. WANG

写在前面的话
忆往昔,自2009年参加工作,到2019年已服务中国京冶十年整。本人先后参与完成了几乎所有主要的顶级主题公园项目,包括新加坡环球影城主题公园、珠海长隆海洋王国、上海迪士尼主题公园、北京环球影城主题公园、印尼MNC主题公园等,期间留下诸多回忆也充满了成就感,感恩能够参与到主题公园的历史发展中。除了主题公园项目外,本人还完成了机场航站楼、商业办公楼、水泥厂、发电厂、工业厂房等诸多其它类型的项目。学术科研方面先后完成并发表学术论文6篇,集团研究报告1份,国家标准1部,译著3部。感谢这些事,这些人,让我积累了宝贵的业务与管理经验,使得自身的技术水平、商务能力、管理能力得到了充分锻炼与提高。

至于今年夏天换了工作,就像小龟的故事,有时候需要换换环境。也许多年以后,回头再看,到时这段心路历程可能对后来人的职业规划才能有所帮助,现在还是暂且不表吧。不过倒是可以把这么多年的主题公园经验在这里分享给有缘人。具体细节的事情,无法一一赘述,摘些要点,希望有益于诸君,如果工作中遇到问题,也可以联系我,精力允许的话会尽量解答。


很多人觉得主题公园项目难,主要在于其专业多且繁杂,没有一定经验很难协调管控好。特别是当涉及一级开发时,很多人更是缺乏大的概念,往往抓不住主次。下面的两张分类图可能对于从大方向梳理会有所帮助。需要说明的是,这些图表的内容虽然来自实际项目,但是经过了抽象化、通用化,因此不涉及商业机密。实操项目应该具体情况具体分析,不同的项目有不同的特点和难点,不可生搬硬套。另外,主题公园项目,要时刻谨记三点:预算控制、创意落地、运营需求!

注:关于外线的一些思路,可以参看下面的要点(不系统,想到哪写到哪)
10/0.38kV箱式变电站
无市政天热气,采用储气罐
不设热交换站,不提供全园的冷热水
船用加油站为船只提供柴油
汽油和柴油加油站用于汽车和卡车及设备
自来水用于洗手、食品准备、初次消防供水
直饮水用于厨房和饮水点
中水用于冲厕、灌溉
深度处理中水复合再生水水质用于消防水补水、冲洗、灌溉、水景补水、航道补水
泄湖充水和补水为1A级,水过滤处理后达到修正三级。泄湖水2天循环处理一次。
污水重力排放至废水提升站,然后泵送至化粪池,初步处理后泵送至污水处理站。
雨水就近排入渗透池进行调蓄,如果进入渗透池内雨水超过其最高液位,将溢流至市政雨水管道。

EPC工程总承包与全过程咨询的关系

I. 二者的定义

1、EPC工程总承包简单来说即设计-采购-施工,是以向业主交付最终产品和服务为目的,对整个工程项目实行整体构思、全面安排、协调运行的前后衔接紧密的承包模式,其显著的特点是以设计为主导。EPC模式要求总承包商在设计、采购、施工等多个领域、多个专业拥有较高的技术和管理水平。EPC模式成功的关键是总承包商能有效地利用其在多领域技术上的专业优势和管理上协调、控制的丰富经验,使项目按时、保质、保量地完成。
2、全过程工程咨询是对工程建设项目前期研究和决策以及项目实施和运行的全生命周期提供包含设计和规划在内的涉及组织、管理、经济和技术等各有关方面的工程咨询服务,既包括工程管理类的活动,也包括设计等生产类活动,涉及建设工程全生命周期内的策划咨询、前期可研、工程设计、招标代理、造价咨询、工程监理、施工前期准备、施工过程管理、竣工验收及运营保修等各个阶段的管理服务。
 
II. 二者的关系
1、全过程工程咨询是对工程建设项目前期研究和决策以及项目实施和运行的全生命周期提供包含设计和规划在内的涉及组织、管理、经济和技术等各有关方面的工程咨询服务,虽然可以做规划、勘察、设计等生产活动,但更偏向工程管理类服务,属于一种项目管理模式。
2、而工程总承包是指从事工程总承包的企业受业主委托,按照合同约定对工程项目的勘察、设计、采购、施工、试运行(竣工验收)等实行全过程或若干阶段的承包,并对工程的质量、安全、工期、造价等全面负责的是一种生产组织方式。
3、从合同关系来看,全过程工程咨询主要接受业主的委托负责全过程的项目管理和服务,在合同关系上更偏向于委托合同,为业主提供有偿的咨询服务,而工程总承包模式下承包商和业主签订的是承包合同,通过合同规定发包方和承包方的权利和责任。
4、从管理范围和工作的内容来讲,提供全过程咨询服务的企业管理范围更广,工作范围涵盖了项目的整个生命周期所有的管理和咨询服务,除了前期帮助业主进行机会研究、项目建议和可行性研究、选择相关合作方等,还包括对相关合作方的管理和监督,提供招标、造价、监理等各方面的咨询。而工程总承包单位根据和业主谈判的结果,根据合同约定部分的参与工程价值链的某些环节,最为典型的是设计-采购-施工环节。
5、从承担的风险来看,总承包商需要对项目的质量、造价、工期等全面负责,风险较大,而工程咨询公司主要为整个项目提供一整套咨询服务,并按照合同的约定收取一定的报酬和承担一定的管理责任,风险相对较小。
 
III. 与国际接轨
建设单位应当加强工程总承包项目全过程管理,督促工程总承包企业履行合同义务。建设单位根据自身资源和能力,可以自行对工程总承包项目进行管理,也可以委托项目管理单位,依照合同对工程总承包项目进行管理。项目管理单位可以是本项目的可行性研究、方案设计或者初步设计单位,也可以是其他工程设计、施工或者监理等单位,但项目管理单位不得与工程总承包企业具有利害关系”。即表示一个项目建设可以采用工程总承包模式,也可以同时委托项目管理公司对其进行监督。提供全过程工程咨询服务的企业利用自身在管理、技术、法律等方面的专业知识,接受业主的委托,通过对总承包商的监督、管理和咨询服务,将对项目的顺利进行提供保障,有利于工程总承包市场的健康发展。