基于PKPM 設(shè)計(jì)軟件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化創(chuàng)效方法

梁家輝，賈 鵬，鞠 巍，劉 毅，黃教源

中國(guó)建筑一局（集團(tuán)）有限公司，北京 100071

建設(shè)工程項(xiàng)目管理中，成本控制無(wú)疑是最重要的環(huán)節(jié)之一，如今在建筑行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)十分激烈的背景下，如何把技術(shù)和成本有機(jī)結(jié)合成了工程技術(shù)人員的一大重難點(diǎn)，這也使得技術(shù)創(chuàng)效在現(xiàn)在的項(xiàng)目管理中越來(lái)越受重視。

本團(tuán)隊(duì)基于技術(shù)創(chuàng)效的基本原則，以設(shè)計(jì)的角度去發(fā)現(xiàn)創(chuàng)效點(diǎn)，達(dá)到“知己知彼”的效果，為項(xiàng)目技術(shù)創(chuàng)效提供了一種新思路。

1 背景介紹

在一般情況下，要實(shí)現(xiàn)技術(shù)“雙優(yōu)化”創(chuàng)效，項(xiàng)目部往往需要重視前期技術(shù)和商務(wù)的結(jié)合，通過(guò)技術(shù)人員對(duì)圖紙的了解掌握，發(fā)現(xiàn)圖紙問(wèn)題，在滿(mǎn)足規(guī)范、設(shè)計(jì)意圖、安全、質(zhì)量的前提下提出優(yōu)化方案，經(jīng)商務(wù)部門(mén)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，最終在設(shè)計(jì)、建設(shè)單位確認(rèn)后按優(yōu)化方案實(shí)施，完成創(chuàng)效。創(chuàng)效過(guò)程中最關(guān)鍵的一環(huán)就是如何才能發(fā)現(xiàn)創(chuàng)效點(diǎn)，提出優(yōu)化方案。

那么怎樣發(fā)現(xiàn)優(yōu)化創(chuàng)效點(diǎn)呢？部分施工單位通過(guò)相關(guān)的優(yōu)秀案例總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn)，主要是通過(guò)與設(shè)計(jì)單位、業(yè)主溝通，替換或增減設(shè)計(jì)初步選用的材料、做法等，例如混凝土增加抗裂外加劑，鋼筋等強(qiáng)度、等面積代換，地下防水材料變更等，其基本原則就是將一些費(fèi)時(shí)費(fèi)工、收入較低的工作項(xiàng)替換為成本低、收入高的項(xiàng)，從而擴(kuò)大盈利空間，這就是技術(shù)創(chuàng)效的基本方法。

然而改變材料、做法不是憑空想出來(lái)的，是要通過(guò)專(zhuān)業(yè)人員對(duì)項(xiàng)目的嚴(yán)謹(jǐn)分析和策劃才能做到?，F(xiàn)在的施工單位越來(lái)越重視應(yīng)用新型模架體系、綠色施工技術(shù)、BIM 等四新技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)效，這些要求目前已基本覆蓋到所有項(xiàng)目部，成為了項(xiàng)目管理的常規(guī)操作。本團(tuán)隊(duì)提出的基于PKPM 系列設(shè)計(jì)軟件的土建結(jié)構(gòu)優(yōu)化創(chuàng)效方法也正是基于這些要求，基于創(chuàng)效的基本原則，以設(shè)計(jì)的角度去發(fā)現(xiàn)創(chuàng)效點(diǎn)，從而達(dá)到“知己知彼”的效果，為項(xiàng)目技術(shù)創(chuàng)效提供了一種新思路［1］。

從建設(shè)單位的角度出發(fā)，一個(gè)建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施階段，首先要從設(shè)計(jì)管理開(kāi)始。設(shè)計(jì)圖紙對(duì)工程造價(jià)的影響是決定性的，因此大部分建設(shè)單位會(huì)有專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)部門(mén)進(jìn)行設(shè)計(jì)管理。而施工單位在建設(shè)項(xiàng)目中一般僅承擔(dān)施工任務(wù)，與設(shè)計(jì)單位一般沒(méi)有直接關(guān)系，也不會(huì)設(shè)專(zhuān)人進(jìn)行設(shè)計(jì)管理，只需按圖施工即可。這樣就會(huì)存在一個(gè)問(wèn)題，由于施工單位不掌握設(shè)計(jì)原理，缺少對(duì)設(shè)計(jì)圖紙意圖的真正理解，從而不能把握到其中隱藏的創(chuàng)效點(diǎn)。

本團(tuán)隊(duì)在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，通過(guò)對(duì)圖紙的研討分析和對(duì)建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位的日常溝通中發(fā)現(xiàn)，因項(xiàng)目情況特殊，圖紙幾乎是設(shè)計(jì)好就出圖用來(lái)施工了，項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)圖紙是一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)化的重中之重，因此項(xiàng)目技術(shù)人員結(jié)合自身的知識(shí)，運(yùn)用PKPM 系列設(shè)計(jì)軟件對(duì)設(shè)計(jì)單位提供的原始結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了一些不合理的荷載、截面等問(wèn)題，為圖紙會(huì)審、商務(wù)創(chuàng)效工作做出了一定的貢獻(xiàn)。

2 創(chuàng)效方法思路

現(xiàn)在的工程項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，設(shè)計(jì)單位做施工圖設(shè)計(jì)往往時(shí)間非常緊張，甲方一確定方案就開(kāi)始催出圖，而設(shè)計(jì)人員能力參差不齊，往往還要同時(shí)跟進(jìn)多個(gè)項(xiàng)目，時(shí)間精力無(wú)法保證，一個(gè)項(xiàng)目甚至一個(gè)星期就要出圖，為了趕圖紙，設(shè)計(jì)師出于安全和進(jìn)度方面考慮，往往在設(shè)計(jì)中習(xí)慣于保守設(shè)計(jì)，指望設(shè)計(jì)院自主去優(yōu)化并不符合實(shí)際，這對(duì)設(shè)計(jì)院來(lái)說(shuō)是個(gè)費(fèi)力不討好的事情，同時(shí)由于結(jié)構(gòu)與安全的緊密關(guān)系，故一般的建設(shè)單位對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化并沒(méi)有足夠的重視，而且往往存在一種觀(guān)點(diǎn)，降低結(jié)構(gòu)成本必然降低安全儲(chǔ)備，因此僅僅從大的平米經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上進(jìn)行成本控制，只要在合理范圍內(nèi)就不再優(yōu)化。而施工單位一般情況下管理人員充足，項(xiàng)目部人員只需要長(zhǎng)時(shí)間負(fù)責(zé)一個(gè)項(xiàng)目，施工過(guò)程中有足夠的時(shí)間去看圖紙，并優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)合上述客觀(guān)現(xiàn)象，在此我們提出一種創(chuàng)效方法，由施工單位組織技術(shù)力量，運(yùn)用PKPM 軟件查看分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型，找出模型中不合理的地方，并會(huì)同商務(wù)人員一同分析后采取進(jìn)一步優(yōu)化措施［2］。

本創(chuàng)效方法本質(zhì)上是一種通過(guò)PKPM 軟件查看分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型，從而進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法。其重點(diǎn)在于靈活運(yùn)用PKPM 軟件，例如通過(guò)對(duì)比建筑圖的墻體布局、房間功能，查看結(jié)構(gòu)模型中的恒活荷載布置，看是否存在荷載布置過(guò)大、過(guò)小或遺漏的情況，又或者通過(guò)調(diào)整主要構(gòu)件的截面尺寸、材料強(qiáng)度等參數(shù)，將調(diào)整后計(jì)算分析出的配筋與實(shí)際出圖的配筋結(jié)合造價(jià)進(jìn)行對(duì)比，看是否存在創(chuàng)效空間，從而優(yōu)化調(diào)整設(shè)計(jì)圖紙。

3 創(chuàng)效過(guò)程

現(xiàn)以萍鄉(xiāng)市金融中心項(xiàng)目為例，介紹本團(tuán)隊(duì)在應(yīng)用PKPM系列設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化創(chuàng)效的成果。

3.1 工程概況

萍鄉(xiāng)市金融中心建設(shè)工程位于江西省萍鄉(xiāng)市開(kāi)發(fā)區(qū)319 國(guó)道與興賢東路交叉口，建筑面積約8 萬(wàn)m2，包含一棟36 層塔樓及四層附屬用房和兩層地下室，結(jié)構(gòu)形式為框筒結(jié)構(gòu)，塔樓建筑高度148.3m，作為萍鄉(xiāng)市高品位、高質(zhì)量的準(zhǔn)五星級(jí)酒店及準(zhǔn)甲級(jí)寫(xiě)字樓，建成后將成為全市的標(biāo)志性建筑。

3.2 前期準(zhǔn)備

項(xiàng)目部配備安裝PKPM 系列設(shè)計(jì)軟件的電腦若干，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)具備基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)，確保硬件滿(mǎn)足。與建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位做好對(duì)接，爭(zhēng)取拿到最終版的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型（否則后續(xù)工作無(wú)法開(kāi)展），組織技術(shù)人員結(jié)合建筑、結(jié)構(gòu)圖紙進(jìn)行模型審核。

3.3 優(yōu)化內(nèi)容

由于一般項(xiàng)目前期已完成方案設(shè)計(jì)，故在此不考慮對(duì)結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)件布置等內(nèi)容作調(diào)整，僅對(duì)荷載、構(gòu)件配筋等進(jìn)行優(yōu)化。此外設(shè)計(jì)參數(shù)一般都經(jīng)過(guò)了設(shè)計(jì)單位專(zhuān)家審核和圖審單位的審查，一般也無(wú)需進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

3.4 荷載優(yōu)化

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在布置好結(jié)構(gòu)構(gòu)件后要根據(jù)建筑、設(shè)備等進(jìn)行恒、活荷載布置，荷載輸入值的準(zhǔn)確性關(guān)系到構(gòu)件計(jì)算及整體建筑在地震作用下整體分析，從而直接關(guān)系到整個(gè)工程的含鋼量。荷載的計(jì)算應(yīng)按照荷載規(guī)范盡量精確計(jì)算，同時(shí)與工程實(shí)際選用的材料相結(jié)合。

案例1：

項(xiàng)目前期策劃中計(jì)劃變更二次結(jié)構(gòu)墻體材料，例如將原設(shè)計(jì)200mm 煤矸石多孔磚墻改為120mm 輕質(zhì)隔墻，可顯著減輕結(jié)構(gòu)荷載，從而減小結(jié)構(gòu)含鋼量。

磚墻線(xiàn)荷載：煤矸石多孔磚自重為13kN/m3，200mm厚、3.3m 高磚墻線(xiàn)荷載為13×0.2×3.3=8.58（kN/m），此外輕質(zhì)隔墻可以免抹灰，否則還需要加上墻體兩側(cè)雙面抹灰荷載：0.36×3.3×2=2.376（kN/m）

輕質(zhì)隔墻線(xiàn)荷載：120mm 厚輕質(zhì)隔墻面荷載1.1kN/m2，3.3m 高墻體線(xiàn)荷載為1.1×3.3=3.63（kN/m）

因此實(shí)際減輕的結(jié)構(gòu)荷載為8.58+2.376-3.63=7.326（kN/m）

現(xiàn)有設(shè)計(jì)某次梁截面250mm×600mm，跨度8.4m，頂部作用二次結(jié)構(gòu)墻體恒荷載，當(dāng)墻體為200mm 煤矸石多孔磚墻時(shí)，計(jì)算配筋如下圖1：

圖1

改為輕質(zhì)隔墻減少荷載后，計(jì)算配筋如下圖2：

圖2

修改后該梁鋼筋含量由255.086kg 減少為192.751kg，降低了24.4%，由此可見(jiàn)改變荷載對(duì)結(jié)構(gòu)配筋影響之大。此外由于大量隔墻減小自重荷載后，整樓自重減輕，根據(jù)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范相應(yīng)的整樓地震作用力均可相應(yīng)減小。從而在整體計(jì)算分析時(shí)即可減小梁、柱和墻的計(jì)算配筋。

除上述情況外，我們通過(guò)查看模型中的荷載還可以了解到設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)各種結(jié)構(gòu)荷載的取值、布置，并結(jié)合建筑施工圖進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程的錯(cuò)漏，從而進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

3.5 構(gòu)件優(yōu)化

設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中一般不清楚材料的市場(chǎng)價(jià)格，在選擇材料強(qiáng)度和構(gòu)件截面時(shí)會(huì)按設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)主要根據(jù)層高、跨度、面積等因素取值，因此我們有條件時(shí)可以選用多種不同的強(qiáng)度+構(gòu)件截面組合代入模型計(jì)算，最終確定最優(yōu)方案。例如當(dāng)混凝土價(jià)格相對(duì)較高，可適當(dāng)降低混凝土強(qiáng)度等級(jí)或減少構(gòu)件截面以降低綜合造價(jià)。同一構(gòu)件選用不同的截面尺寸或不同的混凝土強(qiáng)度，計(jì)算出的配筋也不一樣，可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果取最優(yōu)方案，同時(shí)注意結(jié)合工程實(shí)際情況和當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐牟牧蟽r(jià)格［3］。

案例2：

某層設(shè)計(jì)梁混凝土強(qiáng)度為C35，面積約為1455.2m2，其中梁混凝土量為163.311m3，梁鋼筋計(jì)算含量為25.021t（HRB400），分別改為采用C30、C40 后，梁鋼筋計(jì)算含量分別為25.530t、24.910t。

根據(jù)當(dāng)?shù)劁摻?、混凝土市?chǎng)價(jià)，C30～C40 混凝土綜合單價(jià)分別為691.31 元/m3、713.87 元/m3、738.38 元/m3，HRB400 鋼筋綜合單價(jià)為5480.7 元/t。采用C30 時(shí)梁鋼筋+混凝土綜合合價(jià)為25.282 萬(wàn)元，C35 時(shí)綜合合價(jià)為25.371 萬(wàn)元，C40 時(shí)綜合合價(jià)為25.711 萬(wàn)元，因此當(dāng)不考慮其他因素時(shí)選用C30 為最優(yōu)方案。

3.6 其它優(yōu)化

通過(guò)PKPM 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型還可以做到一些其它方面的優(yōu)化，例如更直觀(guān)顯示構(gòu)件截面尺寸和空間定位等，輔助圖紙錯(cuò)漏碰缺的審核。

案例3：建筑設(shè)計(jì)方案中屋頂玻璃幕墻外立面造型為斜面，幕墻頂標(biāo)高為153.184～160.000m 不等，需在屋面上周圈設(shè)置與幕墻同高的框架梁和柱作為幕墻的固定點(diǎn)，而設(shè)計(jì)模型中框架梁頂標(biāo)高均為160.000m，與實(shí)際幕墻設(shè)計(jì)方案不符，經(jīng)幕墻深化提資后結(jié)構(gòu)調(diào)整為斜梁。本次優(yōu)化提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中錯(cuò)誤的地方，在下部結(jié)構(gòu)施工中即完成相應(yīng)的變更，為順利建造節(jié)約了寶貴的時(shí)間成本。

4 社會(huì)效益和推廣前景

PKPM 設(shè)計(jì)軟件對(duì)電腦的硬件要求不像Revit 那么高，用普通辦公電腦即可建模、計(jì)算并查看結(jié)果，但對(duì)使用人員的結(jié)構(gòu)規(guī)范掌握程度和對(duì)軟件的熟練程度是有一定要求的，而本創(chuàng)效方法不僅僅局限于運(yùn)用PKPM 工具，更多的則是提出一種理念：通過(guò)掌握設(shè)計(jì)原理和方法去實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化創(chuàng)效。實(shí)現(xiàn)這個(gè)理念的重點(diǎn)應(yīng)在于建立完整的設(shè)計(jì)管理體系，通過(guò)加強(qiáng)施工單位技術(shù)人員的設(shè)計(jì)能力，讓既懂施工又懂設(shè)計(jì)的人去參與設(shè)計(jì)單位的設(shè)計(jì)全過(guò)程，從而打破施工單位與設(shè)計(jì)院的溝通壁壘，更能從整體項(xiàng)目角度全方位考慮并協(xié)調(diào)項(xiàng)目建設(shè)前期和后期所遇到的技術(shù)難點(diǎn)和優(yōu)化創(chuàng)效點(diǎn)［4］。

當(dāng)前大部分施工企業(yè)普遍在設(shè)計(jì)優(yōu)化管理方面較弱，設(shè)計(jì)優(yōu)化僅局限于提一些簡(jiǎn)單的小措施，沒(méi)有從設(shè)計(jì)過(guò)程中及項(xiàng)目全過(guò)程和全方位優(yōu)化創(chuàng)效考慮，但對(duì)于一些EPC 項(xiàng)目，設(shè)計(jì)優(yōu)化工作就尤為重要，若沒(méi)有完善的設(shè)計(jì)管理體系則必將在與設(shè)計(jì)單位、建設(shè)單位的博弈中處于被動(dòng)，從而降低項(xiàng)目的品質(zhì)和利潤(rùn)率。

理想情況下，可將設(shè)計(jì)優(yōu)化降低的工程造價(jià)及安全風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)化為從業(yè)主方獲得的對(duì)施工單位專(zhuān)業(yè)能力的認(rèn)可以及對(duì)應(yīng)的獎(jiǎng)勵(lì)，既提升了施工單位的品牌效應(yīng)及收入，業(yè)主也得到更高質(zhì)量和品質(zhì)的產(chǎn)品，從而必將獲得雙贏的結(jié)果。