淺談建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的意義與方法

劉巍

中天環(huán)宇建筑設(shè)計(jì)有限公司安徽分公司 安徽 合肥 230011

1 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的意義與必要性

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本占項(xiàng)目開(kāi)發(fā)總投資的比例很小（不足1%），但其影響不可小覷，蝴蝶效應(yīng)極其明顯，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)成本控制起到四兩撥千斤的作用。在實(shí)現(xiàn)建筑功能的道路上，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)水平的高低對(duì)項(xiàng)目成本控制的影響很大，高超的設(shè)計(jì)水準(zhǔn)可以有效降低5%～10%的工程投資，降低幅度甚至可以高達(dá)10%～30%。

1.1 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的社會(huì)意義

人類一旦從事建筑活動(dòng)，就避免不了對(duì)土地、對(duì)礦山、對(duì)森林、對(duì)水資源等種種的再生及不可再生資源的利用。除此之外，在生產(chǎn)這些資源的同時(shí)也會(huì)消耗了大量的能源，更進(jìn)一步加深對(duì)人類賴以生存的環(huán)境的利用。從這一角度可知，花大力氣去控制建設(shè)成本、提高材料的重復(fù)利用率本身就是在保護(hù)環(huán)境、保護(hù)我們?nèi)祟惖那嗌骄G水，造福下一代。這一點(diǎn)也是契合新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義思想，具體要求就是在建設(shè)領(lǐng)域走節(jié)能、環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展之路。我們倡導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，就是要節(jié)能、節(jié)材、節(jié)地，省的不僅僅是開(kāi)發(fā)企業(yè)的錢，也是全社會(huì)的資源。

1.2 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)設(shè)計(jì)行業(yè)的意義

2008年金融風(fēng)暴的浪潮結(jié)束之后，房地產(chǎn)行業(yè)便開(kāi)始一步步走上國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱的寶座上，帶動(dòng)了上下游產(chǎn)業(yè)鏈的高速發(fā)展，不可否認(rèn)提高了我們老百姓的幸福指數(shù)。發(fā)展至今，我們也要認(rèn)識(shí)到，房地產(chǎn)行業(yè)已告別了黃金歲月，當(dāng)前的大環(huán)境已經(jīng)從土地與資金為王道的粗放型發(fā)展向以技術(shù)、人才為主的精細(xì)化轉(zhuǎn)變，暴力粗糙的時(shí)代一去不復(fù)返，房地產(chǎn)必須向以技術(shù)及人才為主的精細(xì)化管理要效益。房地產(chǎn)企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力最直觀的表現(xiàn)就是對(duì)成本控制的精細(xì)程度。對(duì)設(shè)計(jì)行業(yè)，尤其是設(shè)計(jì)階段的成本把控變得更加重要。疲軟的銷售市場(chǎng)以及不斷攀升的土地與建安成本，利潤(rùn)空間進(jìn)一步被壓縮，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的優(yōu)劣直接關(guān)系到建安成本的高低。如何在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)環(huán)境中，尋求在不影響建筑產(chǎn)品的功能與品質(zhì)的前提下，實(shí)現(xiàn)效益的最大化，與建筑行業(yè)的每一位設(shè)計(jì)人員都息息相關(guān)，是每一位建筑行業(yè)從業(yè)者的奮斗目標(biāo)。如何在“建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化”這一股浪潮中脫穎而出，不被歷史所淘汰，需要建筑設(shè)計(jì)人員改變過(guò)往陳舊的設(shè)計(jì)思路，最大限度利用過(guò)硬的技術(shù)和成功經(jīng)驗(yàn)。設(shè)計(jì)行業(yè)的改革迫在眉睫，過(guò)去吃老本的思想要徹底革新，大膽創(chuàng)新，積極探索出一條適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的道路，只有在這樣的前提下再談企業(yè)的發(fā)展就變得有意義[1]。

結(jié)構(gòu)、設(shè)備成本是隱蔽不外露的成本，不能給客戶帶來(lái)視覺(jué)沖擊的支出成本，但又是設(shè)計(jì)企業(yè)不得不重點(diǎn)關(guān)注的，設(shè)計(jì)優(yōu)化節(jié)省的工程造價(jià)就是項(xiàng)目的新增利潤(rùn)。設(shè)計(jì)企業(yè)需要以更嚴(yán)謹(jǐn)、更科學(xué)、更精細(xì)的態(tài)度來(lái)對(duì)待設(shè)計(jì)行業(yè)，只有這樣才能立于不敗之地。

以唐山某兩個(gè)項(xiàng)目為例，二者地塊相距不足2km，同樣是18層的高層住宅，由兩個(gè)不同的設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)對(duì)兩個(gè)地塊的設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行成本測(cè)算，地上結(jié)構(gòu)的含鋼量竟然相差17.7kg/m2，按目前的鋼材綜合單價(jià)為5000元/噸計(jì)算，對(duì)單方造價(jià)的影響就達(dá)到了88.5元/m2，對(duì)于地上一個(gè)20萬(wàn)m2的樓盤(pán)，則總價(jià)差異就是1873萬(wàn)。由此來(lái)看，要不要引起重視？

同樣的某項(xiàng)目，類型為城市綜合體項(xiàng)目，主樓改變樁基參數(shù)及布局，裙樓改用鋼筋混凝土灌注樁為CFG復(fù)合地基處理，則整個(gè)項(xiàng)目可節(jié)省造價(jià)1200萬(wàn)以上。

大型商業(yè)綜合體的基礎(chǔ)底板，優(yōu)化前后含鋼量由124kg/m2降到62.4kg/m2，降幅達(dá)50%，僅鋼筋這一項(xiàng)可節(jié)省工程造價(jià)1200多萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)性可想而知。

1.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)開(kāi)發(fā)企業(yè)的生存意義

我們知道，房地產(chǎn)市場(chǎng)狀況將城市分為一二三四線城市，雖沒(méi)有規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，但也在業(yè)界內(nèi)被廣泛接受和認(rèn)可。但對(duì)于房地產(chǎn)市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)多年的調(diào)查研究，從各城市房地產(chǎn)市場(chǎng)對(duì)建安成本的敏感度的角度來(lái)說(shuō)，又可劃分為成本型城市和產(chǎn)品型城市。

成本型城市對(duì)工程建安成本的控制要求較高，重點(diǎn)是控制設(shè)計(jì)階段的成本優(yōu)化、招投標(biāo)、現(xiàn)場(chǎng)簽證等。成本型城市對(duì)工程管理、工程成本管理的要求較高。因此，下沉到三四線城市的開(kāi)發(fā)商來(lái)說(shuō)，城市開(kāi)發(fā)如同雞肋，成本控制得好可以收貨薄利，控制不好就可能賠本?，F(xiàn)在好多排名靠前的開(kāi)發(fā)企業(yè)慢慢地都轉(zhuǎn)戰(zhàn)一二線城市了，也是對(duì)這一處境最好的詮釋。從這個(gè)角度來(lái)看，如果想長(zhǎng)期留在三四線城市、繼續(xù)深耕三四線城市，就必須加大成本控制力度，否則生存都難，更不要說(shuō)發(fā)展了。

2 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的誤解

“建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化”意在提高整體結(jié)構(gòu)安全度的均好性，“損有余而補(bǔ)不足”，并不是以犧牲結(jié)構(gòu)安全為代價(jià)，在減少無(wú)效的、浪費(fèi)的土建成本的同時(shí)，還可以消除結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤或安全隱患，提高結(jié)構(gòu)的整體安全度。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并不是材料用得越多結(jié)構(gòu)就越安全，通過(guò)減輕重量、合理剛度、增大延性等措施反倒會(huì)使結(jié)構(gòu)更加趨向合理，從而提高結(jié)構(gòu)安全度。在鋼筋混凝土中，減少不必要的混凝土用量，可減輕結(jié)構(gòu)自重，降低結(jié)構(gòu)剛度，從而減小地震作用，減輕結(jié)構(gòu)的地震效應(yīng)，使墻、柱等抗側(cè)力構(gòu)件及基礎(chǔ)的安全度增加。

保守設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)安全是完全不同的兩個(gè)概念。眾所周知，木結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu)要好。除了木結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)比較柔，有延性，不易倒塌外，還有一個(gè)重要因素是重量輕。重量輕則地震小，進(jìn)而地震響應(yīng)就小。

結(jié)構(gòu)大師AL.Fred.E曾說(shuō)過(guò)，“把簡(jiǎn)單的事情復(fù)雜化很容易，把復(fù)雜的事情簡(jiǎn)單化去很難”。越是簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，其傳力路徑也越明確。而傳力路徑越短、傳力路徑越直接越明確的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的可靠性也就越高。傳力路徑復(fù)雜迂回或傳力路徑不直接唯一，都會(huì)給結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力帶來(lái)諸多不確定性，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)材料用量的增加[2]。

局部做強(qiáng)，可能就造成了更重要部位的相對(duì)薄弱。比如常見(jiàn)的就是梁剛度、配筋加大導(dǎo)致地震作用下梁柱塑性鉸易位的問(wèn)題。過(guò)大的截面尺寸還有可能導(dǎo)致構(gòu)件的跨高比及剪跨比過(guò)小，出現(xiàn)脆性破壞的情況。而且部分構(gòu)件截面的加大會(huì)使得結(jié)構(gòu)體系各部分間的剛度比例發(fā)生變化，導(dǎo)致內(nèi)力重分配，往往會(huì)出現(xiàn)一些難以預(yù)料的結(jié)果（比如扭轉(zhuǎn)相應(yīng)增大、出現(xiàn)薄弱層等）。

強(qiáng)震來(lái)臨時(shí)，地震作用可能是設(shè)計(jì)值的幾十倍甚至上百倍，硬抗是不可取的，也是不現(xiàn)實(shí)的，所以在常規(guī)設(shè)計(jì)時(shí)強(qiáng)震下是沒(méi)有安全儲(chǔ)備的，一切構(gòu)件都是有可能破壞的，但我們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^(guò)控制構(gòu)件的破壞順序和結(jié)構(gòu)整體破壞形態(tài)達(dá)到減少地震傷害的目的，即以柔克剛，這才是延性設(shè)計(jì)的精髓。延性設(shè)計(jì)的本質(zhì)是通過(guò)結(jié)構(gòu)措施提高結(jié)構(gòu)整體變形能力，通過(guò)變形耗能，實(shí)現(xiàn)大震不倒的目的。

3 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的時(shí)機(jī)選擇

一個(gè)房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的過(guò)程中，各個(gè)階段與環(huán)節(jié)，都存在成本控制的課題，但不同的階段的成本控制，其效益與效果截然不同。

規(guī)劃設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的成本控制具有四兩撥千斤的地位和作用：在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段進(jìn)行成本控制可以最大限度地減少事后修改帶來(lái)的成本增加。查閱資料研究表明，一般在前期產(chǎn)品市場(chǎng)定位階段，若此時(shí)介入成本控制，效果高達(dá)80%～90%甚至更高，同時(shí)阻力最小，代價(jià)最低；在中期方案設(shè)計(jì)階段，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較，成本控制效果可達(dá)75%～80%，同時(shí)阻力很小，所需代價(jià)較低；在后期的深化設(shè)計(jì)及施工圖設(shè)計(jì)階段，通過(guò)對(duì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)方案、技術(shù)措施等的優(yōu)化比選，成本控制效果僅15%～20%，而且遇到的阻力與所需的代價(jià)均較大。因此，成本控制越早越好，重點(diǎn)在事前控制[3]。

4 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化有三個(gè)層次，第一個(gè)層次是構(gòu)件層面的優(yōu)化，目前普遍使用混凝土含量與鋼筋含量來(lái)評(píng)判其效果，是比較容易量化的，此層面的優(yōu)化量級(jí)一般是幾萬(wàn)、幾十萬(wàn)的造價(jià)，是微觀層次的優(yōu)化；第二個(gè)層次的優(yōu)化是巖土、結(jié)構(gòu)整體層面的優(yōu)化，是地基基礎(chǔ)與主體結(jié)構(gòu)方案與體系層次的優(yōu)化，是宏光層面的優(yōu)化，評(píng)價(jià)指標(biāo)不單單是鋼筋混凝土含量，可能還會(huì)涉及模板、土方、防水、基坑支護(hù)、降水以及人工、機(jī)械等方面，甚至地基基礎(chǔ)形式的改變，獲益不僅僅是經(jīng)濟(jì)層面，還有結(jié)構(gòu)性能的改進(jìn)、工期的縮短、施工的便利等，優(yōu)化量級(jí)在幾十萬(wàn)、幾百萬(wàn)之間；第三個(gè)層次是綜合建筑方案對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程施工、成本與營(yíng)銷的影響而對(duì)建筑結(jié)構(gòu)總體方案進(jìn)行的優(yōu)化，是從建筑專業(yè)入手，通過(guò)結(jié)構(gòu)專業(yè)來(lái)實(shí)現(xiàn)，有利于降本增效、又方便施工的設(shè)計(jì)優(yōu)化，這是宇觀層次的優(yōu)化，其評(píng)價(jià)指標(biāo)已遠(yuǎn)非結(jié)構(gòu)專業(yè)本身，還有適用、舒適、美觀等建筑功能，以及建筑品質(zhì)的提高[4]。

4.1 建筑結(jié)構(gòu)總體方案的優(yōu)化

建筑方案對(duì)結(jié)構(gòu)成本影響巨大，建筑方案一經(jīng)確定，即已決定了結(jié)構(gòu)成本的60%～70%，另外的30%～40%通過(guò)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化和構(gòu)件層面的精細(xì)化設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。好的建筑方案對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是先天性優(yōu)勢(shì)，既沒(méi)有結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，也沒(méi)有技術(shù)上的難點(diǎn)，結(jié)構(gòu)得心應(yīng)手，能夠輕松實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)限額指標(biāo)。糟糕的建筑方案對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)就是先天性不足，結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)起來(lái)就很困難，更不要說(shuō)經(jīng)濟(jì)性了。

所以優(yōu)秀的建筑設(shè)計(jì)方案，一定是充分考慮結(jié)構(gòu)的可行性、合理性與經(jīng)濟(jì)性的方案，是建筑與結(jié)構(gòu)兩個(gè)專業(yè)共同推敲的結(jié)果。兩個(gè)專業(yè)整合在一起，往往能發(fā)揮1+1＞2的效果。因此，方案創(chuàng)作絕不僅是建筑師的事，結(jié)構(gòu)工程師的參與也是必要的，也是有價(jià)值的。

成本控制是建筑全壽命周期的永久課題，不是某一專業(yè)、某一階段的降本增效。結(jié)構(gòu)成本的控制必須是全過(guò)程的，重點(diǎn)關(guān)注方案、擴(kuò)初階段。重在初期控制、過(guò)程監(jiān)督落實(shí)，這正是建筑結(jié)構(gòu)總體方案優(yōu)化設(shè)計(jì)的意義。

建筑結(jié)構(gòu)總體方案優(yōu)化大致可從以下幾個(gè)方面入手。建筑方案的角度，可以考慮建筑總平面圖及豎向設(shè)計(jì)的優(yōu)化、地下空間綜合利用問(wèn)題的優(yōu)化、建筑平面設(shè)計(jì)優(yōu)化、建筑體型及立面設(shè)計(jì)的優(yōu)化、層高的控制與設(shè)計(jì)優(yōu)化、房屋總高的控制與設(shè)計(jì)優(yōu)化；結(jié)構(gòu)方案的角度，可以考慮建筑高寬比的控制與設(shè)計(jì)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的規(guī)避與設(shè)計(jì)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)超限的規(guī)避與設(shè)計(jì)優(yōu)化、跨度及墻柱間距的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

4.2 巖土、結(jié)構(gòu)方案對(duì)成本的影響

一旦建筑方案確定，結(jié)構(gòu)成本即已確定了60%～70%，另外巖土結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化和結(jié)構(gòu)精細(xì)化設(shè)計(jì)占30%～40%，而其中，巖土結(jié)構(gòu)方案的占比又在70%以上。因此巖土結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化是優(yōu)化的重點(diǎn)。

巖土結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化大致可以從以下幾個(gè)方面入手。巖土與基礎(chǔ)的角度，可以考慮基坑支護(hù)及邊坡?lián)鯄Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、地基基礎(chǔ)選型的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較、地基處理方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較與優(yōu)化、樁基方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較與優(yōu)化、樁基礎(chǔ)的靜載試驗(yàn)的優(yōu)化策略。主體結(jié)構(gòu)的角度，可以考慮結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)優(yōu)化、基礎(chǔ)底板設(shè)計(jì)優(yōu)化、主體結(jié)構(gòu)體系的選型與設(shè)計(jì)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)平面布置的設(shè)計(jì)優(yōu)化[5]。

5 結(jié)束語(yǔ)

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化不僅對(duì)房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)企業(yè)及設(shè)計(jì)行業(yè)水平提高有意義，并且具有重大的社會(huì)意義。

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的本質(zhì)在于成本控制，重點(diǎn)在事前控制，越早控制越好。

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有三個(gè)層次，一是微觀層次的優(yōu)化，即構(gòu)件層次的優(yōu)化，二是宏觀層次的優(yōu)化，即巖土、結(jié)構(gòu)整體層面的優(yōu)化，三是宇觀層次的優(yōu)化，即綜合建筑方案對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程施工、成本與營(yíng)銷的影響而對(duì)建筑結(jié)構(gòu)總體方案進(jìn)行的優(yōu)化。