工業(yè)建筑設(shè)計優(yōu)化探討

李曉龍 茹洪順

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

0 前言

工業(yè)項目建設(shè)成本已成為冶煉行業(yè)盈虧點的重要因素。建設(shè)成本涉及固定資產(chǎn)折舊，加之建設(shè)期貸款利息的疊加，所以通過設(shè)計優(yōu)化降低成本非常有必要。

設(shè)計優(yōu)化，是以工程設(shè)計理論和對項目工藝、現(xiàn)場條件的深入了解為基礎(chǔ)，以工程實踐經(jīng)驗為前提，基于對設(shè)計規(guī)范的深刻理解和靈活運用，以先進、合理的工程設(shè)計方法為手段，對工程設(shè)計進行深化、調(diào)整、改進與提高的過程。設(shè)計優(yōu)化對工程量、工程成本進行審核和監(jiān)控，也是一個對工程設(shè)計再加工的過程[1]。

設(shè)計優(yōu)化的目的是在完成項目設(shè)計基礎(chǔ)上，保證項目的功能、可靠性指標，減少能源消耗，保證項目連續(xù)可靠的運行時間，為企業(yè)實現(xiàn)更佳的經(jīng)濟效益、環(huán)保效益和社會效益。設(shè)計優(yōu)化還通過控制工程量，改善施工條件，實現(xiàn)控制投資、降低造價的目標。

設(shè)計優(yōu)化貫穿項目管理始終。設(shè)計優(yōu)化越早越好，方案設(shè)計階段和初步設(shè)計階段都是設(shè)計優(yōu)化的重要階段[2]。進入施工階段后，也存在有很多優(yōu)化的可能，作為設(shè)計者要盡可能去挖掘。工業(yè)項目設(shè)計優(yōu)化的原則是符合設(shè)計標準，不影響設(shè)計功能，不影響工藝操作。

1 方案設(shè)計階段設(shè)計優(yōu)化

方案設(shè)計階段的優(yōu)化主要在工藝方案的選擇。例如工業(yè)建筑中的銅冶煉廠，可選擇頂吹煉銅、側(cè)吹煉銅、底吹煉銅、濕法煉銅等多種工藝。工業(yè)項目要根據(jù)礦物成分、生產(chǎn)規(guī)模、項目所在地條件等因素選擇工藝方案，既要考慮項目建設(shè)直接投資成本，也要考慮項目建成后的生產(chǎn)運營成本。這個過程不僅要經(jīng)過專家論證，還要組織人員到各冶煉廠調(diào)研。調(diào)研時要充分與車間主任交流溝通，從基層中獲取第一手資料。通過多方案的可行性研究對比，選出綜合性價比最高的方案。在這個階段，還可通過聘請業(yè)界專家組織評審會等方式進行充分評審論證，從而真正選出最優(yōu)方案。

2 施工圖設(shè)計階段設(shè)計優(yōu)化

項目實施過程中，可以從工藝方案具體實施、具體設(shè)計方案優(yōu)化方面來控制項目費用。根據(jù)項目實施要求合理安排設(shè)計周期，并圍繞保證工程設(shè)計質(zhì)量、杜絕重大設(shè)計錯誤和設(shè)計返工、滿足工程施工要求、減少設(shè)計浪費的中心，精心開展設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計，從而有效地控制建設(shè)投資。

1)施工圖階段優(yōu)化主要是在滿足工藝基礎(chǔ)上，盡可能精心計算，精細布置，將結(jié)構(gòu)件可靠度、富余系數(shù)設(shè)計一致，避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)件局部富余系數(shù)過大的情況。如鋼結(jié)構(gòu)熔煉主廠房，在進行次梁及次次梁的計算和設(shè)計時，有些設(shè)計者設(shè)計的安全系數(shù)超過框架梁的安全系數(shù)，這是沒有必要的。設(shè)計時不需要將次次梁安全系數(shù)放得過大，可將次梁兩側(cè)的次次梁翼緣與次梁翼緣焊接到一起，做連續(xù)次次梁，以增加整體性。

2)從設(shè)計條件入手進行優(yōu)化設(shè)計。如某熔煉主廠房設(shè)計，工藝提出某樓層立砌耐火磚，又考慮到耐火磚可能受潮，水套漏水吸濕后耐火磚比重增大等因素，樓面荷載條件設(shè)計為30 kN/m2。這導致進行結(jié)構(gòu)抗震計算時，水平力非常大，鋼框架柱子及框架梁截面較大。但實際上地震與水套漏水浸濕耐火磚這兩種情況同時出現(xiàn)的可能性極低，經(jīng)結(jié)構(gòu)專業(yè)與工藝專業(yè)溝通，在計算地震力時不考慮耐火磚受濕情況，在設(shè)計計算梁板柱等靜荷載承重時考慮耐火磚浸濕的最不利情況。這樣的設(shè)計優(yōu)化大大縮小了鋼框架柱子及框架梁截面。

3)設(shè)計者除了優(yōu)化工程量，還要考慮施工的便利性優(yōu)化。比如熔煉主廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計中，熱軋H 型鋼和焊接H 型鋼的選用就很有考究。設(shè)計時盡可能選用熱軋H 型鋼，盡管其噸單價相對貴一些，但這類鋼材一次軋制成型，其本身腹板與翼緣之間不需要焊接，不僅可降低焊接費用，還能縮短鋼結(jié)構(gòu)加工工期。綜合考慮鋼結(jié)構(gòu)加工費用、加工工期等因素，選用熱軋H 型鋼的綜合造價會比焊接H 型鋼低。

4)根據(jù)工廠實際操作來優(yōu)化設(shè)計。某冶煉廠房濃密機的防腐設(shè)計，傳統(tǒng)設(shè)計方法是內(nèi)襯玻璃鋼隔離層后立砌防腐磚。經(jīng)與現(xiàn)場操作工人溝通，設(shè)計改為玻璃鋼隔離層加平砌耐酸瓷板。該項目運行兩年，防腐層良好，這樣的優(yōu)化在達到防腐效果的同時，降低了防腐工程造價。

3 現(xiàn)場設(shè)計優(yōu)化

1)現(xiàn)場施工專業(yè)工程師可以提出設(shè)計優(yōu)化點。如某大型設(shè)備基礎(chǔ)，施工時發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)下面的強風化巖石比較堅硬，用機械炮擊很難擊破。施工單位聯(lián)系爆破單位，準備用炸藥爆破來達到設(shè)計標高?，F(xiàn)場施工專業(yè)工程師通過與設(shè)計者交流，核算設(shè)計基礎(chǔ)埋深，最后將設(shè)備基礎(chǔ)底標高抬高0.5 m，采用梅花狀植筋方式，將設(shè)備基礎(chǔ)與下面的巖石地基相連，既節(jié)省了爆破費用，也減少了地基上面設(shè)備基礎(chǔ)鋼筋混凝土用量。因該廠房大型設(shè)備基礎(chǔ)較多，僅該項優(yōu)化就節(jié)省了工程投資約200 萬元。

2)施工分包單位也可以提出設(shè)計優(yōu)化點。某項目濕法車間的屋頂設(shè)有玻璃鋼通風管道，施工單位審圖時發(fā)現(xiàn)，管道直徑從2 m 分段擴大，最大為5 m，由于與管道相連的引風機入口直徑為4 m，后面通風管道直徑又由5 m 變?yōu)? m?，F(xiàn)場管理人員與設(shè)計者溝通，詳細計算和對比管道縮小而流速增加引起的壓頭損失及管道變徑引起的壓頭損失。最終，將管道最大直徑由5 m 優(yōu)化為4 m。這樣優(yōu)化既節(jié)省了材料，又方便了施工，還能減少吊裝費用，為該工程投資節(jié)省約了300 萬元。

3)現(xiàn)場地基處理更能體現(xiàn)設(shè)計優(yōu)化水平。為了節(jié)省投資，有時設(shè)計不采用樁基礎(chǔ)，而是采用高杯口基礎(chǔ)，通過增加杯口高度，增加埋深，使基礎(chǔ)落在符合要求的地基上。但這樣設(shè)計帶來了另一個問題，有時個別柱子基礎(chǔ)埋深過深，杯口基礎(chǔ)過高。為避免基礎(chǔ)過深，一般處理辦法是將基坑挖至老土層后用毛石混凝土換填至設(shè)計基礎(chǔ)底標高，但這種方法造價較高。經(jīng)過現(xiàn)場查看地質(zhì)條件，考慮當?shù)亟ú氖袌鲂星?，核算基礎(chǔ)受力及沉降等指標，設(shè)計改為由天然級配砂石，分層夯實的處理方式。這種處理既能滿足設(shè)計要求，也能降低地基處理工程費用。

4 限額設(shè)計是非常重要的設(shè)計優(yōu)化表現(xiàn)形式

限額設(shè)計即在具體的設(shè)計過程中，按照設(shè)計程序分階段層層控制總投資，使其貫穿于初步設(shè)計、施工圖設(shè)計、施工圖預算的各個階段，形成縱向控制；在各設(shè)計階段，按各專業(yè)進行投資分解，分塊限額，具體分配到子項、專業(yè)和工藝包，形成橫向控制。通過橫向控制和縱向控制相結(jié)合，使責任落實到個人[3-5]。

某銅冶煉項目實行限額設(shè)計。設(shè)計單位以初步設(shè)計概算為基礎(chǔ)進行固定總價總承包，合同簽訂后，項目與各專業(yè)負責人簽訂限額設(shè)計工程量清單。工程量清單由費控人員根據(jù)初步設(shè)計編制，設(shè)計專業(yè)負責人審核后簽字。設(shè)計過程中，設(shè)計者要嚴格對照清單進行設(shè)計，個別超出清單的工程量，要詳細分析原因，不能輕易突破，對清單工程量進行嚴格控制。設(shè)計負責人與每各子項專業(yè)設(shè)計者簽訂責任狀，將控制工程量的壓力傳遞給每位設(shè)計者，讓每位設(shè)計者都能做到精心設(shè)計，當個別工程量超出時也能及時找到原因，并采取一定措施進行彌補優(yōu)化。最后該項目結(jié)算時，工程量較限額清單減少約3%，不僅達到了限額設(shè)計的基本目標，還超出了項目團隊的當初預期。

5 減少設(shè)計重復錯誤也是一種設(shè)計優(yōu)化

工業(yè)建筑巧妙的設(shè)計會給人帶來美感、震撼，但在設(shè)計中難免有考慮不周的地方甚至設(shè)計錯誤。工業(yè)建筑經(jīng)常建造多套相似的廠房，具有一定的復制性，且在設(shè)計分工時考慮設(shè)計者的設(shè)計經(jīng)驗，會由同一個人完成類似工作，這樣雖然提高了一定的設(shè)計效率，但也導致部分設(shè)計錯誤重復發(fā)生。

在工業(yè)建筑設(shè)計中避免這些重復性錯誤，既可提升設(shè)計質(zhì)量，也是一種設(shè)計優(yōu)化。例如一些工業(yè)收塵管道設(shè)計為平管道，導致積灰嚴重，整改費用較高。某冶煉廠設(shè)計將腐蝕性液體管道布置在氧氣、天然氣管道上層，存在安全風險，需要墊橡膠墊來防止?jié)B漏風險。項目的現(xiàn)場人員及時將情況反饋給了設(shè)計者，但已無法修改。上述兩個例子都是設(shè)計中易出現(xiàn)的重復錯誤，應(yīng)避免此類情況在其他項目設(shè)計中再次發(fā)生。

6 結(jié)束語

工業(yè)建筑優(yōu)化是多層次、多專業(yè)相互協(xié)同的設(shè)計優(yōu)化。在工業(yè)建筑的優(yōu)化設(shè)計中，要根據(jù)實際生產(chǎn)作業(yè)的方式以及建筑的實際用途進行針對性的優(yōu)化。為了滿足現(xiàn)代工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展需求，踐行我國力爭在2030 年前實現(xiàn)碳達峰承諾，設(shè)計人員在進行現(xiàn)代工業(yè)廠房建筑設(shè)計時，還要充分利用節(jié)能設(shè)計理念。在現(xiàn)代工業(yè)廠房建筑中，節(jié)能設(shè)計理念體現(xiàn)在減少工業(yè)廠房建筑在生產(chǎn)運行過程和建設(shè)過程兩方面的能源消耗?，F(xiàn)代工業(yè)實現(xiàn)碳達峰、碳中和的目標壓力巨大，工業(yè)建筑設(shè)計優(yōu)化之路任重道遠。就目前而言，工業(yè)廠房的設(shè)計還具有很大的提升優(yōu)化空間，需要各專業(yè)人員的共同努力才能推動行業(yè)的進一步發(fā)展。