浅谈建筑结构优化的意义与方法

2021-04-03刘巍

建筑与装饰 2021年19期

刘巍

中天环宇建筑设计有限公司安徽分公司安徽合肥 230011

1 建筑结构优化的意义与必要性

建筑结构设计成本占项目开发总投资的比例很小（不足1%），但其影响不可小觑，蝴蝶效应极其明显，建筑结构优化设计对成本控制起到四两拨千斤的作用。在实现建筑功能的道路上，结构优化设计水平的高低对项目成本控制的影响很大，高超的设计水准可以有效降低5%～10%的工程投资，降低幅度甚至可以高达10%～30%。

1.1 建筑结构优化的社会意义

人类一旦从事建筑活动，就避免不了对土地、对矿山、对森林、对水资源等种种的再生及不可再生资源的利用。除此之外，在生产这些资源的同时也会消耗了大量的能源，更进一步加深对人类赖以生存的环境的利用。从这一角度可知，花大力气去控制建设成本、提高材料的重复利用率本身就是在保护环境、保护我们人类的青山绿水，造福下一代。这一点也是契合新时代中国特色社会主义思想，具体要求就是在建设领域走节能、环保的可持续发展之路。我们倡导优化设计，就是要节能、节材、节地，省的不仅仅是开发企业的钱，也是全社会的资源。

1.2 建筑结构优化对设计行业的意义

2008年金融风暴的浪潮结束之后，房地产行业便开始一步步走上国民经济支柱的宝座上，带动了上下游产业链的高速发展，不可否认提高了我们老百姓的幸福指数。发展至今，我们也要认识到，房地产行业已告别了黄金岁月，当前的大环境已经从土地与资金为王道的粗放型发展向以技术、人才为主的精细化转变，暴力粗糙的时代一去不复返，房地产必须向以技术及人才为主的精细化管理要效益。房地产企业的核心竞争力最直观的表现就是对成本控制的精细程度。对设计行业，尤其是设计阶段的成本把控变得更加重要。疲软的销售市场以及不断攀升的土地与建安成本，利润空间进一步被压缩，建筑结构设计优化的优劣直接关系到建安成本的高低。如何在竞争激烈的市场环境中，寻求在不影响建筑产品的功能与品质的前提下，实现效益的最大化，与建筑行业的每一位设计人员都息息相关，是每一位建筑行业从业者的奋斗目标。如何在“建筑设计优化”这一股浪潮中脱颖而出，不被历史所淘汰，需要建筑设计人员改变过往陈旧的设计思路，最大限度利用过硬的技术和成功经验。设计行业的改革迫在眉睫，过去吃老本的思想要彻底革新，大胆创新，积极探索出一条适应时代发展的道路，只有在这样的前提下再谈企业的发展就变得有意义[1]。

结构、设备成本是隐蔽不外露的成本，不能给客户带来视觉冲击的支出成本，但又是设计企业不得不重点关注的，设计优化节省的工程造价就是项目的新增利润。设计企业需要以更严谨、更科学、更精细的态度来对待设计行业，只有这样才能立于不败之地。

以唐山某两个项目为例，二者地块相距不足2km，同样是18层的高层住宅，由两个不同的设计院设计，经过对两个地块的设计图纸进行成本测算，地上结构的含钢量竟然相差17.7kg/m2，按目前的钢材综合单价为5000元/吨计算，对单方造价的影响就达到了88.5元/m2，对于地上一个20万m2的楼盘，则总价差异就是1873万。由此来看，要不要引起重视？

同样的某项目，类型为城市综合体项目，主楼改变桩基参数及布局，裙楼改用钢筋混凝土灌注桩为CFG复合地基处理，则整个项目可节省造价1200万以上。

大型商业综合体的基础底板，优化前后含钢量由124kg/m2降到62.4kg/m2，降幅达50%，仅钢筋这一项可节省工程造价1200多万元，经济性可想而知。

1.3 优化设计对开发企业的生存意义

我们知道，房地产市场状况将城市分为一二三四线城市，虽没有规定的标准，但也在业界内被广泛接受和认可。但对于房地产市场来说，经过多年的调查研究，从各城市房地产市场对建安成本的敏感度的角度来说，又可划分为成本型城市和产品型城市。

成本型城市对工程建安成本的控制要求较高，重点是控制设计阶段的成本优化、招投标、现场签证等。成本型城市对工程管理、工程成本管理的要求较高。因此，下沉到三四线城市的开发商来说，城市开发如同鸡肋，成本控制得好可以收货薄利，控制不好就可能赔本。现在好多排名靠前的开发企业慢慢地都转战一二线城市了，也是对这一处境最好的诠释。从这个角度来看，如果想长期留在三四线城市、继续深耕三四线城市，就必须加大成本控制力度，否则生存都难，更不要说发展了。

2 建筑结构优化的误解

“建筑结构设计优化”意在提高整体结构安全度的均好性，“损有余而补不足”，并不是以牺牲结构安全为代价，在减少无效的、浪费的土建成本的同时，还可以消除结构设计中的错误或安全隐患，提高结构的整体安全度。

结构设计并不是材料用得越多结构就越安全，通过减轻重量、合理刚度、增大延性等措施反倒会使结构更加趋向合理，从而提高结构安全度。在钢筋混凝土中，减少不必要的混凝土用量，可减轻结构自重，降低结构刚度，从而减小地震作用，减轻结构的地震效应，使墙、柱等抗侧力构件及基础的安全度增加。

保守设计与结构安全是完全不同的两个概念。众所周知，木结构与钢结构的抗震性能比钢筋混凝土结构和砖混结构要好。除了木结构与钢结构比较柔，有延性，不易倒塌外，还有一个重要因素是重量轻。重量轻则地震小，进而地震响应就小。

结构大师AL.Fred.E曾说过，“把简单的事情复杂化很容易，把复杂的事情简单化去很难”。越是简单的结构，其传力路径也越明确。而传力路径越短、传力路径越直接越明确的结构，其结构的可靠性也就越高。传力路径复杂迂回或传力路径不直接唯一，都会给结构构件受力带来诸多不确定性，从而导致结构材料用量的增加[2]。

局部做强，可能就造成了更重要部位的相对薄弱。比如常见的就是梁刚度、配筋加大导致地震作用下梁柱塑性铰易位的问题。过大的截面尺寸还有可能导致构件的跨高比及剪跨比过小，出现脆性破坏的情况。而且部分构件截面的加大会使得结构体系各部分间的刚度比例发生变化，导致内力重分配，往往会出现一些难以预料的结果（比如扭转相应增大、出现薄弱层等）。

强震来临时，地震作用可能是设计值的几十倍甚至上百倍，硬抗是不可取的，也是不现实的，所以在常规设计时强震下是没有安全储备的，一切构件都是有可能破坏的，但我们仍然可以通过控制构件的破坏顺序和结构整体破坏形态达到减少地震伤害的目的，即以柔克刚，这才是延性设计的精髓。延性设计的本质是通过结构措施提高结构整体变形能力，通过变形耗能，实现大震不倒的目的。

3 建筑结构优化的时机选择

一个房地产开发项目的过程中，各个阶段与环节，都存在成本控制的课题，但不同的阶段的成本控制，其效益与效果截然不同。

规划设计环节的成本控制具有四两拨千斤的地位和作用：在规划设计阶段进行成本控制可以最大限度地减少事后修改带来的成本增加。查阅资料研究表明，一般在前期产品市场定位阶段，若此时介入成本控制，效果高达80%～90%甚至更高，同时阻力最小，代价最低；在中期方案设计阶段，通过对设计方案的技术经济性比较，成本控制效果可达75%～80%，同时阻力很小，所需代价较低；在后期的深化设计及施工图设计阶段，通过对技术标准、技术方案、技术措施等的优化比选，成本控制效果仅15%～20%，而且遇到的阻力与所需的代价均较大。因此，成本控制越早越好，重点在事前控制[3]。

4 建筑结构优化方法

建筑结构优化有三个层次，第一个层次是构件层面的优化，目前普遍使用混凝土含量与钢筋含量来评判其效果，是比较容易量化的，此层面的优化量级一般是几万、几十万的造价，是微观层次的优化；第二个层次的优化是岩土、结构整体层面的优化，是地基基础与主体结构方案与体系层次的优化，是宏光层面的优化，评价指标不单单是钢筋混凝土含量，可能还会涉及模板、土方、防水、基坑支护、降水以及人工、机械等方面，甚至地基基础形式的改变，获益不仅仅是经济层面，还有结构性能的改进、工期的缩短、施工的便利等，优化量级在几十万、几百万之间；第三个层次是综合建筑方案对结构设计、工程施工、成本与营销的影响而对建筑结构总体方案进行的优化，是从建筑专业入手，通过结构专业来实现，有利于降本增效、又方便施工的设计优化，这是宇观层次的优化，其评价指标已远非结构专业本身，还有适用、舒适、美观等建筑功能，以及建筑品质的提高[4]。

4.1 建筑结构总体方案的优化

建筑方案对结构成本影响巨大，建筑方案一经确定，即已决定了结构成本的60%～70%，另外的30%～40%通过结构方案的优化和构件层面的精细化设计来实现。好的建筑方案对于结构设计来说是先天性优势，既没有结构安全问题的风险点，也没有技术上的难点，结构得心应手，能够轻松实现结构设计限额指标。糟糕的建筑方案对于结构设计来说就是先天性不足，结构实现起来就很困难，更不要说经济性了。

所以优秀的建筑设计方案，一定是充分考虑结构的可行性、合理性与经济性的方案，是建筑与结构两个专业共同推敲的结果。两个专业整合在一起，往往能发挥1+1＞2的效果。因此，方案创作绝不仅是建筑师的事，结构工程师的参与也是必要的，也是有价值的。

成本控制是建筑全寿命周期的永久课题，不是某一专业、某一阶段的降本增效。结构成本的控制必须是全过程的，重点关注方案、扩初阶段。重在初期控制、过程监督落实，这正是建筑结构总体方案优化设计的意义。

建筑结构总体方案优化大致可从以下几个方面入手。建筑方案的角度，可以考虑建筑总平面图及竖向设计的优化、地下空间综合利用问题的优化、建筑平面设计优化、建筑体型及立面设计的优化、层高的控制与设计优化、房屋总高的控制与设计优化；结构方案的角度，可以考虑建筑高宽比的控制与设计优化、结构转换的规避与设计优化、结构超限的规避与设计优化、跨度及墙柱间距的设计优化。

4.2 岩土、结构方案对成本的影响

一旦建筑方案确定，结构成本即已确定了60%～70%，另外岩土结构方案优化和结构精细化设计占30%～40%，而其中，岩土结构方案的占比又在70%以上。因此岩土结构方案的优化是优化的重点。

岩土结构方案的优化大致可以从以下几个方面入手。岩土与基础的角度，可以考虑基坑支护及边坡挡墙结构设计优化、地基基础选型的技术经济比较、地基处理方案的技术经济比较与优化、桩基方案的技术经济比较与优化、桩基础的静载试验的优化策略。主体结构的角度，可以考虑结构抗浮设计优化、基础底板设计优化、主体结构体系的选型与设计优化、结构平面布置的设计优化[5]。