浅谈对结构概念设计优化的认识产品中心设计一部杨英瑜0 前言建业网校登载的“结构成本控制的管理思路和技术方法”，仔细阅读，觉得对成本控制，确实很有帮助，但文章只给出思路及若干值得关注的工程结构问题，然而没有答案；对这些问题，如果进行结构优化设计，是可以较为完满解决的，但房地产行业的实际情况，往往是立项后，建筑方案一确定，希望施工图立等可取，这样，要想进行优化设计，设计周期及工期，都有困难，因为商机不等人，故想从结构概念设计优化的角度，先从一些影响较大的局部问题，进行概念设计优化分析，对控制结构成本，比孤立地对单个问题的分析[1]，也许会更有好处；本文将结合以往的工程实践，对某些项目的基础工程案例，进行分析，以求对开发新项目时，能起点借鉴作用。
一、结构设计优化的前景2006年6月份，我国召开“首届全国建筑结构技术交流会”，工程院江欢成院士在他的报告中指出[2] : “我国优化设计工作方兴未艾，大有可为。
…它符合可持续发展和科教兴国伟大战略，是科学发展观在建筑行业中的落实”。
然而在比较讲究经济效益的房地产行业，并没有得到广泛推广，可能有技术层面的原因，文献[3]指出：建筑结构构件的断面尺寸是离散量，规范中的一些要求、实际设计时的约束和约定，很难用显式表达，一个稍大的工程结构，设计变量及约束条件都很多，……凡此种种，都要求要有很实用和方便的软件工具，这可能是妨碍结构设计优化普遍推广的原因；目前从事这方面工作的单位也不少，文献[2][3]的单位就在这方面做了不少工作，有很多经验值得借鉴；文献[2]介绍，经他们优化过的工程，在实物工程量上，可节约5％～10％，甚至更大，而在建筑空间和平面使用方面，带来的效益更大；作为有十五年开发经历的建业集团，年开发量200万㎡（见建业网集团简介），要想结构成本，有较大幅度的降低，开展结构设计优化，应该是提到日程上来的时侯了。
二、目前结构设计优化的一些具体做法1）、复核性的优化文献[2]介绍的案例中，很多是在既有施工图的基础上进行优化，笔者把这种做法称为复核性的优化，因为甲方认为建筑、结构不尽合理或配筋过多不经济，委托在原有基础上进行优化，以求克服某些缺陷或降低成本，这种做法，不是全面、全过程的优化，往往带有原设计的弱点，但经过优化后，建筑、结构的使用功能得到相当大的改善，优化设计的周期较短，直接经济效益，也很可观，故甲方很容易接受这种做法。
这种做法也有实际问题，如修改设计的费用、责任问题，文献[2]的作者江院士还坦言：“好朋友劝我不要搞，因为得罪人，特别是得罪同行，得罪老朋友”。
虽如此，江院士还是以高度的社会责任感，继续从事这方面的工作；但毕竟是要面对的实际问题。
2）、全面优化工程建设是一个系统工程，应该说从立项、建筑结构方案、施工图设计、施工阶段、交付使用，每一个环节都有定位及需要优化的问题，目前房地产行业，全过程、全面开展优化设计的不多，可能有前面分析的技术问题和社会因素；不管怎样，优化设计终归是个方向。
3）、限额设计与设计单位粗略结构概念设计的优化结构设计，对工程成本的控制，关系重大，是公认的事实，甲方为了约束设计单位，推行限额设计，是一种有效的手段，例如含钢量，是一个重要指标，工程界十分重视，今年《建筑结构》杂志,连续发表论文[4 ] [5]，讨论混凝土结构的含钢量，从表1～3可发现含钢量是一个范围,同一种结构的含钢量伸缩性很大，为了满足限额的需要，在结构方案选型时，设计单位凭经验，进行粗略比选，然后界定结构方案，在降低结构成本方面，确实起了一定作用，但这是很不够的，因为同一工程，同类型建筑[4]，不同设计人员的设计，钢筋含量相差可达20㎏/㎡。
住宅类混凝土结构的含钢量（㎏/㎡）表1框架剪力墙框－剪多层小高层高层小高层高层高层≦6层 7－11层≧12层25～40 35～50 50 ～60 25～50 55～75 40～85 混凝土结构的综合楼和商厦的含钢量（㎏/㎡）表2结构形式框架剪力墙框－剪框（筒）－筒多层高层高层高层超高层高层综合楼 30～ 50～ 70～ 50～ 145～ 55～10560 100 120 120 210 （45～95）商厦 40～ 50～ 60～ 65～ 70～ 60～100 120 170 140 225 110单层排架厂房混凝土结构的含钢量（㎏/㎡）表3冷加工热加工重型厂房轻工食品仓库吊车<75t40～50 50～65 75～80 40～60 30～60注：○1表1～3不是国家定额，只是通常的情况。
○2表中的数值，不考虑地下室和桩基，如考虑桩基，约要增加10％。
○3地下室单独计算时，含钢量为80～490㎏/㎡，上限为人防地下室。
三、结构概念设计优化的一些原则设计的主体是设计院，工程的成本高低，从一个侧面，体现了设计单位的专业水平和社会责任感，但它也从另一个侧面，反映了甲方的专业控制能力，也就是说，甲方的专业控制能力强，就能促使设计单位提高施工图的设计质量，优良的设计，工程的成本，一定比较合理，有文献介绍[4],合理的设计，可降低工程总造价5％～10％，甚至20％。
因此，对工程造价影响较大的各个工程环节，甲方人员，一定要在概念设计方面，有清晰的认识和判断力，以便和设计单位沟通，例如：1）、关于建筑方案影响含钢量最大的因素，是建筑方案，如开间、进深、层高、平面形状的凹凸、竖向立面的缩进、悬挑等，都对结构含钢量有深刻的影响，故“高层建筑混凝土技术规程（JGJ3-2002.J186-2002）”的4.3、4.4、4.5节，对结构平面、结构竖向布置、楼盖结构的选择，都提出了较严格的要求，就是这个道理。
2）、基础方面能用浅基础，不用深基础，浅基础的持力层，能放在老土上，不放在回填土上，当然，各种基础类型还有各自的特点，很重要一点就是认真学习地勘报告。
3）、竖向承重结构的选择能做落地剪力墙，就不做框支转换层；能使短肢剪力墙减少就尽量减少；长墙肢有利于降低竖向构件的配筋率，减少暗柱数量；大开间剪力墙体系与小开间体系相比，使用功能灵活，经济指标合理，是高层住宅的发展方向；多层或低层住宅可用砖混结构。
4）、楼盖的梁、板结构系统楼盖的梁、板结构占结构总造价约9％～13％，其重量占房屋重量的22％左右，所以，选择合理的楼盖体系非常重要；用钢量最多的是井字楼盖，其次是现浇梁板式楼盖，因施工简单，目前使用的仍很多；用钢量较少是无粘结预应力无梁楼盖、预应力框架扁梁密肋楼盖；空心的大板结构比传统的大板结构，大约可节省该部分造价的20％；楼盖结构体系，近来有很多新结构，新体系，可供选择。
5）、用高强度钢筋代替强度较低的钢筋，会有很好的经济效益，因为钢筋的强度比：3级钢/2级钢＝360/300＝1.2；3级钢/1级钢＝360/210＝1.71；2级钢/1级钢＝300/210＝1.42；而价格比[4][5]＝3级钢/2级钢＝1.05～1.07，实际可省钢材＝14％～12％。
6）、配筋设计的精细化，主要控制：（实际配筋）/（计算配筋）的比值，有的设计单位认为，从安全而论，取（实际配筋）/（计算配筋）＝1是可以的，但因钢筋直径有级差，取值＝1，很难做到，如果能在1.1或1.2左右排迴，是可以做到的，不然，配筋量就要增加。
7)、非承重内、外墙体的选择，对结构重量及造价影响都很大，有很多新型墙体，可供选择。
以上是从几个环节，简单描述了结构概念设计优化的一些原则，如果想深入一步，可参阅本文的参考文献及建业网校登载的“结构成本控制的管理思路和技术方法”，有很多案例及细则，可供参考。
四、要关注的几个误区1）、搞优化设计，是牺牲结构安全度来降低结构成本，这是误区，其实，优化设计，是在整个结构体系的各个环节，进行择优组合，达到结构体系的各个环节互相协调作用，是提高了结构的安全度。
2）、结构越刚越好，这也是误区，结构刚性大，地震力就大，尤其局部刚性大，地震影响更坏，这是普遍规律，结构优化设计，择优组合，正好克服了这方面的缺点。
3）、配筋越少越经济或配筋越多越好，这也是误区，因为配筋要符合：ρmin ≦ρ≦ρmax,超出这个限值，结构是脆性破坏，这是不允许的。
五、案例分析[案例1]工程概况：某住宅小区，是11层小高层，钢筋混凝土剪力墙结构，因按常规浅基础设计时，持力层的承载力不够，因此，地勘报告建议用CFG桩基，桩长16M，桩径400㎜。
技术分析：1）、设计院进行了认真分析，认为用CFG桩基，虽然安全有保证，但从工期及经济分析，不合理，应改为换填地基，无论从安全、经济、工期考虑，都是合理的选择。
2）、项目公司将问题提到集团，经有关方面对设计院的意见，进行了认真分析，认为任何一种地基处理方法，都应从安全性、可行性、经济性进行全面分析，然后选择；本工程的地勘报告，只显示按常规浅基础设计时，持力层一层的承载力不够，没有其它不良地层，采用换填技术，只要做到逐楼施工，逐楼检查，严格把关，本工程采用换填地基是可行的。
3）、这是能用浅基础，不用深基础的一个实例，也是结构概念设计优化的实例，因为从概念设计，就可推断换填是可行的，当然，概念的定性，还要靠结构计算的定量结果来实现。
经济分析：根据该项目工程部提供的“地基处理方案经济分析报告”，用砂：石＝4：6的级配，厚度＝600㎜，进行换填处理，可节省将近300万元，效益可观。
[案例2] [6]工程概况：图－1是某项目样板区A～D栋的平面布置图，是经过简化，定位的轮廓及尺寸，不是很确切，仅表示大概的相对位置；底部是一层地下室，上部是住宅，短肢剪力墙结构，虚线部分,从三层才与主体结构相连, 基础是脱开的；原方案是桩基础，后来要求用天然地基，经计算，地基承载力能满足要求，但因结构较为复杂，层数不一致，荷载分布不均匀，如何控制不均匀沉降,是关键问题。
技术分析，专家的意见：1）、设计院提出很多方案,进行讨论,如采用沉降缝分割,这是比较可靠的，但在住宅的房间有沉降缝，影响美观及使用；如不用沉降缝，用后浇带，不均匀沉降如何控制，也是问题。
2）、为了慎重起见，甲方邀请设计院及郑州市有关方面的专家论证，倾向性意见：地基承载力能满足要求，可进行较详细的沉降计算，分析沉降差，根据沉降差和上部结构，用后浇带划分结构单元，只要施工流程合理，并适当加强上部结构，控制不均匀沉降产生的结构内力，不致使结构开裂，是可能的。
经济分析：1）、设计院根据各方面的意见，进行了详细设计，加强了地下室及上部结构，这部分工程量是增加了；施工单位认真施工，也增加了一定的控制费用；虽然没有与桩基进行详细比较，按常规，费用是省的。
2）、现结构已交付使用多年，没有发现异常，争取了工期，就是效益。
注：因为后浇带平面图较复杂，故在图－1的平面示意图中从畧。