【JY】结构优化如何做得有效可行

         逢地产遇低谷，“优化”随即出现在各大公司的工作清单中，这样既突显“设计优化”的救火作用、似可收“及时雨”之效，也让“设计优化”时而重要、时而弃之一旁，有似“临时工”之嫌。这似乎偏离了“设计优化”的本质和原意。

1.“优化设计让建筑价值最大化”。

这不仅是当下的行业共识，也是伴随设计而生的专业要求、符合规范要求的设计都是“可行的”，而未必是“最优的”。设计优化就是在所有“可行的”方案中寻找一个相对“最优的”方案。

而即便如此，大量的片面的理解、错误的说法，也仍然充斥在我们的身边，特别是很多的成本人士在工作中都曾面临设计优化推进的尴尬，如“结构设计是一个严肃的事情，安全第一，不能为了省钱而降低安全系数”，这尴尬里面，既有我们面对设计领域专业性较强的客观困难，也有我们对于设计领域知之甚少、甚浅的主观原因。

其实，设计优化最早是伴随价值工程起源于国外。而关于结构设计，艾拉普工程顾问公司的创始人、英国结构工程师艾拉普说过：“结构设计是一门艺术，没有唯一解。只有不断地探索去寻找相对的最佳，而无绝对的最优。”

在我国，1973年中科院资深院士、计算力学工程结构优化设计的开拓者钱令希教授发表了一篇《结构优化设计的近代发展》，吹响了国内结构优化设计研究的一个进军号。

有台湾“绿色之父”之名的台湾成功大学建筑系林宪德教授讲，当你要做一个真正绿色的东西，第一个需要做的是压缩你的设计余量。结构优化也就是为此在结构方面做出了很大的尝试。

在我国新的绿色建筑评价标准当中，结构设计优化被提升为节材部分的最重要的内容。详《绿色建筑评价标准》 GB/T50378-2014之7.2.2条。

有专家这样形象地评价设计优化的意义：“明明这个人只有1.7米的身高，却给他做了适合1.75米身高人穿的衣服，虽然也能穿，但是造成浪费。量体裁衣，这种节省是切切实实的”。

2.国内关于结构优化的理论研究、著作及应用软件也相当成熟

国内关于设计优化的理论和应用软件研究成果较多，为设计优化提供了充要的理论基础和应用工具。例如JIFEX是中国自主研发的有限元分析与优化设计软件系统，已发展成为中国计算力学与CAE研究领域最具特色的有限元分析与优化设计软件之一。

而关于结构优化的著作就更为丰富多彩，既有理论研究的著作，也有实战案例的解读与分析，各有千秋。本文整理了部分著作清单，供读者了解和参考。

3.设计是规范加上判断和创造的产物，这就是设计优化客观存在、永恒存在的内在原因

设计是规范加上判断和创造的产物，而规范永远是滞后于科技发展，判断和创造则是与时俱进的。今天的最优，不代表是明天的最优。

设计优化既是国家建设绿色节能建筑、建设资源节约型社会及企业成本控制等外部因素要求，也是地产企业迫于现阶段房地产市场的一系列不合理的客观情况所主动采取的应对措施。

设计单位随着房地产市场需要而呈现出多样性和复杂性，不规范的市场行为充斥其中，设计单位优劣难辩，设计成果的多版本、六边工程成为常态，设计师的工作强度和难度在客观上成倍增加。而我国的设计师职业责任和审图体制目前仍针对“安全性”这个首要问题，而对于“经济性”这个后首要问题的关注目前还停留在各结构设计规范的第一条上。加之国内大多数设计师的收入机制是“低固定工资 高产值奖金”，即在一般意义上，设计师的收入与产量有关，与质量无关。因而，设计师一般不会对设计成果的“经济性”额外关注和投入精力，毕竟多数人都是趋利避害的，即便是你我也不会往没有产出的工作上去花费时间、投入精力。

【设计优化对象涵盖各个专业，必须总体考虑，同时抓住重点：结构优化】

设计优化涵盖的内容很广，既是一个建筑、结构、机电、景观、装修等多专业可独立实施的过程，也更需要设计与施工多领域、建筑与结构等多专业统筹考虑、综合协调、追求整体优化效果。在优化设计工作上，切不可孤立的追求结构成本的最优，而需要全面考虑总体的节约才是真实的节约；也不可片面的追求成本的最低，而需要全面考虑项目总体目标的最优匹配。

【在追求整体效果的同时，我们需要抓重点，那就是最具优化潜力的结构成本】

结构成本具有客户敏感度最小、优化空间最大、优化时间最紧迫的特点。结构成本是客户看不见、且不关注的那部分；结构成本占整个建安成本的比重最大，毛坯住宅约50%，公建约30%；结构成本的离散性大；同时，由于结构设计以建筑设计的完成为前提，存在接受条件最迟但要求出图最早、先用于施工的特点，导致我们容易放松对其经济性的关注。

1.有关结构优化的两个误区

（1）结构优化就只是为了“省钱”吗？

结构优化是对结构设计进行的检讨与改善，是一个再加工的过程，而不是单一的节约用钢量。

优化后的结构一般会达到指标更经济、建筑空间和室内使用更合理、结构安全度更高、现场施工更方便的效果，是一个统筹考虑、综合最优的结果。即结构优化既为“省钱”（更经济），也为“更安全”、“更适用”、“更方便”。

例如：上海东方明珠的设计者、我国工程院院士江欢成大师在 1985 年任华东院总工期间，对当时在上海广为流行和大量套用的仙霞型高层住宅大刀阔斧地删掉了许多剪力墙（楼板厚度由120mm增加至140mm），砼、钢筋量分别减少30%、38%，经济指标分别达到0.343m3/m2、40kg/m2，取得较好的经济效益和舒适、灵活的空间使用效果，在施工难度上也大大降低，而后在上海多个项目套用。（案例摘自江欢成大师《优化设计的探索和实践》）

而大师所采取优化措施共有5项，其中主要的3项如下：

再如北京清华大学土木工程系教授董聪受命组建“北京奥运场馆结构选型及优化设计关键技术”课题小组，负责奥运场馆结构优化。在“鸟巢”瘦身过程中就表示：“进行结构优化设计，必须要尊重建筑师的原创思想。这就像时下的吸脂美体术，只能在不改变人外观、健康和容貌的基础上，减去多余脂肪，达到健美目的。”据网上数据，“鸟巢”总预算从最初的38亿元减少到31.3亿元，节省6.7亿元（降低18%），结构安全性更好。

（2）我们有限额设计，还需要进行结构优化吗？

2.结构优化管理的总体思路

（1）全过程介入，越早越好

（2）与设计院合作，以“双赢”为指导思想

（3）在力量有限的情况下，建议引入外部资源，并以“三赢”的思想处理好三方关系

3.结构优化的工作方式

结果优化：在施工图设计完成后介入，优化与设计串行的工作方式，通过对原设计图纸进行事后复核，并提出优化意见，说服设计单位对原设计图纸进行修改的优化方式。

过程优化：在项目设计过程中介入，优化与设计并行的工作方式。各自特点如下表

4.过程优化的一般做法

过程优化的一般做法概括来讲就是“三步走”：事前指导、事中检查、事后验证。同时针对三个设计阶段“方案、扩初、施工图”分别采取不同管理方法。

每个工作环节均按照“事前确认输入条件、事后复核输出成果”的思路进行过程管控。

（1）事前指导

事前指导的主要目标是在设计开始前双方经过沟通、讨论，达成一致的限额目标和支持性的技术措施、双方合作流程等。

这个阶段最重要、技术含量最高、也最艰难。但“磨刀不误砍柴功”，事前指导可收事半功倍之效。一旦完成，可以做到：设计一开始，就完成设计阶段成本控制的50%以上。

在设计开始前，共同确定《结构设计技术措施》，先定技术标准、从设计前端进行管控将收“牵住牛鼻子”之功效。先定下技术标准，是因为改标准比改图容易得多。

《结构设计技术措施》的具体内容是在《设计任务书》的基础上，增加以下四份文件作为开展结构设计所需的全部前置条件：《统一技术措施》、《结构构件的标准构造做法》、《结构设计总说明》、《建筑做法》。标杆房企都已制定了《结构设计标准》。

《统一技术措施》包括电算模型及计算系数的取值、设计参数、材料选择、荷载取值、各构件的结构设计与配筋原则、结构指标在各构件上的分解目标（构件结构指标的预估值）等。

《统一技术措施》的内容，除了严格按规范取较经济的参数或系数外，同时需要对当地类似项目进行调研，相关数据作为支撑。例如，作者曾经因为大连某项目优化设计而对当地类似项目进行了主要参数的调查：

《结构构件的标准构造做法》是针对按构造设计而非计算确定的构件，以满足规范的最低要求为标准先制定标准设计做法，避免设计单位任意加大。按构造设计的钢筋在总钢筋用量中占有较大比重，重要性如下图所示（摘自徐珂微博《剪力墙住宅项目结构节材设计》）。

《结构设计总说明》是对结构设计软件以外的内容进行经济性控制，特别关注“通用性”的设计说明，通用性越强设计越浪费（同时，设计更方便、施工更方便），避免出现一句话增加几十万的意外情况。例如关于“吊筋”的说明、关于过梁的说明、关于洞口加筋的说明等。

《建筑做法》主要是提前确定墙、地、顶以及其他部位的建筑做法，避免由结构设计师在未知的情况按最大可能的荷载进行取值。比如砌体材料的选择涉及材料比重、天棚是否抹灰等均涉及荷载取值等。

（2）事中检查

①结构设计的过程主要包括结构方案、结构计算、施工图设计三个阶段，结构优化也是从上述三个阶段进行。各阶段的主要工作分别是：

方案阶段：结构体系的造型和结构布置合理性认证、结构计算和内力分析正确（重点）。有经验表明，上述三个阶段中“方案阶段”对于结构成本控制的价值占65%；

扩初阶段：结构方案的对比、优化；重点关注结构体系、基础方案、地下室的布置等关键环节，一般情况下如聘请顾问公司，则会提供至少两个方案进行对比，供甲方选择；

施工图阶段：结构构件设计的精细化管理。主要是对结构设计中的不精细做法进行纠正，如不合理的归并、有过大的富余、不经济的配筋方式和砼厚度取值等。

②工作方法建议：“先做先审、样板先行”。

先做样板单元（房、层、各构件）的设计，复核通过后，再开展大面设计。这样基本可以避免出现一旦需要修改、就要全部修改、设计院不情愿、工作量太大影响工期等情况的出现，大大减少和降低结构优化所致的返工量和障碍。即实现变“先设计后算量”为“先算量后设计”。

全过程、分阶段检查各个环节的设计情况，看是否符合《结构设计技术措施》的要求，包括结构建模、桩基、地下结构、地上结构；同时分构件验算设计的经济性。

（3）事后验证
一是在完成结构计算后进行粗略验证。

具有以下特点：

时间短，一般在完成结构计算后即可提供；不会发生算量成本；有偏差，大概比图纸量小5%左右。主要是设计师对软件计算结果人工干预后与软件计算值之间的差异，受设计师干预程度影响；这种方法可用于初估，或比较两种设计方案之间的指标差异。

二是完成结构画图后，抽样精确复核验证。

在完成CAD画图后、正式出图前（大约有7个工作日）进行抽样复核或委托造价咨询公司结合工程量清单编制来进行全面的、准确的复核。