基于PKPM 設計軟件的結構優化創效方法

梁家輝，賈 鵬，鞠 巍，劉 毅，黃教源

中國建筑一局（集團）有限公司，北京 100071

建設工程項目管理中，成本控制無疑是最重要的環節之一，如今在建筑行業競爭十分激烈的背景下，如何把技術和成本有機結合成了工程技術人員的一大重難點，這也使得技術創效在現在的項目管理中越來越受重視。

本團隊基于技術創效的基本原則，以設計的角度去發現創效點，達到“知己知彼”的效果，為項目技術創效提供了一種新思路。

1 背景介紹

在一般情況下，要實現技術“雙優化”創效，項目部往往需要重視前期技術和商務的結合，通過技術人員對圖紙的了解掌握，發現圖紙問題，在滿足規范、設計意圖、安全、質量的前提下提出優化方案，經商務部門進行經濟分析，最終在設計、建設單位確認后按優化方案實施，完成創效。創效過程中最關鍵的一環就是如何才能發現創效點，提出優化方案。

那么怎樣發現優化創效點呢？部分施工單位通過相關的優秀案例總結了一些經驗，主要是通過與設計單位、業主溝通，替換或增減設計初步選用的材料、做法等，例如混凝土增加抗裂外加劑，鋼筋等強度、等面積代換，地下防水材料變更等，其基本原則就是將一些費時費工、收入較低的工作項替換為成本低、收入高的項，從而擴大盈利空間，這就是技術創效的基本方法。

然而改變材料、做法不是憑空想出來的，是要通過專業人員對項目的嚴謹分析和策劃才能做到。現在的施工單位越來越重視應用新型模架體系、綠色施工技術、BIM 等四新技術來實現技術創效，這些要求目前已基本覆蓋到所有項目部，成為了項目管理的常規操作。本團隊提出的基于PKPM 系列設計軟件的土建結構優化創效方法也正是基于這些要求，基于創效的基本原則，以設計的角度去發現創效點，從而達到“知己知彼”的效果，為項目技術創效提供了一種新思路［1］。

從建設單位的角度出發，一個建設項目的實施階段，首先要從設計管理開始。設計圖紙對工程造價的影響是決定性的，因此大部分建設單位會有專門的設計部門進行設計管理。而施工單位在建設項目中一般僅承擔施工任務，與設計單位一般沒有直接關系，也不會設專人進行設計管理，只需按圖施工即可。這樣就會存在一個問題，由于施工單位不掌握設計原理，缺少對設計圖紙意圖的真正理解，從而不能把握到其中隱藏的創效點。

本團隊在項目實施過程中，通過對圖紙的研討分析和對建設單位、設計單位的日常溝通中發現，因項目情況特殊，圖紙幾乎是設計好就出圖用來施工了，項目的結構圖紙是一個設計優化的重中之重，因此項目技術人員結合自身的知識，運用PKPM 系列設計軟件對設計單位提供的原始結構模型進行分析，發現了一些不合理的荷載、截面等問題，為圖紙會審、商務創效工作做出了一定的貢獻。

2 創效方法思路

現在的工程項目實施過程中，設計單位做施工圖設計往往時間非常緊張，甲方一確定方案就開始催出圖，而設計人員能力參差不齊，往往還要同時跟進多個項目，時間精力無法保證，一個項目甚至一個星期就要出圖，為了趕圖紙，設計師出于安全和進度方面考慮，往往在設計中習慣于保守設計，指望設計院自主去優化并不符合實際，這對設計院來說是個費力不討好的事情，同時由于結構與安全的緊密關系，故一般的建設單位對結構設計優化并沒有足夠的重視，而且往往存在一種觀點，降低結構成本必然降低安全儲備，因此僅僅從大的平米經濟指標上進行成本控制，只要在合理范圍內就不再優化。而施工單位一般情況下管理人員充足，項目部人員只需要長時間負責一個項目，施工過程中有足夠的時間去看圖紙，并優化設計。結合上述客觀現象，在此我們提出一種創效方法，由施工單位組織技術力量，運用PKPM 軟件查看分析結構設計模型，找出模型中不合理的地方，并會同商務人員一同分析后采取進一步優化措施［2］。

本創效方法本質上是一種通過PKPM 軟件查看分析結構設計模型，從而進行設計優化的方法。其重點在于靈活運用PKPM 軟件，例如通過對比建筑圖的墻體布局、房間功能，查看結構模型中的恒活荷載布置，看是否存在荷載布置過大、過小或遺漏的情況，又或者通過調整主要構件的截面尺寸、材料強度等參數，將調整后計算分析出的配筋與實際出圖的配筋結合造價進行對比，看是否存在創效空間，從而優化調整設計圖紙。

3 創效過程

現以萍鄉市金融中心項目為例，介紹本團隊在應用PKPM系列設計軟件進行結構優化創效的成果。

3.1 工程概況

萍鄉市金融中心建設工程位于江西省萍鄉市開發區319 國道與興賢東路交叉口，建筑面積約8 萬m2，包含一棟36 層塔樓及四層附屬用房和兩層地下室，結構形式為框筒結構，塔樓建筑高度148.3m，作為萍鄉市高品位、高質量的準五星級酒店及準甲級寫字樓，建成后將成為全市的標志性建筑。

3.2 前期準備

項目部配備安裝PKPM 系列設計軟件的電腦若干，相關技術人員應具備基本結構設計知識，確保硬件滿足。與建設單位、設計單位做好對接，爭取拿到最終版的結構設計模型（否則后續工作無法開展），組織技術人員結合建筑、結構圖紙進行模型審核。

3.3 優化內容

由于一般項目前期已完成方案設計，故在此不考慮對結構體系和構件布置等內容作調整，僅對荷載、構件配筋等進行優化。此外設計參數一般都經過了設計單位專家審核和圖審單位的審查，一般也無需進行優化調整。

3.4 荷載優化

結構設計師在布置好結構構件后要根據建筑、設備等進行恒、活荷載布置，荷載輸入值的準確性關系到構件計算及整體建筑在地震作用下整體分析，從而直接關系到整個工程的含鋼量。荷載的計算應按照荷載規范盡量精確計算，同時與工程實際選用的材料相結合。

案例1：

項目前期策劃中計劃變更二次結構墻體材料，例如將原設計200mm 煤矸石多孔磚墻改為120mm 輕質隔墻，可顯著減輕結構荷載，從而減小結構含鋼量。

磚墻線荷載：煤矸石多孔磚自重為13kN/m3，200mm厚、3.3m 高磚墻線荷載為13×0.2×3.3=8.58（kN/m），此外輕質隔墻可以免抹灰，否則還需要加上墻體兩側雙面抹灰荷載：0.36×3.3×2=2.376（kN/m）

輕質隔墻線荷載：120mm 厚輕質隔墻面荷載1.1kN/m2，3.3m 高墻體線荷載為1.1×3.3=3.63（kN/m）

因此實際減輕的結構荷載為8.58+2.376-3.63=7.326（kN/m）

現有設計某次梁截面250mm×600mm，跨度8.4m，頂部作用二次結構墻體恒荷載，當墻體為200mm 煤矸石多孔磚墻時，計算配筋如下圖1：

圖1

改為輕質隔墻減少荷載后，計算配筋如下圖2：

圖2

修改后該梁鋼筋含量由255.086kg 減少為192.751kg，降低了24.4%，由此可見改變荷載對結構配筋影響之大。此外由于大量隔墻減小自重荷載后，整樓自重減輕，根據抗震設計規范相應的整樓地震作用力均可相應減小。從而在整體計算分析時即可減小梁、柱和墻的計算配筋。

除上述情況外，我們通過查看模型中的荷載還可以了解到設計師在設計過程中對各種結構荷載的取值、布置，并結合建筑施工圖進行對比，可以發現設計過程的錯漏，從而進行設計優化。

3.5 構件優化

設計人員在設計過程中一般不清楚材料的市場價格，在選擇材料強度和構件截面時會按設計經驗主要根據層高、跨度、面積等因素取值，因此我們有條件時可以選用多種不同的強度+構件截面組合代入模型計算，最終確定最優方案。例如當混凝土價格相對較高，可適當降低混凝土強度等級或減少構件截面以降低綜合造價。同一構件選用不同的截面尺寸或不同的混凝土強度，計算出的配筋也不一樣，可以根據計算結果取最優方案，同時注意結合工程實際情況和當時當地的材料價格［3］。

案例2：

某層設計梁混凝土強度為C35，面積約為1455.2m2，其中梁混凝土量為163.311m3，梁鋼筋計算含量為25.021t（HRB400），分別改為采用C30、C40 后，梁鋼筋計算含量分別為25.530t、24.910t。

根據當地鋼筋、混凝土市場價，C30～C40 混凝土綜合單價分別為691.31 元/m3、713.87 元/m3、738.38 元/m3，HRB400 鋼筋綜合單價為5480.7 元/t。采用C30 時梁鋼筋+混凝土綜合合價為25.282 萬元，C35 時綜合合價為25.371 萬元，C40 時綜合合價為25.711 萬元，因此當不考慮其他因素時選用C30 為最優方案。

3.6 其它優化

通過PKPM 結構設計模型還可以做到一些其它方面的優化，例如更直觀顯示構件截面尺寸和空間定位等，輔助圖紙錯漏碰缺的審核。

案例3：建筑設計方案中屋頂玻璃幕墻外立面造型為斜面，幕墻頂標高為153.184～160.000m 不等，需在屋面上周圈設置與幕墻同高的框架梁和柱作為幕墻的固定點，而設計模型中框架梁頂標高均為160.000m，與實際幕墻設計方案不符，經幕墻深化提資后結構調整為斜梁。本次優化提前發現設計中錯誤的地方，在下部結構施工中即完成相應的變更，為順利建造節約了寶貴的時間成本。

4 社會效益和推廣前景

PKPM 設計軟件對電腦的硬件要求不像Revit 那么高，用普通辦公電腦即可建模、計算并查看結果，但對使用人員的結構規范掌握程度和對軟件的熟練程度是有一定要求的，而本創效方法不僅僅局限于運用PKPM 工具，更多的則是提出一種理念：通過掌握設計原理和方法去實現設計優化創效。實現這個理念的重點應在于建立完整的設計管理體系，通過加強施工單位技術人員的設計能力，讓既懂施工又懂設計的人去參與設計單位的設計全過程，從而打破施工單位與設計院的溝通壁壘，更能從整體項目角度全方位考慮并協調項目建設前期和后期所遇到的技術難點和優化創效點［4］。

當前大部分施工企業普遍在設計優化管理方面較弱，設計優化僅局限于提一些簡單的小措施，沒有從設計過程中及項目全過程和全方位優化創效考慮，但對于一些EPC 項目，設計優化工作就尤為重要，若沒有完善的設計管理體系則必將在與設計單位、建設單位的博弈中處于被動，從而降低項目的品質和利潤率。

理想情況下，可將設計優化降低的工程造價及安全風險轉化為從業主方獲得的對施工單位專業能力的認可以及對應的獎勵，既提升了施工單位的品牌效應及收入，業主也得到更高質量和品質的產品，從而必將獲得雙贏的結果。