淺談建筑結構優化的意義與方法

劉巍

中天環宇建筑設計有限公司安徽分公司 安徽 合肥 230011

1 建筑結構優化的意義與必要性

建筑結構設計成本占項目開發總投資的比例很小（不足1%），但其影響不可小覷，蝴蝶效應極其明顯，建筑結構優化設計對成本控制起到四兩撥千斤的作用。在實現建筑功能的道路上，結構優化設計水平的高低對項目成本控制的影響很大，高超的設計水準可以有效降低5%～10%的工程投資，降低幅度甚至可以高達10%～30%。

1.1 建筑結構優化的社會意義

人類一旦從事建筑活動，就避免不了對土地、對礦山、對森林、對水資源等種種的再生及不可再生資源的利用。除此之外，在生產這些資源的同時也會消耗了大量的能源，更進一步加深對人類賴以生存的環境的利用。從這一角度可知，花大力氣去控制建設成本、提高材料的重復利用率本身就是在保護環境、保護我們人類的青山綠水，造福下一代。這一點也是契合新時代中國特色社會主義思想，具體要求就是在建設領域走節能、環保的可持續發展之路。我們倡導優化設計，就是要節能、節材、節地，省的不僅僅是開發企業的錢，也是全社會的資源。

1.2 建筑結構優化對設計行業的意義

2008年金融風暴的浪潮結束之后，房地產行業便開始一步步走上國民經濟支柱的寶座上，帶動了上下游產業鏈的高速發展，不可否認提高了我們老百姓的幸福指數。發展至今，我們也要認識到，房地產行業已告別了黃金歲月，當前的大環境已經從土地與資金為王道的粗放型發展向以技術、人才為主的精細化轉變，暴力粗糙的時代一去不復返，房地產必須向以技術及人才為主的精細化管理要效益。房地產企業的核心競爭力最直觀的表現就是對成本控制的精細程度。對設計行業，尤其是設計階段的成本把控變得更加重要。疲軟的銷售市場以及不斷攀升的土地與建安成本，利潤空間進一步被壓縮，建筑結構設計優化的優劣直接關系到建安成本的高低。如何在競爭激烈的市場環境中，尋求在不影響建筑產品的功能與品質的前提下，實現效益的最大化，與建筑行業的每一位設計人員都息息相關，是每一位建筑行業從業者的奮斗目標。如何在“建筑設計優化”這一股浪潮中脫穎而出，不被歷史所淘汰，需要建筑設計人員改變過往陳舊的設計思路，最大限度利用過硬的技術和成功經驗。設計行業的改革迫在眉睫，過去吃老本的思想要徹底革新，大膽創新，積極探索出一條適應時代發展的道路，只有在這樣的前提下再談企業的發展就變得有意義[1]。

結構、設備成本是隱蔽不外露的成本，不能給客戶帶來視覺沖擊的支出成本，但又是設計企業不得不重點關注的，設計優化節省的工程造價就是項目的新增利潤。設計企業需要以更嚴謹、更科學、更精細的態度來對待設計行業，只有這樣才能立于不敗之地。

以唐山某兩個項目為例，二者地塊相距不足2km，同樣是18層的高層住宅，由兩個不同的設計院設計，經過對兩個地塊的設計圖紙進行成本測算，地上結構的含鋼量竟然相差17.7kg/m2，按目前的鋼材綜合單價為5000元/噸計算，對單方造價的影響就達到了88.5元/m2，對于地上一個20萬m2的樓盤，則總價差異就是1873萬。由此來看，要不要引起重視？

同樣的某項目，類型為城市綜合體項目，主樓改變樁基參數及布局，裙樓改用鋼筋混凝土灌注樁為CFG復合地基處理，則整個項目可節省造價1200萬以上。

大型商業綜合體的基礎底板，優化前后含鋼量由124kg/m2降到62.4kg/m2，降幅達50%，僅鋼筋這一項可節省工程造價1200多萬元，經濟性可想而知。

1.3 優化設計對開發企業的生存意義

我們知道，房地產市場狀況將城市分為一二三四線城市，雖沒有規定的標準，但也在業界內被廣泛接受和認可。但對于房地產市場來說，經過多年的調查研究，從各城市房地產市場對建安成本的敏感度的角度來說，又可劃分為成本型城市和產品型城市。

成本型城市對工程建安成本的控制要求較高，重點是控制設計階段的成本優化、招投標、現場簽證等。成本型城市對工程管理、工程成本管理的要求較高。因此，下沉到三四線城市的開發商來說，城市開發如同雞肋，成本控制得好可以收貨薄利，控制不好就可能賠本?，F在好多排名靠前的開發企業慢慢地都轉戰一二線城市了，也是對這一處境最好的詮釋。從這個角度來看，如果想長期留在三四線城市、繼續深耕三四線城市，就必須加大成本控制力度，否則生存都難，更不要說發展了。

2 建筑結構優化的誤解

“建筑結構設計優化”意在提高整體結構安全度的均好性，“損有余而補不足”，并不是以犧牲結構安全為代價，在減少無效的、浪費的土建成本的同時，還可以消除結構設計中的錯誤或安全隱患，提高結構的整體安全度。

結構設計并不是材料用得越多結構就越安全，通過減輕重量、合理剛度、增大延性等措施反倒會使結構更加趨向合理，從而提高結構安全度。在鋼筋混凝土中，減少不必要的混凝土用量，可減輕結構自重，降低結構剛度，從而減小地震作用，減輕結構的地震效應，使墻、柱等抗側力構件及基礎的安全度增加。

保守設計與結構安全是完全不同的兩個概念。眾所周知，木結構與鋼結構的抗震性能比鋼筋混凝土結構和磚混結構要好。除了木結構與鋼結構比較柔，有延性，不易倒塌外，還有一個重要因素是重量輕。重量輕則地震小，進而地震響應就小。

結構大師AL.Fred.E曾說過，“把簡單的事情復雜化很容易，把復雜的事情簡單化去很難”。越是簡單的結構，其傳力路徑也越明確。而傳力路徑越短、傳力路徑越直接越明確的結構，其結構的可靠性也就越高。傳力路徑復雜迂回或傳力路徑不直接唯一，都會給結構構件受力帶來諸多不確定性，從而導致結構材料用量的增加[2]。

局部做強，可能就造成了更重要部位的相對薄弱。比如常見的就是梁剛度、配筋加大導致地震作用下梁柱塑性鉸易位的問題。過大的截面尺寸還有可能導致構件的跨高比及剪跨比過小，出現脆性破壞的情況。而且部分構件截面的加大會使得結構體系各部分間的剛度比例發生變化，導致內力重分配，往往會出現一些難以預料的結果（比如扭轉相應增大、出現薄弱層等）。

強震來臨時，地震作用可能是設計值的幾十倍甚至上百倍，硬抗是不可取的，也是不現實的，所以在常規設計時強震下是沒有安全儲備的，一切構件都是有可能破壞的，但我們仍然可以通過控制構件的破壞順序和結構整體破壞形態達到減少地震傷害的目的，即以柔克剛，這才是延性設計的精髓。延性設計的本質是通過結構措施提高結構整體變形能力，通過變形耗能，實現大震不倒的目的。

3 建筑結構優化的時機選擇

一個房地產開發項目的過程中，各個階段與環節，都存在成本控制的課題，但不同的階段的成本控制，其效益與效果截然不同。

規劃設計環節的成本控制具有四兩撥千斤的地位和作用：在規劃設計階段進行成本控制可以最大限度地減少事后修改帶來的成本增加。查閱資料研究表明，一般在前期產品市場定位階段，若此時介入成本控制，效果高達80%～90%甚至更高，同時阻力最小，代價最低；在中期方案設計階段，通過對設計方案的技術經濟性比較，成本控制效果可達75%～80%，同時阻力很小，所需代價較低；在后期的深化設計及施工圖設計階段，通過對技術標準、技術方案、技術措施等的優化比選，成本控制效果僅15%～20%，而且遇到的阻力與所需的代價均較大。因此，成本控制越早越好，重點在事前控制[3]。

4 建筑結構優化方法

建筑結構優化有三個層次，第一個層次是構件層面的優化，目前普遍使用混凝土含量與鋼筋含量來評判其效果，是比較容易量化的，此層面的優化量級一般是幾萬、幾十萬的造價，是微觀層次的優化；第二個層次的優化是巖土、結構整體層面的優化，是地基基礎與主體結構方案與體系層次的優化，是宏光層面的優化，評價指標不單單是鋼筋混凝土含量，可能還會涉及模板、土方、防水、基坑支護、降水以及人工、機械等方面，甚至地基基礎形式的改變，獲益不僅僅是經濟層面，還有結構性能的改進、工期的縮短、施工的便利等，優化量級在幾十萬、幾百萬之間；第三個層次是綜合建筑方案對結構設計、工程施工、成本與營銷的影響而對建筑結構總體方案進行的優化，是從建筑專業入手，通過結構專業來實現，有利于降本增效、又方便施工的設計優化，這是宇觀層次的優化，其評價指標已遠非結構專業本身，還有適用、舒適、美觀等建筑功能，以及建筑品質的提高[4]。

4.1 建筑結構總體方案的優化

建筑方案對結構成本影響巨大，建筑方案一經確定，即已決定了結構成本的60%～70%，另外的30%～40%通過結構方案的優化和構件層面的精細化設計來實現。好的建筑方案對于結構設計來說是先天性優勢，既沒有結構安全問題的風險點，也沒有技術上的難點，結構得心應手，能夠輕松實現結構設計限額指標。糟糕的建筑方案對于結構設計來說就是先天性不足，結構實現起來就很困難，更不要說經濟性了。

所以優秀的建筑設計方案，一定是充分考慮結構的可行性、合理性與經濟性的方案，是建筑與結構兩個專業共同推敲的結果。兩個專業整合在一起，往往能發揮1+1＞2的效果。因此，方案創作絕不僅是建筑師的事，結構工程師的參與也是必要的，也是有價值的。

成本控制是建筑全壽命周期的永久課題，不是某一專業、某一階段的降本增效。結構成本的控制必須是全過程的，重點關注方案、擴初階段。重在初期控制、過程監督落實，這正是建筑結構總體方案優化設計的意義。

建筑結構總體方案優化大致可從以下幾個方面入手。建筑方案的角度，可以考慮建筑總平面圖及豎向設計的優化、地下空間綜合利用問題的優化、建筑平面設計優化、建筑體型及立面設計的優化、層高的控制與設計優化、房屋總高的控制與設計優化；結構方案的角度，可以考慮建筑高寬比的控制與設計優化、結構轉換的規避與設計優化、結構超限的規避與設計優化、跨度及墻柱間距的設計優化。

4.2 巖土、結構方案對成本的影響

一旦建筑方案確定，結構成本即已確定了60%～70%，另外巖土結構方案優化和結構精細化設計占30%～40%，而其中，巖土結構方案的占比又在70%以上。因此巖土結構方案的優化是優化的重點。

巖土結構方案的優化大致可以從以下幾個方面入手。巖土與基礎的角度，可以考慮基坑支護及邊坡擋墻結構設計優化、地基基礎選型的技術經濟比較、地基處理方案的技術經濟比較與優化、樁基方案的技術經濟比較與優化、樁基礎的靜載試驗的優化策略。主體結構的角度，可以考慮結構抗浮設計優化、基礎底板設計優化、主體結構體系的選型與設計優化、結構平面布置的設計優化[5]。

5 結束語

建筑結構設計優化不僅對房地產開發企業及設計行業水平提高有意義，并且具有重大的社會意義。

建筑結構優化的本質在于成本控制，重點在事前控制，越早控制越好。

建筑結構優化具有三個層次，一是微觀層次的優化，即構件層次的優化，二是宏觀層次的優化，即巖土、結構整體層面的優化，三是宇觀層次的優化，即綜合建筑方案對結構設計、工程施工、成本與營銷的影響而對建筑結構總體方案進行的優化。