工業建筑設計優化探討

李曉龍 茹洪順

(中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038)

0 前言

工業項目建設成本已成為冶煉行業盈虧點的重要因素。建設成本涉及固定資產折舊，加之建設期貸款利息的疊加，所以通過設計優化降低成本非常有必要。

設計優化，是以工程設計理論和對項目工藝、現場條件的深入了解為基礎，以工程實踐經驗為前提，基于對設計規范的深刻理解和靈活運用，以先進、合理的工程設計方法為手段，對工程設計進行深化、調整、改進與提高的過程。設計優化對工程量、工程成本進行審核和監控，也是一個對工程設計再加工的過程[1]。

設計優化的目的是在完成項目設計基礎上，保證項目的功能、可靠性指標，減少能源消耗，保證項目連續可靠的運行時間，為企業實現更佳的經濟效益、環保效益和社會效益。設計優化還通過控制工程量，改善施工條件，實現控制投資、降低造價的目標。

設計優化貫穿項目管理始終。設計優化越早越好，方案設計階段和初步設計階段都是設計優化的重要階段[2]。進入施工階段后，也存在有很多優化的可能，作為設計者要盡可能去挖掘。工業項目設計優化的原則是符合設計標準，不影響設計功能，不影響工藝操作。

1 方案設計階段設計優化

方案設計階段的優化主要在工藝方案的選擇。例如工業建筑中的銅冶煉廠，可選擇頂吹煉銅、側吹煉銅、底吹煉銅、濕法煉銅等多種工藝。工業項目要根據礦物成分、生產規模、項目所在地條件等因素選擇工藝方案，既要考慮項目建設直接投資成本，也要考慮項目建成后的生產運營成本。這個過程不僅要經過專家論證，還要組織人員到各冶煉廠調研。調研時要充分與車間主任交流溝通，從基層中獲取第一手資料。通過多方案的可行性研究對比，選出綜合性價比最高的方案。在這個階段，還可通過聘請業界專家組織評審會等方式進行充分評審論證，從而真正選出最優方案。

2 施工圖設計階段設計優化

項目實施過程中，可以從工藝方案具體實施、具體設計方案優化方面來控制項目費用。根據項目實施要求合理安排設計周期，并圍繞保證工程設計質量、杜絕重大設計錯誤和設計返工、滿足工程施工要求、減少設計浪費的中心，精心開展設計和優化設計，從而有效地控制建設投資。

1)施工圖階段優化主要是在滿足工藝基礎上，盡可能精心計算，精細布置，將結構件可靠度、富余系數設計一致，避免出現結構件局部富余系數過大的情況。如鋼結構熔煉主廠房，在進行次梁及次次梁的計算和設計時，有些設計者設計的安全系數超過框架梁的安全系數，這是沒有必要的。設計時不需要將次次梁安全系數放得過大，可將次梁兩側的次次梁翼緣與次梁翼緣焊接到一起，做連續次次梁，以增加整體性。

2)從設計條件入手進行優化設計。如某熔煉主廠房設計，工藝提出某樓層立砌耐火磚，又考慮到耐火磚可能受潮，水套漏水吸濕后耐火磚比重增大等因素，樓面荷載條件設計為30 kN/m2。這導致進行結構抗震計算時，水平力非常大，鋼框架柱子及框架梁截面較大。但實際上地震與水套漏水浸濕耐火磚這兩種情況同時出現的可能性極低，經結構專業與工藝專業溝通，在計算地震力時不考慮耐火磚受濕情況，在設計計算梁板柱等靜荷載承重時考慮耐火磚浸濕的最不利情況。這樣的設計優化大大縮小了鋼框架柱子及框架梁截面。

3)設計者除了優化工程量，還要考慮施工的便利性優化。比如熔煉主廠房結構設計中，熱軋H 型鋼和焊接H 型鋼的選用就很有考究。設計時盡可能選用熱軋H 型鋼，盡管其噸單價相對貴一些，但這類鋼材一次軋制成型，其本身腹板與翼緣之間不需要焊接，不僅可降低焊接費用，還能縮短鋼結構加工工期。綜合考慮鋼結構加工費用、加工工期等因素，選用熱軋H 型鋼的綜合造價會比焊接H 型鋼低。

4)根據工廠實際操作來優化設計。某冶煉廠房濃密機的防腐設計，傳統設計方法是內襯玻璃鋼隔離層后立砌防腐磚。經與現場操作工人溝通，設計改為玻璃鋼隔離層加平砌耐酸瓷板。該項目運行兩年，防腐層良好，這樣的優化在達到防腐效果的同時，降低了防腐工程造價。

3 現場設計優化

1)現場施工專業工程師可以提出設計優化點。如某大型設備基礎，施工時發現，基礎下面的強風化巖石比較堅硬，用機械炮擊很難擊破。施工單位聯系爆破單位，準備用炸藥爆破來達到設計標高。現場施工專業工程師通過與設計者交流，核算設計基礎埋深，最后將設備基礎底標高抬高0.5 m，采用梅花狀植筋方式，將設備基礎與下面的巖石地基相連，既節省了爆破費用，也減少了地基上面設備基礎鋼筋混凝土用量。因該廠房大型設備基礎較多，僅該項優化就節省了工程投資約200 萬元。

2)施工分包單位也可以提出設計優化點。某項目濕法車間的屋頂設有玻璃鋼通風管道，施工單位審圖時發現，管道直徑從2 m 分段擴大，最大為5 m，由于與管道相連的引風機入口直徑為4 m，后面通風管道直徑又由5 m 變為4 m。現場管理人員與設計者溝通，詳細計算和對比管道縮小而流速增加引起的壓頭損失及管道變徑引起的壓頭損失。最終，將管道最大直徑由5 m 優化為4 m。這樣優化既節省了材料，又方便了施工，還能減少吊裝費用，為該工程投資節省約了300 萬元。

3)現場地基處理更能體現設計優化水平。為了節省投資，有時設計不采用樁基礎，而是采用高杯口基礎，通過增加杯口高度，增加埋深，使基礎落在符合要求的地基上。但這樣設計帶來了另一個問題，有時個別柱子基礎埋深過深，杯口基礎過高。為避免基礎過深，一般處理辦法是將基坑挖至老土層后用毛石混凝土換填至設計基礎底標高，但這種方法造價較高。經過現場查看地質條件，考慮當地建材市場行情，核算基礎受力及沉降等指標，設計改為由天然級配砂石，分層夯實的處理方式。這種處理既能滿足設計要求，也能降低地基處理工程費用。

4 限額設計是非常重要的設計優化表現形式

限額設計即在具體的設計過程中，按照設計程序分階段層層控制總投資，使其貫穿于初步設計、施工圖設計、施工圖預算的各個階段，形成縱向控制；在各設計階段，按各專業進行投資分解，分塊限額，具體分配到子項、專業和工藝包，形成橫向控制。通過橫向控制和縱向控制相結合，使責任落實到個人[3-5]。

某銅冶煉項目實行限額設計。設計單位以初步設計概算為基礎進行固定總價總承包，合同簽訂后，項目與各專業負責人簽訂限額設計工程量清單。工程量清單由費控人員根據初步設計編制，設計專業負責人審核后簽字。設計過程中，設計者要嚴格對照清單進行設計，個別超出清單的工程量，要詳細分析原因，不能輕易突破，對清單工程量進行嚴格控制。設計負責人與每各子項專業設計者簽訂責任狀，將控制工程量的壓力傳遞給每位設計者，讓每位設計者都能做到精心設計，當個別工程量超出時也能及時找到原因，并采取一定措施進行彌補優化。最后該項目結算時，工程量較限額清單減少約3%，不僅達到了限額設計的基本目標，還超出了項目團隊的當初預期。

5 減少設計重復錯誤也是一種設計優化

工業建筑巧妙的設計會給人帶來美感、震撼，但在設計中難免有考慮不周的地方甚至設計錯誤。工業建筑經常建造多套相似的廠房，具有一定的復制性，且在設計分工時考慮設計者的設計經驗，會由同一個人完成類似工作，這樣雖然提高了一定的設計效率，但也導致部分設計錯誤重復發生。

在工業建筑設計中避免這些重復性錯誤，既可提升設計質量，也是一種設計優化。例如一些工業收塵管道設計為平管道，導致積灰嚴重，整改費用較高。某冶煉廠設計將腐蝕性液體管道布置在氧氣、天然氣管道上層，存在安全風險，需要墊橡膠墊來防止滲漏風險。項目的現場人員及時將情況反饋給了設計者，但已無法修改。上述兩個例子都是設計中易出現的重復錯誤，應避免此類情況在其他項目設計中再次發生。

6 結束語

工業建筑優化是多層次、多專業相互協同的設計優化。在工業建筑的優化設計中，要根據實際生產作業的方式以及建筑的實際用途進行針對性的優化。為了滿足現代工業的可持續發展需求，踐行我國力爭在2030 年前實現碳達峰承諾，設計人員在進行現代工業廠房建筑設計時，還要充分利用節能設計理念。在現代工業廠房建筑中，節能設計理念體現在減少工業廠房建筑在生產運行過程和建設過程兩方面的能源消耗。現代工業實現碳達峰、碳中和的目標壓力巨大，工業建筑設計優化之路任重道遠。就目前而言，工業廠房的設計還具有很大的提升優化空間，需要各專業人員的共同努力才能推動行業的進一步發展。