資深成本總10年泣血總結(jié)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化如何做才有效?

發(fā)布日期：2015-11-04來源：編輯：流水

[摘要]

　　 逢地產(chǎn)遇低谷，“優(yōu)化”隨即出現(xiàn)在各大公司的工作清單中，這樣既突顯“設(shè)計優(yōu)化”的救火作用、似可收“及時雨”之效，也讓“設(shè)計優(yōu)化”時而重要、時而棄之一旁，有似“臨時工”之嫌。這似乎偏離了“設(shè)計優(yōu)化”的本質(zhì)和原意。

　　 本文從“設(shè)計優(yōu)化”的產(chǎn)生和內(nèi)涵出發(fā)，系統(tǒng)闡述設(shè)計優(yōu)化的理論和實踐前沿，力求說清楚“為什么設(shè)計需要優(yōu)化”，而不僅是 “因為省錢”;重點介紹結(jié)構(gòu)優(yōu)化的總體思路、實操做法、經(jīng)驗教訓(xùn)，力求為大家少走彎路而貢獻點滴。

　　 【縱覽設(shè)計優(yōu)化的“前世今生”】

　　 1.“優(yōu)化設(shè)計讓建筑價值最大化”，這不僅是當下的行業(yè)共識，也是伴隨設(shè)計而生的專業(yè)要求

　　 符合規(guī)范要求的設(shè)計都是“可行的”，而未必是“最優(yōu)的”。設(shè)計優(yōu)化就是在所有“可行的”方案中尋找一個相對“最優(yōu)的”方案。

　　 而即便如此，大量的片面的理解、錯誤的說法，也仍然充斥在我們的身邊，特別是很多的成本人士在工作中都曾面臨設(shè)計優(yōu)化推進的尷尬，如“結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個嚴肅的事情，安全第一，不能為了省錢而降低安全系數(shù)”，這尷尬里面，既有我們面對設(shè)計領(lǐng)域?qū)I(yè)性較強的客觀困難，也有我們對于設(shè)計領(lǐng)域知之甚少、甚淺的主觀原因。

　　 其實，設(shè)計優(yōu)化最早是伴隨價值工程起源于國外。而關(guān)于結(jié)構(gòu)設(shè)計，艾拉普工程顧問公司的創(chuàng)始人、英國結(jié)構(gòu)工程師艾拉普說過：“結(jié)構(gòu)設(shè)計是一門藝術(shù)，沒有唯一解。只有不斷地探索去尋找相對的最佳，而無絕對的最優(yōu)。”

　　 在我國，1973年中科院資深院士、計算力學(xué)工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的開拓者錢令希教授發(fā)表了一篇《結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的近代發(fā)展》，吹響了國內(nèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究的一個進軍號。

　　 有臺灣“綠色之父”之名的臺灣成功大學(xué)建筑系林憲德教授講，當你要做一個真正綠色的東西，第一個需要做的是壓縮你的設(shè)計余量。結(jié)構(gòu)優(yōu)化也就是為此在結(jié)構(gòu)方面做出了很大的嘗試。

　　 在我國新的綠色建筑評價標準當中，結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化被提升為節(jié)材部分的最重要的內(nèi)容。詳《綠色建筑評價標準》 GB/T50378-2014之7.2.2條。

　　 有專家這樣形象地評價設(shè)計優(yōu)化的意義：“明明這個人只有1.7米的身高，卻給他做了適合1.75米身高人穿的衣服，雖然也能穿，但是造成浪費。量體裁衣，這種節(jié)省是切切實實的”。

　　 2.國內(nèi)關(guān)于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的理論研究、著作及應(yīng)用軟件也相當成熟

　　 國內(nèi)關(guān)于設(shè)計優(yōu)化的理論和應(yīng)用軟件研究成果較多，為設(shè)計優(yōu)化提供了充要的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用工具。例如JIFEX是中國自主研發(fā)的有限元分析與優(yōu)化設(shè)計軟件系統(tǒng)，已發(fā)展成為中國計算力學(xué)與CAE研究領(lǐng)域最具特色的有限元分析與優(yōu)化設(shè)計軟件之一。

　　 而關(guān)于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的著作就更為豐富多彩，既有理論研究的著作，也有實戰(zhàn)案例的解讀與分析，各有千秋。本文整理了部分著作清單，供讀者了解和參考。

　　 3.設(shè)計是規(guī)范加上判斷和創(chuàng)造的產(chǎn)物，這就是設(shè)計優(yōu)化客觀存在、永恒存在的內(nèi)在原因

　　 設(shè)計是規(guī)范加上判斷和創(chuàng)造的產(chǎn)物，而規(guī)范永遠是滯后于科技發(fā)展，判斷和創(chuàng)造則是與時俱進的。今天的最優(yōu)，不代表是明天的最優(yōu)。

　　 設(shè)計優(yōu)化既是國家建設(shè)綠色節(jié)能建筑、建設(shè)資源節(jié)約型社會及企業(yè)成本控制等外部因素要求，也是地產(chǎn)企業(yè)迫于現(xiàn)階段房地產(chǎn)市場的一系列不合理的客觀情況所主動采取的應(yīng)對措施。

　　 設(shè)計單位隨著房地產(chǎn)市場需要而呈現(xiàn)出多樣性和復(fù)雜性，不規(guī)范的市場行為充斥其中，設(shè)計單位優(yōu)劣難辯，設(shè)計成果的多版本、六邊工程成為常態(tài)，設(shè)計師的工作強度和難度在客觀上成倍增加。而我國的設(shè)計師職業(yè)責(zé)任和審圖體制目前仍針對“安全性”這個首要問題，而對于“經(jīng)濟性”這個后首要問題的關(guān)注目前還停留在各結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的第一條上。加之國內(nèi)大多數(shù)設(shè)計師的收入機制是“低固定工資+高產(chǎn)值獎金”，即在一般意義上，設(shè)計師的收入與產(chǎn)量有關(guān)，與質(zhì)量無關(guān)。因而，設(shè)計師一般不會對設(shè)計成果的“經(jīng)濟性”額外關(guān)注和投入精力，畢竟多數(shù)人都是趨利避害的，即便是你我也不會往沒有產(chǎn)出的工作上去花費時間、投入精力。

　　 【設(shè)計優(yōu)化對象涵蓋各個專業(yè)，必須總體考慮，同時抓住重點：結(jié)構(gòu)優(yōu)化】

　　 設(shè)計優(yōu)化涵蓋的內(nèi)容很廣，既是一個建筑、結(jié)構(gòu)、機電、景觀、裝修等多專業(yè)可獨立實施的過程，也更需要設(shè)計與施工多領(lǐng)域、建筑與結(jié)構(gòu)等多專業(yè)統(tǒng)籌考慮、綜合協(xié)調(diào)、追求整體優(yōu)化效果。在優(yōu)化設(shè)計工作上，切不可孤立的追求結(jié)構(gòu)成本的最優(yōu)，而需要全面考慮總體的節(jié)約才是真實的節(jié)約;也不可片面的追求成本的最低，而需要全面考慮項目總體目標的最優(yōu)匹配。

　　 在追求整體效果的同時，我們需要抓重點，那就是最具優(yōu)化潛力的結(jié)構(gòu)成本。

　　 結(jié)構(gòu)成本具有客戶敏感度最小、優(yōu)化空間最大、優(yōu)化時間最緊迫的特點。結(jié)構(gòu)成本是客戶看不見、且不關(guān)注的那部分;結(jié)構(gòu)成本占整個建安成本的比重最大，毛坯住宅約50%，公建約30%;結(jié)構(gòu)成本的離散性大;同時，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計以建筑設(shè)計的完成為前提，存在接受條件最遲但要求出圖最早、先用于施工的特點，導(dǎo)致我們?nèi)菀追潘蓪ζ浣?jīng)濟性的關(guān)注。

　　 1.有關(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的兩個誤區(qū)

　　 (1)結(jié)構(gòu)優(yōu)化就只是為了“省錢”嗎?

　　 結(jié)構(gòu)優(yōu)化是對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行的檢討與改善，是一個再加工的過程，而不是單一的節(jié)約用鋼量。

　　 優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)一般會達到指標更經(jīng)濟、建筑空間和室內(nèi)使用更合理、結(jié)構(gòu)安全度更高、現(xiàn)場施工更方便的效果，是一個統(tǒng)籌考慮、綜合最優(yōu)的結(jié)果。即結(jié)構(gòu)優(yōu)化既為“省錢”(更經(jīng)濟)，也為“更安全”、“更適用”、“更方便”。

　　 例如：上海東方明珠的設(shè)計者、我國工程院院士江歡成大師在 1985 年任華東院總工期間，對當時在上海廣為流行和大量套用的仙霞型高層住宅大刀闊斧地刪掉了許多剪力墻(樓板厚度由120mm增加至140mm)，砼、鋼筋量分別減少30%、38%，經(jīng)濟指標分別達到0.343m3/m2、40kg/m2，取得較好的經(jīng)濟效益和舒適、靈活的空間使用效果，在施工難度上也大大降低，而后在上海多個項目套用。(案例摘自江歡成大師《優(yōu)化設(shè)計的探索和實踐》)

　　 而大師所采取優(yōu)化措施共有5項，其中主要的3項如下：

　　 30年過去了，這些措施至今仍是行之有效的。在高層建筑中，普遍采用剪力墻結(jié)構(gòu)，地上結(jié)構(gòu)中剪力墻的鋼筋砼用量占到全部構(gòu)件的50%左右、甚至以上。上述優(yōu)化措施至今仍有很大的借鑒意義。

　　 再如北京清華大學(xué)土木工程系教授董聰受命組建“北京奧運場館結(jié)構(gòu)選型及優(yōu)化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)”課題小組，負責(zé)奧運場館結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在“鳥巢”瘦身過程中就表示：“進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，必須要尊重建筑師的原創(chuàng)思想。這就像時下的吸脂美體術(shù)，只能在不改變?nèi)送庥^、健康和容貌的基礎(chǔ)上，減去多余脂肪，達到健美目的。”據(jù)網(wǎng)上數(shù)據(jù)，“鳥巢”總預(yù)算從最初的38億元減少到31.3億元，節(jié)省6.7億元(降低18%)，結(jié)構(gòu)安全性更好。

　　 (2)我們有限額設(shè)計，還需要進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化嗎?

　　 首先，設(shè)計圖在指標上能滿足限額值，但不一定最經(jīng)濟、最合理的設(shè)計。限額值一般是過去常規(guī)工程的經(jīng)驗值，時間上具有滯后性，對象上具有普遍性，沒有針對性。對于非標建筑，限額值就幾乎不具指導(dǎo)意義。因此，設(shè)計圖在指標上能滿足限額值，但不一定最經(jīng)濟、最合理的設(shè)計。

　　 其次，單純的限額設(shè)計往往容易走向另一個極端或誤區(qū)。限額設(shè)計僅從經(jīng)濟指標上對結(jié)構(gòu)成本進行控制，將大量的設(shè)計精力聚焦于降低經(jīng)濟指標上，而會忽略其他更重要的工作，如結(jié)構(gòu)體系合理性的判斷與調(diào)整、結(jié)構(gòu)與建筑及機電等專業(yè)的協(xié)調(diào)，造成了使用、運行等方面的限制或增加了使用成本。

　　 2.結(jié)構(gòu)優(yōu)化管理的總體思路

　　 (1)全過程介入，越早越好

　　 介入時間越早效果越好、改得越少、投入的精力越少。

　　 從前期策劃、建筑設(shè)計(總平面布置、戶型設(shè)計等)、地質(zhì)勘察、建筑設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、審圖、施工等全過程均需要開展相應(yīng)的優(yōu)化工作。

　　 (2)與設(shè)計院合作，以“雙贏”為指導(dǎo)思想

　　 在選擇設(shè)計單位時，既要談設(shè)計費單價，也要談限額指標;這在當下是普遍做到了。而“在設(shè)計合同中，既要約定限額指標，也要約定獎懲規(guī)則”，在合同上是做到了，但在實際中確實難以兌現(xiàn)，這也是很多單位聘用優(yōu)化顧問的原因之一;

　　 在日常工作中，甲方設(shè)計師既要堅決維護公司利益，避免浪費，也要適當尊重、照顧設(shè)計院的想法，“少返工”、“早提要求”，對設(shè)計的要求“提前說清楚、達成一致”。

　　 (3)在力量有限的情況下，建議引入外部資源，并以“三贏”的思想處理好三方關(guān)系

　　 目前比較常見的方式，“讓專業(yè)人做專業(yè)事”，具有“招來即用、用即有效”的優(yōu)勢。據(jù)了解，一線房企均采用過或正在采用這種方式。特別是重大項目、非標項目，及時引入外部資源可確保萬無一失。

　　 引入外部資源，關(guān)鍵問題不在于能不能提出有價值的優(yōu)化方案，而是如何避免“拿意見容易、落實難”的尷尬。解決問題的關(guān)鍵是建立一套設(shè)計單位與優(yōu)化單位目標一致的激勵機制，做好優(yōu)化單位、設(shè)計單位、施工現(xiàn)場之間的“銜接”，同時以“三贏”的思想處理好三方關(guān)系(甲方、設(shè)計方、優(yōu)化方)，特別是以“人非圣賢、孰能無過”的心態(tài)，處理好與原設(shè)計單位的關(guān)系。這也是我們甲方需要重點關(guān)注的工作。

　　 引入外部資源的性價比極高。優(yōu)化顧問的收費一般以優(yōu)化成果的20%左右收費，根據(jù)項目特征有收費的上限和下限。

　　 作者目前收集到全國優(yōu)化顧問公司共23家，限于篇幅，有需要的朋友可以與作者聯(lián)系。

　　 3.結(jié)構(gòu)優(yōu)化的工作方式

　　 優(yōu)化工作按介入時間分為兩種方式：過程優(yōu)化、結(jié)果優(yōu)化。各有特點、各有成效，也各有不同的管理要求。而結(jié)果優(yōu)化太被動，一般情況下不應(yīng)采用。

　　 結(jié)果優(yōu)化：在施工圖設(shè)計完成后介入，優(yōu)化與設(shè)計串行的工作方式，通過對原設(shè)計圖紙進行事后復(fù)核，并提出優(yōu)化意見，說服設(shè)計單位對原設(shè)計圖紙進行修改的優(yōu)化方式。

　　 過程優(yōu)化：在項目設(shè)計過程中介入，優(yōu)化與設(shè)計并行的工作方式。各自特點如下表：

　　 4.過程優(yōu)化的一般做法

　　 過程優(yōu)化的一般做法概括來講就是“三步走”：事前指導(dǎo)、事中檢查、事后驗證。同時針對三個設(shè)計階段“方案、擴初、施工圖”分別采取不同管理方法。

　　 每個工作環(huán)節(jié)均按照“事前確認輸入條件、事后復(fù)核輸出成果”的思路進行過程管控。

　　 (1)事前指導(dǎo)

　　 事前指導(dǎo)的主要目標是在設(shè)計開始前雙方經(jīng)過溝通、討論，達成一致的限額目標和支持性的技術(shù)措施、雙方合作流程等。

　　 這個階段最重要、技術(shù)含量最高、也最艱難。但“磨刀不誤砍柴功”，事前指導(dǎo)可收事半功倍之效。一旦完成，可以做到：設(shè)計一開始，就完成設(shè)計階段成本控制的50%以上。

　　 在設(shè)計開始前，共同確定《結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)措施》，先定技術(shù)標準、從設(shè)計前端進行管控將收“牽住牛鼻子”之功效。先定下技術(shù)標準，是因為改標準比改圖容易得多。

　　 《結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)措施》的具體內(nèi)容是在《設(shè)計任務(wù)書》的基礎(chǔ)上，增加以下四份文件作為開展結(jié)構(gòu)設(shè)計所需的全部前置條件：《統(tǒng)一技術(shù)措施》、《結(jié)構(gòu)構(gòu)件的標準構(gòu)造做法》、《結(jié)構(gòu)設(shè)計總說明》、《建筑做法》。標桿房企都已制定了《結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》。

　　 《統(tǒng)一技術(shù)措施》包括電算模型及計算系數(shù)的取值、設(shè)計參數(shù)、材料選擇、荷載取值、各構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計與配筋原則、結(jié)構(gòu)指標在各構(gòu)件上的分解目標(構(gòu)件結(jié)構(gòu)指標的預(yù)估值)等。

　　 《統(tǒng)一技術(shù)措施》的內(nèi)容，除了嚴格按規(guī)范取較經(jīng)濟的參數(shù)或系數(shù)外，同時需要對當?shù)仡愃祈椖窟M行調(diào)研，相關(guān)數(shù)據(jù)作為支撐。例如，作者曾經(jīng)因為大連某項目優(yōu)化設(shè)計而對當?shù)仡愃祈椖窟M行了主要參數(shù)的調(diào)查：

　　 《結(jié)構(gòu)構(gòu)件的標準構(gòu)造做法》是針對按構(gòu)造設(shè)計而非計算確定的構(gòu)件，以滿足規(guī)范的最低要求為標準先制定標準設(shè)計做法，避免設(shè)計單位任意加大。按構(gòu)造設(shè)計的鋼筋在總鋼筋用量中占有較大比重，重要性如下圖所示(摘自徐珂微博《剪力墻住宅項目結(jié)構(gòu)節(jié)材設(shè)計》)。

　　 例如，剪力墻墻身的構(gòu)造配筋表(來自網(wǎng)絡(luò))：

　　 注：高度小于24m且剪壓比很小的四級剪力墻，其豎向分布筋的的最小配筋率按0.15%采用。

　　 《結(jié)構(gòu)設(shè)計總說明》是對結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件以外的內(nèi)容進行經(jīng)濟性控制，特別關(guān)注“通用性”的設(shè)計說明，通用性越強設(shè)計越浪費(同時，設(shè)計更方便、施工更方便)，避免出現(xiàn)一句話增加幾十萬的意外情況。例如關(guān)于“吊筋”的說明、關(guān)于過梁的說明、關(guān)于洞口加筋的說明等。

　　 《建筑做法》主要是提前確定墻、地、頂以及其他部位的建筑做法，避免由結(jié)構(gòu)設(shè)計師在未知的情況按最大可能的荷載進行取值。比如砌體材料的選擇涉及材料比重、天棚是否抹灰等均涉及荷載取值等。

　　 (2)事中檢查

　　 ①結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程主要包括結(jié)構(gòu)方案、結(jié)構(gòu)計算、施工圖設(shè)計三個階段，結(jié)構(gòu)優(yōu)化也是從上述三個階段進行。各階段的主要工作分別是：

　　 方案階段：結(jié)構(gòu)體系的造型和結(jié)構(gòu)布置合理性認證、結(jié)構(gòu)計算和內(nèi)力分析正確(重點)。有經(jīng)驗表明，上述三個階段中“方案階段”對于結(jié)構(gòu)成本控制的價值占65%;

　　 擴初階段：結(jié)構(gòu)方案的對比、優(yōu)化;重點關(guān)注結(jié)構(gòu)體系、基礎(chǔ)方案、地下室的布置等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，一般情況下如聘請顧問公司，則會提供至少兩個方案進行對比，供甲方選擇;

　　 施工圖階段：結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計的精細化管理。主要是對結(jié)構(gòu)設(shè)計中的不精細做法進行糾正，如不合理的歸并、有過大的富余、不經(jīng)濟的配筋方式和砼厚度取值等。

　　 ②工作方法建議：“先做先審、樣板先行”。

　　 先做樣板單元(房、層、各構(gòu)件)的設(shè)計，復(fù)核通過后，再開展大面設(shè)計。這樣基本可以避免出現(xiàn)一旦需要修改、就要全部修改、設(shè)計院不情愿、工作量太大影響工期等情況的出現(xiàn)，大大減少和降低結(jié)構(gòu)優(yōu)化所致的返工量和障礙。即實現(xiàn)變“先設(shè)計后算量”為“先算量后設(shè)計”。

　　 全過程、分階段檢查各個環(huán)節(jié)的設(shè)計情況，看是否符合《結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)措施》的要求，包括結(jié)構(gòu)建模、樁基、地下結(jié)構(gòu)、地上結(jié)構(gòu);同時分構(gòu)件驗算設(shè)計的經(jīng)濟性。

　　 (3)事后驗證

　　 在正式出圖前提供施工圖電子版和全套結(jié)構(gòu)計算書，供甲方進行計算和復(fù)核，驗證最終的限額指標與《結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)措施》中構(gòu)件結(jié)構(gòu)指標預(yù)估值的差異。

　　 但事后驗證也并非等施工圖出來了再驗證，因為那樣真的是太遲了，就現(xiàn)實而言，大部施工現(xiàn)場是等圖施工、甚至邊出圖、邊施工，基本沒有房企會有時間等設(shè)計院去改設(shè)計。

　　 因此，事后驗證也可以分兩步走：

　　 一是在完成結(jié)構(gòu)計算后進行粗略驗證。

　　 PKPM軟件可以在完成結(jié)構(gòu)計算后得出一個理論的配筋量和砼量，是理論量，與最終施工圖計算量大概有5%左右的偏差(具體偏差值與設(shè)計師對軟件進行人工干預(yù)的程度有關(guān))。

　　 具有以下特點：

　　 時間短，一般在完成結(jié)構(gòu)計算后即可提供;不會發(fā)生算量成本;有偏差，大概比圖紙量小5%左右。主要是設(shè)計師對軟件計算結(jié)果人工干預(yù)后與軟件計算值之間的差異，受設(shè)計師干預(yù)程度影響;這種方法可用于初估，或比較兩種設(shè)計方案之間的指標差異。

　　 二是完成結(jié)構(gòu)畫圖后，抽樣精確復(fù)核驗證。

　　 在完成CAD畫圖后、正式出圖前(大約有7個工作日)進行抽樣復(fù)核或委托造價咨詢公司結(jié)合工程量清單編制來進行全面的、準確的復(fù)核。

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