结构优化设计对南京河海科技有限公司的科技研发大厦理解和应用
中图分类号：TU2文献标识码： A
1 影响造价的因素
对于设计单位来说，欲为建设单位控制成本必须先要有自己的控制成本措施，这就要求我们先搞清楚影响成本的因素。成本控制是一个涉及面很广的概念，受到很多确定的和不确定的因素影响，但其中主要有以下几个方面：
1.1 建设方对其所开发产品的定位
这是成本高低的基调。可以肯定地说，每一个建设方都非常重视自己的产品，希望把它做成高品质，以期获取更大的利润。但并不是所有的建设方都能做出高品质的产品来，只有那些懂得如何把钱用在刀刃上并且也乐于这样做的，才有可能获得最大利润。
1.2 计划和建筑方案
这是决定成本高低的控制性因素。建设方在前期阶段考虑问题的重点往往在于规划和建筑方案，往往追求标新立异，讨论的问题很少涉及成本，但真正到了初步设计和施工图阶段，关注的重点就放在了成本控制上。很少有建设方能够做到二者的有机结合。
1.3 初步设计和施工图设计
在上述基调和控制因素已确定的前提下做成本控制，其实就是要做一个相对最优的设计。那么什么是最优设计呢？设计人员所认为的最优设计应该是整体概念性最优、具体方案满足规范要求的设计，成本并不是其考虑的首要因素。但绝大多数的建设方却认为那些能够满足他们要求，同时建造成本最低的设计才是他们想要的最优设计。二者如何有机结合是我们做设计的难点。要完成一个相对最优设计，需要各个专业相互配合、通力合作，不是某一个专业可以独自胜任的。然而现实情况是，作为主导的建筑专业可改动的余地不大，水、暖、电等设备专业综合成本所占比例较低而不太为人关注，因而影响土建成本较大而其内在的安全性、可靠性又极少有机会受到实践检验的结构专业自然成为各方关注的焦点。因此如何做好结构设计，就成了成本控制的一个重要方面。
1.4 施工组织方案和施工技术措施
任何设计都要通过施工作业来完成产品，一个考虑完善的施工组织设计，不仅可以为建设单位节省一笔施工费用，还可以给本企业带来相当利润。当然先进、成熟的技术措施是可靠施工组织方案的保障。
2 成本控制措施
在清楚了上述四项因素后，接下来我们谈一下成本控制措施。对于设计单位来说，真正可以做的是1.2和1.3项，建筑方案的确立前应有结构专业的配合，选择合理、优化的方案，为后面的初步设计和施工图设计做好铺垫。
以影响成本较大的土建来说，按照不同地区（涉及到抗震设防烈度、场地类别、风雪荷载等相关参数）、不同结构形式（如砌体、框架、剪力墙、框架-剪力墙、框架-核心筒等）、不同使用功能（恒载、活荷载不同）、不同层数（高度）选取有代表性的单体，对经过设计审查的最终版施工图进行钢筋含量和混凝土含量测算。由于单体之间的差异性，特别是地下部分差异更大，所以在进行钢筋含量测算时，可以分为整体指标、地下部分指标和地上部分指标，把每一楼层的不同构件（梁、板、柱、墙等）所用钢筋细分出来并进行汇总，这样就可以看到不同构件在楼层用量中所占比例；同理把按构件分类的用量进行积累，就可以看到所占整体指标的比例。混凝土含量也做同样的分类测算。
有了以上这些数据，我们就可以很方便地知道一个项目（单体）是否可优化，可优化的程度有多大，可以很快找准优化的方向和重点，更好地指导设计人员进行成本控制工作。具体来说可以分为组织制度保障和技术措施保障两方面。
2.1 组织制度保障
正如前文所说，一个最优设计是要几个专业相互紧密配合才能完成的。为增强公司的核心竞争力，适应市场需求，我们特别提出并强调“前期控制”的概念，也就是说从方案设计开始，各专业总师就已经介入，通过若干次评审、与建设方的沟通，将各方（各专业）的优化建设融入到方案中，最终形成一份操作性强、成本可控的优质方案。
同样，我们也要重视通过专业定案、综合定案、制定各专业统一技术措施等一系列后续流程，把成本控制的各项原则贯彻到项目的初步设计和施工图中去。
2.2 技术措施保障
仅仅有成本控制的组织制度是远远不够的，还必须有可操作实施的技术措施。以结构专业为例，简单地说有以下几个方面：
2.2.1 合理确定结构方案
2.2.1.1 基础方案
(1)根据地质勘测报告，按照国家和地方规范要求合理确定基础持力层。
(2)结合当地习惯做法，通过多方案经济比较，并按照综合造价最低的原则（不仅仅是含钢量指标，还包括混凝土用量、合理选材、施工方案等问题），最终确定基础形式。
(3) 根据上部结构形式和初步电算的柱（墙）底内力，合理确定基础构件的布置，并通过计算分析、比较，确定构件的截面和配筋。
（4）本工程选用的钻孔灌注桩。依据勘察报告提供的三种桩型（钻孔灌注桩、混凝土预制桩、水泥土搅拌桩）的参数。未采用混凝土预制桩：其一，由于端阻力层较深，如果采用混凝土预制桩，势必导致桩长偏长，从而使预制柱的接头过多，成本增加；其二，有的土层是细砂层，使打桩难度加大，会对成桩质量产生影响。其三，由于主楼柱网较大，轴力较大，从而产生混凝土预制柱过多，对承载力的提高不明显，通过与钻孔灌注桩各方面经济性的综合相比，不如钻孔灌注桩经济。其次，由于①～④层的持力层的承载力较低，又主楼部分的荷载较大，所以水泥土搅拌柱在此工程可操作性较低。最终，通过各方面的综合性比较采用了钻孔灌注桩。对不同位置轴力的大小不同采用了800、700、600直径的桩。从整体的经济分析评定，还是经济可操作的。
由于不同建设场地地质情况的千差万别，造成了即使相同的上部建筑其地下部分特别是基础部分也绝无雷同的现象，又由于基础部分造价在整个成本中所占比例较高，基础方案就成了我们做成本控制的重中之重。我们不能仅局限于横向比较基础的钢筋和混凝土含量，而应该更加关注由于基础方案的确定所带来的整体成本变化。
2.2.1.2 上部结构方案
(1) 按照建筑功能要求，结合当地建筑用材，通过多方案经济比较和分析，确定合理的结构形式。本工程的结构体系为框架-剪力墙结构，采用二道抗震设防。通过柱和墙共同抵抗各种工况下的荷载组合，使得在本工程中，墙不过多，柱截面不过大。从而达到经济的最优化。
(2) 要综合考虑，合理选择楼盖形式。对于办公、写字楼等公共建筑来说，如果对层高限制比较严。而且净高要求也高的话，可以采用“暗梁（或宽扁梁） + 现浇空心楼盖”的形式，尽管成本比常规梁板体系稍高，但总体来说还是合算的。本工程部分楼盖运用了现浇空心板楼盖，使楼层的净高增加，关键是在满足建筑功能的前提下，使得建筑总高度降低。本工程的建筑高度控制为57.5m，小于60m（不高于60m）。框架的抗震等级由原先的二级抗震降为三级抗震，从而使该工程的经济性提高较多。又由于层高的降低，重量的减少，使得基础部分又进一步得到优化。
(3) 遵从功能第一的原则，合理布置结构构件。对于一般的住宅来说，基本上都采用现浇钢筋混凝土楼盖，只不过需要优化梁的布置罢了。但对于公共建筑（如商业、办公室等），由于楼层多等原因，造成建筑面积较大，住宅小区中的地下车库由于上部覆土较厚、甚至走消防车等原因，亦使得构件截面和配筋量往往较大，因此合理布置主次梁就显得非常重要。本工程中的报告厅由于跨度较大，采用单向梁的布置，从而使梁的截面和配筋减小，在满足功能使用的前提下得到优化。
(4) 通过多次整体电算，优化构件截面和配筋。
2.2.1.3 施工方案
应结合当地的施工能力和习惯做法，根据实际工程的具体特点，给出更加合理的施工组织方案建议。
2.2.2 整体电算
2.2.2.1 电算步骤
(1) 准确地进行荷载统计和输入：根据建筑楼地面做法来进行面荷载统计，按照实际墙体材料、厚度、粉刷、开洞及梁高情况进行线荷载统计，并按照荷载的实际分布输入到程序中，不做人为的多输入荷载。
(2) 合理建模。
(3) 选取经济的计算参数。
(4) 最低限度地满足规范要求来控制整体计算指标，得出符合实际受力的最经济的配筋结果。
2.2.2.2 工程介绍
本工程具体情况：地下一层，局部二层（为6级人防）；地上十五层。结构体系为框架-剪力墙结构。地下部分建筑面积为：8290.23m2；地上部分建筑面积为：27150.01m2。
(1) 合理确定剪力墙的截面和数量。在满足规范和各工况荷载组合下的参数要求，尽量做到最优化。墙的截面大小从下到上逐渐减小。四层（16.150）楼面以下为350厚；四层（16.150）楼面以上～七层（29.750）楼面以下为250厚；七层（29.750）楼面以上为200厚。
(2) 合理确定柱的截面。诸如，一层和 二层，中柱和边柱截面为一种类型；三层的中柱和边柱截面各为一种类型；4层 ~6层，中柱和边柱截面为一种类型；7层~10层，中柱和边柱截面为一种类型；10层~屋面，中柱和边柱截面为一种类型；地下室主楼部分在一层柱截面的基础上每边增大50m，具体偏位依据地下室具体情况而定；非主楼部分的柱子截面大小为600×600（除个别建筑需要外）。
(3) 合理选择混凝土的等级：混凝土用量会给成本控制带来影响，从而选取了不同的混凝土等级，每层之间只差一个等级，考虑到施工的方便性、可操作性及其经济性，从而只选择了一个等级的差别。具体详见下表。
序号 构件名称及范围 混凝土强度等级 混凝土抗渗等级
1 基础底板垫层 C15
2 地下室梁、板、柱 C40 P6
3 七层楼面（26.350）以下梁、板、柱 C40
4 七层（26.350）~十一层（39.950）楼面 梁、板、柱 C35
5 十一层（39.950）~屋面层楼面 梁、板、柱 C30
6 构造柱、过梁，圈梁等 C25
2.2.3 尽可能采用新体系、新材料
本工程地下部分楼板和上部局部楼层采用了现浇空心楼板结构。根据楼面荷载的不同采用不同板厚的现浇空心板。空心楼板的使用，使得整个建筑的重量减轻。上部楼盖结构中均无次梁，不仅增加了美观度，而且使楼层净高变高，这样在满足使用功能的前提下，整个建筑的高度相应降低，从而在基础设计时，节省了整个造价。再次，对以后的平面功能的布置和使用，可以按照自己的要求任意分割，为二次使用带来方便。还有诸如隔音隔热保温，减轻楼板自重，减轻局部荷载等。现浇空心楼盖解决了大面积砼收缩问题，可以做到不设缝和少设缝，对生产工艺布置十分有利。
现在Ⅲ级钢的应用已非常普遍。由于小直径的Ⅲ级钢筋比Ⅰ级圆钢还要便宜，我们通常会在楼板、次梁和框架梁的箍筋、剪力墙的水平和竖向分布筋中大量采用6、8、10三种直径规格的Ⅲ级钢筋；在地下车库顶板和梁这些受力较大的受弯构件中也会采用各种直径的Ⅲ级钢筋。
对于地下车库，其长度往往超出规范中温度缝的限值，当超出较少时，我们通常采用诸如留后浇带、适当增加配筋、改善钢筋直径和间距等常规措施，但对于超出较多甚至数倍于规范要求而建筑方案又不允许设置温度缝时，我们会采用在梁、板中施加预应力的主动防开裂措施。经实践发现，采用这一方法增加的直接投资较小，效果却非常明显。
3 成本控制措施的执行
以上这些措施说到底就是要通过设计人员不厌其烦地进行多方案分析、计算、比较，最终找到一个可以既满足建设单位造价要求，又能够最低限度满足规范可靠度要求的结构设计。
措施本身并不高深晦涩，绝大多数结构设计人员都可以理解，难度就在如何执行上。鉴于目前结构设计现状，我们应做到如下两点：
(1) 统一思想认识，通过以往建设方意见反馈、工程实例来教育大家，使大家认识到成本控制是应该也必须要做的工作。
(2) 按照设计院要求切切实实做好不同层次设计人员的培养、培训工作，加深设计人员对规范的正确理解和灵活应用，努力提高设计人员的专业素质。这是因为结构专业虽然有公式可依、有程序可算，但并不说有唯一解，如何运用规范拿出多种解，并从中挑选相对最优解才是结构设计人员真正要做的工作。
说明：文中部分内容引自文献（5）。
