所謂方案優(yōu)化設(shè)計,就是在原設(shè)計方案的基礎(chǔ)上,結(jié)合新工藝和設(shè)備的使用,新材料的投入,進行局部設(shè)計的改變,不僅使技術(shù)更可行,更加滿足功能要求,還能節(jié)約材料,使工程造價明顯降低。往往同一建設(shè)項目,同一單項、單位工程,可以有不同的設(shè)計方案,從而形成不同的工程造價,因此要通過方案優(yōu)化設(shè)計對其進行選擇,使之真正達到以最優(yōu)的設(shè)計、最經(jīng)濟的投資,建造最好的工程項目的目的。本文僅針對建筑結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化設(shè)計對工程造價產(chǎn)生的影響進行探討。
在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中,不同方案的選擇及不同建筑材料的選用對工程造價會有較大影響, 像基礎(chǔ)類型選用、進深與開間的確定、層高與層數(shù)的確定、結(jié)構(gòu)形式選擇等都存在著技術(shù)經(jīng)濟分析問題。據(jù)統(tǒng)計,在滿足同樣功能的條件下,技術(shù)經(jīng)濟合理的設(shè)計,可降低工程造價10%左右,有的可達20%.建筑結(jié)構(gòu)由基礎(chǔ)、柱、墻體、梁、樓板、屋面板等部分組成,各部分占工程總造價的比例不盡相同,結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化時對工程造價的影響也就不一樣,因此在方案優(yōu)化設(shè)計時我們所考慮的重點要有所側(cè)重。下面就主要結(jié)構(gòu)部分進行舉例說明:
1)基礎(chǔ):基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的造價與工程所在地的地質(zhì)條件密切相關(guān),其工期約占整個建筑物主體工程的25%-30%,造價約占總造價的10%-20%,基礎(chǔ)工程的重要性顯而易見。所以設(shè)計時應(yīng)重視地質(zhì)勘察報告的交底工作,選擇合理的基礎(chǔ)型式,控制基礎(chǔ)的截面尺寸與埋深。如兩座相臨的住宅樓工程,根據(jù)地質(zhì)勘探資料,設(shè)計基礎(chǔ)承載力及埋深相同,地面以上部分結(jié)構(gòu)設(shè)計也相同,均為6層磚混結(jié)構(gòu),建筑面積3236m2;地面以下部分選用兩種基礎(chǔ)形式,1# 樓過于考慮安全性,設(shè)計選用了鋼筋砼條形基礎(chǔ),C20砼澆筑, M10水泥砂漿、MU10磚砌筑,基礎(chǔ)總造價為16.13萬元。在2#樓設(shè)計中,將基礎(chǔ)改為毛石條形基礎(chǔ),用MU20毛石、M10水泥砂漿砌,基礎(chǔ)總造價為10.35萬元。通過對比,基礎(chǔ)建筑面積造價,1# 樓為49.86元/m2,2#樓僅為31.98元/m2。在兩樓樓型、結(jié)構(gòu)及使用功能相同的情況,地質(zhì)條件滿足安全使用的前提下,只將鋼筋砼條形基礎(chǔ)改為毛石條形基礎(chǔ),基礎(chǔ)部分的造價減少了35.88%。這對整座住宅樓工程造價的控制起到了積極作用。
2)柱網(wǎng)布局與柱子:柱網(wǎng)布局是確定柱子的行距(跨度)和間距(每行柱子相鄰兩柱間的距離)的依據(jù)。一般來講,柱網(wǎng)尺寸在6-12m之間,柱距小則傳力路線短,上部結(jié)構(gòu)節(jié)省材料,但可能基礎(chǔ)費用高,因而柱網(wǎng)布局是否合理,對工程的結(jié)構(gòu)造價有很大的影響。此外,柱子截面形狀及大小的選擇也對工程造價有著直接的影響。下面就柱子截面大小實例說明它對工程造價影響的程度。
某四層廠房根據(jù)工藝要求,在廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用現(xiàn)澆鋼筋砼框架結(jié)構(gòu),初始設(shè)計方案為:框架邊柱截面750mm×750mm,中柱截面750mm×1000mm; 框架梁截面統(tǒng)一為450mm×1900mm,受力主筋均采用Ⅱ級鋼筋。初始設(shè)計方案的主要消耗材料為: 框架梁混凝土130.82m3,梁受力主筋15179.4kg;框架柱受力主筋3654.2kg。初始方案的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總造價為19.12萬元。優(yōu)化設(shè)計時,以框架結(jié)構(gòu)尺寸和框架柱截面尺寸為常量,把框架梁截面高度尺寸為變量,并以模數(shù)50mm為步距進行變化。當框架梁截面高度變化時,框架梁自重及梁、柱配筋均相應(yīng)變化,結(jié)構(gòu)總造價也相應(yīng)變化。經(jīng)過分析,求得該四層廠房結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案的主要參數(shù)為:框架邊柱截面750mm×750mm ,中柱截面750mm×1000mm,框架梁截面統(tǒng)一為450mm×1600mm。優(yōu)化設(shè)計方案的主要消耗材料為:框架梁砼110.16m3(比初始方案減少20.66m3),梁受力主筋17185kg(比初始方案增加2005.6kg);框架柱受力主筋4482kg(比初始方案增加827.8kg)優(yōu)化設(shè)計方案的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總造價為185823元。對比分析初始方案與最佳方案,該框架結(jié)構(gòu)總造價由19.12萬元下降到18.58萬元,僅主體結(jié)構(gòu)節(jié)省投資2.9%,經(jīng)濟效果比較顯著。
如果我們對柱子鋼筋連接方式進行方案優(yōu)化設(shè)計,有時也能節(jié)省大量資金。某綜合樓設(shè)計時,柱子鋼筋采用電渣壓力焊接技術(shù),從而可比搭接方法節(jié)省10%還要多的主筋,僅此一項可節(jié)省數(shù)十萬元之巨。
3)梁:矩形截面梁是最普通的受彎構(gòu)件,在設(shè)計時常被使用,但材料利用率很低。一是因為靠近中和軸的材料應(yīng)力較低;二是梁的彎矩沿梁長是變化的。由于等截面梁大部分區(qū)段應(yīng)力低,材料得不到很好利用,只有在軸心受力時,材料利用率才可提高。因此,設(shè)計時可采用平面桁架代替矩形梁,平面桁架相當于掏空的梁,將梁中多余的材料掏去,這樣既經(jīng)濟,自重又可減輕。它還可發(fā)展為空間網(wǎng)架,材料的利用率就能大幅提高。某超大跨度工業(yè)廠房,設(shè)計時用桁架外形的設(shè)計代替矩形截面梁,經(jīng)濟上取得相當好的結(jié)果。
4)砼及鋼筋的選用:除了要滿足結(jié)構(gòu)的需求外,應(yīng)力求方便施工,盡量減少砼標號與鋼筋型號的種類。有的工程梁、板、柱采用不同的標號,使施工難度加大,浪費了材料,加大了采購成本。鋼管砼結(jié)構(gòu)是將砼填入薄壁圓形鋼管內(nèi)而形成的一種新型結(jié)構(gòu),它將兩種材料有機地結(jié)合,可借助內(nèi)填砼增強鋼管壁的穩(wěn)定性,借助鋼管對核心砼的套箍作用,使核心砼處于三向受壓狀態(tài),從而具有更高的抗壓強度和抗變形能力。鋼管砼與鋼結(jié)構(gòu)相比,在自重相近和承載力相同條件下,可節(jié)約鋼材近50%,并節(jié)約大量的焊接工作量。與普通砼相比,在保持鋼材用量相近和承載力相同條件下,構(gòu)件截面面積可減少約50%,材料用量和構(gòu)件自重相應(yīng)減少約50%。實踐證明在結(jié)構(gòu)設(shè)計時,使用這些新工藝設(shè)備可大大降低工程造價。
方案進行優(yōu)化設(shè)計,要把握好技術(shù)和經(jīng)濟的對立統(tǒng)一關(guān)系,既要反對片面強調(diào)節(jié)約,忽視技術(shù)上的合理要求的做法,又要反對設(shè)計保守浪費,只重技術(shù),輕經(jīng)濟的思想。
根據(jù)現(xiàn)階段的情況,若要推行優(yōu)化設(shè)計,筆者有如下建議:
1、加大行政監(jiān)督和加快設(shè)計監(jiān)理工作。優(yōu)化設(shè)計工作的推行,政府主管部門首先要重視,通過行政手段來保證優(yōu)化工作的實施,加大對設(shè)計市場的管理力度,建立和完善相應(yīng)法律法規(guī),規(guī)范設(shè)計市場。其次建立設(shè)計監(jiān)理制度已成為形勢所迫,業(yè)主所需。目前還沒有客觀公正的“第三方”來監(jiān)理結(jié)構(gòu)設(shè)計的進行,所以通過設(shè)計監(jiān)理的方式可以打破設(shè)計單位自己“控制”自己的單一局面。
2、建立必要的設(shè)計競爭機制。為保證設(shè)計市場的公平競爭,設(shè)計經(jīng)營也應(yīng)采用招標投標,并頒布相應(yīng)的法規(guī)條例。各地可以成立合法的設(shè)計招標代理機構(gòu),符合條件的項目必須招標。招標時對投標單位的資質(zhì)、信譽、技術(shù)等方面進行必要的資格審查,設(shè)立健全的評標機構(gòu),運用價值工程等手段對備選方案進行優(yōu)化選擇。設(shè)計單位為提高自身競爭能力,在內(nèi)部管理上應(yīng)把設(shè)計質(zhì)量同個人效益掛鉤,促使設(shè)計人員加強經(jīng)濟觀念,把技術(shù)與經(jīng)濟統(tǒng)一起來,改變以前設(shè)計過程不算帳,設(shè)計完了概算見分曉的現(xiàn)象。
3、推廣設(shè)計標準規(guī)范和標準設(shè)計。工程設(shè)計標準規(guī)范的形成,來源于大量成熟的、行之有效的實踐經(jīng)驗和科技成果,是科技轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的必要途徑。優(yōu)秀的工程設(shè)計標準和規(guī)范,不僅優(yōu)化了設(shè)計,減少設(shè)計的盲目性,還將大大提高設(shè)計速度,有效降低項目的全壽命費用。在標準規(guī)范中可以對一些重要的部位采取設(shè)計經(jīng)濟指標限額制度,對一些設(shè)計部位使用“宜”或“不宜”等引導(dǎo)性語言提示設(shè)計人員對方案進行優(yōu)化,鼓勵他們在設(shè)計中大膽使用新工藝和新材料。
綜上所述,結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化設(shè)計是一個系統(tǒng)工程, 它真正體現(xiàn)了事前控制的思想,能起到事半功倍的效果,達到花小錢辦大事的目的。只要我們嚴格遵守“經(jīng)濟、實用、合理”的原則,認清優(yōu)化設(shè)計在造價控制中的重要性, 確定合理目標,積極創(chuàng)造適宜條件,主動采用科學(xué)的控制方法,就一定能搞好設(shè)計階段的造價控制。