基于价值工程的建筑结构优化设计

罗利波 LUO Li-bo

（长沙市规划设计院，长沙410007）

摘要：建筑结构优化设计对于项目的成本控制起着重要的作用。在建筑结构优化设计中引入价值工程理论，通过功能成本分析，将技术问题与经济问题紧密结合，以最低的成本费用，可靠地实现产品的必要功能，从而提高产品的价值，弥补设计工作的不足。本文通过价值工程在建筑结构优化设计中的使用，说明价值工程在结构优化设计中的意义，确保有效优选。

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关键词 ： 建筑结构；优化设计；价值工程

中图分类号：TU2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）24-0130-02

作者简介：罗利波（1978-），男，湖南长沙人，高级工程师，研究方向为结构设计及加固。

1 建筑结构优化设计概述

1.1 传统的建筑结构设计方法

传统的建筑结构设计方法，过程大致是根据经验给出一个设计方案和做法，用力学方法进行结构分析，检验结构及构件是否满足规范规定的强度、刚度、稳定性、使用等方面的要求，或通过对少数几个方案进行比较而选出可用方案。通常的步骤是假设、分析、校核、重新设计。

1.2 建筑结构优化设计方法

我国建筑结构设计优化设计理论研究始于六十年代，1973年钱令希教授发表《结构优化设计的近代发展》，将数学规划法和准则法结合在一起，假定结构构件处于满应力状态，分别对构件进行优化。由于结构优化设计的重要性，很多学者对结构优化设计做出大量的研究，使结构优化设计理论研究不断发展。1982年，钱令希教授在《我国结构优化设计的现况》中详细总结了这十年的结构优化设计研究和应用方面的成果，为我国进行优化设计研究指明方向。2001年，大连召开第四届WCSMO会议，30多个国际200多位学者参加了会议，会议内容包括结构与多学科问题的灵敏度计算、分析计算、优化设计及其工程应用等。

目前，建筑结构优化设计主要指结构综合与优选，过程大致是假设、分析、修改设计、最优设计，这种修改设计是在满足各种规范或特定要求的条件下，通过优化方法，从管理、技术、经济各方面综合考虑，采用结构优化程序、应用优化理论方法，找出最优级的方案（材料最省、造价最低、或某些指标最佳的方案），以达到最优目标。

1.3 大师对建筑结构优化设计的看法

中国工程院院士江欢成：“我国优化设计工作方兴未艾，大有可为。它符合可持续发展和科教兴国两大战略，它是我国建设方针的体现，是科学发展观在建筑行业中的落实。优化设计工作，私企、民企对此态度积极，国企相对不够重视。建议政府给予支持”。

中国工程院院士程耿东：“在建筑领域应用优化设计，不仅可行而且十分符合节约能源，保护环境的可持续发展观。结构优化设计作为一种基于计算机的快速自动设计过程，可以在满足规范等约束条件下得到优化的设计方案，降低成本造价，提高结构性能。增大使用空间，缩短施工工期，是设计者追求的终极目标，在建筑领域应用和推广结构优化设计更有着不同寻常的意义，对设计单位、开发商、百姓都是好消息，它是惠及百姓的环保设计理念，具有前瞻性，会带来多赢”。

2 运用价值工程优化建筑结构设计

价值工程，是一门技术与经济相结合的现代管理科学，是通过对产品的功能与费用系统分析，使之以最低的寿命周期成本，可靠地实现产品的必要功能的管理方法。运用这种方法，通过功能细化，去掉多余的功能，对功能实施重点控制，目的是以研究对象的最低寿命周期成本可靠地实现使用者所需功能，以获取建设项目经济效益、社会效益以及环境效益的最佳结合。

价值工程以功能分析为核心，着眼于建筑产品的寿命周期成本。建设费用、使用费用与功能水平的变化规律决定了寿命周期成本（图1），随着功能水平提高，建筑产品的使用费用降低，建设费用却在增高，反之，使用费用增高，建设费用降低；建设费用C1的曲线和使用费用C2的曲线的交点所对应的最低寿命周期成本Cmin才是最低的，最低寿命周期成本Cmin所对应的功能水平F0是从费用方面考虑的最为适宜的功能水平。

价值工程的目标表现为产品价值的提高，是对象所具有的功能与获得该功能的费用之比，可用公式表示为：价值（V）=功能（F）/成本（C）。

提高产品价值的途径：

某住宅小区在基础设计前对方案对比优化设计。该工程场地稳定，无不良地质作用。场地类型为软弱场地土，建筑场地类别属II类，拟建场地可不考虑地震液化的影响。场地自上而下各地层为：

①素填土①：平均层厚10.78m，结构松散，未完成自重固结，局部有建筑垃圾分布，承载力低。

②粉质粘土②：分布连续，埋深大，层厚0.90m~5.00m，可塑~硬塑，稍湿，不宜选择该层作为拟建多层建筑物基础持力层，fa=240kPa。

③强风化板岩③：厚度较大，岩心呈块状，遇水易软化，失水易干裂，fa=340kPa，qpa=2100kPa（人工挖孔灌注桩），qpa=2500kPa（沉管夯扩灌注桩）。地下水：主要类型为强风化板岩③基岩裂隙水，微承压性，该段地下水水量较少。在勘察期间，稳定地下水位埋深为5.32~13.20m，高程为52.77m~59.36m。拟建场地有一层地下室。地下水在直接临水或强透水层中对混凝土具有中等腐蚀性，在弱透水层中不具腐蚀性；对钢结构具弱腐蚀性。

可选桩型及优缺点：

①沉管夯扩灌注桩，优点：在桩端处夯出扩大头，单桩承载力较高；桩身质量高；施工机械轻便；施工速度快、工期短、造价低；无泥浆排放。缺点：遇中间硬夹层，桩管很难沉入；遇承压水层，成桩困难；振动较大，噪声较高；属挤土桩，设桩时对周边建筑物和地下管线产生挤土效应；扩大头形状很难保证与确定。

②预应力管桩，优点：单桩承载力高；单桩承载力造价便宜；运输吊装方便；施工快、工效快，工期短。缺点：噪音大，挤土量大，会造成一定的环境污染和影响；打桩时送桩深度受限制，在深基坑开挖后截去余桩较多；在“上软下硬、软硬突变”的地质条件下，不宜采用锤击法施工；不适合桩端持力层为遇水易软化的风化岩层。

③长螺旋钻孔灌注桩，优点：不受地下水位的限制，穿透力强，施工过程无噪音，振动小、无排浆、无塌孔，成桩效率高。缺点：桩身强度不足；桩底不能入岩，单桩承载力低。

④人工挖孔桩，优点：单桩承载力高；可以极大降低生产成本；适用于大型机械无法作业的山区；生产条件要求低，可多孔同时作业。缺点：机械化低，施工进度慢；成孔质量不易控制；现场施工不易控制。人工挖孔桩技术适合直径超过800mm并且地下水较少或无水的土质，不适合地下水位高、有流沙、大水量冲击区域、含水量多的淤泥、淤泥质土层等。

⑤旋挖桩，优点：钻进能力强；不易产生泥皮，有利于增加桩的摩阻力，提高桩的质量；振动与噪音较低；成孔速度快，尤其在砂质土内成孔；机械设备较简单。缺点：护壁相对较差，容易缩径、塌孔；设备价格昂贵，设备维修费用高、时间长，工成本与其他成孔方式相对较高，卵砂石层中钻进存在成孔困难。

以上5种方案，各有优缺点。利用价值工程理论，①、④两种方案更具经济性，满足功能不变化同时降低造价，以此来提高产品价值。本工程多为墙下线荷载及柱下集中荷载，其墙柱荷载为5000kN~8000kN，2600kN~5600kN（纯地下室的框架柱），依据价值工程理论综合比较采用人工挖孔桩基础，以强风化板岩③为持力层，该持力层的桩的端阻力特征值为qpa=2100kPa，桩端进入持力层的深度大于等于≥1.0m，相邻桩端底标高应按规范进行控制，平均桩径为0.9~1.5不等（主楼部分），0.9~1.0不等（纯地下室部分）；扩底直径分别为1.3~2.4m（主楼部分），1.3~1.6m（纯地下室）。施工完成后经济效果良好。

3 结语

价值工程着重产品功能的分析，以最低的成本费用，可靠地实现产品的必要功能，提高产品价值，而这可以弥补结构设计优化的不足。所以，价值工程在结构设计优化中的运用，能够很好地解决工程成本的控制，优选出最佳的设计方案。价值工程存在于项目进行的方方面面，设计、施工以及管理等等，不能只靠个别人员、部门，而要通过有组织的活动，发挥集体智慧，经过多个部门的配合，才能收到良好的效果，达到项目的利益最大化。

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