优化设计的探索和实践

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｅｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅ ８”ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．ａｎｄ ｔｈｅ ｂｅｎｅｆｉｔｓ ｏｆ ｔｈｅｍ ｏｎ ｔｈｅ ｓａｖｉｎｇ ｏｆ ｍａｔｅｒｉＭ ａｎｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｗｏｒｋ，ｓｕｃｈ ａｓ：ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｒｓ ｌａｃｋ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｃｏｎｃｅｐｔｓ，ｏ］ｒ ｍｉｓｉｔｅｑｌｒｅｔ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ａｂｉｌｉｔｉｅｓ ｅｌｌ ｔｈｅ ｈｉｇｈ—ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ａｄ· ｖａｎｃｅｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｗａｉｔ ｔｏ ｂｅ ｅｎｈａｎｃｅｄ；ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ０ｆ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｓ ｂａｆｆｌｅｄ ｉｎ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｄｅｇｒｅｅ，ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｒｓ ａｆｒａｉｄ ｔｏ ｂｅａｒ ｔｈｅ ｌｉｆｅｌｏｎｇ ｒｅｓｐｏｎｓｉｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄ ｔａｋｅ ｔｈｅ ｅｏｄｅｅ∞ｌａｗ，ａＭ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ．
的用钢指标。 受业主委托，花了几个月时间，写了７本优化报
告，分别就主体结构、檩条结构和荷载温度应力等问 题做了详细阐述。
Ｉ。
ｒ＿１
扛：＝ｌ ＋｛一 ｊ，
－１ ’ｌ
—ｌ
ｌ
优化前
优化后
图１讪霞型高层住宅剪力墙布置（底层）
优化前后技术经济指标对比寰
裹１
优化前
优化后
尾数 高度（ｍ） 楼板厚（ｍｍ） 剪力墙长度（ｍ）
３４３（１４０（楼板）＋ ２０３（墙）） ３９．７３
１８７（１００％） 节约１ ６００ｍ３
桩
省１８根
１．２５４
ｒｌＴ
ｄｌｘ（ｍｍ）
ｄｔｘ／Ｈ ／１ｔＹ（ｍｍ） ｄ－Ｙ／Ｈ ４Ｈｘ（ｍｔｌｔ） ｄⅡＹ（ｍｍ）
０ ８８ ３０．４ ｘ２ １／１ ３１２ ３８ ０×２ １／１ ０５０
６．０ Ｓ．０
１ ２６５ ４７．５×２
０ 前言 十多年前，一位老大哥设计院老总告诉我一个故
事，国外某开发商委托他们设计高层住宅，提出二个 控翩指标——混凝土３５ｃｍ／ｍ２，钢５０ｋｇ／ｍ２，（±０．００ 以Ｅ）．如能达标，将给予百万元计的奖励。这使我 受到很大震动——这个开发商既讲科学，又十分精 明。他在调查统计的基础上得出的技术经济指标，比 当时相似建筑的实际用量低不少，但通过努力，可以 达到。材料节约所带来的效益远比设计费和奖励费高 得多，何乐而不为１
优化前
优化后
圈１２标准层结构平面对比
从标准层的平衙图可见：】）电梯厅两端的门口 各有一个大柱子；２）电梯厅的门很小。
为此业主很不高兴，向原设计单位提了多次要 求。但设计单位均以“规范要求”为由未作修改。 设计师的根据是，《上海市高层建筑简体结构设计规 程》第３．２．４条规定：“筒体和外筒或外框架的中距 大于ｌｏｒｅ时，宜采用预应力楼盖或增设内柱”。业主 要求帮他解决这二大难题，进行优化设计。 ３．１优化内容
图４ ｌ犯００预应力钢索代替３士１６０钢棒方案 圈５筒支张弦桨代替张弦粱门式钢架方案
方翱ｉ
内擞外雕集
樱！ｌ 方案２
冉囊井Ｉ■■
程！ 方案３
内鬟井ｌ●曲Ｉ
。ｚ４二！型 方翱
一匹兰 槲，Ｊｆａ４ｅ 方案５ 增：ｔａ捌ｔ点
圈７主体结构优化方案
图８ 内拱外刚架方案与所设计的张弦结构所占室内空间比较
圉９所设计张弦结构效果图
１·１
大学生，做这个项目的结构优化。小敢夸口“优 化”，只说是“点状高层住宅剪力墙布置的改进”， 并以此为题，在“结构工程师”杂志发表＜１９９８—１， ２期），得到了一些肯定性的反响。
主要优化措施包括：减少剪力墙数量；减薄剪力 墙；窗台墙改砖砌；长墙开洞；大开间设计。优后前后 的平面图，及技术经济指标对比列后。该优化设计取得 了较好的效果，首批在上海沪太新村应用（６幢），业主 曾讲过要给奖励。随后在海潮路工房等处被套用。
１９８５年本人任华东院总工后，做的第一件事， 就是搞结构优化殴计，把我院设计的，当时在上海广 为流行和大量套用的仙霞型高层住宅大刀阔斧地删掉 ＿『许多剪力墙。接当时的造价每幢（２８层）节约１００ 万元（据记载，当时造价约５００元／ｍ１）。查对一下， 果然优化后的指标为混凝土３４．３ｃｍ／ｍ１，钢３９．７３ｋｇ／ ｍ２，均满足上述“奖励”的指标要求。该图成为当 时华东院的通用图，在多个工程中被套用。
１－４
而形成一边打了很多桩，一边没有桩的局面。为了两 边的平衡，两边桩的密度最好相当，因而补打了很多 桩。定性上说是对的，囡为怕房子倾侧。但是我们做 了一个分析，沉降差ｒ不起才２—３ｅｍ，便建议把已 经打好的多余的桩，作砍头处理，省去了仪为平衡所 需的２０７根桩。
５．取消主楼和裙房之间沉降缝 东西主楼和裙房在高度和荷载方面相差很大。原 设计在裙房７．５ｍ柱距内加插一排内柱，并设置沉阵 缝，以避免不均匀沉降对结构的不利影响。从地下室 到６层裙房，每层楼面增加内柱共计１２根，截面 ５００×５００。这种做法是符合规范的，但这样一来，带 来较多问题：１）使用上受到一定限制，空间效果较 差；２）设缝灶的｛蚵造较复杂；３）更重要的是，主 楼与裙房被沉降缝完全断开，裙房成为纯框架结构的 独立单元。经核算，在多遇地震作用下，裙房的层间 位移约１／４３０，不满足《建筑抗震设计规范》 （ＧＢ５００１１—２００１）的要求，周期长达２．０１ｓ。 优化设计取消了主楼和裙房之间沉降缝。沉降缝 的取消，建立在对沉降量值的调查和分析的基础上。 工程采用较密的桩基，桩尖落在上海较好的持力层上 ⑦。，⑦：，其下的主要压缩层（粘土层）缺失。经分 析计算，主楼的抗降量约为５５ｍｉｌｌ，裙房沉降量约为 ３３ｒａｍ。在３５ｍ范围内，沉降差仅约２２ｒａｍ。该计算沉 降量和附近的“信息枢纽大楼”的实测资料吻合较 好。通过桩、底板和地下室墙、柱共同作用进行计 算，确定底板内力、配筋和变形，均在合理范围内。 以此同时，采用后浇带措施，以减小前期沉降差对结 构的影响。 ３，２优化成果 因结构节省而增加的使用面积共Ｉ ３００ｍ２，还省 下了混凝土８ ４００ｍ３。按钢筋混凝土１ ０００元／ｍ’，使 用面积２万元／ｍ２，桩２万元／根计算，可获得经济效 益３ ８００多万元。做好了这个项目之后，业主对我们 非常信任，他们另两个工程就直接委托给了我们。其 中一个是杭州西湖国际会展中心，另一个工程叫碧玉 蓝天，在上海陆家嘴，２２０ｍ高的办公大楼。 优化后节约的混凝土量和增加的使用面积：取消 东西主楼内柱共１６根。调整东西主楼外围柱截面。 节约混凝土４ ３９２ｍ３，增加使用面积８６７．８ｍ２；取消沉 降缝２道，拔去１４根柱子，节约混凝土８６５．０ｍ３，增 加使用面积４９４ ２ｒｎ２；核心筒剪力墙厚度调整后，节约 混凝土９２９．２ｍ３，增加使用面积１３６．１ｍ２，东楼电梯问 净宽度由２．７ｍ增大为３．２ｒｎ；东西主楼楼盖采用普通 密肋梁方案节约混凝土１ ４１０．７ｍ３，具体数值见表２。
Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｉｎ Ｃｈｉｎａ ｉｓ Ｏｉｌ ｔｈｅ ｍｏｍｅｎｔ ｏｆ ｓｐｒｉｎｇｉｎｇ ｕｐ ｒａｐｉｄｌｙ，ａｎｄ ｉｓ ａ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｗｏｒｋ ｆｏｒ ｔｈｅⅡ－ ｃｈｉｔｅｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ａｔｔｉｔｕｄｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｉｖｍｅ ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ ｔｏ ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｉｓ ａｃｔｉｖｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔａｔｅ ｏｎｅｓ ａｒｅ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｕｎｃｏｎｃｅｒｎｅｄ． Ｉｔ ｓｕｇｇｅｓｔｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｇｏｖｅｒｎｍｅｎｔ ｓｂｅｕｌｄ ｓｕｓｔａｉｎ ｔｈｉｓ ｗｏｒｋ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｐｒｏｍｏｔｅ ｔｈｅ ｈｅａｌｔｈｙ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｏｆ ｉｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｐｔｉｍａｚａｔｉｏｎ；ｄｅｓｉｇｎ；ｐｒａｃｔｉｃｅ
如果建议付诸实施，用钢量可减少一半，约２．３ 万ｔ。按９ ０００元／ｔ计算，可省下２亿元。但外国设计 师坚持不改结构体系。台作方是我国某设计院，做了 不少工作，除结构的型式外，接受了第三点建议，作 了许多改进，有些甚至超过了我们的要求（如钢梁壁 厚做得很薄等），这样做省下了上万ｔ钢，用钢量降 至１８Ｂｋｇ／ｍ２，但仍大于一般合理的用钢指标很多。
所设计的轴线间距为３０ｍ，双柱，檩条是２７ｍ的 大钢粱，用钢量很大，约占全部用钢量的５０％。为 此，建议：１）改简支檩为连续檩，这样檩条可以减 少约２５％用钢量（扩／１２和ｑｆ２／８的关系）；２）适当 减小檩条跨度。例如，将柱距改为２０ｍ，则檩条的弯 矩可以减小一半以上（ｑ２７３／８的和ｑ１７７／８的关系）。 ２ ３减轻屋面负荷，释放温度应力，在某些剐架下有 隔墙的地方．加设支柱，以减小该刚架跨度。
我国优化设计工作方兴未艾，大有可为。私企、民企对此态度积极，国企相对不够重视。它符合可持续发展 和科教兴图伟大战略，是科学发展观在建筑行业中的落实。建议政府给予支持，促进优化设计工作健康发展。 ［关键词］优化设计实例
Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ｄｅｓｌｇｎ／Ｊｉａｎｇ Ｈｕａｎｃｂｅｎｇ（Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｎｇ Ｈｕａｎｃｂｅｎｇ Ａｒｅｈｉｅｔｅｅｔｕｒａｌ Ｄｅｓｉｇｎ Ｃｏ．。Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００４１，Ｃｈｉｎａ）
第３６卷增刊
建筑结构
２００６年６月
优化设计的探索和实践
江欢成
（上海江欢成建筑设计有限公司２０００４１）
【提要］列举了十个工程实例，在实物工程量的节约上，尤其在建筑空问和平面使用上，都取得了可观的 效益。综观所优化的内容，不难发现在设计中往往存在一些问题，包括：设计周期太短，设计队伍年青、经 验不足，缺乏实际锻炼；设计者缺乏清晰的结构概念，或在基本概念上认识偏颇；对高教的、先进的技术的 认识，以及融汇贯通的运用有待加强；设计者受“终生责任”的威慑而产生害怕心理；把“规范”当成法 律，在一定程度上束缚技术进步等等。
１．柱子的优化 一幢大楼共有２２根柱子，业主要求拔掉２根， 我们拔掉了８根。里圈６根柱子全部拔光，外圈也拔 掉２根。业主要求电梯间口子开大，我们几乎把凸出 部分都开光了。柱子大小从原来的１．５ｍ×１，５ｍ改为 １．２ｍ ｘ１．２ｍ，内置，／，６００ ｘ２０钢管，成为叠合拄。 ２．减薄核心筒内墙 电梯厅里面的墙原来是５００ｒａｍ厚，现在变成 ２５０ｔｕｒｎ厚，把电梯间的净宽加大了５００ｒａｍ。 ３．楼板结构改为密肋结构 拔掉柱子，楼板跨度加大了，一般说来楼板混凝 土会多用些，但优化的设计，混凝土折算厚度反雨减 少了。主要是因为原来以楼板结构不太合理，设计本 身也比较保守。现在设计的是单向密肪的楼板，１２ｍ 跨度，２５０×５００＠１６００，原设计板厚１２０ｒａｍ改为 １００ｒａｍ。这样一来，楼板折算厚度减少了２ｅｍ，房间 净高还加大了５ｅｍ。 ４．减少补桩数量 原来设计要朴桩３３３根，我们减掉了２０７根。因 为，该工程是一个烂尾搂，原没汁为三角形，已经打 了桩，后来下马ｒ。新上马的建筑平面改为矩形，因
江欢成因东方明珠获得了不少荣誉，白此之后。
却少有建树。有一点稍值一提的，就是在结构优化方 面，做了些探索和实践，逐渐有了点影响。许多业主 都找上门叫我们优化。好朋友劝我不要搞，因为得罪 人，特别是得罪同行，得罪老朋友。但集团领导鼓励 我，说对技术进步有好处。我也觉得，浪费总不是好 事，便又搞了好些。２００５年１１月，以“可持续发展 与结构优化”为题，在建设部的新时期设计指导思想 研讨会上做过一次报告，我把优化设计看成是对“科 学发展观”的落实。 １ 实例１仙叠型膏屡住宅
图１０建议预应力钢索张弦结 构效果图
图６简支檩改为连续檩方案
图１１建议的内拱外钢架效果图
１—３
３ 实例３上海某商务大厦 该工程有两个塔楼，分别为２９屡（１２９．８ｍ高）
和２１层（９６．６ｍ高），当中一个六层的裙房，檐口高 度３４．Ｏｍ。地下二层，总建筑面积９．３９万ｍ ２。原有 的设计如图１２所示。
２ 实倒２某大跨度会展中心 该工程由外国设计师主设计，２个１２６ｍ跨，１个
６０ｍ跨，柱距３０ｍ，投标方案是刚架檩条结构，中标 后发现做不出来。改为张弦粱结构，这时跨中的结构 高度占ｆ该处建筑高度的一半，总用钢４．６万ｔ，台 ３１９ｋｇ／ｍｚ，远大于一般大跨度屋面结构约１００ｋｇ／ｍｚ
１—２
图３台展中心中标方案剖面图
１／wk.baidu.com２８ ５２．５ ｘ２
１门４６
１８ ３ ２２ ６
图２部分优化报告文本
２．１主体结构 提出了内拱外刚架的方案，加设悬挂点方案，外
部加撑方案。特别推荐内拱外剐架方案，外刚架保持 投标时的建筑造型，内拱受力性能好，节约钢材，并 且增大室内空间。
如设计者坚持采用张弦梁，则建议所设计３根 女１６０ｍｒａ的钢棒，改为１根２００的钢索以节约钢材和 改善室内空间的遮挡。 ２．２檩条结构
２８ ７９ ８
１２０ ２４２
２８ ７９ ８ １４０ １７４
剪力墙厚度 （ｍｍ）
层ｌ一６
２４０．其余 层７～１５
均为２００
混凝土折算厚度
４９０（１２０（楼板）＋
（Ⅲｍ）
３７０（墙））
平均用钢量（ｋ∥皿２）
６４．ｏ
总重量（自重）（ＭＮ） （包括隔墙和粉刷等）
２０７．７（１ｌｏ％）
馄凝土
屡１—２８剪力墙２２０． 内筒２００
这种住宅设计于上世纪八十年代初，可以说是华 东院乃至中国设计的第一批高层住宅。我国工程师初 次尝试设计高层住宅，多少有点害怕心理。所有只要 是建筑平面上，有墙的地方，都是混凝土剪力墙，尽 可能把它设计得牢一点、刚强一点。因为它是第一 批，因而被广泛地套用。其结果不仅耗费大量的材 料，而且房间分隔，住户日后的改造，都受到很大约 束，再说地震反应也较大。１９８０年前往英国、香港 进修，开了点眼界，觉得这个问题颇严重，留下一批