造价经济说︱求学论术：钢筋混凝土建筑结构设计成本优化研究——以深圳市为例（一）

建筑结构设计优化宜遵循：安全、适用，经济、耐久，美观、协调，环保、施工便利……

“不唯地域，不问出身，不拘一格，不遗余力”——开放的人才政策为深圳经济增长注入了强大的动力。

求学论术：钢筋混凝土建筑结构设计成本优化研究

——以深圳市为例（一）

改革开放以来，中国经济迅猛发展，一栋栋建筑雨后春笋般拔地而起，公共建设、房地产业蓬勃发展，城市化进程不断加快。然而，随着需求与发展的膨胀，建筑设计为了赶进度、求效益而大干快上，结构设计偏重保守与新奇，“密筋厚板、肥梁胖柱”现象层出不穷，设计浪费现象严重。中国科学院院士吴良镛（2008）警告说：“由于中国建筑设计“市场”兴旺，畸形建筑结构动辄多花费十亿、十几亿、几十亿，中国是不是已成了最大的建筑浪费国？”。住建部副部长仇保兴（2010）讲到：“我国是每年新建建筑量的最大国，每年20亿平方米新建面积，相当于消耗了全世界40%的水泥和钢材”。目前常用的混凝土等级较30多年前的要高近1倍，钢筋很多也较过去常用的高30%，可同一荷载下的结构，现在设计的结构构件截面比过去还大^[1]。

建设成本决定关键环节：可研决策→项目策划→方案设计→初步设计→施工图设计→施工

研究表明，占整个建设项目费用3％～5％的设计过程是影响整个项目成败的关键因素^[2]，建筑结构设计阶段的成本控制是整个建筑成本控制的源头和关键（如图1所示）,对于建筑产品，其成本的70％以上是在设计阶段确定下来的，此时对于设计者来讲，拥有最大的自由度来改进设计并进行产品成本的控制和优化^[3]。建筑结构是建筑资源消耗的大户，是建筑成本的主要组成部分，目前建筑结构成本控制的现状是，对建筑项目实施阶段的成本控制严密而成熟，招投标工程量清单计价、施工预算、竣工结算及相关工程预算定额及程序与方法应用普遍且效果显著；对建筑设计阶段的成本控制研究少且重视不够，设计人员不关心成本与造价，成本控制人员对设计过程的参与又显得无能为力，只能跟随设计的开展，进行设计概算、施工图预算反复而繁复的记录和编算，停留在一种成本会计核算的事后控制状况，缺少成本对设计的主动且量化的调控。

近年来在设计阶段成本控制方面多采用限额设计和价值工程，取得了一定的研究和应用效果，然而限额设计在限额设计值分配方式和操作手段上缺乏具体的控制和优化配置功能^[4]；价值工程中功能的评判标准仁者见仁，难以准确度量，更有影响因子及程度的不统一，况且价值工程中功能与成本之间的映射关系没有得到有效解决，难以形成更进一步的效用和发展^[5]。

建筑设计成本优化原则：功能优先→价值工程→全生命周期成本最优→空间高效利用→选材合理→节能环保→施工可行

设计优化是目前建筑设计领域逐渐被认识和应用的一种成本控制手段，特别是随着设计电算化及制造领域优化成果的积极影响，在增加建筑使用的舒适性，提高建筑空间效率，进行建筑结构尺寸优化、形状优化和算法优化，以及改善建筑的整体刚度等方面取得了一定成果，研究表明，设计阶段尤其是方案设计阶段对建筑项目投资的影响高达95%以上（如图2），然而针对目标成本管理、成本优化方面的研究及应用甚少。

价值工程本质是一种创造性活动，需要运用创新思维和方法，对现有产品或服务进行重新审视和改进，以实现价值最大化

成本管理在20世纪以前的重点是对各项成本进行事后核算和反映，Garcke与Fells于1887年合著的《工厂会计》一书，是成本会计建立的标志。进入20世纪，随着理论的发展，成本管理核心由事后消极的成本核算转向事中的成本控制，Taylor于1911年发表的《科学管理原理》，提出了“计件工资和标准化工作原理”，Harrison于同时期设计出完整的“标准成本”制度，制定作为规范的标准数值控制生产成本，使科学、技术融入成本控制。20世纪中叶Miles提出“价值工程”，Druker提出“目标管理理论”，将事前成本预测与事中成本控制相结合，成本管理迅速进入技术领域，使经济与技术共同发挥作用。

20世纪60年代以来，日本丰田公司提出的“成本企画（Cost Design）”，将价值工程与目标成本管理相结合，着眼于成本的发生源泉，立足于事前的、周密的全盘分析，将成本计算与产品开发、设计与生产工艺一体化地加以分析运用，实行成本的源流管理，将成本管理的重心推至产品的设计阶段。产品设计阶段决定产品成本的70%以上，上游设计的失误对成本的影响以不断放大的方式向下游传播，且其损失的挽回所付出的代价亦会成倍增加。德国学者在设计阶段基于并行工程所研究的面向成本的设计（Design For Cost，DFC），将成本作为设计的一个关键参数，用相对成本概念实现不同设计方案的对比评价，应用回归分析求得特征参数与成本的数学关系，为设计者分析、评价成本提供支持工具，使成本管理吸收了工程学内涵。

结构设计成本优化：在同样成本条件下得到性能更优的设计方案，或在同样性能要求下得到成本更低的设计方案

结构优化设计的思想源于100多年前，Maxwell（1890 ）和Michell（1904）发表的“关于最小体积构架结构设计问题”论文，是从所有不同的可行设计方案中选择最满意的一种方案，其思想内涵不仅仅是追求体积最小或重量最轻，其宗旨是要达到一种资源合理的优化配置，即在同样成本条件下得到性能更优的设计方案，或在同样性能要求下得到成本更低的设计方案。据统计，与传统设计方法相比，优化设计可使建筑成本降低5～25%^[6]。Galieo于17世纪中叶发展了“等强度设计准则”，从结构力学原理出发，选定使建筑结构达到最优的准则，通过相应的迭代方法获得满足这一准则的设计方案。Schmit于1960年首次采用有限元与数学规划相结合的方式，处理多种荷载情况下的结构优化，将优化问题抽象成数学规划形式来求解。Imam和Vanderplaats于1982年系统地阐述了形状优化设计的基本概念、边界形状描述和优化数值方法。

近30年来，结构优化设计在理论、算法和应用方面取得了长足的进展，据不完全统计，至1990年，仅在专门期刊（Optimization Theory and Application, Engineering Optimization, Structural Optimization等）和有关学术会议上发表的综述达50余篇，有关优化的论文超过2500篇，公开出版的专著达150本^[7]。钢筋混凝土结构是建筑业最大量采用的结构类型，其在建筑成本中所占的份额以及对资源的消耗也是最大的（《建筑工程科技信息》，2009.2），相对于其他结构或制造业产品结构的成本优化设计理论发展，处于相对落后的水平。因而从优化设计、控制成本、降低消耗、节能减排角度讲，对钢筋混凝土结构进行成本优化设计，始终是设计人员、成本控制人员所潜心研究、长期关注的课题。

数学规划模型功能：将实际问题转化为数学形式，利用数学方法和算法进行求解，以找到最优的决策方案

本文的研究目的是在保证建筑功能及品质的前提下，合理确定建筑结构设计目标成本及工料消耗资源要素，建立设计成本优化模型，在设计各阶段、各步骤中向设计人员提供成本优化构件设计量化指标，以成本最优来引导、控制、调整设计。研究的主要意义如下：

钢筋混凝土结构是建筑工程中采用最为广泛的建筑结构和建筑资源消耗大户，也是建筑成本的主要组成部分，而其设计阶段的成本控制又是整个建筑成本管理的源头和关键。目前，国内外对设计阶段建筑成本的优化研究大量集中在成本及构成限额的估算与预测环节^[8]，对以构件数量为决策变量的成本优化研究偏少。研究表明：与传统设计方法相比，实行与成本“集成化”、“并行式”的优化设计，在同样成本下，可以得到性能更优的设计，而在同样性能下，可以得到成本更优的设计，优化设计可使建筑成本降低5～25%^[9]。

优化内涵：通过系统性的方法和策略，在满足特定需求和约束条件的前提下进行改进和完善，以实现更高性能、更低成本

目前钢筋混凝土建筑结构设计优化研究主要分为对设计功能的优化和对设计成本的优化两类，对设计功能的优化是将构件承载力、刚度、截面和体积、钢筋重量、数量或尺寸规格作为目标函数，通过大量复杂的结构优化计算来实现，重点在于对结构构件多性能、多工况、多变量、多约束和多目标的复杂离散变量技术功能的优化，缺少对结构构件成本、施工工艺及资源消耗等的相关约束与优化；对设计成本的优化是将建筑结构成本作为目标函数，以主要材料用量、规格为决策变量，在满足结构性能、正常使用状态、构造及施工和安全需求条件下，采用多种优化算法建立数学模型进行成本优化^[10]，结构运算及计算构造复杂，与现行结构成本或造价计价方法、构件市场价格相脱节，容忍度、机动与可操作性弱。近年来国内在设计成本控制方面多采用限额设计和价值工程^[11]，取得一定成效，然而在限额设计值分配方式和操作手段上缺乏具体的随动控制和优化配置，价值工程中功能与成本之间的映射关系则没有得到有效解决^[5]，难以形成更进一步的量化控制效用。

在事先根据可靠模型和经验确定合理目标成本及资源限额]的基础上，让设计人员尽早且及时地在设计过程中获得构件设计的量化控制指标，实现构件在成本或资源限额下的优化配置，是设计成本优化的目标。建立一个连接市场、工艺和资源且具有良好表达的成本模型，是成本优化的关键。其中：

鉴于此，本文在方案设计阶段预先获得建筑结构单位面积人工、钢筋、混凝土消耗量、模板工作量、成本及构件工程量取值范围的基础上^[12]，将构件工程量设定为自变量，建立连接工程量清单招投标市场价格、定额施工工艺消耗、成本与资源（值域）及构件工程量取值范围（定义域）的优化模型，为之后的结构设计提供目标成本下的构件量化指标，实现设计、成本、市场、工艺与资源间的系统优化。

（张红标，未完待续）

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