【优化案例】桩都打了，结构优化后仍然节省222万（4个案例分析）
福利君：资料更新至12.18日：结构力学（4本）+4套规范资料 扫描上面的二维码，回复资料就可以轻松下载 精彩摘要：逢地产遇低谷，“优化”随即出现在各大公司的工作清单中，这样既突显“设计优化”的救火作用、似可收“及时雨”之效，也让“设计优化”时而重要、时而弃之一旁，有似“临时工”之嫌。这似乎偏离了“设计优化”的本质和原意。布丁整理了四个结构优化案例，分享给各位网友们！
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精彩摘要：逢地产遇低谷，“优化”随即出现在各大公司的工作清单中，这样既突显“设计优化”的救火作用、似可收“及时雨”之效，也让“设计优化”时而重要、时而弃之一旁，有似“临时工”之嫌。这似乎偏离了“设计优化”的本质和原意。布丁整理了四个结构优化案例，分享给各位网友们！
希尔顿逸林酒店位于威海文登市南海新区，金来路以南、滨海北路以北、香海路以东。该项目共包含2栋高层、附属裙房和地下车库。项目总平面大致呈T字形。其中，2栋高层塔楼位于总体平面的东北角，分别为酒店和服务式公寓，二者呈“□□”形状布置，酒店塔楼共21层，结构屋面标高为88.900m， 服务式公寓共19层，结构屋面标高80.550m。附属裙房为大堂、宴会厅等功能用房，共3层，结构屋面标高为18.300m。项目总建筑面积67037.33㎡，其中：地上总建筑面积52641.77㎡，地下1层建筑面积14396㎡。本工程抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，属设计地震第一组，建筑场地类别为Ⅱ类，设计特征周期为0.40s（安评）。
本工程地下室部分为框架结构，框架抗震等级为三级。桩承台加地梁加防水板的基础形式，桩型采用预制混凝土实心方桩，存在较大优化空间。鉴于本工程桩基施工已经完成，故本次优化未对桩基部分提出优化建议。
1、 地下室层高
本工程地下室层高4.0米，层高偏大。根据我司以往的工程经验，这种地下室完全可以控制在层高3.8米以内。根据初步统计，本工程地下室层高每增加0.1米，综合成本增加约30元每平米。经过试算，原设计结构梁高550x1200为最高梁，可以调整为550x1000梁。这样结构可以节约出0.2米的层高空间。
2、基础形式
原设计采用桩承台加地梁加防水板的基础形式。本工程做了350mm厚的防水板，当防水板厚度大于等于250mm时，可取消地梁。根据抗浮计算结果，取消地梁后原板配筋仍有较大余量，还可以继续优化配筋。由于底板厚度足以作为承台的拉结作用，在北京市建筑设计技术细则结构专业第36页中，已经对此类技术问题做出了明确说明。可以作为设计参考。另外朱炳寅的《建筑结构设计问答及分析》第7.4.4条中也有关于这个问题的表述。
3、单层地下室部分顶板结构形式
本工程单层地下室部分为框架结构，顶板采用井字梁楼盖体系，经我司分析比较，该方案经济指标较差。因为地下室顶板根据规范要求的最小厚度为250mm，采用井字梁后，楼板跨度较小，楼板的承载力富余较大。为充分利用楼板承载力，可取消次梁，采用传力方式更直接的大板结构体系。经过试算，大跨度的板厚可取350mm，跨度较小的板仍为250mm。而原设计结构大部分框架梁高为550x1200，可以调整为550x1000。框架柱可由原设计的650 x650改为600 x600，在节约造价的同时也可为停车位多出5cm的使用空间。
我司造价部对以上红色阴影区域内的单层地下室顶板井字梁结构体系改为大板结构体系的经济成本做了对比分析，结果如下：
从上表可知，仅此一项便可节约造价57万元左右，优化效果明显。
本项目在桩已经施工的情况下共节省结构造价222万元，由此可知，若将优化做在前面—即从方案阶段就开始介入，那么桩基也可避免大量的浪费，节约的效果将更加惊人。
位于西安以西180km的佛教圣地法门寺，于1987年在清理其中一个坍塌塔的文物时发现地宫出土稀世圣物—佛祖释迦摩尼真身指骨舍利，被誉为世界“第九大奇迹”。为安奉此圣物，2005年由孙芳垂大师所在建学建筑与工程设计所有限公司与台湾著名建筑大师李祖原居士合作设计了法门寺合十舍利塔。
合十舍利塔居于法门寺文化区佛区的中央。由地宫、一层内殿、法身殿(包括一层顶大平台)、协侍殿(文殊、普贤、观音、地藏佛像)、500罗汉殿、朝山殿及牟尼珠组成。总层数为:地下1层,高17.3~20.5m;地上11层,主要结构高度127m,建筑总高度为148m。主塔平面尺寸54m*54m。
结构分析：工程采用钢骨混凝土剪力墙+钢骨混凝土筒体的组合结构,安全等级为一级,工程勘察等级为甲级,抗震场地类别为#类,地基基础设计等级为甲级,结构抗震等级为一级,关键部位、转换构件为特一级,采用大直径旋挖式钢筋混凝土钻孔灌注桩。
（1）基础设计
法门寺合十舍利塔所在场地，其地基岩性主要是第四系松散堆积物黄土及古土壤交替成层，黄土可塑，古土壤硬塑，从地面以下到深度17m处，具有自重湿陷性。
根据土的特性，结合当时的情况，采用钻孔灌注桩是最佳选择。还可以在桩底及桩侧以后注浆方式提高桩的承载能力。
由于合十舍利塔建筑平面的布局，整个塔的荷载时由位于四角的筒体传递到地基，荷载大且集中，大底盘为66.3m*66.3m=4395.69㎡，一个筒体的面积则为18*18=324㎡，四角总计仅占总面积的29.5%。
采用桩基是必然的。孙芳垂大师在自己的书中写到：
“在上述的条件下采用桩基使我产生一个概念，桩数应该少，承载能力大，且集中在筒体下，所以选定在陕西地区有可能实现的直径2000mm的钻孔灌注桩，在确定桩直径时，没有考虑其他直径的桩作为比较（这应该是最初犯的错误）。
“试桩是采用东南大学自平衡法，采用5个千斤顶，1个位于中 心，4个位于四周。工程极限加载到45800KN，不能再加大荷载的 原因是因为千斤顶容量小，再加压，千斤顶将破坏。因此所得的 极限值促使真正最后的极限值（这应该是我犯的第二个错误 ，没有对千斤顶容量提出要求）。
将使混凝土 用量增多，使桩的效率偏低，造成极大的浪费。
（2）质疑
在超限审查会上，陶希瞑大师提出了合十塔桩基设计有浪费的问题。孙芳垂大师自身本着“低级错误，有错就改”的态度，积极应对。他说:“提意见是对工程负责，对科学负责！”孙大师面对他人指出自己设计项目的不经济之处时这种高贵的品格值得我们每个工程师学习！正是有人对我们的项目提出意见才促使了我们的不断进步和提升。
（3）自我优化
会后孙芳垂大师调整思路，在专家的咨询指导下，先后两次做出优化方案。如下表所示。
最后选用了表1.6-1中第5种情况，实际在施工中又取消了位于中心部位的14根桩，桩数为220根，如图1.6-3所示，因此其经济效益不是1208万元，而是1286万元。
在施工进程中，按施工顺序进行沉降观测记录，总计44mm，沉降非常均匀。
孙芳垂大师自我总结到：由于我的粗心，主观上认为大直径，大承载力是最理想的桩设计原则，没有多加思考，多选一些其他可行方案，等到试桩结果出来时，极限承载力很小，又归咎于试验装备能力的限制。事实上考扩大直径来提高摩擦桩承载能力是有限的，在一定的程度，承载力效率随着直径的增加要下降的。
本工程分为a、b、c三个区，a、b区为多层框架结构，房屋高度15.9m，c区为高层框剪结构，房屋高度99.6m。总建筑面积58590m2。
本工程抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震第二组，建筑场地类别为Ⅲ类，设计特征周期为0.55s。基本风压0.45kN/m2，地面粗糙度为B类，基本雪压0.40kN/m2。
本工程设计使用年限为50年，a、b区为框架结构，框架抗震等级均为四级。c区为框架-剪力墙结构，框架、剪力墙抗震等级均为三级。所有上部结构嵌固部位均为地下室顶板。
1.基础形式
本工程场地土质条件较好，地基土承载力较高，应予以充分利用，原设计采用钻孔灌注桩基础经济性不佳。根据地勘报告，第④层粉细砂层承载力特征值为230kPa，可以满足裙房部分柱下独立基础的承载力要求。塔楼估算其竖向力约为480kpa，按地勘建议，采用水泥粉煤灰碎石桩（CFG）复合地基，CFG桩径500mm，桩长17m，2mx2m矩形布置，则修正后复合地基承载力特征值可达570kPa，可满足主楼承载力要求。
原设计一共420根钻孔灌注桩，按安徽省最新定额估算约575元/米，桩基造价共计912万，采用CFG复核桩基加抗浮锚杆，造价仅须157万。仅就桩基费用一项就可节约造价755万。
2.地下室底板
原设计地下室底板600mm，内配22@150双层双向，偏大。经博牛计算，地下室底板可取450mm，内配14@150双层双向即可。
3.地下室地梁
原设计采用桩承台加地梁加底板的基础形式，地下室底板600mm。如下图所示。
由于底板厚度足以作为承台的拉结作用，地梁可以取消。在北京市建筑设计技术细则结构专业第36页中，已经对此类技术问题做出了明确说明。可以作为设计参考。另外朱炳寅的《建筑结构设计问答及分析》第7.4.4条中也有关于这个问题的表述。博牛也在很多项目中按此方法设计，均得到业主及审查单位的认可。
地下室底板按优化后450计算复核。取消地梁后原板配筋仍有较大余量。
4.消防水池位置
原设计消防水池位于地下一层楼面（如下图所示），既不经济又不合理。
建议放置地下二层，直接放在地下室底板上，一般位于汽车坡道下方。
5.主楼剪力墙布置
原设计布置了过多的剪力墙，对建筑功能的影响较大。楼电梯间没有充分利用。博牛重新建模计算，调整结构布置。
优化后结构主要指标对比如下表所示：
从上表可知，优化后结构整体指标满足规范要求。
综合以上优化意见，我司进行了模型复算，对标准层中的第七层（标高23.350m）重新绘制施工图（图纸见附图），优化前与优化后两版图纸经济性指标对比如下：
由以上数据可知若优化意见得到充分落实，按安徽省最新定额，上部标准层可降低43.2元/㎡的土建成本，推及本工程共23层标准层的建筑面积，仅上部结构可为甲方节约造价约99.47万元，对成本控制影响较大。
本工程包括三个53 层塔楼,204.8m 高，其中45 层高层住宅，5 层商业裙房，3 层地下室，裙房以上，架空6 米，在第9 层高位转换，转换层为2.5m 厚板，上部剪力墙很多，下部柱子直径1.8m，转换层结构上下刚度比2.6。初步设计审查时我拍了个脑袋，可以省1 万m3砼。私营业主听了很高兴当晚就和我商定由我们做优化。花了一个月时间，完成了一本优化报告（照片），省下了2.2 万m3砼，合2000 多万元（业主告知1800 万元）
1. 高位转换的位置可以突破。这一点是各有关单位最担心的问题，因为规范规定转换层高度“7 度时不宜超过5层”。规范中“不宜”二字用得很好，意为希望如此，但允许突破。我理解“希望如此”是因为转换层一般都很重，放在高位，地震反应大。但在重庆山城，寸土寸金，常常不得不把住宅放在高位。而住宅常用剪力墙结构，重量和刚度往往偏大。以本工程为例，原设计住宅部分，重量高达2t/m2，转换层上下刚度比高达2.6，这些都是结构抗震大忌。基于这样的理解，我提出对规范作突破的前提条件是转换层尽量做轻，上下刚度比一定要接近，振型要和顺。
2. 因而我们把 2.5m 的厚板转换，改为3m 高2m 宽的梁转换。对产生较大扭转的梁，在底部加一根小梁，以避免因抗扭而做成箱式转换。转换层和上部结构形状一样，做成蝴蝶形，而不是原设计的方形，并因此拔掉一根柱子，从而大大减轻了重量。
3. 因而上部剪力墙，尽可能减薄、减少、减短。剪力墙基本放在宽梁上。剪力墙墙肢的长度一般控制在8 倍墙厚左右，并小于8m。以避免因短肢墙而不得不提高抗震要求，包括抗震等级，提高轴压比要求，增大剪力设计值，提高配筋率等，对小墙肢则作为翼缘处理。剪力墙的平均轴压比，控制在0.6 左右，使之具有较好的延性。
4. 核心筒内墙原设计为 300、250、200 不等，全部改为200mm厚。因为该内墙受荷面积小，抗震贡献较小，主要承受自重。
5. 下部砼柱子改为钢管砼叠合柱，直径从1.8m 改为1.5m、1.4m 内置钢管φ800×25。既增大了延性，简化节点构造，又使每根柱省下了1m2 使用面积。
经调正后，竖向刚度变化趋于和缓。在规范中，框支结构的上下层刚度比的计算，有一个比较简单的公式。
按规范计算，转换层上下刚度比为1.4:1，上下刚度变化均匀，变形没有明显突变。
我们从层刚度的含义出发，对上下层刚度比作了进一步探索计算：
上部结构的层刚度，剪力墙以转换层为固端，在上面一层加单位水平力，位移为0.19×10-5 m/kN。
下部结构的层刚度，则以转换层下面一层约束，在转换层加单位水平力，位移为0.21×10-5 m/kN。
计算结果上下层刚度比为：1.1，结构竖向刚度变化和顺、合理。
通过这些措施，既满足了规范要求，增大了延性，使之具有更好的抗震性能。我们体会到——优化设计决不是用降低安全度来获得经济效益。与此同时，对用户的使用也更好了，房间分隔和改造更灵活了，电梯厅也加宽了。
这个项目，2005 年被建筑学会评为优秀建筑结构设计一等奖。