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
上海江欢成建筑设计有限公司 简单介绍
广 州 电 视 塔
高600m 2004年设计 设计总监江欢成 Concept Design for Guangzhou Television and Sightseeing Tower, 600m high Designed in 2004 Chief Designer Jiang Huancheng
高 耸 建 筑
北 京 20 08 城 市 标 志 方 案 设 计
高 耸 建 筑 筑 建 耸
北 京 20 08 城 市 标 志 方 案 设 计
高
北 京 中 电 国 华 烟 囱 美 化 工 程
高250m 2004年施工 专项设计 Chimney Optimization Project of Beijing Electric Power Corporation 250m high Construction started in 2004 Special Design
高 耸 建 筑
上 海 浦 东 陆 家 嘴 上 海 中 心 方 案 ” “
上 海 浦 东 陆 家 嘴 上 海 中 心 方 案 方 案 ” 心 中 上 海 “ 嘴 家 陆 东 浦 海
上
这是一个近乎政论性的题目。我不是政治家，既没有能力，把这厚重的 问题讲清楚，却又引火烧身。仅以我很肤浅的四十多年工作的体会向各位汇 报一下。可能很多看法是片面的，请大家批评指正。
一、落实科学发展观 匹夫有责
“ ”
可持续发展与结构优化
1）科技工作者承担着更多的社会责任 回顾我国文化大革命以来的历史，粉碎四人帮，纠正两个“凡是”，平反昭雪。 第二代领导，提出发展是硬道理，科学技术是第一生产力。第三代领导进一步提出， 科教兴国和可持续发展这两大战略，“科学发展是硬道理”，使发展观进一步完善。 这代领导人，在十六届三、四中全会上，第一次在党代会历史上提出构建和谐社会， 把它作为党为之奋斗的重要目标。其中，科学发展观是统领经济社会发展全局的，要 调动一切积极因素，激发全社会的创造活力。我们都为我国扎扎实实地走向民主和进 步而高兴，并为它作出努力，它牵涉到我们每一个人，国家的发展，匹夫有责。
我们作为科技工作者，是科技成果的直接应用者，对发展的科学化，更有举足轻重 的作用，承担着更多的社会责任。 2）把可持续发展落实到优化设计上 去年11月份，世界工程师大会在上海召开，大会的主题是“工程师塑造可持续发展 的未来”（Engineers Shape The Sustainable future），几千年来人类在认识世界、 改造世界过程中，创造了灿烂的文明，其间，浸透着工程师的智慧和血汗。工程师塑造 了当今的城市，使之从扁平化到立体化。但在会上，我们也听到了许多关于工程师的功 与过的评说，在表扬的同时，也听到了许多批评。包括滥用科学技术，给自然和人类社 会带来负面影响，传统的、只顾眼前的生产方式和生活方式，不可逆转地破坏生存环 境，危及子孙后代。滥用材料，造成能源危机，气候变暖。土建行业把耕土都变成了 砖，就是把粮食变成了房子，这就不符合可持续发展的原则。 美国工程院代表，打了个生动的比喻，他说，世界最可怕的危机是“渐进式危机 （creeping crisis）”，它慢性生成，却积重难返。在美国流传一个虚构的“煮蛙” 说，讲的是如果把青蛙放在沸水中，它会跳出来，但如果放在冷水中，慢慢加温，他将 永远跳不出来。人和地球升温的关系正是如此。事实上，人类正以“煮蛙”的方式破坏着 环境支持人类生存的能力。怎么办？他提出了人口控制，生活方式既要有质量，又要适 度，使资源的消耗和产出平衡。这可能是一种理想化的乌托邦，但，作为工程师，确实 要发掘我们创造力，利用我们的聪明才智，在正在塑造和将要塑造未来的过程中显示身 手。作为一名设计工程师，我们所能做到的，就是用我们掌握的科技知识去优化设计， 以延缓“危机”的发生。
3）结构工程师，应该也可以做到有所作为 1. 应该有所作为。 资料表明，建筑活动对人类自然资源和环境影响最大，占用人类所使用的自然资源 40%，能源40%，产生的垃圾也40%，因此在建筑领域，对人类实现可持续发展，有着极 其重要作用。很明显，钢铁大部分用于基本建设，水泥几乎全部用于基本建设。而城市 长高，长大延伸，房屋、道路、桥梁、堤岸、水坝……，哪一样不出自结构工程师之 手。这些设计是否合理，材料是否浪费，我们有必要作些回顾和检讨。并且上升到一定 的高度来看，是否有利于科学发展观的落实，走可持续发展之路。如果它成为每个人 （包括我本人）的自觉行动，就有可能建设一个节约型社会、和谐社会，进一步构筑人 与自然的和谐。 2. 可以有所作为 ① 龙头是主导，而龙身龙尾也足于影响龙头。在建筑行业中，建筑师无疑是龙头，但 结构工程师也并非无能为力，不必妄自菲薄，满足于当老二。君不见建筑师常常把暴露 结构作为高技派象征，彆脚的建筑师甚至把不必用拉索的地方也加上拉索，没有桁架的 地方画个桁架。这说明结构本身是很美的，是内在的美、力量的美。我们不妨用我们的 结构知识去影响建筑师，建议他们采用那种结构体系，更适合于该建筑物。从方案阶段 就开始参与，变被动为主动。和我合作过的建筑师都知道，我常常是比他们想得更早更 多，他们感到和我合作很轻松、很容易。
② 无论龙头、龙身、龙尾，都是重要 的有机组成部分，都可以在各自的领域 做出创造性的劳动，并且从中取得巨大 的乐趣。 我认为那些离开了规范就动不了的， 离开了计算机就不会设计的，还不能算 是工程师，只是技术员而已。设计是创 造性的劳动，而不是抄书描图。 我们小公司的宗旨是一句很平实的话 “比前人做得好些再好些”，我们要学 前人，但不止于前人。前人已经做过的 东西，我们要在该基础上做得好些，再 好些，这就必须有所创新，否则社会就 没有进步。创新，可以是大的结构体系 例如东方明珠对单筒体电视塔的突破。也 可以是小的构件和节点，我列举一些我早 期工作的例子：虹桥机场指挥塔屋顶，10m 直径六边形的瞭望台，我用七块平板组合 成一个拱壳，省掉了所有的梁，使我初次 尝到了创新的甜头（图）；
徐家汇煤球厂小豪式屋架，我把通常必须的几根腹杆，简化为一根水平杆
孙家宅 咸鱼加工厂， 单层工棚， 座落在 杂填土上， 我做了个 带挑口的 钢丝网水泥 屋面板， 既轻又 自防水（图）
上无18厂八层框架厂房， 我设计了带斜筋的自承重 钢筋骨架，解决了滑模施工 问题（图）。小实践的积累 为大问题的解决，打下了基础， 东方明珠100m长的大斜撑， 就是用这种办法解决的(照片)
上海卫星地面站，我用带外伸 翼缘的箱桩基础，解决了软土 地基上建大型天线基础的难题 (图)等等。这些是我刚工作几 年间所作的尝试，虽然谈不上 什么规模，现在回想起来，有 些并不恰当，但每个小进步， 常使我获得很大乐趣，并逐渐 形成一种思维习惯。对每一个 工程都要想想，有没有办法可 以做得更巧些更好些。
二、在优化设计的道 路上不断地探索前进
1984年当华东院副 总工，1985年当总工。 我向院长表示，总工程 师的工作，不同于技术 室的工作，在把关的同 时，更大的注意力应放 在闯关上，我首先抓的 就是仙霞型塔式高层住 宅的改进（当时很多人 套用），把剪力墙大刀 阔斧地砍去，结构自重 减少10%以上，并增加 了使用的灵活性（图）
当总工后第二件大事， 就是做东方明珠。 好的立意，优美的造型， 结构体系上的创新突破， 使之成为世界公认的 上海市标志建筑物。 混凝土电视塔， 常用的结构是单筒体， (所谓烟囱+糖葫芦)(图)
北京电视塔
东方明珠采用的是 带斜撑的多筒体 巨型空间框架结构， 这样就使之与众不同 并具有很好的抗风 抗震性能。我把它的 结构体系归纳为 这样四句话（图）。
三个筒体三撑杆 浅桩支承薄底板 七组大梁一根桅 一把巨伞一只碗
图2 东方明珠塔
巨型空间框架结构平面布置图
中部设缝的横梁
机器人沿钢绞线攀升，并提升天线杆
雅加达塔，可以说是东方明珠的优化（图）。东方明珠、垂直交通是大问题，斜 撑和球体施工比较复杂。我们把三个筒体加大为13.2m（东方明珠9m）并把它拉开 距离，从而取消了斜撑；我们用圆盘代替圆球，使施工更为简便。由于我们对当 地文化的理解和尊重（图），造型优美，便于操作，富有经验，加上华人的帮忙， 终于在国外通过严酷的国际竞标，拿下了这个最大的民用工程（38万m2、558m高）。
悬挑12榀钢屋架
Φ250的销子连接桁架、钢环梁和柱
印 尼 雅 加
上 下 水
世界第一高塔（高558m,在建） 1997年施工 设计总负责人江欢成
达 塔
Jakarta Tower, Indonesia, the highest tower in the world, 558m high, under construction Construction started in 1997 Chief Designer Jiang Huancheng
上 下
楼层平面
万人会堂塔座
高 耸 建 筑
优化前
优化后
仙霞型高层住宅剪力墙布置（底层）
优化与专项设计
优化前后技术经济指标对比：
重庆朝天门滨江广场
优化前 优化后 28 79.8 140 174 140 220 220 220 200 343（140(楼板)+203(墙）) 1.17 1.15 397 砼 桩 T1X T1Y △震X （mm） 0.78 0.88 30.4×2 优化前 优化后 节约1600 m3 省18根 1.254 1.265 47.5×2 28 79.8 120 242 120
层数 高度（m） 楼板厚（mm） 剪力墙长度（m） 楼板厚（mm）
高181m 2003年施工 结构设计优化 Chongqing Chao Tian Men Riverside Plaza 180m high Construction started in 2003 Structural Optimization Design
剪力墙厚度（mm）
1~6层 300 7~15层 240 16~28层 200 内筒 200 490 （120(楼板)+370(墙)） 1.38 1.28 640
△震X /H △震Y （mm） △震Y/H △风X （mm） △风Y （mm）
1/1312
1/828
砼折算厚度（mm） 楼板含钢率（N/m3） 平均用钢量（N/m2） 平均用钢量（N/m2） 总重量（自重）MN (包括隔墙和粉刷等)
38.0×2 1/1050 6.0 8.0
52.5×2 1/746 18.3 22.6
207.7（110%）
187（100%）
优化与专项设计
优化与专项设计
优化与专项设计
滨江广场平面图
标准层建筑平面图
优化与专项设计
优化与专项设计
原设计
优化设计
转换层及其上、下剪力墙和柱的结构平面图
优化与专项设计
优化与专项设计
核心钢管砼组合柱
深圳国际会展中心
240000m2 2004年建成 结构设计优化 Shenzhen International Exhibition Center 240,000m2 Completed in 2004 Structural Optimization Design
会展中心中标方案剖面图
优化与专项设计
优化与专项设计
1φ200预应力钢索代替3φ160钢棒方案
简支张弦梁代替张弦梁门式钢架方案
优化与专项设计
优化与专项设计
优化与专项设计
减小柱距方案
简支檩改为连续檩方案
优化与专项设计
内拱外刚架轴力图
内拱外刚架方案与所设计的张弦结构所占室内空间比较 内拱外刚架弯矩图
优化与专项设计
建议的内拱外钢架效果图
上海世纪商城
2004年施工 结构设计优化 Shanghai Century Shopping Center Construction started in 2004 Structural Optimization Design
所设计张弦结构效果图
建议预应力钢索张弦结构效果图
优化与专项设计
优化与专项设计
地面层平面
优化与专项设计
优化与专项设计
塔楼标准层平面
上 海 国 际 丽 都 城
高99m 2003年 结构优化设计
优 化 与 专 优化前 标准层结构平面对比 优化后 设 计 项
优化与专项设计
原设计框架剪力墙－框支布置
优化与专项设计
原设计立面图
优化与专项设计
优化方案框架－核心筒结构布置
上 海 长 峰 商 城
W
LT1
DN 下24步 UP
高234m 2003年 结构优化设计
前室
DN
优 化 与 专 项 设 计
优化与专项设计
原设计办公标准层平面图
优化设计办公标准层楼盖布置图
伸臂桁架的平面位置示意图
优化与专项设计
优化与专项设计
大连万达商业广场
2005年施工 结构设计优化
建筑面积33.3万m2
总平面图
优化与专项设计
优化与专项设计
基础平面图
逆作法施工地面层环板照片
优化与专项设计
优化与专项设计
承台局部平面
承台局部剖面
裙房基础底板优化范围
优化与专项设计
优化与专项设计
深圳保利剧院
2005年 结构设计优化
深圳保利剧院
优化与专项设计
优化与专项设计
深圳保利剧院
建筑平面布置图
深圳保利剧院
东立面图
优化与专项设计
优化与专项设计
优化与专项设计
优化与专项设计
上海虹口中信城
2006年 结构设计优化 地上47层 高度230米 总建筑面积14万m2
东立面幕墙做法 方案1
优化与专项设计
优化与专项设计
框架柱断面调整示意图
核心筒中间隔墙减薄示意图
优化与专项设计
优化与专项设计
外围框架梁断面调整示意图
降低框架梁高示意图
优化与专项设计
优化与专项设计
原设计结构标准层平面布置图
江所结构标准层平面布置图 伸臂桁架平面图
优化与专项设计
优化与专项设计
上 海 虹 口 中 信 城
东 西 向 伸 臂 桁 架 设 置 立 面 示 意 图
虹口中信城
主要构件截面尺寸对比
优 化 与 专 项 设 计
优化与专项设计
虹口中信城
综合效益分析
上 海 湖 北 大 厦
优 化 与 专 项 设 计
优化与专项设计
原设计总平面图
优化设计总平面图
原设计 6～15层平面图
原设计 6～15层平面图
优化与专项设计
优化与专项设计
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
原设计17层平面图
优化设计17层平面图
原设计南立面
优化设计南立面
优化与专项设计
优化与专项设计
上海陆家嘴X2地块
2006年
南塔楼高250米 地上56层 地下3~4层 建筑面积12.4万平方米
北塔楼高260米 地上60层 地下3~4层 建筑面积14.1万平方米
优化与专项设计
原设计结构平面图
南塔楼 北塔楼
结构体系
钢筋混凝土核心筒， 由转换层以下的巨型柱、周边环形带状桁架（加强层、转换 层）组成的巨型框架， 转换层以上由型钢混凝土密柱和框架梁组成的框架， 连接（巨型）框架和核心筒的两层高的水平伸臂桁架
优化措施
钢筋 十字形钢骨 1800壁厚25mm钢管
1、型钢砼（SRC）柱改为钢管砼柱（CFT） 、型钢砼（SRC）柱改为钢管砼柱（CFT） 主要好处： （1）减少钢筋（钢材）、混凝土及栓钉用量 （2）大大减轻结构重量 （3）增大使用面积 （4) 加快施工进度
劲性混凝土（SRC）柱 (原设计)
钢管混凝土（CFT）柱 (优化意见)
优化措施
优化措施
2、转换层以上型钢砼密柱优化 将转换层以上型钢混凝土密柱的含钢率从原设计的5％～6 将转换层以上型钢混凝土密柱的含钢率从原设计的5 ％～6 ％，减小为4％左右 ％，减小为4
3、楼层梁优化 (1)主次梁结构→密肋梁结构 (1)主次梁结构→密肋梁结构 简化连接，减少节点用钢量，减少梁截面类型，提供更大 的室内净空
优化措施
楼层梁优化
优化措施
(2) 楼层钢梁考虑带压型钢板的混凝土楼板作用，按组合梁 设计，可以有效减小钢梁截面尺寸
(3)将部分焊接H型钢改为轧制H型钢以减少钢材加工量 (3)将部分焊接H型钢改为轧制H
优化措施
(4) 楼面压型钢板优化 国产板代替进口板
项目 节省钢材 节省钢筋 节省混凝土量 减少钢材加工量
优化结果——综合经济效益分析
单位 ton ton m3 ton 副 ton ton ton m2 南塔楼 2686.502 1313.462 3206.500 506.825 46832 233.110 3674.953 1830.839 96.89 综合经济效益合计 北塔楼 2762.345 1278.422 3292.447 473.799 46160 242.625 3357.715 1657.124 96.87 合计 5448.847 2591.884 6498.947 980.624 92992 475.735 7032.668 3487.963 193.76 经济效益（万元） 5449 855 195 98 33 381 211 -349 291 7165
原设计POWERDEK板
BD-100组合楼板
减少栓钉用量 节省压型钢板 替换钢材 增加需防火涂装钢材
原设计CONDEK板
BD-65组合楼板
增加使用面积
优化设计结论
由上述结构计算分析可知，在以钢管混凝土柱代替型钢混 凝土巨柱的情况下，结构自重略有减轻，结构设计仍然受地震作 用控制。 振型分解反应谱法和弹性时程分析的结果吻合较好，结构 在各工况组合作用下的满足规范的相关要求。 PUSH-OVER的分析结果表明，以钢管混凝土代替型钢混凝土 PUSH- OVER的分析结果表明，以钢管混凝土代替型钢混凝土 巨柱的结构在罕遇地震下，仍然具有良好的表现。 总之结构分析表明结构优化方案是安全，合理的。
上海音乐厅整体抬升迁移
2004年完成 技术支持 Shanghai Concert Hall Integral Lift and Translation Project Completed in 2004 Technical Support and Consultant
优化与专项设计
结束语
一般可节约5 ~10%，甚至更多，数以千万元计。 建筑空间和平面使用方面效益更大。 优化空间来自何方？ 建设事业对工程师提出了在技术上和素质上很高的要求。 设计周期短，工作量大； 设计队伍相对年青，经验不足，缺少实际锻炼。 缺乏清晰的结构概念，或者说在基本概念上有些偏颇。 对高效的、先进的技术的认识和融汇贯通地运用的能力，有待加 强。 终生责任”的威慑作用，使结构工程师越做越胆小。“按我国规 范设计安全度偏低”的讲法也是多用材料的一大理由。 以满足规范要求，作为设计的主要目标，而不是以搞出好的作品 来追求。我国过分强调“规范”的作用，把“规范”当成法律， 这正在成为技术进步的障碍。 许多条款建议作为设计指南，而不进入规范。 工程设计——规范＋工程师的判断和创造 优化设计如何实现 原设计者认同并作修改； 再次审批和施工图评审； 解除设计合同； 业主自己负责，和原设计师讨论； 尽早介入，分阶段提出咨询报告。 优化设计费 优化者的投入、贡献和所负责任 ； 基本费用+效益分成 综合费用 按设计费标准，重新委托设计
坚持我国适用经济美观 的建设方针
1）我对建筑美的理解 2005年5月27日工程院、建筑学会、土木学会联合举办工程科技 论坛。主题是“我国大型建筑工程设计的发展方向”，出了二本论文 集（照片），是二本很好的书，有针锋相对的争论。会后打了个报告 给温总理，总理作了批示：“这份报告提出了当前大型公共建筑中存 在的问题，以及解决这些问题的对策，很有针对性。拟请建设部认真 研究，并从管理和制度上加以解决。”
我在会上发了言，题目是“合理的结构造就建筑的美”，这是一个带感情色彩而 有些偏颇的题目。如果说“建筑美需要有合理的结构”可能会顺耳一些，我的目的是 想促进学术争鸣，探讨建筑和结构的关系，为结构鸣不平。我从东方明珠、雅加达塔 的成功讲起，到广州塔方案评标中的遭遇，再联想到“北京建筑三大怪”的可悲，而 大声疾呼坚持适用、经济、美观的建设方针。 国务院1956年“关于加强设计工作决定”首次提出我国建设方针：“民用建筑设 计中，必须全面掌握适用、经济，在可能条件下注意美观的原则。”（我没找到原 文，因为在我脑子中，牢固树立的是“实用”而不是“适用”）。前几年，在四川綦 江大桥事故之后，又出了几个结构倒坍事故和甬江大桥质量事故。这时，有种提法， 把建设方针改为“安全、实用、经济、美观”。而坚持原有提法的，则认为“适用” 就包括了安全。因为“安全”是“适用”之首。我对这二种提法都拥护，而对目前大 型建筑工程不健康的建筑思潮坚决反对。 时至今日，我们盖了这么多建筑，应该考虑一下美观，但它必然位居其后，而不 能本末倒置，更不能以怪为美，以不合理为美。目前建筑界有句行话——视角冲击， 并以此为时尚。其常用手法，就是用不合理的结构，取得视角冲击。追求短暂的印象 深刻，甚至以病态为美。其结果必然是拼材料，消耗几倍于合理的用量，并且使用效 率低、功能差、隐患多。这种以浪费资源为代价，以视角冲击为建筑美的发展方向， 不符合我国国情，也不符合可持续发展的战略。 2）以视角冲击为建筑美的代价 让我们先看看，所谓北京建筑三大怪，“危楼、鸟巢一个蛋”（图）。（以下资 料数据，主要摘自工程院论坛二本书）。