设计方案比较与选择过程

11　工程设计方案的选择、优化与决策

工程设计经济性最终都体现在具体设计方案上，所以要实现设计经济性，设计师在设计过程中需要基于经济性角度对所构思的设计方案进行比选、优化，最终做出决策。这一过程是无法独立于工程设计程序的，可以说与设计过程融于一体。设计师也许可以借助于经济师的支持，但要设计师提出更经济的设计方案，可能勉为其难。因此，现代工程建设需要设计师具备工程设计方案的经济性比较、优化和决策的技能。

11.1　建筑策划与工程经济分析

11．1．1　设计策划

策划，通常被认为是为完成某一任务或为达到某一预期的目标，对所采取的方法、途径、程序等进行周密和逻辑的考虑而拟订的方案计划。设计策划是指以可行性研究报告为依据，从工程技术角度，客观分析项目的实际特点，建立设计目标，规定设计要求，安排应开展的各种设计活动，对各种设计因素进行总体计划，确定实现既定目标和计划所应遵循的方法及程序，最终形成项目的设计任务书。

在现代社会，蕴含着人类对美好未来进行规划与预见的设计活动已经渗透到社会生活所有层面，创造着人类生活和生产活动所需要的各种物质财富和精神财富，这使得设计本身变得越来越复杂。现代设计的复杂性决定了设计不再是一个或几个设计师凭借经验和感觉可以完成的，设计团队合理的、有秩序的、充满创意的设计活动需要有严密的、系统的、规范的设计策划来进行组织、协调和安排。尤其，工程设计是一个综合性强、复杂程度高的工作，所涉及的因素是设计者个人所无法控制和确定的，在科技高速发展的时代，新技术、新材料、新设备和新工艺等已广泛地应用在工程中，设计策划所具备的综合性可应对纷繁复杂的现代工程设计创作活动。

总之，设计策划是为在项目立项之后进行的工程设计提供科学而逻辑的设计依据，是设计工作开展的前提和基础，是设计任务书确定的特定环节，是保证经济效益、环境效益和社会效益等多元价值要素转化为设计因素的重要过程。设计策划彻底改变了传统的由业主提出直接设计任务书、设计师按任务书要求进行设计的做法，是适应现代工程建设要求的设计流程变革。

11．1．2　经济评估是设计策划内容之一

设计策划作为工程设计之前的一个重要环节，是将工程期望和要求的自然语言转化为设计语言的过程。它依据可行性研究或总体规划所确定的基本目标，对项目社会环境、人文环境、物质环境进行实态调查，根据用地区域的功能性质划分，确定项目的性质、品质和级别，确定设计依据及空间、环境的设计基准，提出基本的技术构想，并预测和评价未来的使用效果和效益进行分析评价（如图11．1所示）。

图11．1　设计策划环节

从图11．1可看出，经济评估是设计策划的一个重要内容。具体体现在：

（1）在策划开始阶段，需要对工程外部条件进行调查，其中一项重要内容就是调查项目的社会人文环境，包括经济环境、投资环境、技术环境、人口构成、文化构成、生活方式等。

（2）在策划过程中，需要根据工程的空间构想和技术构想（如建筑材料、构造方式、施工技术手段、设备标准等）估算出主要单位工程投资，确定工程一次性投资总额，并据此修正技术构想。

（3）对于大型商业性或生产性项目，在策划过程中还需要估算按现行空间和技术构想下，项目建成后运营费用和收益变化，计算项目的损益及可能的回报率，进行经济预测，并反过来调整空间与技术构想。

11．1．3　经济分析技术是设计策划的重要手段

在可行性研究或总体规划与工程设计之间设置设计策划这一环节，其目的是追求设计的合理性、科学性和逻辑性，所以它具有承上启下的作用和研究领域的双向渗透性与综合性。它向上渗透于项目立项环节，研究社会、环境、经济等宏观因素与设计项目的关系，分析设计项目在社会环境中的层次、地位及社会环境对项目要求的品质，分析项目对环境的积极和消极影响，进行经济损益的计算，确定和修正项目的规模，确定项目的基调，把握项目的性质；它向下渗透到工程设计环节，研究景观、朝向、空间组成、技术特点等相关因素，分析设计项目的性格，并依据实态调查的分析结果，确定设计的内容以及可行空间的尺寸大小。

设计策划这种双向渗透性和综合性，需要综合事态调查中获得的所有信息。因此，除了工程技术理论与方法外，它需要借助于前面各章所介绍的工程经济分析方法和其他的社会学和经济学理论与技术，如调查统计分析方法、系统工程学、运筹学等，主要用于：

（1）设计方案的比较与选择

由于建设目标的不同，项目性质、使用的侧重点不同，所以在设计方案的评价中各相关量的评价标准和尺度也就各种各样。不同的设计者提出的设计方案，与设计师对工程的理解及价值的认识和追求有着较大的关系，所以各设计方案特征也有着显著的差异。同时，工程各相关利益方对工程价值的需求也不相同，甚至冲突。因此，对一个工程多个设计方案之间的比较通常是无法根据一个单一的因素做出判断，需要进行多方位的综合评价。多元变量分析评价法可使其得到较满意的解决。

（2）优化设计

优化设计是设计经济性得到体现的一个重要手段与方法。现代设计理论与方法最重要的特征是设计优化与设计技术的统一，即现代设计方法就是一种优化设计方法，从而保证最终的设计方案是一个满足几何、强度及刚度等约束条件同时在经济上也是最节省的方案。数学规划法、寻优算法、系统工程技术等技术经济分析技术在优化设计中得到普遍的应用。

（3）设计决策

设计决策是设计最终方案的选定。尽管设计方案的综合比较与评价为设计决策提供了支持，但是设计决策过程要比想象的复杂许多。它涉及工程和人类心理的相互关系及影响、生理的相互关系及影响、精神的相互关系及影响以及社会机能等，还包括城市景观协调的要求、技术经济的制约因素、施工建设费用及条件限定等因素。需要对设计决策的潜在机制、人类工程价值要求的多样性、时代和社会发展的连续性对设计决策影响。社会学方法及机会成本、边际效用和比较优势等经济学理论在其中都发挥着较大作用。

11.2　经济学视阈下的设计方案选择理论

11．2．1　设计可能性的边界

正如绪论中所论述的，经济学是研究和处理资源有效配置的理论。任何一项工程建设都会消耗各种资源，如土地、建筑材料、资金、人力和时间等。工程技术本身由于受到科学技术发展水平的限制，它也不可能是无限可以使用，所以它也可以纳入一种广义的资源范畴。工程设计活动在工程建设过程中扮演着资源配置的角色。以建筑设计为例，受到其他经济活动（如农业耕地）竞争，在水平广度上受到土地资源限制；受到工程技术条件限制，在垂直空间高度上也不能无限度地扩张。所以，资源的稀缺性和有限性构成了工程设计思维中的可能性边界。下面以较复杂的建筑设计中典型的土地资源要素为例来说明这种设计可能性的边界。

土地作为建筑设计要素，在建筑中有不同涵义的表达，如资源、场地、位置与环境等。但不论在哪个层面上，土地资源的有效性都意味着一种设计的“边界思维”。因为新建筑一旦介入到城市或区域的环境当中，就会引起现状的某些方面改变。为了保证建筑场地与其他周围用地单位拥有共同的协调环境和各自利益，场地开发和建筑设计必须遵守一定的公共限制。公共限制条件主要来自国家或地方政府的有关法律、法规、规范、标准等规定，例如城市规划、消防、人防、交通、环保、市政等主管部门都有着各自规定的公共限制条件。这些公共限制条件可综合概括为平面限度、剖面限度和容量限度等三个方面，构成了建筑设计的可能性边界。

1）平面限度

平面限度中一般包括下列边界限制：

（1）建设用地边界线：即业主（开发商、建设单位或土地使用者）所取得使用权的土地边界线。在土地私有的西方国家，一般称之为地产线（Property Line）。在我国，该线有时又被称为征地线。建设用地边界线是场地的最外围界线，它侧重于强调土地使用、收益和处分等权能的财富属性和经济责任，具有严谨的法律意义。但是，地产线并不是对场地可建设使用范围的最终限定。

（2）道路红线：它是城市道路（含居住区级道路）用地的规划控制线。道路红线之间限定的范围是由城市的市政、交通部门统一建设管理，建筑物的地下部分或地下室、建筑基础及其他地下管线一般不允许突入道路红线之内。此外，对于建筑的窗罩、遮阳设施、雨棚、挑檐等突入道路红线内的宽度和高度应符合有关规范的规定。

（3）建筑控制线：又称建筑线或建筑红线，是建筑物基底位置的控制线。建筑控制线所划定的范围就是可建建筑区域的范围，它的划定主要考虑如下因素：

①道路红线后退：场地与道路红线重合时，一般以道路红线为建筑控制线。有时因城市规划需要，主管部门常常在道路红线以外另订建筑控制线，这种情况称为红线后退（或后退红线）。

②用地边界后退：在确定建筑物基底位置时还要考虑到建筑与相邻场地或相邻建筑之间的关系。为了满足防火间距、消防通道和日照间距而划定的建筑控制线，称为后退边界。

2）剖面限度

剖面限度主要有下面几种情况：

（1）按照国家或地方制定的有关条例和保护规则，在国家或地方公布的各级历史文化名城、历史文化保护区、文物保护单位和风景名胜区及其周围一定范围内划定保护区或建筑控制地带，对有关工程建设行为加以限制，对建筑高度有相应的范围限制。

（2）当建筑处于居住区内，或比邻于居住区的住宅楼时，建筑高度要受到日影规定的限制。

（3）当建筑处于市中心或区中心的临街位置，或处于步行街两侧的位置时，为确保道路日照，建筑高度要考虑街道宽度的影响，称之为“斜线控制”。

3）容量限度

平面限度与剖面限制确定了场地内最大可建建筑范围，但是通常一块场地内不可能全部建成建筑物，土地产出还包括广场、绿地、园林、交通道路等多种功能。在一块有限的用地范围内，提高建筑容量可以提高土地的利用效益，但会带来建筑环境的劣化，降低使用的舒适度。所以，通常政府部门会对建筑容量做出公共限制条件，即规定容积率（参见表10．1）。在现行城市规划法规体系下，政府部门通过编制各类用地的控制性详细规划规定容积率。例如，独立别墅住宅区为0．2～0．5，6层以下多层住宅区为0．8～1．2，19层以上住宅区为2．4～4．5等。各城市在容积率规定上有所差别。

平面限度确定了场地平面中最大可建建筑区域，剖面限度确定了场地剖面中最高可建高度，容量限度确定了场地内最多可建的建筑规模。建筑设计师在这三个边界所构成的空间限度内，寻求最合理场地空间形态方案，既能满足业主对经济价值的追求，也能保证社会价值体现和建筑师对美学的追求，做到经济效益、社会效益与环境效益相协调，实现最佳土地资源利用模式。

建筑设计理论中有关形态组合的研究，也反映出边界思维的效用。例如，同样的建筑面积，适用于同样功能的房间。其长度与宽度之间的组合可以有很多种，甚至无数种。但是，反之，不同的组合则反映了或塑造了不同的空间围合效果以及不同的外部环境质量。图11．2显示了在一块场地（同样平面限度）上，有同样容积率的高密度方案与低密度方案之间的两种模型对比效果。

图11．2　高密度方案模型与低密度方案模型之间的对比效果

类似土地资源这样约束的设计可能性边界条件，在设计中还有许多，但它们远没有土地资源约束条件这么复杂。工程设计中还有众多的其他设计可能性边界条件，如结构可靠性与耐久性要求、防火与抗震条件、环境标准等，留给读者思考和总结。

11．2．2　方案选择的机会成本原理

同一个工程项目可以提出多种不同的设计结果，人们需要在不同方案之间进行取舍。不同方案有着各自不同的特点，不论最后做出何种选择，有一点是共同的，那就是，一旦做出选择，就意味着放弃其他可能性。经济学认为，在选择中为了得到一个结果所必须放弃的其他可能结果，就是选择的“机会成本”。正如工程经济学原理所强调的，在工程经济分析中不可忽视机会成本。这就要求工程设计人员在做出方案选择前，需要确定相关方案的机会成本。这项工作也可以在经济分析人员协助下完成。

在一般情况下，设计方案的机会成本并不是简单的投资估算。方案设计过程会涉及考虑多个价值要素（参见10．1．1），这些因素之间呈现出相互联系、相互制约或相互竞争多种不同的关系。虽然我们无法从数学上给出它们之间严密和准确的函数关系，但从经济学角度上同样可以给出类似于数学的正相关、负相关和无相关的关系定义。如一项价值要素提高，则另一项与之相关的价值要素也呈升高的趋势，则是正相关；如一项价值要素提高，与之相关的另一项价值要素呈下降趋势，则是负相关；如一项价值要素变化，其他没有变化的价值要素，则是无相关。从设计经济性来说，确定各个价值要素相关关系是很重要的，设计过程中需要在不同的价值要素之间，特别是负相关因素之间进行取舍。一个设计方案如果强调某一个价值要素取较高的值，则必须以与其负相关的价值要素降低为代价。在经济学中，通常用“机会成本”来衡量和体现“代价”。所以，除以货币形式计算的方案成本（即通常所说的概预算）外，设计方案的机会成本还应包括这些“代价”。

例如，在一个住宅区规划设计中，当采用高密度方案时，就意味着放弃了可以获得的开敞疏朗的外部环境为代价，而这个代价就是高密度布局方案的机会成本。反之，如果采取了低密度的方案，那么它虽然获得了园林般的外部环境，但同时它就放弃了提高容积率的机会，从而使工程单位成本上升。按经济学理论，机会成本小的那个方案应更具有优势。

工程设计中一些价值要素放弃的“代价”似乎是无法用货币或其他数据进行估计的，或者是无法估计出准确的值，如环境污染、人文价值的降低等。这就意味着，准确衡量机会成本的大小是很困难的。目前，还没有一套全面的规则可以准确说明在竞争交替关系中方案所承受的机会成本可兑换成多少货币量。但是，只要能够确定或意识到选择该方案所放弃的东西是什么，并能够衡量所得到的是否能够补偿所放弃的，那么就能有效地避免方案选择中对机会成本的忽视，从而保证能够为方案决策提供正确的依据。

譬如，一个写字楼项目，尽管表面上是开发商以现货或准现货（楼花）的方式进行销售，但开发决策者和设计者对设计方案的选择是以市场的需求为根本的出发点，是“以销定产”，这是一个成熟的市场行为。所以，对机会成本的衡量可以从考察买者的行为开始，并仍可在市场经济分析框架内来考量其设计方案的机会成本。

经济学原理表明，影响一种物品的需求量，或者影响消费者决定的因素包括价格、收入、预期、嗜好、心理效用等。价格和收入决定写字楼的消费企业对写字楼单元面积的需求；预期会影响消费企业是购买写字楼还是租赁写字楼，如果预期写字楼会升值，则他们会优先购买写字楼；嗜好则表明消费企业对写字楼平面布局及周边配套设施的需求；心理效用是消费企业对写字楼所赋予的其他非物质的需求，如荣誉、身份和地位等。如果写字楼选择建在城市较边缘地区，尽管建造成本低，但是会失去众多的消费客户，因为与建在城市CBD区域的写字楼项目相比，它交通不便且配套设施不全。此外，多数客户在他们愿意支付的总价限度内，会宁愿在城市CBD区域内选择一个面积较小的单元，以此来满足某种心理效用。在不动产领域，这种现象被称为“所有权的骄傲”，以此提高企业的荣誉。因此，在实践中，我们可以找到开发在城市边缘或设施配套不完善地域的写字楼项目失败的案例。

由此可见，机会成本原理可简化工程设计方案选择所面临的复杂的经济问题，并且跨越了“经济”与“非经济”之间的界线，为设计人员思考设计经济性、设计决策风险和潜在代价问题提供一个简单的方法。要说明的是，强调机会成本原理是强调设计方案选择过程中的基本思路和思维方式，并不强求代价的数量化，这实际上也是很难做到的。

11．2．3　边际效用理论

在经济学理论中，效用是指商品满足人的欲望的能力，或者说，效用是指消费者在消费商品时所感受到的满足程度。边际效用是指在一定时间内消费者增加一个单位商品或服务所带来的新增效用，它为经济分析和决策提供了一个可靠合理的依据和思路。在边际效用理论中，边际成本和边际收益是两个重要的概念，本书在第2章对此有过阐述。只有当一种行动的边际收益大于边际成本时，一个理性决策者才会采取这项行动。

工程设计经济分析主要是解决设计参数与经济参数（参见第10章）之间的关系问题，许多设计方案的决策需要考察现有行动方案技术参数变动调整情况下的设计经济性变化情况。从边际效用理论来看，这些调整可看着为边际变动。这揭示了分析工程效益的另一条思路，即通过分阶段的设计方案改进，并进行积累性的经济评价，分析改进对总收益的影响，从而进行设计方案的选择。

例如，一个商品住宅区开发项目设计方案会涉及容积率设计参数的选择。考虑满足容积率控制指标的两种方案：低密度方案与高密度方案。假设住宅层数相同（满足剖面限度），那么低密度方案的住宅产量少，高密度方案的住宅产量多。住宅区开发的总成本包括较多的内容，这里简单归类为土地开发成本和建造成本。不管采用何种密度方案，土地规模是不变的，获得土地使用权的成本及拆迁、补偿、土地整理等费用并不随住宅产量而变化，所以土地费用是固定成本。建造成本则随住宅产量增加而增加，可认为是变动成本（有读者会认为建造成本中一部分是固定成本。情况确实如此，有兴趣的读者可对此进行更深入的分析。这里做这样的简单划分主要是为了分析方便）。

由于低密度方案中住宅少而投入的总成本也少，高密度方案中由于住宅多而总成本也高，低密度方案似乎更合理。但是，用边际效用理论分析，就会得出完全不一样的结论。从低密度向高密度变动时，多建一栋住宅，如果增加的可变成本（边际成本）小于增加的收益（边际收益），那么在低密度方案基础上提高建筑密度的决策就是理性的决策，反之，如果边际成本大于边际收益，那么提高建筑密度的做法就是非理性的。理论上，边际成本等于边际收益时的建筑密度就是最优密度。

当然，边际成本和边际收益的确定远比上例要复杂许多。事实上，开发密度不仅仅是住宅的一个重要的经济学属性，而且还是一个极其重要的居住生活质量参数。对于一些住宅消费群体，住宅区环境质量可能会成为影响其购买决策的一个重要指标。很显然，如果消费者愿意购买低密度住宅，并愿意为此支出更多的费用，那么低密度方案高于高密度方案的收益就是机会收益（对于高密度方案来说，就是机会成本），应计入低密度方案的边际收益。此外，如果低密度住宅有较好的市场行情，那么销售周期就比较短，开发成本中的时间成本（主要是贷款利息等）就会相应减少，这也是其机会收益，可计减其边际成本。

11.3　设计方案比较与选择过程

11．3．1　明确方案比较前提与可比性条件

各个工程项目所寻求的效益是有差别的，据此可将工程划分为三种不同的性质的项目：

①盈利性项目。该类性质的项目在满足社会需求时，主要是追求经济效益，在评价中以经济效益为主，并兼顾社会与环境效益，如旅馆、商店、餐厅等。

②非盈利性项目。该类性质的项目以实现社会效益或环境效益为主，适当考虑经济效益，如公立学校、公立医院、博物馆、市政基础设施工程等。

③半盈利性项目。该类性质的项目兼顾社会效益与经济效益，并注意环境效益，如影剧院、体育场馆、收费公路等。性质不同的设计方案之间是难以比较的，也没有比较的意义。

因此，首先应明确项目的性质，在此基础上才能对不同方案之间的效益进行比较，这是一个设计方案比较的基本前提。

在确立了方案比较的基本前提后，还应注意方案的可比性条件。如果比选方案之间可比性条件不成立，就无法保证比较结果的可靠性和决策的正确性。可比性条件包括：

（1）资料和数据的可比性

对各方案的数据资料的搜集和整理的方法要加以统一，所采用的定额标准、价格水平、计算范围、计算方法等应该一致。经济分析是预测性的计算，费用和收益都是预测值，因而不必要也不可能十分精确，它允许舍弃一些细枝末节，以便把注意力集中在主要的经济要素计算上。只要主要要素（包括投入和产出）计算比较准确，就能保证经济分析的质量，得出正确的结论。

确定分析计算的范围是保证资料数据可比性的一个重要方面。确定计算范围，即规定方案经济效果计算的起讫点。方案的比选必须以相同的经济效果计算范围为基础，才具有可比性。对于原来已经花费的费用和已经取得的收入在进行方案的比较时一般是不考虑的，只考虑由于本方案所引起的新增费用和新增收益。例如，闲置的设备或设施被利用，如果没有出卖或出租的可能，应作为沉没成本；但如果有其他利用的机会（出卖或出租），则应考虑作为机会成本。

经济分析同样要考虑不同时期价格的影响，如果忽视不同时期价格的变化，则分析结论就会有偏差。一般常采用某一年的不变价格进行技术经济分析计算，这就是为了消除不同时期价格不可比因素的影响。

（2）功能的可比性

对比方案之间应具有相同的基本功能条件，如项目性质、建设目的、产品类型等。如果不同方案的产出功能不同，或产出虽然相同，但规模相当悬殊的技术方案，或产品质量差别很大的技术方案，都不能直接进行对比。当然，产品功能绝对相同的方案是很少的。只要基本功能趋于一致，可以认为它们之间具有可比性。当方案的产出质量是相同时，如果只是规模相差较大，可以采取几个规模小的方案合起来，与规模大的方案相比较。当规模相差不大时，也可用单位产品的投入量，或单位投入的产出量指标来衡量其经济效益。

（3）时间的可比性

时间因素包括建筑建造周期、使用年限、投资回收期以及折旧等因素。一般来说，实际工作中所遇到的互斥方案通常具有相同的寿命期，这是两个互斥方案必须具备的一个基本的可比性条件。但是，也经常遇到寿命不等的方案需要比较的情况，理论上来说是不可比的，因为无法确定短寿命的方案比长寿命的方案寿命所短的那段时间里的现金流量。但是，在实际工作中又会经常遇到此类情况，同时又必须做出选择。这时候需要对方案的寿命周期采取一定的方法进行调整，使它们具有可比性（参见第4章）。

11．3．2　确立方案比较的目的

任何方案的提出都是为了达到一定的目的，或者追求投资利润，或者是为了取得一定数量的产品，或者是为了提高已有产品的质量，或者是为了改善劳动生产条件，或者是为了提供某种形式的服务，等等。总之，任何技术方案都是根据项目预定的目的而制定的。所以，在对设计方案比较之前，应当从工程的性质、规模及有关特点出发，明确本设计要达到的目的，这关系到设计方案评价的方向、方法和价值等。“目的”赋予具体的数量、程度或其他可以衡量的标准，就构成了“目标”。

工程建设所包含的多元价值内涵（参见第10章）使得设计方案选择是一个面临多目的的问题，厘清和确立目的（目标），是在方案比较前的一个重要环节。这一过程应注意以下几点：

（1）明确要考虑哪些目的，区分目的重要程度。尽管工程设计要考虑多种价值要素转化，但不同的专业工程、不同的设计阶段、不同的场所条件、不同的项目性质等，设计方案需要考虑的价值要素类型和数量是不同的。所以，在方案构思和比较之前，要明确本次设计要考虑哪些目的。同时，也要区别各个目的之间重要程度，以利于在目的之间存在冲突情况下进行方案的选择。例如，建筑设计方案需要考虑建筑美学、环境质量、使用方便性与安全性、全寿命期的经济性等，而结构设计方案更关注结构的可靠性和建造的经济性；同样是结构设计，对于公共建筑（如学校、体育馆等），结构可靠性比建造经济性更重要，而对于其他建筑，在满足规范规定的可靠性要求的条件下，建造经济性则显得更重要。

（2）厘清目的之间的关系。工程的多元价值要素在转化为设计元素过程中，会涉及处理价值要素之间的冲突与矛盾，设计方案形成与选择是寻求设计目的之间的综合平衡。寻求这种综合平衡，就需要厘清目的的上下位关系和同级目的之间的相互关系，构成工程设计的目的系统。例如，“结构可靠性”是上位目的，其下位目的包括“安全性”、“适用性”和“耐久性”。再例如，“结构可靠性”与“建造经济性”这两个目的之间存在着矛盾，如同一个多层房屋建筑方案，从砖混结构到框架结构甚至剪力墙结构方案均可供选择，其结构可靠性逐渐增强，而经济性却逐渐减弱。结构的可靠性并非是越高越好，更不能为追求经济性而忽视结构耐用年限、使用方式、荷载情况、防火等级和抗震标准等条件的要求，结构设计方案形成与选择就是在结构可靠性与经济性之间取得一种合理的平衡。

（3）尽可能地减少目的的数量。在设计方案比较时，如果设立太多的目的（目标），方案比较则显得比较困难，有时甚至难于取舍，也未必能选出最佳的方案。因此，在确立目的时，应尽可能地减少目的数量。可采用的策略有：①考虑社会、经济、技术和场地条件，区别有实现可能的目的和受条件限制暂时无法实现或者在本工程内不可能实现的目的，从而把后者排除；②区别目的之间的重要程度，把重要性大的目的设定为主要评价目标；③合并一些相关的目的，把区分意义不大的相近目的合并成一个综合目的；④对于不能再减少的目的，应尽可能地再次区分重要程度或主次顺序。例如，受设计规范的约束，目前结构类型等住宅内在品质越来越雷同，美好的居住环境已经成为消费者和投资者更为看重目的。“美好居住环境”目的可以由多个下位目的达到，如建筑密度、容积率、健身设施及场地、绿地、花园、小品及人工水景，等等。可对它们进行合并处理，针对住宅产品面向的消费群体的需求区分重要性，并根据客观条件分析哪些容易实现、哪些难以实现。如果住宅区项目是在北方缺水地区，挖湖造景形成超大水面景观显然是难以实现的一个目的。

（4）设立评价指标体系，将目的转化为可以进行衡量的目标

确立了目的后，需要对目的赋予一定的定量或定性的标准，即将目的转化为目标，才可用于方案的比较。通常，采用一系列指标对目标进行定量或定性的描述。例如，对于住宅区的环境质量的目标，可规定出建筑密度、容积率、绿地率（面积）、健身设施数量与场地面积、小品数量与规模、树种种类等数量标准或具体说明；对于经济性目标，可规定主要单位工程（如土建、装修、绿化等）的成本控制目标。制定出合理的指标，是进行方案评价和比较的基础。不同的指标满足程度决定了工程效益，设计方案的比较与评价就是要以指标体系为依据，对设计方案进行综合分析，判断不同设计方案的优劣，探求改进设计效果的途径。

11．3．3　设计方案比较程序

以综合效益（包括社会效益、环境效益和经济效益）为最高目的的工程设计方案比较程序包括了前述的比较前提、可比性条件和比较目的等在内的若干步骤。虽然它可以独立地划分成若干阶段，但是正如在11．1中所强调的，它不应独立于工程设计过程体系，而是与设计策划和设计过程有机黏合的一个程序，因为任何企图改进设计效益的设想均将通过设计本身来实现。本书11．1已对设计策划与工程经济分析黏合关系进行了阐述，图11．3则展示了设计方案比较过程及与工程设计过程之间的联系。

图11．3　设计方案比较过程与工程设计过程及相关联系

从图11．3可以看出，工程设计过程与工程设计方案的经济分析比较过程是无法严格区分的，设计过程的活动为方案经济分析比较过程的各个阶段提供了基础信息，而方案经济分析比较过程活动为工程设计过程中方案的制订和决策提供了依据。整体过程可以划分为三个阶段：

（1）第1阶段是设计与设计方案评选的准备阶段。其中，“问题及需求评价”是指项目设立要解决的实际问题或需要满足的需求，它将表明需要通过经济分析与比较进行设计决策的各种情况。对任何问题或需求应该进行系统地描述，对所处环境的界限与程度进行详细地定义。这一阶段包含着一个反馈回路，即需要对工程设计过程中提出的“问题及需求”进行评价，对它们进行反复研究，将评价环节所获得的信息对原描述或定义进行修正，直至委托人与设计者之间达成共识。

（2）第2阶段是提出备选方案并进行评比阶段。该阶段也包含着一个反馈回路，即通过设计过程提出多个备选方案（设计深度在20%～40%），并经过设计评价过程，分析各设计方案存在的优劣之处，并反馈给设计过程，融合各方案的优点，对方案进行合成。如是结构设计，还可以进一步进行优化设计工作，并修正相关方案作为新的备选方案，再进行评比过程，直至选出两个或更多个综合经济效益较佳的方案。

（3）第3阶段是设计方案决策与实现阶段。该阶段是对第2阶段所提出的多个方案进行选择和决策，并将最终选择的方案付诸实施，即开展深度设计及建造施工。这一阶段也包含着一个反馈，即将实施的效果反馈给设计评价过程，以利于提高以后评价工作质量。

上述的程序适合一个项目各个阶段的设计任务，包括规划设计、初步设计、技术设计、施工图设计等。即在设计各阶段重复这一程序，有助于项目整体设计的正确决策，并保证实现工程综合效益最佳的目标。

11.4　设计方案经济分析与比较方法

设计方案的经济分析与比较就是利用前面章节介绍的方法处理设计方案的经济比较与选择问题。常用的方法有三种：

1）多指标综合评价法

在设计方案的选择中，采用方案竞选和设计招标方式选择设计方案时，通常采用多指标综合评价法。

采用设计方案竞选方式的一般是规划方案和总体设计方案，通常由组织竞选单位邀请有关专家组成专家评审组。专家评审组按照技术先进、功能合理、安全适用、满足节能和环境要求、经济实用、美观的原则，并同时考虑设计进度的快慢、设计单位与建筑师的资历信誉等因素综合评定设计方案优劣，择优确定中选方案。评定优劣时通常以一个或两个主要指标为主，再综合考虑其他指标。

设计招标中对设计方案的选择，通常由设计招标单位组织的评标委员会总结设计方案按设计方案优劣、投入产出经济效益好坏、设计进度快慢、设计资历和社会信誉等方面进行综合评审确定最优标。评标时，可根据主要指标再综合考虑其他指标选优的方法，也可采用打分的方法，制定一个综合评价值来确定最优的方案。

2）单指标评价方法

单指标可以是效益性指标或者是费用性指标。效益性指标主要是对于方案的不同，方案的收益或者功能也有差异的方案的比较选择，可采用第4章中的互斥方案比选的方法选优。对于专业工程设计方案和建筑结构方案的比选来说，更常见的是，尽管设计方案不同，但方案的收益或功能没有太大的差异，这种情况下可采用单一的费用指标，即采用最小费用法选择方案。

采用费用法比较设计方案也有两种方法：一种是只考察方案初期的一次性费用，即造价或投资；另一种方法是考察设计方案全寿命周期的费用。考虑全寿命周期费用是比较全面合理的分析方法，但对于一些设计方案，如果建成后的工程在日常使用费用上没有明显的差异或者以后的日常使用费难以估计时，可直接用造价（投资）来比较优劣。

3）价值分析方法

价值分析（即价值工程）是一种相当成熟和行之有效的管理技术与经济分析方法，一切发生费用的地方都可以用其进行经济分析和方案选择。工程建设需要大量的人、财、物，因而价值工程方法在工程建设领域也得到了较广泛的应用，并取得了较好的经济效益。例如：美国在对俄亥俄拦河大坝的设计中，从功能和成本两个角度综合分析，最后提出了改进的设计方案，把溢水道的闸门的数量从17扇减为12扇，同时改进了闸门施工用的沉箱结构，在不影响功能和可靠性的情况下，筑坝费用节约了1930万美元，而聘用咨询单位进行价值分析只花了1．29万美元，取得了投入1美元收益近1500美元的效益。再如，上海华东电子设计院承担宝钢自备电厂储灰场长江边围堰设计任务，原设计为土石堤坝，造价在1500万元以上。设计者通过对钢渣物理性能和化学成分分析试验，在取得可靠数据以后，经反复计算，证明用钢渣代替抛石在技术上是可行的，并经试验坝试验，最后提前一个月工期建成了国内首座钢渣黏土夹心坝。建成的大坝稳定而坚固，经受了强台风和长江特高潮位同时的袭击。该方案比原设计方案节省投资700多万元。

【例11．1】某工厂拟建几幢仓库，初步拟定A、B、C三种结构设计方案。三种方案的费用如表11．1所示。试分析在不同建筑面积范围采用哪个方案最经济（ic＝10%）？

表11．1　例11．1仓库结构方案的经济数据

解决实际工程的经济问题，首先应对问题进行分析。对于本问题，首先可以确定的是不管采用哪种方案，仓库所发挥的功能是一致的，因此可采用最小费用法比较各方案费用大小选优；其次，是分析各方案费用的情况，三个方案在初期投资有差异，另外各方案的年度费用也不相同，一般来说，这种情况下应该考虑方案的全寿命周期的费用。依据上述两点，就该方案进行进一步比较。设仓库的建筑面积为x平方米。则

PCA＝600x＋（28000＋12000）（P／A，10%，20）

　＝600x＋40000×8．5135

　＝340540＋600x

PCB＝725x＋（25000＋7500）（P／A，10%，20）－

725x×3．2%×（P／F，10%，20）

　＝725x＋32500×8．5135－725x×3．2%×0．14864

　＝276689＋721．6x

PCC＝875x＋（15000＋6250）（P／A，10%，20）－

875x×1．0%×（P／F，10%，20）

　＝875x＋21250×8．5135－875x×1．0%×0．14864

　＝180912＋873．7x

显然，三个方案的费用现值PC与建筑面积x之间成函数关系，利用优劣平衡分析法，求出三个方案的优劣平衡分歧点：xAB＝525m2，xBC＝629m2，xAC ＝582m2（如图11．4）。

图11．4　例11．1的A、B、C三方案的优劣平衡分析

根据图11．4分析，可得出以下分析结论：

（1）当仓库的面积小于582m2，选择C方案经济；

（2）当仓库的面积大于582m2，选择A方案经济；

（3）B方案在任何情况下都是不经济的。

【例11．2】某家具展销城工程采用普通钢框架结构体系，主梁采用焊接工形截面；柱采用焊接箱型截面。框架的横向和纵向梁柱按刚性连接设计，次梁为工字形截面单跨简支梁；基础采用柱下独立基础，总建筑面积为12668．8m2，横向柱距为4×7200mm＋3×9000mm＋4×7200mm。纵向柱距为6×6000mm。第一层高为4．5m，其余层高为3．9m。楼面恒荷载为4．5kN／m2，活荷载为5．0kN／m2，屋面为屋顶花园上人屋面，恒荷载为5．0kN／m2，活荷载为3．5kN／m2，该工程位于7度抗震区，三类场地，框架的抗震等级为三级。在轻钢结构建筑中，楼盖的合理选择对整个结构的安全性、经济性显得至关重要。本工程提出了四个楼盖结构设计方案：压型钢板组合楼盖、现浇整体混凝土楼盖、SP预应力空心板楼盖和混凝土叠合板楼盖。试对它们进行比较选择。

从工程本身的要求及结构特点出发，楼盖结构形式的选择要考虑以下几个方面：

（1）保证楼盖有足够的平面整体刚度；

（2）减轻楼盖结构的自重及减小楼盖结构层的高度；

（3）有利于现场安装方便及快速施工；

（4）较好的防火、隔音性能，并便于敷设动力、设备及通讯等管线设施；

（5）相对低廉的造价。

四种结构类型楼盖均满足结构安全性的要求。表11．2中给出评价指标及四种方案的各指标的情况。评审专家组给出了8个指标的权重，并按5分制给每个方案的各指标进行打分量化，结果如表11．3所示。然后，可能求出各方案的综合评价值。从表11．3可以看出，混凝土叠合板楼盖方案得分最高，应作为优先选择的方案，其次为现浇混凝土楼盖方案。从计算中也可以看出，如果项目对施工工期要求不紧，现浇混凝土楼盖方案也是一个很好的方案。实际上，在这种情况，“施工速度”指标的权重则会减少，如“施工速度”指标权重调整为0．1，“平面刚度”指标权重调整为0．3，重新计算可得到混凝土叠合板楼盖方案得分为3．84，现浇混凝土楼盖方案得分为4．02。

表11．2　指标及各方案的指标优劣情况

表11．3　指标权重及方案的各指标得分

11.5　优化设计

11．5．1　优化设计的概念

优秀的设计师在设计创作中会产生寻找到最好方案的强烈愿望，这种寻找最好方案的过程就是优化设计。在优化设计领域，结构设计师们表现尤为突出。从20世纪初开始，许多优秀结构设计师都为此进行不懈的努力，但是由于受到对数学和力学认知水平及科学计算手段的限制，设计优化技术发展比较缓慢。直至20世纪四五十年代，数学规划理论的创立，为结构设计提供了优化理论基础；60年代，有限元理论的提出，为结构优化提供了系统化数值计算方法；而同时期，计算机技术飞速发展，为结构优化设计提供了强大的计算工具。从那时起，结构设计优化技术有了质的飞跃。

优化设计是相对于传统设计而言。传统的结构设计是设计者首先根据设计要求，按设计者的实践经验，参考类似工程设计，确定结构方案；然后，再进行强度、刚度、稳定性等各方面的计算。这种计算一般是起一种校核及补充细节的作用，主要是为了证实设计方案的可行性。传统结构设计的特点是所有参与计算的量必须是常量，能证明设计方案是“可行的”，但未必是“最优的”。特别是，当设计者的经验不足时或者是新型结构设计，设计方案通常只是一种“可行的”方案。

优化设计是设计者根据预定的设计要求，在全部可能的结构方案中，利用数学手段，计算出若干个设计方案，根据计算结果，从中选择一个最佳方案。因而优化设计所得到的结果，不仅仅是“可行的”，而且是“最优的”。“最优”概念不是绝对的，而是相对设计者预定的要求而言。随着科学技术的发展及设计条件的变动，最优的标准也将发生变化。优化设计反映了人们对客观世界认识的深化，它要求人们根据事物的客观规律，在一定的物质基础和技术条件下，充分发挥人的主观能动性，得出最优的设计方案。

在传统设计中，虽然设计者有条件时也是要研究几个方案来进行比较，从而对结构布局、材料选择、构件尺寸等进行修改，以便得到更为合理的方案，但是往往由于时间的限制、计算工作量过大等原因，方案比较这一环节受到很大的限制，有时甚至是不可能的。与传统设计方法相比较，优化设计具有如下三个特点：①需要建立一个确定反映设计问题的数学模型；②方案参数调整是计算机沿着使方案更好的方向自动进行的，从而选出最优方案；③依靠计算机的运算速度，可以在很短的时间内从大量的方案中选出“最优方案”。

11．5．2　优化设计基本方法

从理论上来说，结构设计优化是在满足约束条件下按预定目标（如重量最轻、造价最小等）求出的最优设计。涉及三个要素：①设计变量。即在优化设计过程中变化的量，是结构直接优化的对象，可分为简单变量、结构几何变量和材料特性变量等。②目标函数。优化过程中所要找的极小（或极大）的函数，是设计变量取得最优解的依据。③约束。即结构设计所必须满足的限制条件，包括几何、强度及刚度等约束条件。能用显式表示的称为显约束，不能用显式表示的称为隐约束。常见的有几何约束、应力约束、位移约束和稳定约束等。约束也是设计变量的函数。通常，按照优化方法特征，可将优化方法分为准则法和数学规划法。

1）准则法

准则法是从结构力学原理出发，首先选定使结构达到最优的准则，然后根据准则建立达到优化设计的迭代公式，寻求结构的最优解。结构在多个独立荷载作用下，每一杆件至少在一个独立荷载系下其应力达到容许值，从而得到重量最轻的目的。这就是满应力设计准则。具体优化时，常用满应力法。此外，还有位移、频率、临界力和能量约束的准则法。

用这些准则进行设计，构成了准则法的各种优化方法。如满应力设计优化法，就是以满应力为其准则，使结构构件中的应力达到材料的极限容许应力，从而使材料得到充分利用的一种工程结构优化方法。满应力设计法中最简单的一种方法是应力比法，它首先选择一组初始设计方案，按照力学分析求出各杆件在各工况中的最不利应力，将其与容许应力进行比较。若小于容许应力，则表示材料未充分发挥作用，可减小其截面；反之则增大其截面，重新进行迭代计算。迭代计算时，杆件截面面积分别乘上一个系数，它是当前杆件应力与容许应力之比。运用满应力设计法进行优化设计时，对一个结构设计方案在各种工况下进行结构整体分析，得到它的内力分布，然后把结构拆开成若干部分，根据各部分的受力状态进行分步优化，修改其设计变量，最后将各部分重新结合起来得到新的设计方案，这样完成一次迭代，接着进行下一次迭代，直至收敛。可见，满应力设计法是一个最简单的分步优化法，其他准则法则更加复杂。

以静定桁架结构为例，静定结构的特点是，当结构布局已定或已给荷载情况下，结构各杆件内力与杆件截面尺寸和所用材料无关。因而，在调整截面时，各杆件内力保持为已知常数。设第i杆件的内力为

且保持不变。

式中：Ai——第i杆件的截面面积；

　　　σi——第i杆件的应力。

应力比法的迭代过程如下：

（1）初始方案

根据设计经验或力学分析估选一个初始设计方案

称为初始点。对初始方案进行力学分析，求出各构件在各工况中的最不利应力

式中——第i杆件在第j工况的应力；

　　　——第i杆件在各工况中的最不利应力 。

（2）修改截面

将与其允许值 相比较，若 ＜表示材料未充分发挥作用，可减小截面；若 ＞表示材料超载，应增加其截面。对桁架结构，可用

式中 ——应力比。

若还规定有截面尺寸约束Ai≥，则

以，＝作 为下一轮迭代循环的起点。用同样的方法，求出如此循环，逐次逼近满应力解。

（3）迭代终止条件

当某一循环的起点和终点足够接近时，即

或当

时，即可终止迭代。式中，ε1和ε2为预定的精度。

应力比法是满应力设计的最简单迭代方法，静定结构满足内力不变的假定，一次循环就能得到满应力解。而对于超静定结构，由于杆件内力随本杆件及其他杆件截面改变而变化，内力不变假定不能满足，所以需要多次迭代才可能得到满应力解。

2）数学规划法

数学规划法是从解极值问题的数学原理出发，运用数学规划等以求得一系列设计参数的最优解。对于任意优化问题，都可以归结为如式（11．7）所示的数学模型。

在模型中，f（X）是目标函数，gj（X）、hk（X）是约束函数，它们均是设计变量向量X的函数。当三个函数均是线性函数时，称为线性规划问题，否则称为非线性规划问题。另外，还有动态规划、几何规划等。当m和p均为0时，称无约束优化问题，否则称为有约束优化问题。线性规划问题的基本解法是单纯形法。该法在约束界面上由一个顶点搜索到另一个顶点，一直找到最优解为止。非线性规划通常分为两类算法。①转化法：将受约束的非线性规划先转化为一系列无约束非线性规划，然后利用无约束优化算法求解，称为序列无约束优化算法，例如罚函数法等。②直接法：在优化中直接和约束相联系。其要点是在设计空间的可行区中从任选的一个设计点出发，寻找可行点的方向和合适的步长，由前一个点走到下一个点，每步检查，逐步逼向最优点。其遵循的原则是：不违背约束，且目标函数有所改善。各种走法包括求梯度的可行方向法和最速下降法等及不求梯度的复形法等。受约束非线性规划还可采用将原来的非线性规划转化为一系列比较简单的受约束数学规划来求解，如序列近似规划法、序列线性规划法、序列二次规划法，或者转化为无约束的数学规划方法。

仍以静定桁架结构为例。设某静定结构由N根杆件组成，有p种工况，第i杆在第j工况中最不利内力的绝对值为Fij（j＝1，2，…，p），设其中最不利者为Fi，即

满应力优化设计可归结为如下数学规划模型：

并满足

式中：ci（i＝1，2，…，N）均为正的已知常数。

只有应力约束时的结构最小体积设计、最轻重量设计或最低造价设计均可归纳为式（11．8）和式（11．9）的数学模型。

11．5．3　优化设计方法的发展

准则法最大优点是收敛快，要求重复分析次数一般跟变量数目没有多大关系，迭代次数通常10次左右，所以它能适用较大型结构的优化。但它的缺点是缺乏严格的理论根据，得到的解一般不是真正的最优解，而是接近优化的解，优化的目标也只限于重量最轻、体积最小或造价最低。近年来，国外学者对准则法作了较大的改进，它已能用于求解达到上百万个设计变量的问题。数学规划法的优点是有着严格的理论基础与较大的适应性，其缺点是求解的规模有时受到限制及求解效率较低。

于是，有研究者探求这两种方法的交流与渗透，在20世纪70年代末，形成了一种将二者结合起来的方法，称之为逼近概念方法。该方法充分运用力学理论和各种逼近手段，把高度非线性问题演化为一些逼近带显式的约束问题，成功地实现了简化，从而可以有效地运用数学规划法以迭代方法求解，所以又称为序列线性规划法。该方法首先用于桁架截面的优化，采用了杆件截面积倒数作为设计变量及对偶规划方法，从而取得了较好的优化效果。此后，国内外学者把逼近概念方法从桁架断面优化推广应用到梁、板、壳等结构尺寸优化、形状优化及离散优化，并取得了相当大的成果。

在现代结构优化技术中，由于数学规划有着前述的优点，特别是与有限元结构分析相结合后，它已经成为在方案确定情况下参数优化的主要方法与途径。但是，当今结构优化的发展已不仅是参数优化问题，而是要求方案优化。即优化的目标不再停留或局限在按函数极值理论求最优点，而是追求整体（或系统）优化和多目标优化等更高层次的优化。于是，一些新的系统化的结构优化技术，如仿生学方法、系统优化、自动优化、智能优化等开始出现。而对于大多数结构设计师和大多数工程结构设计来说，传统的直觉优化方法和试验优化方法由于易操作性、实用性和快捷性的特点，仍然得到广泛的应用。现代复杂结构的优化，则是多个优化技术的组合使用。

在实践中，一方面既要考虑设计需要实现的功能，以及工程安全性和可靠性，另一方面又要考虑工程造价的高低，要在这两者之间进行权衡，即要以最低的费用来实现设计产品的必要的功能。有关结构优化如果单纯从数学的角度用数值计算的方法来操作的话，意义不大，可操作性也不强。在工程实践中结合工程结构设计的特点，一般还有直觉优化、试验优化等的方法来优化结构。图11．5是目前常用的结构设计优化技术分类。

图11．5　常用结构设计优化技术分类

1）直觉优化

直觉优化是设计者根据经验和直觉知识，不需要通过分析计算就做出判断性选择的一种方法，所以又称为经验优化。直觉优化方法是传统的、常用的、也是简单易行的方法，它取决于设计者直觉知识的广泛性、经验判断的推理能力及丰富的设计技术。虽然随着计算机在建筑结构设计中得到广泛应用，结构设计师们已经从传统的公式运算中解放出来，但结构设计还有许多问题是计算机无法完全解决的。例如，对于同一建筑方案，可能有许多不同的结构布置方案；确定了结构布置的建筑物，即使在同种荷载情况下也存在不同的分析方法，分析过程中设计参数、材料、荷载的取值也不是唯一的，建筑物细部的处理更是不尽相同等。这些问题解决主要依靠结构设计师的主观判断，即在结构设计的一般规律指导下，依靠结构设计师的工程实践经验进行解决，这一过程称之为概念设计。所以，直觉优化又称为概念设计优化。

2）试验优化

当对设计对象的机理不是很清楚、或对其制造与施工经验不足、各个参数对设计指标的主次影响难以分清时，试验优化是一种可行的优化设计方法。根据模型试验所得结果，可以寻找出最优方案。

3）仿生学方法

随着仿生学的巨大进展，近十多年来人们对生物进化现象发生浓厚兴趣，因为它们在漫长演变过程中按照“适者生存”的原理逐渐从最简单的低等生命一直进化到人类，本身就是一个绝妙的优化过程。目前，模拟自然界进化的算法有模仿自然界过程算法与模仿自然界结构算法，主要分为基因遗传算法、模拟退火法和神经元网络算法等。

4）系统优化技术

系统优化是更大范围综合的优化，是从一个建筑结构工程整体角度去研究分析，以寻求综合效果的最佳，其目标一般为使设计具有良好功能前提下，获得整体性的近期和长远的经济效益。而传统设计（包括一般优化设计），只考虑到非整体性（构件或分部）的初始造价。工程结构设计一般应涉及三项费用——整体造价、维护费用与自然灾害带来的损失期望值，它们所反映出的近期与远期经济效益应统一地纳入到设计方案的计算中去，以便能定量地做出经济上的比较。

5）自动优化

自动优化技术自上世纪70年代末开始研究而发展起来，自动优化设计技术实际是计算机辅助设计（CAD）与优化理论相结合的结果。优化理论不仅能使设计优化目标得以实现，而且也能给设计带来某些方面的自动化。优化的理论与技术，在当今其功能与过去相比已明显地扩大，它与CAD自动化是相辅相成的，也是难以分离的。因为设计任务是科学地选择参数，在满足约束条件下，以实现某种目标的要求，故在设计过程中需要不断地选择最佳参数和评价方案，可以说CAD自动化在某种程度上要依靠优化来实现；另一方面随着图形功能的发展，从而迅速地推动了CAD的发展，于是大量CAD软件及工作站的出现，使计算技术的结构工程设计能力大大加强，这又对计算机提出了更高要求，即把优化方法纳入到CAD系统中来，以形成集成化程度更高的CAD系统。

6）智能优化

人工智能与优化理论相结合，从而构成了智能优化。计算机辅助技术的主要发展方向之一是人工智能，它的理论和技术得到应用的主要形式是专家系统。结构工程的专门知识可归结为两大部分：一部分为确定性内容，如公认的结论、能用计算公式所表达者等。这部分一般都已被归纳到现行的规范和手册中，以供随时使用；另一部分为经验性、判断性知识，专家系统的建立是为了把专家的知识和经验综合起来，结合数据进行分析和处理，并通过一定的法则，完成某些推理。在优化设计领域，可利用专家系统，即使在专家们不在场的情况下，也可以利用他们的知识和经验，对有关问题进行评价和决策。专家系统还可以将本次设计的某些新经验反馈给知识库，完成系统的自学习过程。

11.6　设计决策

美国电机工程发明与设计大师米登多夫（Middendorf，1986）指出：“工程设计是一个重复的决策制定活动。在这个活动中，为了满足人们的需求，设计师们应用科技知识来设计大致与他们所知的以前做出东西不同的系统、装置或者流程。”广义的设计决策包括设计方案比较全过程（图11．3），狭义的设计决策则是指设计方案比较程序的最后一个环节，即对设计方案的最终抉择。

从工程经济学角度，可以把工程设计看作是一种产品设计，但是与批量生产的工业产品不同的是，工程设计产品之间存在着差异性，即个性；与一般艺术品的完全独特性相比，工程设计产品应遵循共同的设计规范和设计标准等，即共性。个性是对创新性的追求，共性是对经济性的需求。决策者从自身的需求出发，从个性与共性之间寻求满足自身需求的平衡，选出认为最合理的方案。合理性是设计方案决策的依据。

11．6．1　设计合理性的判断准则

尽管有许多种方法支持设计方案的评选和决策，但实践中设计决策者的判断将最终决定方案的取舍。设计决策者对设计合理性进行判断的首要准则就是合目的性，即必须符合所确定的目标标准。正如前文多处所论及的那样，工程设计目标是一个多元价值系统，对设计合理性进行的决策也是基于多元目标的一个决策。

起初，人们对工程取舍更注重实用目的。以建筑设计为例，它包含了功能和美学两大范畴，尽管这并不是人们建筑活动的全部目的，但可以肯定地说，人类从事建造的最初冲动纯属是实用性的，只有在人类抽象思维的能力得到发展后，建筑作为象征的重要性才得以体现。从这个意义上讲，建筑在其发展过程中，建筑设计在其合乎实用目的性方面显得尤为重要。

随着时代的发展，工程作为一种经济产品和社会公共物品的属性日益凸显，这就迫使人们考虑设计合目的性与社会学（包括经济学）的内在联系。工程设计中开始强调使用者的需要，强调工程与其环境之间的关系，强调技术的特性。以建筑设计为例，在20世纪70年代初的“能源危机”之后，国际上流行的纪念式建筑风格已经让位，而更富有人性、更关注建筑使用者需要和更关心使用者生活方式的建筑风格正在涌现。设计过程中，建筑设计师有意识地寻求与规划师、结构工程师和社会学家进行更大范围的合作，把创新的工程技术和富于表现力的设计美学结合起来反映在建筑的人文主义价值观中。

但是，多元目标体系之间的冲突性是无法回避。如建筑设计中，更有意义的社会实效目的与建筑设计师对其作品的想法和感受可能会存在矛盾。然而，在对工程设计方案的决策中，夸大目标之间的分歧是没有意义的，要做出有效率的决策，需要寻找目标之间的共性。事实上，对不同设计方案差异性不在于工程的形式问题，最终都可落实在工程的社会效应上，在某种意义上，对工程设计的恰当评价的准则正在于此。20世纪80年代后提出的生态设计理论及实践的拓展，正是体现了设计合理性问题在人文价值目标上获得的全面定位。

因此，从设计决策的逻辑顺序来看，目的是人们做出决定的重要因素，这是确定无疑的。但是一个设计方案仅是合目的性还不行，还必须符合条件，包括公共政策、市场需求以及土地资源的利用模式等人文和自然条件等。目标是否合理并不是以目的本身是理性的或非理性来划分，也不是因为它是符合社会目标而非个人目标就更具有合理性，关键在于它是否合乎条件。例如，在现代建筑史中，“乌托邦”设计和规划理念的失败，并不是它不符合目的，而是因为它不符合条件，所以只能是一种空想。在实践中，有些设计和规划方案之所以被放弃、搁置和被推延，其重要原因也是不符合条件，缺乏可行性。

工程作为一种产品，属于社会生产范畴。设计则作为工程建设的先导和依据，任何决策都必然受目的和条件这两个基本要素的制约。目的决定设计的方向和主旨，条件则决定着设计的可行性和代价。

11．6．2　设计决策的潜在机制

工程设计的决策者是谁？这似乎是一个难以回答的问题。在现实生活中，也许很多人不懂得工程设计本身的特性，但是他们却不可避免地受到设计决策结果（或后果）的影响，人们的生活环境与质量随着设计决策的合理与否以及设计水平的高低而提高或降低。所以，工程相关的利益方有许多，就设计阶段而言，包括了工程项目的拥有者（业主单位）、使用者、设计者、政府及包括公众在内的与工程相关的第三方，他们从不同的角度和途径、以不同的方式影响着工程设计决策。

表面上，项目业主是设计方案的直接决策者，但事实上他只是拥有对最终方案的选择权，并依据设计师对方案的解释进行决策，而设计方案的细节及专业技术内容的决定权则属于设计师，业主只有一定的建议权。对于设计师而言，他们有权将他们对工程的构想变成可视的设计蓝图或模型，但他们对最终方案只是没有权力的建议者，有时他们脑力劳动成果在最终实物实现的过程中被很大程度地改动了，有时甚至被拒绝（方案竞选失败）。事实上，方案设计决策过程最具挑战性的方面是设计者与业主之间在某些关键问题上互不认同，并可能导致最终的合作失败。

政府通过制定设计边界规范（参见11．2．1）及其他的公共政策和标准作为业主或设计师选择和确定设计方案的约束条件，并通过项目立项和图纸审批程序否定或批准工程设计。公众及相关的第三方对项目设计方案决策的影响，一方面来自于代表他们利益的公共政策和能够维护工程公共安全的相关政府机构；另一方面，对于突破公共政策和公共安全监管约束的工程，公众可采用法律途径，甚至采取“集体行动”（这是一种不受鼓励的行为，甚至会演变为一种非法行为）来影响项目的最终决策。使用者对工程设计决策的影响可分为三种情况：一是有些工程的使用者就是业主自身，其影响前文已述；二是有些公共建筑（如学校、影剧院、体育场馆等）的使用者则为公众，兴办公共建筑的政府机构则代表公众利益，同时也行使业主的决策权力；三是有些商业建筑（住宅、写字楼等）的使用者为建筑物的购买者，他们的市场消费选择行为将影响房地产开发者对投资产品的决策。

设计决策的潜在机制使得设计方案的决策具有极大的挑战性，这源于工程利益相关者各自追求的价值目标侧重点上的差异。设计师从技术角度去思考问题，如建筑设计师会考虑空间尺度、领域感、色彩等，并追求个人的审美价值和空间形态创新。但是，其他工程利益相关者可能并不了解设计的专业知识，所以可能并不像设计师那样思考问题。政府可注重工程的政治因素，如“形象工程”；投资人注重市场因素，如消费者的需求倾向；公众则关注环境价值。工程项目或建筑物代表了一种投资对象，开发者和产权所有者有权获得合理的回报，所以他们有理由要求工程设计能满足他们对工程价值的预期。而从民主的或者伦理道德上的观念来看，受工程影响的公众同样应该对设计具有发言权。

这一潜在的决策机制并不是要求、也不可能做到让工程所有相关利益方都参与到工程设计决策中，事实上直接参与工程设计决策的仍只是业主与设计师，其他相关利益者对决策的影响都是间接地通过业主和设计师将在决策过程中将其他利益相关者对工程的价值主张融入到决策判断准则中。因此，这一种“融入”就显得相关重要。如果设计师或业主在设计决策中忽视了或者没有重视这种“融入”，则其他利益相关者必然会以其他的方式介入设计决策。这种“介入”必然会影响工程的实施，可能需要重新提出方案甚至否决工程。显然，这是业主和设计师都不愿意看到的事。从经济学角度来看，工程活动是将各种不同类型的资源转换成社会基础设施和生产生活场所的经济过程，而资源的稀缺性意味着在很大程度上可以将工程设计的直接用户利益与社会总体目标相统一。

从上述分析中可以得到这样的结论，尽管工程相关的利益各方对工程的理解都非常广泛，但是如果把社会公众和生活环境这些受设计影响的因素作为广义的“业主”的话，那么能够为“公众利益”提供服务的设计决策机制就会形成，而机制的关键是业主和设计师在决策中将其他无法直接参与决策的利益相关者的价值诉求纳入到决策判断的准则——目的与条件中。现在的问题是，如何来实现这样的机制？

在资源与环境问题尚未引起普遍关注的时候，工程设计的主导思想是以直接的业主为中心，满足人的当前需求为目的，以产品是否顺利在市场上实现经济价值作为评价设计成败的标准。然而，随着资源与环境问题的日益严峻，“建设性破坏”这一极具时代色彩的词汇出现了，这意味着宏观领域的问题对于微观的设计领域影响已经显得极其重要。宏观领域的资源与环境效益与工程全寿命周期各个阶段，包括规划、设计、投资、采购、施工、维护和运行使用等，有着不可分割的联系，于是全寿命周期费用理论被提了出来。而工程设计及其决策是工程全寿周期转换过程中的一个关键环节，它对于全寿命周期费用起着至关重要的作用。

于是，基于全寿命周期费用理论的评价方法——LCA（Life Cycle Assessment）在设计决策中得到应用。20世纪90年代以来，随着可持续发展思想的广泛传播，绿色建筑和低碳建筑概念的产生，LCA的方法也正在建筑材料、工程技术乃至整个设计领域寻找新的专业结合点，诞生了许多新颖的设计思念和术语，如“从摇篮到坟墓”分析（Cradle to Grave Analysis）、生态平衡（Eco－balance）、生态面分析（Eco－profile Analysis）、为环境而设计（Design for Environment）、工程生态学（Industrial Ecology）、生态设计（Eco－design）等。

可以说，实现设计决策潜在机制的有效路径是采用寿命周期评价方法。在这个意义上，工程设计决策不仅是表明一个方案的确定，而且更能体现为微观与宏观相协调的一个过程，并使得工程设计决策的合目的性走向工程全寿命期过程合理性，契合了工程建设作为一种社会生产活动而存在的意义。

11．6．3　设计决策方法

设计方案决策过程通常有两种情形：一个是从整体式的，即对提出的多个设计方案进行最终效益的一次性预期评价，并做出判断和选择；另一个是分阶段式的，从设计开始到最后的每一阶段都进行评价和选择，通过积累性的评价来获得合目的性和条件的设计方案。无论哪种情形，显然决策的结果总是选择更有优势的方案。如果一个方案在各项指标都比另一个方案有着绝对优势，这样决策很容易。但是，绝对优势是有条件或者是有范围限制的，在一定条件下或一定范围内有绝对优势，超越了限定的条件或范围，优势可能就不复存在了。特别是，工程设计多元价值指标之间的冲突和设计潜在的决策机制决定了在实践中几乎很难找到“绝对优势”的设计方案，这是设计决策面临的困境。解决设计决策困境的方法还得从经济学中寻找。

在经济学中，“绝对优势”这一术语用来衡量两个具有相同性能产品之间的投入与产出关系，产出相同而投入生产要素较少的产品生产者在生产这类物品上具有绝对优势。西方古典经济学代表人物亚当·斯密在其著作《国民财富的性质和原因的研究》中提出了绝对成本说（Theory of Absolute Cost），又称为绝对优势理论（Theory of Absolute Advantage）。该理论的基本精神是各国按成本的绝对优势或绝对利益进行分工生产产品并交换，将会使各国的资源、劳动和资本得到最有效的利用，大大提高劳动生产率和增加物质财富，并使各国从贸易中获益。绝对成本说解决了具有不同优势的国家之间的分工和交换的合理性。但是，这只是国际贸易中的一种特例。如果一个国家在各方面都处于绝对优势，而另一个国家在各方面则都处于绝对劣势，那么它们之间应该怎么样？斯密的理论对此无法做出回答。

斯密之后的古典经济学另一位代表人物大卫·李嘉图在其著作《政治经济学及赋税原理》中提出了比较成本学说（Theory of Comparative Cost），后人称为比较优势理论（Theory of Comparative Advantage），对上述问题做了完美的解释。比较成本学说认为，国际贸易产生的基础并不限于生产技术的绝对差别，只要各国之间存在着生产技术上的相对差别，就会出现生产成本和产品价格的相对差别，从而使各国在不同的产品上具有比较优势，使国际分工和国际贸易成为可能，进而获得比较利益。例如，假设A国投入1个劳动力，能生产衣服3件，或者电子产品6件，而B国同样投入1个劳动力，能生产衣服2件或者电子产品3件。可见，无论制衣与电子加工B国的效率都赶不上A国，但这决不意味着在国际竞争中，B国的制衣、电子行业均会被A国同行挤掉。计算一下就可发现，在A国要多生产1件衣服，必须放弃2件电子产品，而在B国多生产1件衣服，只需放弃3／2件电子产品。也就是说，A国生产衣服的机会成本要比B国高，生产电子产品则相反。对A国最有利的战略不是凭技术优势将B国的所有行业挤掉，而是集中生产自己机会成本低的产品，而将机会成本高的产品交给B国去生产，然后交换自己所需的产品，都能获得贸易利益。可见，在经济学中，“比较优势”这一术语的含义就是生产机会成本较低的产品在生产中具有比较优势。

从发展历程看，比较优势理论发生了较大的变化，在研究领域上由一般贸易理论发展成为产业分析和决策的工具，在方法上从静态、单因素、一方、单对象、变动适应的比较扩展到动态、多因素、多方、多对象、主要创造的比较。比较优势原理也成为设计决策的主要方法，被设计决策者们自觉或不自觉地应用到设计决策中。下面通过例子来说明这一应用。

以住宅设计决策为例，考虑两种情况：一个是北方城市中建有大面积水景的住宅小区，另一个是在南方地区建设具有相同标准和条件的水景住宅。由于自然条件因素，北方水环境面临蒸发量大、降水不足、地下径流严重、后期水源养护等问题，所以北方带有超大水面的住宅小区建设平均成本要明确高于南方。如果住宅的销售价格一样，那么南方水景住宅比北方水景住宅具有绝对优势。在上述条件下，水景住宅建在北方还是建在南方的决策显然是相当容易的一件事。北方水景住宅的寿命周期成本明显高于南方水景住宅，所以在南方开发水景住宅方案更为合理，既合乎目的，也合乎条件。

但是，上述分析只是从资源使用的角度，并基于南北方住宅价格相同，这样一种理想化的情况，未考虑它们所面临的市场差异。房地产经济学研究表明，城市住宅市场是一种地区性市场，存在着明显的区域差异化特征。假如在南方地区某个滨水城市，城市水域分布较广，开发水景住宅的获利程度可能并不如普通住宅；而假如在北方某个城市，由于水景住宅的稀缺性，它可能有着很好的市场预期。在这些情况下，绝对优势原理似乎无法再给出合理的决策解释。因此，对设计方案选择或者对建筑效益预期评价过程中，作为一个理性决策者，不仅要考虑绝对优势，还要考虑比较优势。

还是以住宅设计决策为例来说明这一原理。假设，某地块开发考虑在两种方案中选择：一个方案是水景住宅；另一个方案是与特定资源条件无关的普通住宅。选择其中一个就意味着必须放弃另一个，即前者的实施是以放弃后者为代价，这就是机会成本。两个方案之间是替代关系，即它们互相作为对方的机会成本而存在。在相同的市场条件下，如果水景住宅获利较高，那么开发普通住宅的机会成本就高；反之，如果开发普通住宅获利较少，那么开发水景住宅的机会成本就低，就具有了比较优势。很显然，比较优势原理较好地反映了市场状况，并很好地解释了为什么在北方缺水的城市之所以开发水景住宅，在建设用地短缺的地区之所以开发花园别墅，在旧城改造中之所以采取居住与商业土地功能置换，以及出现小区开发由普通标准配置向文化体育居住复合地产项目的转变等现象。这些现象都可以看作是由机会成本衡量而引出的考虑比较优势所采取合理的市场行为。

相对机会成本所体现的比较优势为设计决策提供了可靠的方法，这也意味着对设计方案机会成本识别和合理估量的重要意义。例如，在北方缺水城市建设水景住宅，在水资源紧缺、水价逐年上调等条件下，水景因素对项目的长期综合效益的影响是非常大的，所以在对其环境效益、社会效益和经济效益评价中，可以把人工水景作为一个重要因素加以考虑，分析其投入与收益关系，在可能的限度内选定最高美化目的方案。一些创新的设计与技术也由此而诞生，如利用中水处理技术，建立中水回用设施，用于北方地区缺水城市的人工水景系统和绿化浇灌。实际上，随着对水资源问题的重视、用水配额制的推行、水价的提升，南方一些城市的人工水景也开始应用中水系统。

另外一个应该注意的问题是，许多情况下人们应从更大的范围来考虑机会成本，并重新估量原先可能已经定论的比较优势。实践中出现的一些问题，很值得深思。例如，为居住者的方便，原有的小区绿地就得改建为商铺或停车位吗？经济适用房难道只能建在交通不便、公共设施不全的偏远地块吗？为降低建设成本，政府廉租房的设计就不需要节能构造了吗？在旧城改造中，原来居住的贫困居民就应该被大量迁出，西方社会学家所称的“过滤”（filtering）现象是无法避免的吗？等等。诸如此类的问题，人们也许可以从不同的角度进行研究，但显然设计决策起到了决定性的作用。

实践证明，经济、社会及环境效益以及单项与整体效益之间，往往会发生矛盾或冲突，需要综合协调。设计决策中，为避免这些冲突，有必要确立一些优先次序，基本原则如下：

（1）所有的工程设计都必须达到国家规定的质量与环境指标。

（2）一般情况下，工程效益要服从社会整体效益。对于大型建设项目，这一点尤其显得必要。

（3）其他的各种效益冲突，应由设计师或者在设计师的建议下由业主根据项目的性质、规模以及冲突的具体内容和程度，在保证环境与社会效益的基础上，通过对机会成本的衡量和对边际效用的比较来综合考虑工程的整体效益，避免或最大程度地减少冲突。

习　题

1．列举工程设计中除土地资源边界条件之外的其他一些设计可能性边界条件，并进行讨论。

2．分析工程设计各类价值要素或目标之间的关系。

3．以工程设计实例说明各类工程设计价值要素之间的相关关系。

4．我国的建筑设计方针是“适用、经济、安全、美观”，也有专家建议，现在还应加上“环境质量”、“生态性”等作为共同的目标群。试论述它们之间存在的交替和相互竞争关系所形成的代价与机会成本。

5．某开发商开发的别墅区，在设计时设计师考虑选择家用中央空调系统。该别墅区每幢各三层，建筑面积大约都在230m2，每座别墅需要配备空调的房间有8间，安装水系统家用中央空调系统，需要配置9台室内风盘。现有两种品牌的家用中央空调系统供选择：①A型初始购置费（包括安装费用）为7．6万元，年平均运行费用4260元（按现行电价计算）；②B型初始购置费（包括安装费用）为6．0万元，年平均运行费用6300元（按现行电价计算）。空调平均使用寿命为20年，均没有残值。基准收益率为6%。

（1）用单指标评价方法选择最优型号。

（2）假设空调的使用寿命不确定，如何选择？

（3）与B型相比，A型为一知名品牌，具有低故障率、稳定性好、运行可靠、智能化程度高、售后服务体系完善等优势，综合考虑以上因素，又如何进行选择？

6．选择图11．5某一类优化技术，搜集相关文献资料，撰写一篇3000字以上的读书报告。

7．讨论建设性破坏的观念对于构建设计决策机制的意义。

8．选择一种新的设计理念，并论述它们对设计决策的影响。

9．中国有句古语：两害相权取其轻，两利相权取其重。可以说，它体现了比较优势原理的基本精神。举例阐述这一理念在设计决策中的应用。