王 飛 趙永偉 馬俊杰 賈雁凱

上海中建海外發(fā)展有限公司 上海 200125

在國內(nèi)工程項(xiàng)目建設(shè)過程中，通常把設(shè)計(jì)、施工相分離，這導(dǎo)致設(shè)計(jì)質(zhì)量與施工成本控制難以保證，項(xiàng)目綜合效益往往無法達(dá)到最大化[1]。在國際項(xiàng)目工程合同中，根據(jù)FIDIC合同條款的要求，EPC工程應(yīng)由總承包商負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、采購、施工等工作。這將對總承包單位提出更高要求，不僅要有一定的設(shè)計(jì)能力和施工能力，更要以全局化的思維對建筑功能、設(shè)計(jì)質(zhì)量、工程成本、工期和施工效率等綜合考慮，而價(jià)值工程則是總承包單位對工程項(xiàng)目進(jìn)行管控時(shí)最為重要的手段和工具[2-3]。以提前介入設(shè)計(jì)為主線，通過設(shè)計(jì)過程中的深化、優(yōu)化和施工經(jīng)驗(yàn)融入，達(dá)到綜合效益最大化的目的[4]。本文將從施工圖優(yōu)化和計(jì)算參數(shù)優(yōu)化2個(gè)角度開展價(jià)值工程深化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了超高層標(biāo)志性建筑Iconic Tower建筑功能優(yōu)化、施工成本控制、施工便利性提高、工期縮短的價(jià)值工程控制目標(biāo)。

1 工程概況

埃及新首都CBD項(xiàng)目位于新首都核心區(qū)，包括1棟超高層標(biāo)志性建筑Iconic Tower、12棟超高層商業(yè)辦公樓、5棟高層公寓和2棟高檔酒店。Iconic Tower總建筑面積246 000 m2，高度約385.8 m，地下2層，地上79層，是一座集辦公、酒店、商業(yè)、觀光等多功能于一體的現(xiàn)代超高層商業(yè)項(xiàng)目。Iconic Tower的結(jié)構(gòu)體系為框架核心筒結(jié)構(gòu)，外部為鋼框架，內(nèi)部為鋼筋混凝土核心筒，采用壓型鋼板混凝土組合樓板。建筑為筏板基礎(chǔ)，筏板厚5 m，如圖1（a）所示。外框柱為鋼管混凝土柱，底部直徑1 600 m，頂部縮減到750 mm，核心筒剪力墻由底部的厚1 200 mm縮減到頂部的厚400 mm。為增強(qiáng)核心筒和外框的整體工作性能，分別在29、40、54層設(shè)置伸臂桁架，如圖1（b）所示。

圖1 Iconic Tower豎向構(gòu)件及伸臂桁架

2 施工圖優(yōu)化

在施工圖設(shè)計(jì)階段，價(jià)值工程的重點(diǎn)已經(jīng)從成本控制轉(zhuǎn)移到可實(shí)施性，此階段應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注施工工期和施工便捷性。在具體實(shí)施中，對施工圖中影響爬模架設(shè)的梁（含連梁、暗梁）、鋼梁預(yù)埋件、鋼管混凝土縱筋、伸臂桁架等內(nèi)容進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2.1 核心筒內(nèi)混凝土梁優(yōu)化

在原設(shè)計(jì)圖紙中，核心筒內(nèi)有1道混凝土連梁，嚴(yán)重影響模架爬升，按原設(shè)計(jì)方案需對爬模進(jìn)行改造，費(fèi)工費(fèi)時(shí)，不但影響工程進(jìn)度，而且會(huì)影響爬模體系的整體穩(wěn)定性，對此，經(jīng)過對取消前后的模型進(jìn)行模態(tài)分析、基底剪力分析、層間位移角分析、層間位移分析、相鄰剪力墻的內(nèi)力分析等工作后，認(rèn)為設(shè)計(jì)可取消此混凝土梁，建議改為鋼梁后做（圖2）。

圖2 取消影響爬模的連梁

首先，對原設(shè)計(jì)方案及擬調(diào)整方案運(yùn)用ETABS結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算分析，分別對2種方案的自振模態(tài)、基底剪力、層間位移角、層間位移、相鄰剪力墻剪力等基本參數(shù)進(jìn)行了對比分析。

經(jīng)多參數(shù)比較后發(fā)現(xiàn)，取消此處核心筒內(nèi)混凝土梁對結(jié)構(gòu)的整體指標(biāo)及相鄰混凝土剪力墻的影響均可忽略不計(jì)。為此，向設(shè)計(jì)方提請?jiān)O(shè)計(jì)變更，取消筒內(nèi)連梁，累計(jì)節(jié)約成本約33.6萬元。

2.2 鋼梁預(yù)埋件優(yōu)化

主、次鋼梁與核心筒連接處采用鉸接連接，主要承受剪力。原設(shè)計(jì)沒有將埋件規(guī)格適當(dāng)歸并，設(shè)計(jì)荷載過于保守，導(dǎo)致設(shè)計(jì)的埋件錨筋規(guī)格偏大、錨固長度過長，且采用彎錨方式，錨板過厚，諸因素疊加后對施工進(jìn)度造成極大的障礙，嚴(yán)重影響工期。因此有必要對核心筒預(yù)埋件進(jìn)行更加精細(xì)化的計(jì)算分析，適當(dāng)歸并分類，使用便于施工的錨固方式。圖3為埋件優(yōu)化前后的實(shí)物圖。

圖3 優(yōu)化前后的預(yù)埋件做法示意

通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算分析，并與設(shè)計(jì)方進(jìn)行充分溝通后，對鋼梁預(yù)埋件錨筋進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，簡化了施工工藝，提高了施工效率，保證了工期。

2.3 鋼管混凝土柱縱筋優(yōu)化

原設(shè)計(jì)圖紙（按埃及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范版）鋼管混凝土柱內(nèi)設(shè)有縱向鋼筋，配鋼率達(dá)到19%以上，遠(yuǎn)超國內(nèi)相關(guān)規(guī)范的配筋率限值。通過對美標(biāo)、國標(biāo)及埃標(biāo)的研究對比，美國標(biāo)準(zhǔn)AISC-360—2010《鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》和中國標(biāo)準(zhǔn)GB 50936—2014《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》對鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)中的鋼管混凝土均無內(nèi)部配筋的構(gòu)造要求。鋼管混凝土柱內(nèi)設(shè)置縱向鋼筋施工難度大，且與鋼管安裝沖突，嚴(yán)重影響工程進(jìn)度。為此，通過數(shù)值計(jì)算方法，運(yùn)用Xtract、ETABS論證鋼管混凝土柱內(nèi)埋設(shè)縱向鋼筋的合理性。圖4為鋼管混凝土柱計(jì)算截面對比。

圖4 鋼管混凝土柱計(jì)算截面對比

經(jīng)計(jì)算分析，得到以下結(jié)論：

1）基于Xtract的壓彎包絡(luò)分析（PM Interaction）數(shù)據(jù)，調(diào)整前后鋼管混凝土柱截面性能基本無差別，相差在3%以內(nèi)，取消鋼管混凝土柱內(nèi)縱筋對原設(shè)計(jì)無影響。

2）基于ETABS計(jì)算結(jié)果，調(diào)整前后鋼管混凝土柱截面性能差別很小，取消鋼管混凝土柱內(nèi)縱筋對原設(shè)計(jì)無 影響。

3）鋼管對混凝土的約束遠(yuǎn)大于鋼筋的約束能力，建議取消鋼管混凝土內(nèi)縱向鋼筋布置。

2.4 核心筒交叉暗梁優(yōu)化

原設(shè)計(jì)核心筒內(nèi)部連梁為交叉暗梁（交叉暗筋），交叉暗梁的鋼筋綁扎密度巨大，對施工極為不利，嚴(yán)重影響爬模施工的效率。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工角度綜合考慮，論證是否有必要均采用帶交叉暗梁的連梁，同時(shí)減少交叉暗梁鋼筋用量將極大地優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系，降低施工難度。

根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力分析結(jié)果，對美標(biāo)及埃標(biāo)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)比較，并基于此給出了相應(yīng)的優(yōu)化意見。表1、表2分別為美標(biāo)、埃標(biāo)斜向鋼筋的連梁優(yōu)化意見。

表1 美標(biāo)斜向鋼筋的連梁優(yōu)化

表2 埃標(biāo)斜向鋼筋的連梁優(yōu)化

2.5 伸臂桁架優(yōu)化

原設(shè)計(jì)在每個(gè)設(shè)備層處x向均設(shè)置了4道伸臂桁架，而x向南側(cè)2道伸臂桁架與墻肢面外相連接，桁架工作性能無法得到高效體現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)也無法滿足安全要求，伸臂桁架布置如圖6所示。

針對原設(shè)計(jì)伸臂桁架結(jié)構(gòu)與建議取消x向伸臂桁架后的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，調(diào)整前后整體結(jié)構(gòu)的周期、位移、層間位移角、桿件內(nèi)力差別均很小，故認(rèn)為取消x向部分伸臂桁架對結(jié)構(gòu)影響極小。

2.6 連梁高度優(yōu)化

原設(shè)計(jì)圖紙，5—49層因爬模的需要，連梁CB14截面高度需從1 600 mm變?yōu)? 400 mm，為分析連梁截面高度改變對結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)和周邊構(gòu)件的影響，進(jìn)行了截面高度改變前與改變后的對比研究。連梁CB14的位置如圖7所示。

圖6 x向伸臂桁架布置

圖7 CB14位置示意

根據(jù)連梁高度改變對結(jié)構(gòu)的整體指標(biāo)分析，可以得出以下結(jié)論：

5—49層將連梁（CB14）高度由1 600 mm改為1 400 mm，對整體指標(biāo)和連梁剪力的影響都比較小，基本均控制在5%以內(nèi)，可以認(rèn)為此改變對兩者沒有影響，建議將連梁（CB14）高度由1 600 mm改為1 400 mm。

3 埃標(biāo)與美標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

埃標(biāo)（簡稱ECP，下同）與美標(biāo)（簡稱ASCE7-10，下同）2種規(guī)范體系的地震作用計(jì)算存在巨大差異，這種巨大差異對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建造成本造成重大影響，若建議業(yè)主采用較為先進(jìn)的美標(biāo)體系，將對整個(gè)工期和造價(jià)帶來巨大的利好。為此，進(jìn)行了2種規(guī)范體系下的地震作用計(jì)算對比分析，圖8為2種規(guī)范所規(guī)定的反應(yīng)譜曲線。由圖8可見，埃標(biāo)地震反應(yīng)譜曲線最大結(jié)構(gòu)周期僅為4 s，本工程基本周期為9.6 s，已超出規(guī)范上限值，而美標(biāo)反應(yīng)譜曲線則為一下降曲線，如圖8（b）所示。為對比2種反應(yīng)譜曲線對設(shè)計(jì)的巨大影響，本文將從結(jié)構(gòu)內(nèi)力、整體指標(biāo)、用鋼量三方面進(jìn)行全面的對比分析。

圖8 埃標(biāo)與美標(biāo)反應(yīng)譜曲線示意

3.1 結(jié)構(gòu)內(nèi)力對比

從模型中選取12、37、52、68層作為典型樓層計(jì)算墻、柱內(nèi)力變化，對比ASCE7-10與ECP內(nèi)力計(jì)算結(jié)果的差異。圖9為墻、柱位置編號。2種標(biāo)準(zhǔn)地震工況作用下計(jì)算結(jié)果如表3所示。

由表3可見，ECP與ASCE7-10單工況地震作用下，對墻內(nèi)力的平均影響為38%，而對柱子的影響比較大，平均為52%，ECP計(jì)算內(nèi)力相比ASCE7-10偏大。

3.2 變形指標(biāo)對比

變形指標(biāo)采用層間位移角量化，圖10為ECP與ASCE7-10規(guī)范地震作用下x向、y向的層間位移角對比。

圖9 墻、柱位置編號示意

表3 各層墻柱不同規(guī)范內(nèi)力計(jì)算結(jié)果對比

圖10 ECP與ASCE7-10的層間位移角對比

通過計(jì)算對比，ECP計(jì)算得出的單工況下層間位移角約為ASCE7-10計(jì)算結(jié)果的4倍。

3.3 墻體用鋼量對比

為分析ECP與ASCE7-10對剪力墻配筋的影響，圖11給出了12、37、52、68層的剪力墻配筋的對比。經(jīng)計(jì)算，得知12、37、52、68層的剪力墻配筋差值分別為35%、20%、0.3%、0.2%。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以得知：下部樓層的剪力墻用鋼量的計(jì)算結(jié)果差別較大，平均相差約28%；而上部樓層的墻體構(gòu)造配筋控制，兩者差別很小。整體計(jì)算下來，采用美標(biāo)計(jì)算地震作用，可減少地震荷載30%，剪力墻鋼筋優(yōu)化近1 500 t。

4 結(jié)語

Iconic Tower項(xiàng)目價(jià)值工程的優(yōu)化實(shí)踐以提前介入設(shè)計(jì)為主線，以專家經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，全面考慮施工圖設(shè)計(jì)中不合理性、施工可操作性及不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工差異性等因素，提出了調(diào)整核心筒結(jié)構(gòu)布局、伸臂桁架結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化、鋼管混凝內(nèi)置縱筋優(yōu)化、不同標(biāo)準(zhǔn)下的計(jì)算參數(shù)優(yōu)化等方案，通過設(shè)計(jì)過程中的深化、優(yōu)化和施工經(jīng)驗(yàn)融入，達(dá)到優(yōu)化建筑功能布局、提升設(shè)計(jì)品質(zhì)和質(zhì)量、提高施工效率和控制項(xiàng)目成本的目的。

圖11 剪力墻剪力對比