楊世杰

（中國鐵建國際集團有限公司，北京 100855）

1 引言

設計工作是建筑工程實施的基礎，對工程造價的影響顯著。據相關資料統(tǒng)計，設計方案對工程造價的影響可達到總造價的75%～95%，結構設計對應的土建費用一般占工程造價的30%以上。因此，把控好結構設計方案，對項目工程造價的控制將起到關鍵的作用。已經有越來越多的建設方，將結構設計方案的優(yōu)化工作作為成本控制的一項重要任務和手段。而結構設計方案把控的手段，就是對結構設計方案進行優(yōu)化。

盧賽爾體育場項目是卡塔爾2022年足球世界杯（FIFA）比賽的主賽場項目，該項目由中國鐵建股份有限公司（下稱CRCC）與卡塔爾HBK施工總承包公司（下稱HBK）組成的緊密型聯(lián)合體（下稱JV）于2016年10月份中標。在各種中標因素里，結構設計方案優(yōu)化工作起到了至關重要的作用，正是因為它，才使得整個項目工程造價從56億卡幣（約15.4億美元）降到28億卡幣（約7.7億美元）成為可能，實現(xiàn)了業(yè)主要求的限價競標要求。

2 項目概況及背景介紹

2.1 項目概況

盧賽爾體育場項目是2022年卡塔爾FIFA（國際足球聯(lián)合會）比賽的主賽場，位于卡塔爾首都多哈市北部約20 km的盧賽爾新城，東鄰海濱，西臨豪爾海濱公路，項目主體區(qū)域占地約1.6×105m2，整個項目大場區(qū)占地約8.0×105m2。

項目業(yè)主為“卡塔爾國家建設及開發(fā)最高委員會”（SC），是卡塔爾政府專門成立的一個世界杯組委會的管理機構，統(tǒng)一管理FIFA體育場館和配套設施建設。

2.2 背景介紹

2015年12月，SC面向國際市場發(fā)布盧賽爾體育場項目招標公告進行招標。2016年4月28日，卡塔爾HBK施工總承包公司（HBK）與中國鐵建股份有限公司（CRCC）組成的緊密型聯(lián)合體（JV）通過了SC招標資審。2016年5月6日，JV獲得了招標文件并開始組織投標工作。標書內設計方案圖紙和文件由英國福斯特建筑事務所（Foster+Partner）和英國奧雅納工程咨詢公司（A rup）公司提供，根據設計圖紙估算，該項目工程造價約56億卡幣，而業(yè)主要求該項目投標總價不得超過28億卡幣。

經過JV分析和商討，一致認為常規(guī)的商務手段已遠不能實現(xiàn)這一目標，并且通過施工工藝、工法、材料替換等優(yōu)化方法，優(yōu)化效果也非常有限。因此，JV決定從設計方案著手，在保持原功能和要求的基礎上進行優(yōu)化和改進。鑒于土建費用占到了估算總成本的40%，結構設計方案的優(yōu)化任務異常艱巨。

3 結構設計方案優(yōu)化思路

3.1 原方案介紹

由于結構設計專業(yè)輔助于建筑專業(yè)，因此，在熟悉和研究現(xiàn)有結構方案之前，需要先對建筑方案進行充分了解。根據Foster+Partner的建筑圖紙和資料可知，體育場外形呈碗狀，外立面為金色三角形網格圍攏的玻璃幕墻，幕墻底部有24個巨型柱支撐，項目效果見圖1。

圖1 項目效果

體育場屋頂呈馬鞍形，投影區(qū)域最大跨度300m，帶天眼開口，天眼跨度122m，屋面覆蓋有2層膜。球場為下沉式，看臺分高、中、低3個分段，高區(qū)看臺外圈為通透中庭，如圖2所示。建筑平面中有24個核心筒與外部24個巨型支柱相對應。整個體育場地上12層（含設備夾層），地下4層（含地下夾層），建筑總高度67 m，總建筑面積24×104m2，看臺最多可容納約92 000人。原結構方案分4個結構體系：基礎結構體系、主體看臺結構體系、外幕墻及屋面支撐結構體系和屋面結構體系。

圖2 剖面示意圖

3.1.1 基礎結構體系

基礎的結構形式為樁筏基礎，范圍包括主體看臺下及球場區(qū)域（見圖3）：（1）地下設計水位標高+5.000m，歷史水位最高+1.000m，球場標高+0.300m，室外路面標高+7.200m；（2）球場為下沉式，且設計水位較高，因而存在抗拔樁以解決抗浮問題；（3）樁徑以600mm居多，筏板厚度不等，看臺低區(qū)下筏板厚為500mm，看臺高區(qū)下筏板厚為2 000mm；（4）地質條件為沉積巖構造，成分以石灰石為主，地基承載力特征值高，約為750 kPa。

圖3 基礎示意圖

3.1.2 主體看臺結構體系

主體看臺的結構形式為框剪結構（見圖4）：（1）看臺主體結構被8道水平施工縫分為8個獨立的結構單元，核心筒布置于看臺高區(qū)外側，剪力墻厚度不等，最大厚度為600mm；（2）建筑軸網為放射狀橢圓形布置，軸網間距不等，最大間距約12m；（3）柱截面多為直徑1 000mm的圓形柱，框架梁單向布置，截面以800mm×1 000mm居多，樓板以單向板為主，樓板厚度多為275mm；（4）看臺板為預制構件，支撐于現(xiàn)澆混凝土看臺斜梁上。

圖4 混凝土看臺示意圖

3.1.3 外幕墻及屋面支撐結構體系

外幕墻及屋面支撐體系的結構形式為鋼結構（見圖5）：（1）屋面支撐體系主要由頂部受拉環(huán)、底部受壓環(huán)和上下環(huán)間的A字鋼柱組成，外幕墻支撐體系主要由A字連接的箱型主肋及交叉的雙層斜次肋組成，頂部通過腹桿與受拉環(huán)相連，底部與受壓環(huán)相連形成一套體系；（2）其中箱型主肋截面為2 000mm×600mm×25mm×25mm，A字鋼柱最大直徑為2 000mm，壁厚60mm，頂部受拉環(huán)直徑為1 500mm，底部受壓環(huán)直徑為2 000mm；（3）整個鋼結構體系通過24個球星支座固定于24個巨型混凝土支座上，巨型混凝土支座截面為2 500mm×6 500mm。

圖5 主鋼結構示意圖

3.1.4 屋面結構體系

屋面體系的結構形式為索網結構，有48組魚腹式徑向索兩側相連與外部屋面受壓環(huán)和內部天眼環(huán)形索，除徑向索與環(huán)索外，屋面還設置有水平交叉次索和豎向交叉次索，整個索網呈馬鞍面造型（見圖6）：（1）徑向索為雙根布置，采用封閉索，上索直徑100mm，下索直徑70mm；（2）環(huán)索采用封閉索，上下各14根，索徑90 mm。索網上布置有馬道及拱桿等次鋼構。

圖6 屋面索網示意圖

3.2 結構設計方案優(yōu)化原則

（1）以保證結構安全性及FIFA賽事的功能性為基礎；（2）以最大限度提升結構的經濟性為目標，且兼顧施工便利性；（3）滿足設計規(guī)范要求、卡塔爾當地標準要求、業(yè)主技術要求、綠色建筑評價體系（GSAS）4星環(huán)保要求等；（4）盡最大可能保證原建筑方案的整體外觀效果。

4 結構設計方案優(yōu)化分析與措施

4.1 優(yōu)化樓層數量

4.1.1 分析

1）優(yōu)化樓層數量，取消不必要的樓層，將可使用對應結構的水平構件取消，以減少梁板混凝土量、鋼筋量和模板量。

2）減少基礎承擔的上部荷載與基礎構件截面。如可減少筏板厚度、樁徑、樁長、樁承臺尺寸，同時還可以降低混凝土及鋼筋用量、基坑土方開挖量等。

鑒于2022年FIFA賽事由夏季調整到了冬季，而原設計方案是根據夏季舉行賽事設計的，因此空調負荷需求量將會縮減，原設計樓層中許多設備夾層將有條件取消。

4.1.2 措施

經過建筑和機電專業(yè)進一步的分析研究和調整，原地上11個樓層優(yōu)化為8個樓層。因此，看臺主體內水平構件減少，上部結構傳給基礎的荷載減小，可有效減少混凝土的工程量[1]。

4.2 優(yōu)化建筑體量

4.2.1 分析

原方案看臺布置松散，造成整個建筑體量較大。如果將看臺緊湊排布，縮小看臺投影面積，不僅整個建筑的體量會縮小，而且主體結構工程量也會減少。此時，基礎面積、鋼結構工程量、幕墻面積及幕墻龍骨量、屋頂膜面面積及屋面索網工程量也會隨之按比例減少，這對優(yōu)化后的經濟性非常好。

原方案看臺座椅寬度比FIFA要求富裕很多，且看臺視點位置及視線升高差也有調整余量，因此建筑專業(yè)將看臺座椅重新優(yōu)化排布，從而調整了整個建筑的體量。

4.2.2 措施

（1）體育場建筑軸網由原先橢圓形放射狀優(yōu)化為4個方向正交的軸網；（2）看臺布置以滿足FIFA最低標準為條件重新調整布置；（3）核心筒及柱網也做了相應調整。調整后，整個向內縮小了10m，即最外圈少了一跨柱網（見圖7和圖8）。使整個體育場結構工程包括基礎、看臺結構、鋼結構和屋面索網結構量大幅減少。由于最外圈柱網取消，看臺上部5層以上樓板將面臨懸挑問題。為使用懸挑梁及憑借鋼結構的A柱作為受力支撐，懸挑樓板可做復合樓板處理。

圖7 建筑輪廓優(yōu)化對比圖

圖8 建筑平面投影優(yōu)化對比圖

4.3 抬高基礎

4.3.1 分析

由于球場標高為+0.300m，設計地下水位標高為+5.000m，因此基礎設計存在抗浮問題，且球場及地下室基礎筏板較厚，同時還存在很多抗拔樁。若將基礎抬高至地下水位之上，則可解決抗浮問題，抗拔樁也可全部取消，筏板厚度可減小，擋土墻厚度及配筋率也會減小，甚至基礎也可考慮用淺基礎形式。球場及地下室基礎抬高后，整個體育場將會被抬高，地下室將變?yōu)槭讓印ｋm然外立面有變化，但保持了原設計立面效果風格，且賽場入口可通過環(huán)形平臺加樓梯及坡道的形式實現(xiàn)，該優(yōu)化思路可行。

4.3.2 措施

（1）地下室夾層取消，地下室地面標高優(yōu)化為與球場標高一致，抬升至+5.000m標高；（2）降低室外地面標高至+5.000m以下，取消原地下室擋土墻；（3）增加賽場入口環(huán)形平臺以及附帶的室外樓梯和坡道。

該調整雖然沒有徹底去除基礎抗浮問題，但在很大程度上減少了抗拔樁的數量，減小了筏板的厚度，去除了原地下室擋土墻的設置，減少了地下室水平梁板的布置，從而大大減少了土方開挖量[2]。此外，雖然該調整增加了環(huán)形平臺構件，但該部分增加的工程量相比于優(yōu)化減少的工程量而言占比很小。

4.4 簡化外幕墻及屋面支撐鋼結構形式

4.4.1 分析

原設計鋼結構部分構件尺寸參數為：（1）A字形鋼柱最大直徑2 000mm，壁厚60mm；（2）箱型主肋截面長2 000mm，寬600mm，壁厚25mm；（3）頂部受拉環(huán)直徑1 500mm；（4）底部受壓環(huán)直徑2 000mm等。如果可以優(yōu)化該部分構件的截面或形式，則可以在保障結構受力合理安全的情況下，減小用鋼量。

可采取3項措施：（1）將A柱底部受壓環(huán)改為受壓桁架；（2）將箱型主肋和雙層交叉次肋優(yōu)化為空間桁架形式；（3）將A字柱截面進行優(yōu)化。

經過建模計算，結果可行。該優(yōu)化僅調整了室內鋼構件的布置，結構體系基本維持了原設計，對建筑外立面無影響，優(yōu)化思路可行。

4.4.2 措施

經詳細建模分析，在保持與原設計相同荷載、規(guī)范及相同計算參數的基礎上，鋼結構優(yōu)化方案可行。箱型主肋比原設計用鋼量減少1 900 t，雙層交叉次肋減少1 200 t，A字柱底部受壓環(huán)減少2 700 t。

4.5 簡化屋面索網結構

4.5.1 分析

鑒于FIFA賽事由夏季調整到了冬季，故而屋面雙膜存在改成單膜的可能性，即索網下部次索存在取消的條件。可考慮的方案如下：

1）將三維受壓環(huán)截面改為平面桁架形式，將其與屋面支撐體系頂部受拉環(huán)結構合二為一，取消二者間的球形支座。

2）優(yōu)化雙根徑向索為單根，取消水平向和垂直向次索布置。

3）優(yōu)化環(huán)索截面及簡化拱桿支撐結構的布置。

4.5.2 措施

經建筑及機電專業(yè)復核，下膜可以取消，并將屋面天眼做了擴大調整。經結構建模分析，結構優(yōu)化思路可行，具體表現(xiàn)為：（1）屋頂受壓環(huán)優(yōu)化后減少用鋼量6 000 t；（2）徑向索及環(huán)索優(yōu)化后減少索用量700 t；（3）取消次索及優(yōu)化拱桿連接方式后，工程量減少150 t。

以上即為盧賽爾體育場結構設計方案優(yōu)化的要點和成果，經投標預算組估算和評估，基礎結構工程量比原設計減少約23%，外幕墻及屋面支撐鋼結構工程量比原設計減少約40%，屋面索網結構工程量比原設計減少約61%，主體看臺混凝土結構工程量比原設計減少約37%。

最后，匯總其他專業(yè)以及其余項優(yōu)化成果，本項目工程總造價最終優(yōu)化到了27.9億卡幣，實現(xiàn)了業(yè)主招標的商務要求?？梢姡Y構設計方案優(yōu)化在其中的貢獻極大。

5 結語

盧賽爾體育場項目是中國企業(yè)第一次以主承包商身份承建的FIFA主體育場項目，實現(xiàn)了中國企業(yè)在承建FIFA賽事項目上零經驗的突破，為推動中國企業(yè)國際化進程，以及推進“一帶一路”倡議提供了重要的學習和借鑒意義。結合盧賽爾體育場項目投標實例，闡明了結構設計方案優(yōu)化在項目中標過程中對于控制工程造價的重大意義。其中，介紹的項目結構設計方案的優(yōu)化思路和原則，對最佳結構優(yōu)化項目做的深入講解和分析，以及對結構設計方案優(yōu)化過程中存在問題的歸納和總結，可供同行及相關學者研究和討論。