埃及標志塔結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化與實踐

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)工程項目建設(shè)過程中，通常把設(shè)計、施工相分離，這導(dǎo)致設(shè)計質(zhì)量與施工成本控制難以保證，項目綜合效益往往無法達到最大化[1]。在國際項目工程合同中，根據(jù)FIDIC合同條款的要求，EPC工程應(yīng)由總承包商負責(zé)設(shè)計、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)計能力和施工能力，更要以全局化的思維對建筑功能、設(shè)計質(zhì)量、工程成本、工期和施工效率等綜合考慮，而價值工程則是總承包單位對工程項目進行管控時最為重要的手段和工具[2-3]。以提前介入設(shè)計為主線，通過設(shè)計過程中的深化、優(yōu)化和施工經(jīng)驗融入，達到綜合效益最大化的目的[4]。本文將從施工圖優(yōu)化和計算參數(shù)優(yōu)化2個角度開展價值工程深化設(shè)計，實現(xiàn)了超高層標志性建筑Iconic Tower建筑功能優(yōu)化、施工成本控制、施工便利性提高、工期縮短的價值工程控制目標。

1 工程概況

埃及新首都CBD項目位于新首都核心區(qū)，包括1棟超高層標志性建筑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)計階段，價值工程的重點已經(jīng)從成本控制轉(zhuǎn)移到可實施性，此階段應(yīng)重點關(guān)注施工工期和施工便捷性。在具體實施中，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)容進行施工圖設(shè)計優(yōu)化。

2.1 核心筒內(nèi)混凝土梁優(yōu)化

在原設(shè)計圖紙中，核心筒內(nèi)有1道混凝土連梁，嚴重影響模架爬升，按原設(shè)計方案需對爬模進行改造，費工費時，不但影響工程進度，而且會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，認為設(shè)計可取消此混凝土梁，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)計方案及擬調(diào)整方案運用ETABS結(jié)構(gòu)計算軟件進行計算分析，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)的整體指標及相鄰混凝土剪力墻的影響均可忽略不計。為此，向設(shè)計方提請設(shè)計變更，取消筒內(nèi)連梁，累計節(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)計沒有將埋件規(guī)格適當(dāng)歸并，設(shè)計荷載過于保守，導(dǎo)致設(shè)計的埋件錨筋規(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度造成極大的障礙，嚴重影響工期。因此有必要對核心筒預(yù)埋件進行更加精細化的計算分析，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)化前后的實物圖。

圖3 優(yōu)化前后的預(yù)埋件做法示意

通過嚴謹?shù)挠嬎惴治?，并與設(shè)計方進行充分溝通后，對鋼梁預(yù)埋件錨筋進行了設(shè)計優(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)計圖紙（按埃及結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范版）鋼管混凝土柱內(nèi)設(shè)有縱向鋼筋，配鋼率達到19%以上，遠超國內(nèi)相關(guān)規(guī)范的配筋率限值。通過對美標、國標及埃標的研究對比，美國標準AISC-360—2010《鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計規(guī)范》和中國標準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，嚴重影響工程進度。為此，通過數(shù)值計算方法，運用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為鋼管混凝土柱計算截面對比。

圖4 鋼管混凝土柱計算截面對比

經(jīng)計算分析，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)計無影響。

2）基于ETABS計算結(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)計無 影響。

3）鋼管對混凝土的約束遠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，嚴重影響爬模施工的效率。從結(jié)構(gòu)設(shè)計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，對美標及埃標方案進行設(shè)計比較，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、埃標斜向鋼筋的連梁優(yōu)化意見。

表1 美標斜向鋼筋的連梁優(yōu)化

表2 埃標斜向鋼筋的連梁優(yōu)化

2.5 伸臂桁架優(yōu)化

原設(shè)計在每個設(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)點設(shè)計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)整體指標和周邊構(gòu)件的影響，進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 埃標與美標設(shè)計參數(shù)優(yōu)化

埃標（簡稱ECP，下同）與美標（簡稱ASCE7-10，下同）2種規(guī)范體系的地震作用計算存在巨大差異，這種巨大差異對結(jié)構(gòu)設(shè)計和建造成本造成重大影響，若建議業(yè)主采用較為先進的美標體系，將對整個工期和造價帶來巨大的利好。為此，進行了2種規(guī)范體系下的地震作用計算對比分析，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)計的巨大影響，本文將從結(jié)構(gòu)內(nèi)力、整體指標、用鋼量三方面進行全面的對比分析。

圖8 埃標與美標反應(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層作為典型樓層計算墻、柱內(nèi)力變化，對比ASCE7-10與ECP內(nèi)力計算結(jié)果的差異。圖9為墻、柱位置編號。2種標準地震工況作用下計算結(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計算內(nèi)力相比ASCE7-10偏大。

3.2 變形指標對比

變形指標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)力計算結(jié)果對比

圖10 ECP與ASCE7-10的層間位移角對比

通過計算對比，ECP計算得出的單工況下層間位移角約為ASCE7-10計算結(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)計算結(jié)果可以得知：下部樓層的剪力墻用鋼量的計算結(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。整體計算下來，采用美標計算地震作用，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項目價值工程的優(yōu)化實踐以提前介入設(shè)計為主線，以專家經(jīng)驗為基礎(chǔ)，全面考慮施工圖設(shè)計中不合理性、施工可操作性及不同標準規(guī)范下的結(jié)構(gòu)設(shè)計施工差異性等因素，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、不同標準下的計算參數(shù)優(yōu)化等方案，通過設(shè)計過程中的深化、優(yōu)化和施工經(jīng)驗融入，達到優(yōu)化建筑功能布局、提升設(shè)計品質(zhì)和質(zhì)量、提高施工效率和控制項目成本的目的。

圖11 剪力墻剪力對比