高層建筑結構設計優化探究

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結構優化設計的管理措施

以施工為主營的總承包商在海外D＆B項目中，面臨著諸多挑戰，就本項目而言，主要面臨的問題有:①由于項目的特殊性，業主方已經完成項目的結構方案設計，雖規避了部分設計風險，同時也失去了設計的主動權。不僅對結構優化設計產生一定的局限性，而且還需承擔原設計存在的缺陷風險。②由于設計規范、法律、文化背景與國內情形有很大差別，僅僅依靠承包商自身技術力量難以完成設計任務。③采用設計分包，設計的核心技術往往由設計方控制，承包商多以被動接受，難以有效進行技術控制。④結構設計方案與現場施工脫節問題。⑤結構優化設計，涉及多部門、多專業工種，技術協調工作繁重。⑥項目合同工期壓力大，5棟塔樓的合同工期為32個月。針對上述問題，制定了相應的控制思路和具體管理流程。

1控制思路

1)改變管理觀念和意識在傳統施工承包模式下，由業主方提供設計文件，承包商沒有得到工程師相關變更指令，必須“按圖設計與施工”，原則上不得對原設計進行任何改動。然而在D＆B項目，承包商造價控制關鍵在設計階段。因此，要從根本上改變傳統施工總承包管理觀念和意識，建立適應D＆B項目總承包項目特點的新型設計、施工管理體系，充分發揮優化設計的核心作用和優勢。2)優選設計公司，組建優化團隊首先在結構技術設計階段，采用設計分包，并優選國際知名的設計咨詢公司，為城市之光項目提供高質量的方案和設計支持。其次為發揮優化設計的核心作用和優勢，聯合本地一家聲譽好、結構優化設計經驗豐富的工程咨詢公司，對設計方提供結構設計方案，再進行優化設計。一方面彌補自身技術力量薄弱的特點，另一方面對設計方案進行技術監督與控制。3)樹立優化設計與施工集成思想結構設計方案常常能滿足建筑功能和結構安全可靠度的要求，然而往往設計人員施工經驗不足，對施工流程和工藝不熟悉，致使設計與現場施工脫節，造成施工難度加大，成本支出增加。因此結構優化設計階段，始終樹立優化設計與施工集成思想。同時要求施工技術人員積極參與設計方案討論，緊密結合建筑結構特點和所采取的施工措施，將技術、材料和施工工藝進行綜合考慮，以達到降低施工難度和工程造價的目的。4)各個專業統籌兼顧，力爭全局協調一致在工程設計過程中，涉及多部門、多專業工種，其中包括結構、建筑、電氣、給排水、暖通、煤氣等專業工種。由于各個專業各自獨立設計，勢必造成設計方案從局部看是合理的經濟方案，但從全局看未必是合理優良的方案。因此結構優化設計時，不僅滿足建筑功能及規范的要求，而且還需各個專業統籌兼顧，力爭全局協調一致，達到最優方案。

2管理實踐

根據上述的控制思路，并結合城市之光項目的特點，制定優化設計施工管理體系的流程，分階段對設計方案進行優化，如圖2所示。

結構優化設計技術措施

1技術設計階段結構優化措施

為滿足建筑功能的要求，結構設計往往不是唯一的，不同的結構方案會使工程造價和工程質量產生很大的差別，甚至決定項目建設的成敗。因此在滿足建筑功能和結構安全可靠的前提下，著重分析結構設計的先進性和經濟性。通過對原結構設計方案的分析發現，原設計結構平面布置較為均勻，東西對稱，豎向荷載傳遞合理。但是，首先對設計方提出結構優化設計的具體措施:①提高結構材料的利用率，盡量采用高強度的鋼筋及混凝土;②對5棟塔樓筏板以及裙樓筏板重新驗算與設計;③對于水平承載構件，盡量采用預應力混凝土無梁板;④選擇正確的結構計算方法;⑤優化設計與施工集成思想。然后再根據設計方提供的結構設計方案，聯合專業的結構公司通過最優的結構驗算，再進行優化，實現設計方案的技術監督與控制，提高設計的質量。

提高材料的利用率。結構優化設計目的是提高結構設計的性價比，對結構材料的選用要合理，利用要充分。要根據結構構件的不同受力特點、工作環境和材料本身力學性能，選用合適的結構材料，對于高層建筑尤為重要。①采用高強度的鋼筋，主要優點有減少鋼筋用量，減小結構構件的尺寸，減輕結構自重。本項目采用強度級別為460N/mm2熱軋帶肋鋼筋。②盡可能采用高強度的混凝土，充分利用混凝土的抗壓性能，不僅減小構件的截面尺寸，增加使用空間，而且減輕自重提高設計質量。如5棟塔樓的豎向結構混凝土強度等級主要為C60，水平承載結構混凝土強度等級為C40。③對于高層結構的轉換層和受力結構復雜的節點部位，采用型鋼混凝土結構和預應力混凝土結構，利用材料的力學性能，組合使用，以達到適用、安全、經濟的目的。如C10a塔樓的L16剪力墻采用型鋼混凝土結構，將原來8道混凝土剪力墻減少到4道。

筏板基礎。1)塔樓的筏板基礎該項目5棟塔樓基礎為筏板基礎，原設計方案中C2，C3和C10，C11塔樓的筏板厚度為3m;C10a塔樓筏板厚度為3.5m，通過分析發現，可以減小筏板厚度和配筋率，并提出兩種優化方案:①方案1保持筏板頂標高和厚度不變，減少5%的鋼材用量;②方案2保持筏板頂標高不變，筏板厚度減小500mm，同時可以減少15%混凝土用量和5%的鋼材用量。對兩種方案進行比較，方案2的經濟效益明顯較好。但是，由于現場樁基礎已經施工完成，即樁頭標高已定。如果采用此方案，保持筏板頂標高不變，因樁頂標高低于筏板底500mm，難以實現。如果保持筏板底標高不變，B3地下室凈空間增大500mm，一方面業主不認可，另一方面因凈高的增加致使一系列的結構構件需要重新設計，如樓梯、坡道等，不經濟。因而最終采用方案1，節約5%塔樓筏板基礎鋼筋用量。2)裙樓的筏板基礎C10，C11裙樓淺筏板總面積約5945m2，C2，C3裙樓淺筏板總面積約4297m2，設計方提供的方案為:筏板的厚度均為500mm，其中樁帽區域鋼筋為:T1＆T2為Y16-150;B1＆B2為Y25-150，非樁帽區域為，T1＆T2為Y12-125;B1＆B2為Y16-175。為此聯合專業結構優化設計公司，計算分析發現原筏板設計過于保守。提出具體優化措施:①利用裙樓筏板鋼筋取代樁帽上部鋼筋;②裙樓筏板的厚度從500mm減至400mm;③合理減小鋼筋配筋率，為雙層雙向Y12-150鋼筋網片。如圖3，4所示。

水平承載構件盡量采用預應力無梁板。采用預應力無梁混凝土板相對于普通混凝土梁板的最大優點在于節約鋼材用量和降低施工難度。原設計方案中，5棟塔樓的樓板全部為普通混凝土板，裙樓樓板為普通混凝土板加局部預應力板，預應力板所占的比例較少。為此，優化具體措施為:①4000mm×4000mm×375mm柱帽構造措施，取消部分混凝土梁。②由于裙樓面積較大和預應力板的鋼絞線張拉限制，設置多條后澆帶;③將5棟塔樓核心筒外圍的混凝土板全部設計為預應力板;④對于跨度較大的混凝土梁，設計成后張法預應力鋼筋混凝土梁。如C10a塔樓○F3和○F5軸線之間的混凝土梁最大跨度達17.2m，采用后張法預應力混凝土梁，不僅降低施工難度，而且減少鋼筋和混凝土用量。以C10，C11裙樓L6層為例，原設計預應力混凝土板的面積占該層總面積的25%，優化后預應力混凝土板的面積占該層總面積的79%，大大提高了預應力混凝土板的比例，如圖5所示。

選擇正確的結構計算。結構優化設計的過程就是對結構方案追求完美的過程。然而在結構優化設計過程中，設計方重視設計速度，以完成任務為前提，設計人員往往不注重工程造價，常常為了保險起見，加大安全系數，只要保證設計方案不出現大的質量問題，方案的好壞、造價的高低無關緊要。因此選擇正確的結構計算尤為重要，為此聯合專業結構優化設計公司，對結構設計方案進行技術監督與控制。例如對裙樓擋土墻及剪力墻，通過建立結構模型，重新分析驗算，使結構達到最優化。C10，C10a，C11塔樓505m長地下室擋土墻，原設計方案共有5種類型，從地下3層至首層墻體厚度都為500mm，并設計不同類型的拉接鋼筋，間距為Y12-125(max)，如圖6所示。為此，結合相關設計參數和地質勘探報告，根據不同深度的土壤對擋土墻水平側壓力不同和豎向承載力的變化，對擋土墻進行再驗算。優化結果:①墻厚范圍地下3層至地下2層為400mm，地下2層至地下1層為300mm，地下1層至首層為250mm。②根據美標ACI318-0514.3.6的規定，如果豎向鋼筋的配筋率≤0.01，則可不設置水平方向拉筋。但考慮現場施工要求，設置Y10@450～500水平拉筋，便于豎向鋼筋固定。③按結構設計總說明的要求，拉筋兩端為180°彎鉤，施工難度較大，為此優化拉筋樣式為一端90°，一端180°。

優化設計與施工集成思想。在技術設計階段，始終樹立優化設計與施工集成思想。應緊密結合建筑結構特點和所采取的施工措施，將技術、材料、施工工藝和施工措施的優點集中體現在優化設計方案中，避免設計與施工脫節，造成施工成本增加，同時降低施工難度，保證了工期。以C2，C3塔樓臺模水平運輸為例進行說明。C2，C3塔樓樓板采用臺模體系，由于結構形式為剪力墻加核心筒結構，如圖7所示，剪力墻與核心筒相連，使得臺模水平運輸困難。如果利用塔式起重機周轉臺模，施工難度大且進度慢。為此根據結構特點和施工要求，采用預留施工洞口，即在剪力墻上預留4.0m×2.9m(寬×高)洞口，以方便臺模水平周轉運輸。經與設計方協商，在保證結構安全前提下，通過優化設計，C2塔樓從L7至L32層，在每層軸線○RC/○RD/○RE預留6個洞口，C3塔樓從L7至L28層，在軸線○RK/○RL/○RM預留6個洞口;待結構施工完成，洞口將用磚墻砌筑。通過上述措施，一方面降低施工難度，顯著提高施工進度，另一方面用磚墻代替混凝土，減少鋼材和混凝土用量。由于篇幅有限，其他案例不再贅述。

2施工圖設計階段結構優化措施

施工圖設計是根據已經批準的設計圖紙進行的深化設計。施工圖質量對現場的施工質量起到至關重要的影響。為此通過對結構的施工圖紙進行優化設計，進一步對工程造價進行控制。主要采取的措施有:精細化設計，采用標準設計，控制局部小的變更在現場施工之前的措施。1)精細化設計結構的施工圖紙越精細，現場施工越順利，而且易于發現局部設計差異。為此，可以采取以下措施:①針對結構構件，如梁、板、柱、墻，精細到每根鋼筋，標明鋼筋尺寸及根數、長度、搭接位置及長度等，大大降低鋼筋放樣階段浪費;②針對復雜結構，精細到每個節點，標明尺寸、高度等。③對于結構構件平面定位，不僅標明具體的尺寸，而且精確到每個坐標點。2)標準設計在施工圖設計階段采用標準設計可以降低工程造價，具體為:減少深化設計的工作量，提高設計的效率，大大縮短施工圖設計周期;采用標準構件可以加快工程施工進度，減少材料浪費，標準設計有較強的通用性，可以大量重復使用，較為經濟。如梁上洞口標準加鋼筋節點，設備基礎標準配筋節點，圈梁構造柱節點，剪力墻標準配筋節點等。3)盡量控制局部小變更在現場施工之前在施工圖精細化過程中，對于局部設計差異，及時與設計方溝通，并通過變更節點直接用于現場施工;對于施工難度較大的節點，及時提出合理建議，調整局部設計，降低施工難度。將此類局部小變更控制在現場施工之前，避免現場返工，有利于對施工成本的控制。

結構優化設計經濟效益

通過結構優化設計在本項目取得了很好的經濟效益，節約大量的材料，降低勞動力的使用量，提高施工進度。僅與優化公司聯合優化的部分，就節約了混凝土2.7萬m3，鋼筋約136t，合計減少材料成本1680萬迪拉姆。

結語

通過在本高層項目設計階段的結構優化設計，總結了在D＆B總承包合同模式下結構優化設計控制思路與管理實踐，并結合措施與案例分析。實踐證明，傳統施工承包商在D＆B項目中采用結構優化設計，有效控制工程造價，并取得良好的經濟效益。同時也給同類D＆B項目，提供結構優化設計借鑒。但是在D＆B總承包合同下，對優化設計也面臨一些認識不足的問題:①設計方重視設計速度，以完成任務為前提，通常提供單一化的方案，可比性不強;②所有的優化方案必須經原設計方的認同并作修改，再次審批和施工圖評審，導致設計周期延長，甚至影響現場施工進度;③對設計方案存在的缺陷，缺乏量的界定、責任的劃分和可供操作的處罰條款，是不負經濟責任的設計對造價控制缺乏基本的原動力，還有待在實踐中不斷加以完善和提升。（本文作者：李仲、余濤、李樹江、王力尚、王磊 單位：中建中東有限責任公司、中建股份有限公司海外事業部）