埃及标志塔结构设计优化与实践

王 飞 赵永伟 马俊杰 贾雁凯

上海中建海外发展有限公司 上海 200125

在国内工程项目建设过程中，通常把设计、施工相分离，这导致设计质量与施工成本控制难以保证，项目综合效益往往无法达到最大化[1]。在国际项目工程合同中，根据FIDIC合同条款的要求，EPC工程应由总承包商负责设计、采购、施工等工作。这将对总承包单位提出更高要求，不仅要有一定的设计能力和施工能力，更要以全局化的思维对建筑功能、设计质量、工程成本、工期和施工效率等综合考虑，而价值工程则是总承包单位对工程项目进行管控时最为重要的手段和工具[2-3]。以提前介入设计为主线，通过设计过程中的深化、优化和施工经验融入，达到综合效益最大化的目的[4]。本文将从施工图优化和计算参数优化2个角度开展价值工程深化设计，实现了超高层标志性建筑Iconic Tower建筑功能优化、施工成本控制、施工便利性提高、工期缩短的价值工程控制目标。

1 工程概况

埃及新首都CBD项目位于新首都核心区，包括1栋超高层标志性建筑Iconic Tower、12栋超高层商业办公楼、5栋高层公寓和2栋高档酒店。Iconic Tower总建筑面积246 000 m2，高度约385.8 m，地下2层，地上79层，是一座集办公、酒店、商业、观光等多功能于一体的现代超高层商业项目。Iconic Tower的结构体系为框架核心筒结构，外部为钢框架，内部为钢筋混凝土核心筒，采用压型钢板混凝土组合楼板。建筑为筏板基础，筏板厚5 m，如图1（a）所示。外框柱为钢管混凝土柱，底部直径1 600 m，顶部缩减到750 mm，核心筒剪力墙由底部的厚1 200 mm缩减到顶部的厚400 mm。为增强核心筒和外框的整体工作性能，分别在29、40、54层设置伸臂桁架，如图1（b）所示。

图1 Iconic Tower竖向构件及伸臂桁架

2 施工图优化

在施工图设计阶段，价值工程的重点已经从成本控制转移到可实施性，此阶段应重点关注施工工期和施工便捷性。在具体实施中，对施工图中影响爬模架设的梁（含连梁、暗梁）、钢梁预埋件、钢管混凝土纵筋、伸臂桁架等内容进行施工图设计优化。

2.1 核心筒内混凝土梁优化

在原设计图纸中，核心筒内有1道混凝土连梁，严重影响模架爬升，按原设计方案需对爬模进行改造，费工费时，不但影响工程进度，而且会影响爬模体系的整体稳定性，对此，经过对取消前后的模型进行模态分析、基底剪力分析、层间位移角分析、层间位移分析、相邻剪力墙的内力分析等工作后，认为设计可取消此混凝土梁，建议改为钢梁后做（图2）。

图2 取消影响爬模的连梁

首先，对原设计方案及拟调整方案运用ETABS结构计算软件进行计算分析，分别对2种方案的自振模态、基底剪力、层间位移角、层间位移、相邻剪力墙剪力等基本参数进行了对比分析。

经多参数比较后发现，取消此处核心筒内混凝土梁对结构的整体指标及相邻混凝土剪力墙的影响均可忽略不计。为此，向设计方提请设计变更，取消筒内连梁，累计节约成本约33.6万元。

2.2 钢梁预埋件优化

主、次钢梁与核心筒连接处采用铰接连接，主要承受剪力。原设计没有将埋件规格适当归并，设计荷载过于保守，导致设计的埋件锚筋规格偏大、锚固长度过长，且采用弯锚方式，锚板过厚，诸因素叠加后对施工进度造成极大的障碍，严重影响工期。因此有必要对核心筒预埋件进行更加精细化的计算分析，适当归并分类，使用便于施工的锚固方式。图3为埋件优化前后的实物图。

图3 优化前后的预埋件做法示意

通过严谨的计算分析，并与设计方进行充分沟通后，对钢梁预埋件锚筋进行了设计优化，简化了施工工艺，提高了施工效率，保证了工期。

2.3 钢管混凝土柱纵筋优化

原设计图纸（按埃及结构设计规范版）钢管混凝土柱内设有纵向钢筋，配钢率达到19%以上，远超国内相关规范的配筋率限值。通过对美标、国标及埃标的研究对比，美国标准AISC-360—2010《钢结构建筑设计规范》和中国标准GB 50936—2014《钢管混凝土结构技术规范》对钢-混凝土组合结构中的钢管混凝土均无内部配筋的构造要求。钢管混凝土柱内设置纵向钢筋施工难度大，且与钢管安装冲突，严重影响工程进度。为此，通过数值计算方法，运用Xtract、ETABS论证钢管混凝土柱内埋设纵向钢筋的合理性。图4为钢管混凝土柱计算截面对比。

图4 钢管混凝土柱计算截面对比

经计算分析，得到以下结论：

1）基于Xtract的压弯包络分析（PM Interaction）数据，调整前后钢管混凝土柱截面性能基本无差别，相差在3%以内，取消钢管混凝土柱内纵筋对原设计无影响。

2）基于ETABS计算结果，调整前后钢管混凝土柱截面性能差别很小，取消钢管混凝土柱内纵筋对原设计无 影响。

3）钢管对混凝土的约束远大于钢筋的约束能力，建议取消钢管混凝土内纵向钢筋布置。

2.4 核心筒交叉暗梁优化

原设计核心筒内部连梁为交叉暗梁（交叉暗筋），交叉暗梁的钢筋绑扎密度巨大，对施工极为不利，严重影响爬模施工的效率。从结构设计与施工角度综合考虑，论证是否有必要均采用带交叉暗梁的连梁，同时减少交叉暗梁钢筋用量将极大地优化结构体系，降低施工难度。

根据结构构件内力分析结果，对美标及埃标方案进行设计比较，并基于此给出了相应的优化意见。表1、表2分别为美标、埃标斜向钢筋的连梁优化意见。

表1 美标斜向钢筋的连梁优化

表2 埃标斜向钢筋的连梁优化

2.5 伸臂桁架优化

原设计在每个设备层处x向均设置了4道伸臂桁架，而x向南侧2道伸臂桁架与墙肢面外相连接，桁架工作性能无法得到高效体现，节点设计也无法满足安全要求，伸臂桁架布置如图6所示。

针对原设计伸臂桁架结构与建议取消x向伸臂桁架后的结构体系进行对比分析发现，调整前后整体结构的周期、位移、层间位移角、杆件内力差别均很小，故认为取消x向部分伸臂桁架对结构影响极小。

2.6 连梁高度优化

原设计图纸，5—49层因爬模的需要，连梁CB14截面高度需从1 600 mm变为1 400 mm，为分析连梁截面高度改变对结构整体指标和周边构件的影响，进行了截面高度改变前与改变后的对比研究。连梁CB14的位置如图7所示。

图6 x向伸臂桁架布置

图7 CB14位置示意

根据连梁高度改变对结构的整体指标分析，可以得出以下结论：

5—49层将连梁（CB14）高度由1 600 mm改为1 400 mm，对整体指标和连梁剪力的影响都比较小，基本均控制在5%以内，可以认为此改变对两者没有影响，建议将连梁（CB14）高度由1 600 mm改为1 400 mm。

3 埃标与美标设计参数优化

埃标（简称ECP，下同）与美标（简称ASCE7-10，下同）2种规范体系的地震作用计算存在巨大差异，这种巨大差异对结构设计和建造成本造成重大影响，若建议业主采用较为先进的美标体系，将对整个工期和造价带来巨大的利好。为此，进行了2种规范体系下的地震作用计算对比分析，图8为2种规范所规定的反应谱曲线。由图8可见，埃标地震反应谱曲线最大结构周期仅为4 s，本工程基本周期为9.6 s，已超出规范上限值，而美标反应谱曲线则为一下降曲线，如图8（b）所示。为对比2种反应谱曲线对设计的巨大影响，本文将从结构内力、整体指标、用钢量三方面进行全面的对比分析。

图8 埃标与美标反应谱曲线示意

3.1 结构内力对比

从模型中选取12、37、52、68层作为典型楼层计算墙、柱内力变化，对比ASCE7-10与ECP内力计算结果的差异。图9为墙、柱位置编号。2种标准地震工况作用下计算结果如表3所示。

由表3可见，ECP与ASCE7-10单工况地震作用下，对墙内力的平均影响为38%，而对柱子的影响比较大，平均为52%，ECP计算内力相比ASCE7-10偏大。

3.2 变形指标对比

变形指标采用层间位移角量化，图10为ECP与ASCE7-10规范地震作用下x向、y向的层间位移角对比。

图9 墙、柱位置编号示意

表3 各层墙柱不同规范内力计算结果对比

图10 ECP与ASCE7-10的层间位移角对比

通过计算对比，ECP计算得出的单工况下层间位移角约为ASCE7-10计算结果的4倍。

3.3 墙体用钢量对比

为分析ECP与ASCE7-10对剪力墙配筋的影响，图11给出了12、37、52、68层的剪力墙配筋的对比。经计算，得知12、37、52、68层的剪力墙配筋差值分别为35%、20%、0.3%、0.2%。根据计算结果可以得知：下部楼层的剪力墙用钢量的计算结果差别较大，平均相差约28%；而上部楼层的墙体构造配筋控制，两者差别很小。整体计算下来，采用美标计算地震作用，可减少地震荷载30%，剪力墙钢筋优化近1 500 t。

4 结语

Iconic Tower项目价值工程的优化实践以提前介入设计为主线，以专家经验为基础，全面考虑施工图设计中不合理性、施工可操作性及不同标准规范下的结构设计施工差异性等因素，提出了调整核心筒结构布局、伸臂桁架结构整体优化、钢管混凝内置纵筋优化、不同标准下的计算参数优化等方案，通过设计过程中的深化、优化和施工经验融入，达到优化建筑功能布局、提升设计品质和质量、提高施工效率和控制项目成本的目的。

图11 剪力墙剪力对比