高层建筑结构设计优化探究

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结构优化设计的管理措施

以施工为主营的总承包商在海外D＆B项目中，面临着诸多挑战，就本项目而言，主要面临的问题有:①由于项目的特殊性，业主方已经完成项目的结构方案设计，虽规避了部分设计风险，同时也失去了设计的主动权。不仅对结构优化设计产生一定的局限性，而且还需承担原设计存在的缺陷风险。②由于设计规范、法律、文化背景与国内情形有很大差别，仅仅依靠承包商自身技术力量难以完成设计任务。③采用设计分包，设计的核心技术往往由设计方控制，承包商多以被动接受，难以有效进行技术控制。④结构设计方案与现场施工脱节问题。⑤结构优化设计，涉及多部门、多专业工种，技术协调工作繁重。⑥项目合同工期压力大，5栋塔楼的合同工期为32个月。针对上述问题，制定了相应的控制思路和具体管理流程。

1控制思路

1)改变管理观念和意识在传统施工承包模式下，由业主方提供设计文件，承包商没有得到工程师相关变更指令，必须“按图设计与施工”，原则上不得对原设计进行任何改动。然而在D＆B项目，承包商造价控制关键在设计阶段。因此，要从根本上改变传统施工总承包管理观念和意识，建立适应D＆B项目总承包项目特点的新型设计、施工管理体系，充分发挥优化设计的核心作用和优势。2)优选设计公司，组建优化团队首先在结构技术设计阶段，采用设计分包，并优选国际知名的设计咨询公司，为城市之光项目提供高质量的方案和设计支持。其次为发挥优化设计的核心作用和优势，联合本地一家声誉好、结构优化设计经验丰富的工程咨询公司，对设计方提供结构设计方案，再进行优化设计。一方面弥补自身技术力量薄弱的特点，另一方面对设计方案进行技术监督与控制。3)树立优化设计与施工集成思想结构设计方案常常能满足建筑功能和结构安全可靠度的要求，然而往往设计人员施工经验不足，对施工流程和工艺不熟悉，致使设计与现场施工脱节，造成施工难度加大，成本支出增加。因此结构优化设计阶段，始终树立优化设计与施工集成思想。同时要求施工技术人员积极参与设计方案讨论，紧密结合建筑结构特点和所采取的施工措施，将技术、材料和施工工艺进行综合考虑，以达到降低施工难度和工程造价的目的。4)各个专业统筹兼顾，力争全局协调一致在工程设计过程中，涉及多部门、多专业工种，其中包括结构、建筑、电气、给排水、暖通、煤气等专业工种。由于各个专业各自独立设计，势必造成设计方案从局部看是合理的经济方案，但从全局看未必是合理优良的方案。因此结构优化设计时，不仅满足建筑功能及规范的要求，而且还需各个专业统筹兼顾，力争全局协调一致，达到最优方案。

2管理实践

根据上述的控制思路，并结合城市之光项目的特点，制定优化设计施工管理体系的流程，分阶段对设计方案进行优化，如图2所示。

结构优化设计技术措施

1技术设计阶段结构优化措施

为满足建筑功能的要求，结构设计往往不是唯一的，不同的结构方案会使工程造价和工程质量产生很大的差别，甚至决定项目建设的成败。因此在满足建筑功能和结构安全可靠的前提下，着重分析结构设计的先进性和经济性。通过对原结构设计方案的分析发现，原设计结构平面布置较为均匀，东西对称，竖向荷载传递合理。但是，首先对设计方提出结构优化设计的具体措施:①提高结构材料的利用率，尽量采用高强度的钢筋及混凝土;②对5栋塔楼筏板以及裙楼筏板重新验算与设计;③对于水平承载构件，尽量采用预应力混凝土无梁板;④选择正确的结构计算方法;⑤优化设计与施工集成思想。然后再根据设计方提供的结构设计方案，联合专业的结构公司通过最优的结构验算，再进行优化，实现设计方案的技术监督与控制，提高设计的质量。

提高材料的利用率。结构优化设计目的是提高结构设计的性价比，对结构材料的选用要合理，利用要充分。要根据结构构件的不同受力特点、工作环境和材料本身力学性能，选用合适的结构材料，对于高层建筑尤为重要。①采用高强度的钢筋，主要优点有减少钢筋用量，减小结构构件的尺寸，减轻结构自重。本项目采用强度级别为460N/mm2热轧带肋钢筋。②尽可能采用高强度的混凝土，充分利用混凝土的抗压性能，不仅减小构件的截面尺寸，增加使用空间，而且减轻自重提高设计质量。如5栋塔楼的竖向结构混凝土强度等级主要为C60，水平承载结构混凝土强度等级为C40。③对于高层结构的转换层和受力结构复杂的节点部位，采用型钢混凝土结构和预应力混凝土结构，利用材料的力学性能，组合使用，以达到适用、安全、经济的目的。如C10a塔楼的L16剪力墙采用型钢混凝土结构，将原来8道混凝土剪力墙减少到4道。

筏板基础。1)塔楼的筏板基础该项目5栋塔楼基础为筏板基础，原设计方案中C2，C3和C10，C11塔楼的筏板厚度为3m;C10a塔楼筏板厚度为3.5m，通过分析发现，可以减小筏板厚度和配筋率，并提出两种优化方案:①方案1保持筏板顶标高和厚度不变，减少5%的钢材用量;②方案2保持筏板顶标高不变，筏板厚度减小500mm，同时可以减少15%混凝土用量和5%的钢材用量。对两种方案进行比较，方案2的经济效益明显较好。但是，由于现场桩基础已经施工完成，即桩头标高已定。如果采用此方案，保持筏板顶标高不变，因桩顶标高低于筏板底500mm，难以实现。如果保持筏板底标高不变，B3地下室净空间增大500mm，一方面业主不认可，另一方面因净高的增加致使一系列的结构构件需要重新设计，如楼梯、坡道等，不经济。因而最终采用方案1，节约5%塔楼筏板基础钢筋用量。2)裙楼的筏板基础C10，C11裙楼浅筏板总面积约5945m2，C2，C3裙楼浅筏板总面积约4297m2，设计方提供的方案为:筏板的厚度均为500mm，其中桩帽区域钢筋为:T1＆T2为Y16-150;B1＆B2为Y25-150，非桩帽区域为，T1＆T2为Y12-125;B1＆B2为Y16-175。为此联合专业结构优化设计公司，计算分析发现原筏板设计过于保守。提出具体优化措施:①利用裙楼筏板钢筋取代桩帽上部钢筋;②裙楼筏板的厚度从500mm减至400mm;③合理减小钢筋配筋率，为双层双向Y12-150钢筋网片。如图3，4所示。

水平承载构件尽量采用预应力无梁板。采用预应力无梁混凝土板相对于普通混凝土梁板的最大优点在于节约钢材用量和降低施工难度。原设计方案中，5栋塔楼的楼板全部为普通混凝土板，裙楼楼板为普通混凝土板加局部预应力板，预应力板所占的比例较少。为此，优化具体措施为:①4000mm×4000mm×375mm柱帽构造措施，取消部分混凝土梁。②由于裙楼面积较大和预应力板的钢绞线张拉限制，设置多条后浇带;③将5栋塔楼核心筒外围的混凝土板全部设计为预应力板;④对于跨度较大的混凝土梁，设计成后张法预应力钢筋混凝土梁。如C10a塔楼○F3和○F5轴线之间的混凝土梁最大跨度达17.2m，采用后张法预应力混凝土梁，不仅降低施工难度，而且减少钢筋和混凝土用量。以C10，C11裙楼L6层为例，原设计预应力混凝土板的面积占该层总面积的25%，优化后预应力混凝土板的面积占该层总面积的79%，大大提高了预应力混凝土板的比例，如图5所示。

选择正确的结构计算。结构优化设计的过程就是对结构方案追求完美的过程。然而在结构优化设计过程中，设计方重视设计速度，以完成任务为前提，设计人员往往不注重工程造价，常常为了保险起见，加大安全系数，只要保证设计方案不出现大的质量问题，方案的好坏、造价的高低无关紧要。因此选择正确的结构计算尤为重要，为此联合专业结构优化设计公司，对结构设计方案进行技术监督与控制。例如对裙楼挡土墙及剪力墙，通过建立结构模型，重新分析验算，使结构达到最优化。C10，C10a，C11塔楼505m长地下室挡土墙，原设计方案共有5种类型，从地下3层至首层墙体厚度都为500mm，并设计不同类型的拉接钢筋，间距为Y12-125(max)，如图6所示。为此，结合相关设计参数和地质勘探报告，根据不同深度的土壤对挡土墙水平侧压力不同和竖向承载力的变化，对挡土墙进行再验算。优化结果:①墙厚范围地下3层至地下2层为400mm，地下2层至地下1层为300mm，地下1层至首层为250mm。②根据美标ACI318-0514.3.6的规定，如果竖向钢筋的配筋率≤0.01，则可不设置水平方向拉筋。但考虑现场施工要求，设置Y10@450～500水平拉筋，便于竖向钢筋固定。③按结构设计总说明的要求，拉筋两端为180°弯钩，施工难度较大，为此优化拉筋样式为一端90°，一端180°。

优化设计与施工集成思想。在技术设计阶段，始终树立优化设计与施工集成思想。应紧密结合建筑结构特点和所采取的施工措施，将技术、材料、施工工艺和施工措施的优点集中体现在优化设计方案中，避免设计与施工脱节，造成施工成本增加，同时降低施工难度，保证了工期。以C2，C3塔楼台模水平运输为例进行说明。C2，C3塔楼楼板采用台模体系，由于结构形式为剪力墙加核心筒结构，如图7所示，剪力墙与核心筒相连，使得台模水平运输困难。如果利用塔式起重机周转台模，施工难度大且进度慢。为此根据结构特点和施工要求，采用预留施工洞口，即在剪力墙上预留4.0m×2.9m(宽×高)洞口，以方便台模水平周转运输。经与设计方协商，在保证结构安全前提下，通过优化设计，C2塔楼从L7至L32层，在每层轴线○RC/○RD/○RE预留6个洞口，C3塔楼从L7至L28层，在轴线○RK/○RL/○RM预留6个洞口;待结构施工完成，洞口将用砖墙砌筑。通过上述措施，一方面降低施工难度，显著提高施工进度，另一方面用砖墙代替混凝土，减少钢材和混凝土用量。由于篇幅有限，其他案例不再赘述。

2施工图设计阶段结构优化措施

施工图设计是根据已经批准的设计图纸进行的深化设计。施工图质量对现场的施工质量起到至关重要的影响。为此通过对结构的施工图纸进行优化设计，进一步对工程造价进行控制。主要采取的措施有:精细化设计，采用标准设计，控制局部小的变更在现场施工之前的措施。1)精细化设计结构的施工图纸越精细，现场施工越顺利，而且易于发现局部设计差异。为此，可以采取以下措施:①针对结构构件，如梁、板、柱、墙，精细到每根钢筋，标明钢筋尺寸及根数、长度、搭接位置及长度等，大大降低钢筋放样阶段浪费;②针对复杂结构，精细到每个节点，标明尺寸、高度等。③对于结构构件平面定位，不仅标明具体的尺寸，而且精确到每个坐标点。2)标准设计在施工图设计阶段采用标准设计可以降低工程造价，具体为:减少深化设计的工作量，提高设计的效率，大大缩短施工图设计周期;采用标准构件可以加快工程施工进度，减少材料浪费，标准设计有较强的通用性，可以大量重复使用，较为经济。如梁上洞口标准加钢筋节点，设备基础标准配筋节点，圈梁构造柱节点，剪力墙标准配筋节点等。3)尽量控制局部小变更在现场施工之前在施工图精细化过程中，对于局部设计差异，及时与设计方沟通，并通过变更节点直接用于现场施工;对于施工难度较大的节点，及时提出合理建议，调整局部设计，降低施工难度。将此类局部小变更控制在现场施工之前，避免现场返工，有利于对施工成本的控制。

结构优化设计经济效益

通过结构优化设计在本项目取得了很好的经济效益，节约大量的材料，降低劳动力的使用量，提高施工进度。仅与优化公司联合优化的部分，就节约了混凝土2.7万m3，钢筋约136t，合计减少材料成本1680万迪拉姆。

结语

通过在本高层项目设计阶段的结构优化设计，总结了在D＆B总承包合同模式下结构优化设计控制思路与管理实践，并结合措施与案例分析。实践证明，传统施工承包商在D＆B项目中采用结构优化设计，有效控制工程造价，并取得良好的经济效益。同时也给同类D＆B项目，提供结构优化设计借鉴。但是在D＆B总承包合同下，对优化设计也面临一些认识不足的问题:①设计方重视设计速度，以完成任务为前提，通常提供单一化的方案，可比性不强;②所有的优化方案必须经原设计方的认同并作修改，再次审批和施工图评审，导致设计周期延长，甚至影响现场施工进度;③对设计方案存在的缺陷，缺乏量的界定、责任的划分和可供操作的处罚条款，是不负经济责任的设计对造价控制缺乏基本的原动力，还有待在实践中不断加以完善和提升。（本文作者：李仲、余涛、李树江、王力尚、王磊 单位：中建中东有限责任公司、中建股份有限公司海外事业部）