高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化探究

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結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)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(zhàn)，就本項目而言，主要面臨的問題有:①由于項目的特殊性，業(yè)主方已經(jīng)完成項目的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計，雖規(guī)避了部分設(shè)計風(fēng)險，同時也失去了設(shè)計的主動權(quán)。不僅對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計產(chǎn)生一定的局限性，而且還需承擔(dān)原設(shè)計存在的缺陷風(fēng)險。②由于設(shè)計規(guī)范、法律、文化背景與國內(nèi)情形有很大差別，僅僅依靠承包商自身技術(shù)力量難以完成設(shè)計任務(wù)。③采用設(shè)計分包，設(shè)計的核心技術(shù)往往由設(shè)計方控制，承包商多以被動接受，難以有效進(jìn)行技術(shù)控制。④結(jié)構(gòu)設(shè)計方案與現(xiàn)場施工脫節(jié)問題。⑤結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，涉及多部門、多專業(yè)工種，技術(shù)協(xié)調(diào)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(yīng)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(tǒng)施工承包模式下，由業(yè)主方提供設(shè)計文件，承包商沒有得到工程師相關(guān)變更指令，必須“按圖設(shè)計與施工”，原則上不得對原設(shè)計進(jìn)行任何改動。然而在D＆B項目，承包商造價控制關(guān)鍵在設(shè)計階段。因此，要從根本上改變傳統(tǒng)施工總承包管理觀念和意識，建立適應(yīng)D＆B項目總承包項目特點(diǎn)的新型設(shè)計、施工管理體系，充分發(fā)揮優(yōu)化設(shè)計的核心作用和優(yōu)勢。2)優(yōu)選設(shè)計公司，組建優(yōu)化團(tuán)隊首先在結(jié)構(gòu)技術(shù)設(shè)計階段，采用設(shè)計分包，并優(yōu)選國際知名的設(shè)計咨詢公司，為城市之光項目提供高質(zhì)量的方案和設(shè)計支持。其次為發(fā)揮優(yōu)化設(shè)計的核心作用和優(yōu)勢，聯(lián)合本地一家聲譽(yù)好、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計經(jīng)驗豐富的工程咨詢公司，對設(shè)計方提供結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，再進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。一方面彌補(bǔ)自身技術(shù)力量薄弱的特點(diǎn)，另一方面對設(shè)計方案進(jìn)行技術(shù)監(jiān)督與控制。3)樹立優(yōu)化設(shè)計與施工集成思想結(jié)構(gòu)設(shè)計方案常常能滿足建筑功能和結(jié)構(gòu)安全可靠度的要求，然而往往設(shè)計人員施工經(jīng)驗不足，對施工流程和工藝不熟悉，致使設(shè)計與現(xiàn)場施工脫節(jié)，造成施工難度加大，成本支出增加。因此結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計階段，始終樹立優(yōu)化設(shè)計與施工集成思想。同時要求施工技術(shù)人員積極參與設(shè)計方案討論，緊密結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和所采取的施工措施，將技術(shù)、材料和施工工藝進(jìn)行綜合考慮，以達(dá)到降低施工難度和工程造價的目的。4)各個專業(yè)統(tǒng)籌兼顧，力爭全局協(xié)調(diào)一致在工程設(shè)計過程中，涉及多部門、多專業(yè)工種，其中包括結(jié)構(gòu)、建筑、電氣、給排水、暖通、煤氣等專業(yè)工種。由于各個專業(yè)各自獨(dú)立設(shè)計，勢必造成設(shè)計方案從局部看是合理的經(jīng)濟(jì)方案，但從全局看未必是合理優(yōu)良的方案。因此結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時，不僅滿足建筑功能及規(guī)范的要求，而且還需各個專業(yè)統(tǒng)籌兼顧，力爭全局協(xié)調(diào)一致，達(dá)到最優(yōu)方案。

2管理實踐

根據(jù)上述的控制思路，并結(jié)合城市之光項目的特點(diǎn)，制定優(yōu)化設(shè)計施工管理體系的流程，分階段對設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化，如圖2所示。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)措施

1技術(shù)設(shè)計階段結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施

為滿足建筑功能的要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計往往不是唯一的，不同的結(jié)構(gòu)方案會使工程造價和工程質(zhì)量產(chǎn)生很大的差別，甚至決定項目建設(shè)的成敗。因此在滿足建筑功能和結(jié)構(gòu)安全可靠的前提下，著重分析結(jié)構(gòu)設(shè)計的先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性。通過對原結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的分析發(fā)現(xiàn)，原設(shè)計結(jié)構(gòu)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(shè)計方提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的具體措施:①提高結(jié)構(gòu)材料的利用率，盡量采用高強(qiáng)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(shè)計;③對于水平承載構(gòu)件，盡量采用預(yù)應(yīng)力混凝土無梁板;④選擇正確的結(jié)構(gòu)計算方法;⑤優(yōu)化設(shè)計與施工集成思想。然后再根據(jù)設(shè)計方提供的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，聯(lián)合專業(yè)的結(jié)構(gòu)公司通過最優(yōu)的結(jié)構(gòu)驗算，再進(jìn)行優(yōu)化，實現(xiàn)設(shè)計方案的技術(shù)監(jiān)督與控制，提高設(shè)計的質(zhì)量。

提高材料的利用率。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計目的是提高結(jié)構(gòu)設(shè)計的性價比，對結(jié)構(gòu)材料的選用要合理，利用要充分。要根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的不同受力特點(diǎn)、工作環(huán)境和材料本身力學(xué)性能，選用合適的結(jié)構(gòu)材料，對于高層建筑尤為重要。①采用高強(qiáng)度的鋼筋，主要優(yōu)點(diǎn)有減少鋼筋用量，減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸，減輕結(jié)構(gòu)自重。本項目采用強(qiáng)度級別為460N/mm2熱軋帶肋鋼筋。②盡可能采用高強(qiáng)度的混凝土，充分利用混凝土的抗壓性能，不僅減小構(gòu)件的截面尺寸，增加使用空間，而且減輕自重提高設(shè)計質(zhì)量。如5棟塔樓的豎向結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級主要為C60，水平承載結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級為C40。③對于高層結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層和受力結(jié)構(gòu)復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)部位，采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，利用材料的力學(xué)性能，組合使用，以達(dá)到適用、安全、經(jīng)濟(jì)的目的。如C10a塔樓的L16剪力墻采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，將原來8道混凝土剪力墻減少到4道。

筏板基礎(chǔ)。1)塔樓的筏板基礎(chǔ)該項目5棟塔樓基礎(chǔ)為筏板基礎(chǔ)，原設(shè)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(fā)現(xiàn)，可以減小筏板厚度和配筋率，并提出兩種優(yōu)化方案:①方案1保持筏板頂標(biāo)高和厚度不變，減少5%的鋼材用量;②方案2保持筏板頂標(biāo)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(jìn)行比較，方案2的經(jīng)濟(jì)效益明顯較好。但是，由于現(xiàn)場樁基礎(chǔ)已經(jīng)施工完成，即樁頭標(biāo)高已定。如果采用此方案，保持筏板頂標(biāo)高不變，因樁頂標(biāo)高低于筏板底500mm，難以實現(xiàn)。如果保持筏板底標(biāo)高不變，B3地下室凈空間增大500mm，一方面業(yè)主不認(rèn)可，另一方面因凈高的增加致使一系列的結(jié)構(gòu)構(gòu)件需要重新設(shè)計，如樓梯、坡道等，不經(jīng)濟(jì)。因而最終采用方案1，節(jié)約5%塔樓筏板基礎(chǔ)鋼筋用量。2)裙樓的筏板基礎(chǔ)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(shè)計方提供的方案為:筏板的厚度均為500mm，其中樁帽區(qū)域鋼筋為:T1＆T2為Y16-150;B1＆B2為Y25-150，非樁帽區(qū)域為，T1＆T2為Y12-125;B1＆B2為Y16-175。為此聯(lián)合專業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計公司，計算分析發(fā)現(xiàn)原筏板設(shè)計過于保守。提出具體優(yōu)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(wǎng)片。如圖3，4所示。

水平承載構(gòu)件盡量采用預(yù)應(yīng)力無梁板。采用預(yù)應(yīng)力無梁混凝土板相對于普通混凝土梁板的最大優(yōu)點(diǎn)在于節(jié)約鋼材用量和降低施工難度。原設(shè)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(yù)應(yīng)力板，預(yù)應(yīng)力板所占的比例較少。為此，優(yōu)化具體措施為:①4000mm×4000mm×375mm柱帽構(gòu)造措施，取消部分混凝土梁。②由于裙樓面積較大和預(yù)應(yīng)力板的鋼絞線張拉限制，設(shè)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(shè)計為預(yù)應(yīng)力板;④對于跨度較大的混凝土梁，設(shè)計成后張法預(yù)應(yīng)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(dá)17.2m，采用后張法預(yù)應(yīng)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(shè)計預(yù)應(yīng)力混凝土板的面積占該層總面積的25%，優(yōu)化后預(yù)應(yīng)力混凝土板的面積占該層總面積的79%，大大提高了預(yù)應(yīng)力混凝土板的比例，如圖5所示。

選擇正確的結(jié)構(gòu)計算。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的過程就是對結(jié)構(gòu)方案追求完美的過程。然而在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計過程中，設(shè)計方重視設(shè)計速度，以完成任務(wù)為前提，設(shè)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(shù)，只要保證設(shè)計方案不出現(xiàn)大的質(zhì)量問題，方案的好壞、造價的高低無關(guān)緊要。因此選擇正確的結(jié)構(gòu)計算尤為重要，為此聯(lián)合專業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計公司，對結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進(jìn)行技術(shù)監(jiān)督與控制。例如對裙樓擋土墻及剪力墻，通過建立結(jié)構(gòu)模型，重新分析驗算，使結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)化。C10，C10a，C11塔樓505m長地下室擋土墻，原設(shè)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(shè)計不同類型的拉接鋼筋，間距為Y12-125(max)，如圖6所示。為此，結(jié)合相關(guān)設(shè)計參數(shù)和地質(zhì)勘探報告，根據(jù)不同深度的土壤對擋土墻水平側(cè)壓力不同和豎向承載力的變化，對擋土墻進(jìn)行再驗算。優(yōu)化結(jié)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(jù)美標(biāo)ACI318-0514.3.6的規(guī)定，如果豎向鋼筋的配筋率≤0.01，則可不設(shè)置水平方向拉筋。但考慮現(xiàn)場施工要求，設(shè)置Y10@450～500水平拉筋，便于豎向鋼筋固定。③按結(jié)構(gòu)設(shè)計總說明的要求，拉筋兩端為180°彎鉤，施工難度較大，為此優(yōu)化拉筋樣式為一端90°，一端180°。

優(yōu)化設(shè)計與施工集成思想。在技術(shù)設(shè)計階段，始終樹立優(yōu)化設(shè)計與施工集成思想。應(yīng)緊密結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和所采取的施工措施，將技術(shù)、材料、施工工藝和施工措施的優(yōu)點(diǎn)集中體現(xiàn)在優(yōu)化設(shè)計方案中，避免設(shè)計與施工脫節(jié)，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(yùn)輸為例進(jìn)行說明。C2，C3塔樓樓板采用臺模體系，由于結(jié)構(gòu)形式為剪力墻加核心筒結(jié)構(gòu)，如圖7所示，剪力墻與核心筒相連，使得臺模水平運(yùn)輸困難。如果利用塔式起重機(jī)周轉(zhuǎn)臺模，施工難度大且進(jìn)度慢。為此根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工要求，采用預(yù)留施工洞口，即在剪力墻上預(yù)留4.0m×2.9m(寬×高)洞口，以方便臺模水平周轉(zhuǎn)運(yùn)輸。經(jīng)與設(shè)計方協(xié)商，在保證結(jié)構(gòu)安全前提下，通過優(yōu)化設(shè)計，C2塔樓從L7至L32層，在每層軸線○RC/○RD/○RE預(yù)留6個洞口，C3塔樓從L7至L28層，在軸線○RK/○RL/○RM預(yù)留6個洞口;待結(jié)構(gòu)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(jìn)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(shè)計階段結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施

施工圖設(shè)計是根據(jù)已經(jīng)批準(zhǔn)的設(shè)計圖紙進(jìn)行的深化設(shè)計。施工圖質(zhì)量對現(xiàn)場的施工質(zhì)量起到至關(guān)重要的影響。為此通過對結(jié)構(gòu)的施工圖紙進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)一步對工程造價進(jìn)行控制。主要采取的措施有:精細(xì)化設(shè)計，采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，控制局部小的變更在現(xiàn)場施工之前的措施。1)精細(xì)化設(shè)計結(jié)構(gòu)的施工圖紙越精細(xì)，現(xiàn)場施工越順利，而且易于發(fā)現(xiàn)局部設(shè)計差異。為此，可以采取以下措施:①針對結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如梁、板、柱、墻，精細(xì)到每根鋼筋，標(biāo)明鋼筋尺寸及根數(shù)、長度、搭接位置及長度等，大大降低鋼筋放樣階段浪費(fèi);②針對復(fù)雜結(jié)構(gòu)，精細(xì)到每個節(jié)點(diǎn)，標(biāo)明尺寸、高度等。③對于結(jié)構(gòu)構(gòu)件平面定位，不僅標(biāo)明具體的尺寸，而且精確到每個坐標(biāo)點(diǎn)。2)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計在施工圖設(shè)計階段采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計可以降低工程造價，具體為:減少深化設(shè)計的工作量，提高設(shè)計的效率，大大縮短施工圖設(shè)計周期;采用標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件可以加快工程施工進(jìn)度，減少材料浪費(fèi)，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計有較強(qiáng)的通用性，可以大量重復(fù)使用，較為經(jīng)濟(jì)。如梁上洞口標(biāo)準(zhǔn)加鋼筋節(jié)點(diǎn)，設(shè)備基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)配筋節(jié)點(diǎn)，圈梁構(gòu)造柱節(jié)點(diǎn)，剪力墻標(biāo)準(zhǔn)配筋節(jié)點(diǎn)等。3)盡量控制局部小變更在現(xiàn)場施工之前在施工圖精細(xì)化過程中，對于局部設(shè)計差異，及時與設(shè)計方溝通，并通過變更節(jié)點(diǎn)直接用于現(xiàn)場施工;對于施工難度較大的節(jié)點(diǎn)，及時提出合理建議，調(diào)整局部設(shè)計，降低施工難度。將此類局部小變更控制在現(xiàn)場施工之前，避免現(xiàn)場返工，有利于對施工成本的控制。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計經(jīng)濟(jì)效益

通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計在本項目取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)約大量的材料，降低勞動力的使用量，提高施工進(jìn)度。僅與優(yōu)化公司聯(lián)合優(yōu)化的部分，就節(jié)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(jié)語

通過在本高層項目設(shè)計階段的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，總結(jié)了在D＆B總承包合同模式下結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計控制思路與管理實踐，并結(jié)合措施與案例分析。實踐證明，傳統(tǒng)施工承包商在D＆B項目中采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，有效控制工程造價，并取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。同時也給同類D＆B項目，提供結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計借鑒。但是在D＆B總承包合同下，對優(yōu)化設(shè)計也面臨一些認(rèn)識不足的問題:①設(shè)計方重視設(shè)計速度，以完成任務(wù)為前提，通常提供單一化的方案，可比性不強(qiáng);②所有的優(yōu)化方案必須經(jīng)原設(shè)計方的認(rèn)同并作修改，再次審批和施工圖評審，導(dǎo)致設(shè)計周期延長，甚至影響現(xiàn)場施工進(jìn)度;③對設(shè)計方案存在的缺陷，缺乏量的界定、責(zé)任的劃分和可供操作的處罰條款，是不負(fù)經(jīng)濟(jì)責(zé)任的設(shè)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(zé)任公司、中建股份有限公司海外事業(yè)部）