大空間分肢柱體系的建筑結構功能分析

羅榮利 劉雙

摘 要：本文以國外EPC項目中某雙子塔高層辦公樓為分析對象，對其底層大空間采用的分肢柱布置方案進行功能分析，通過結構方案的對比與施工的難易選擇，著重說明結構構件布設與建筑美學功能的對立統一。以此設計元素的論證過程為例，通過與屬地設計院的交流溝通，闡述了國際工程中總承包單位與國外設計院的設計協調管理工作特點，為國外EPC項目的設計管理工作提供一些實踐參考分析。

關鍵詞：EPC設計管理；建筑美學；分肢柱；功能分析

1 引言

目前，隨著基建產能輸出，中國建筑企業在“一帶一路”的建設過程中發揮重要的支柱作用。更多中資建筑企業走出國門，出現在世界各地大型城市基礎設施及大型房建工程項目中。以EPC模式為主的項目管理模式在國外廣泛接受，隨之而來的問題是：因工程設計地域性很強，國內設計院在國外建筑市場往往水土不服，中資總承包方一般會將設計咨詢委托給屬地的設計院。EPC項目設計管理的核心是發揮設計在整個工程建設過程中的主導作用。設計主導作用的強調和發揮，才利于工程項目建設整體方案的不斷優化。而如何與屬地設計院就工程設計服務于項目建設和整體利益進行有效溝通，是總承包企業所面臨的一大課題。本文通過一典型工程的設計方案作為分析實例，對方案設計在取舍過程中的建筑功能、結構方案與施工制約因素進行綜合對比分析，將與設計方的協調工作過程作為參考。結構方案對高層建筑的造價與工期有舉足輕重的影響，但建筑美學[1]要求與外部環境的支配作用下，有可能需要從項目整體的意義與業主方的主觀因素考慮，進行整體功能分析，才能在各種復雜的條件下作出適用、經濟、合理的設計方案。

2 工程概況

本工程位于埃及開羅新首都行政一期核心區，是迄今為止中資企業在埃及市場上承接的最大單個EPC項目，總建筑面積約170萬平米。整個CBD建筑物概念設計著眼于城市界面整體形象的營造，旨在滿足功能的前提下，體現其當地特色的氣質與空間的品位。建筑高低錯落，天際輪廓線優美，空間層次豐富。

雙子塔C05和C06位于核心區景觀大道入口處，為兩棟對稱的高層辦公樓，每棟建筑地上18層，地下2層（見圖1）。其建筑設計強調的風格主要有：帶有統一的橫豎向金屬線條搭配的外立面幕墻，底部入口大空間采用躍層的“倒金字塔型”分肢柱，頂部采用與其他棟協調的傾角鋼結構幕墻裝飾，懸挑5.0m的大陽臺，中間局部樓層凹進，立面造型凸顯形體感和線條感，局部變化靈活。其中，作為分肢柱的設計元素，在CBD其他單體也有出現，一般出現在建筑物中間層，設置在建筑物底部的只有C05和C06雙子塔。

3 建筑結構功能分析

我們從工期和構件受力方面初步判斷，采用分肢柱對工程施工可能存在諸多不利的影響。作為EPC項目，最初的設想是為節省成本，取消此分肢柱，將上層柱網直接落地。從土建考慮，這是最經濟最合理的方案，但這背離了建筑方案初衷，遭到了設計方的反對，業主也未給予支持。從結構體系直觀上看， 底層躍層分肢柱可能會形成結構豎向薄弱層，這對建筑物抗震設防偏不利（埃及開羅地區按地震加速度0.15g）。為此，我們根據概念方案建立結構分析模型（圖2），計算分析結果卻顯示：結構在樓層側移剛度及受剪承載力方面均無薄弱層出現，在地震作用下構件性能分析中，底部躍層柱未見有明顯的破壞（圖3），這某種程度上說明了這種“倒金字塔型”分肢柱因其傳力體系明確，其抗震性能較為良好。

概念設計與設計院溝通后，確定采用分肢柱。但采用何種形式的柱截面，并無定論。作為設計管理方，我們從經濟性、工期及施工可行性方面入手，對各種柱截面類型進行功能分析，結合建筑、結構及建造各因素，對比選取最為適合的方案?，F對擬采用鋼管混凝土柱、型鋼混凝土柱、和普通混凝土柱三種方案分別進行分析，并綜合比較三者之間的優劣，從中選擇最合適的設計及建造方案。

3.1 鋼管混凝土柱

鋼管混凝土柱[2]對提高鋼管壁的穩定性很有利，使構件的豎向承載能力和地震作用下極限變形能力大大增強。且鋼管混凝土結構的耐火耐腐蝕性能好，施工過程中不用綁扎鋼筋、支模、拆模等工序，施工簡便。

在概念設計中，對雙子塔高層東部一～三層端部采用“倒金字塔”分肢鋼管混凝土圓柱，直徑經優化為1100mm，在第四層進行厚板轉換，柱上設置厚板（暗梁）作為轉換構件（圖4），結構構件輕巧，立面風格以簡約、純凈的現代建筑表現語言，強調外立面材料的質感和對比，建筑空間觀感效果較好。

在建造過程中將存在以下兩個主要困難：一、鋼管厚度大于50mm，當地無法加工此類高強鋼管，鋼結構從屬地設計、國內生產加工到運輸至國外現場施工，過程至少需要三個月以上，因此需提前出圖提前加工；二、因鋼結構從國內進口，在當地施工的質量檢測費用增加，工期延長將帶來的各項費用的增加。

3.2 勁性混凝土柱

采用勁性混凝土圓柱，直徑為1300mm，型鋼骨架的安裝與全鋼結構類似，可作為臨時支撐承受后澆混凝土、模板腳手架的施工荷載，待澆筑完畢后與型鋼形成鋼骨混凝土結構，共同承受使用階段的荷載，施工相對簡便。

從施工可行性看，建筑材料可從埃及就地取材，不存在進口及運輸問題。但勁性混凝土柱對混凝土模板要求很高，各型鋼柱在節點處如何搭接是個問題。圓柱的高斜支模、定位以及混凝土澆筑質量對工程影響巨大。從建筑效果看，柱構件相對較大，稍顯厚重，建筑空間效果一般。

3.3 鋼筋混凝土柱

采用普通鋼筋混凝土圓柱，柱截面直徑為1600mm，采用C60的高強度混凝土，按照一般躍層柱進行設計施工。但需要架設嚴格控制變形的模板支撐體系，因混凝土柱截面相對于8.4m的柱網，入口處柱構件觀感巨大，空間效果差，影響了整體的建筑形象，遭到設計方的反對。偏保守的結構工程師認為這種普通混凝土斜柱的抗剪性能不足截面不能減小，建筑師則認為其影響了關鍵的建筑設計元素效果。

值得注意的是，國外工程項目對屬地設計院的設計方案質疑，必須要建立在依據當地規范的基礎上。而國外設計院的設計周期相對國內較長，若重新調整柱網或改變建筑方案，設計進度更變得不可控制。這方面和國內EPC項目設計管理有較大的差異。

雙子塔建筑底層采用分肢柱作為躍層空間的支撐結構，其“倒金字塔”的造型避免了普通立柱帶來的單調，體現建筑的藝術氣質與空間品位。經綜合分析，最終方案采用鋼管混凝土分肢柱。其結構構件纖細優美，簡潔的線條展現的美感與向上的動勢，“倒金字塔”鋼管分肢柱作為整個埃及新行政區CBD一個重要建筑設計要素，盡管從結構及建造方面付出的代價不小，但為了城市界面整體形象的營造，必須給予保留。

4 結語

在國外EPC項目中，因為規范標準不同、設計院功能定位不同，如何發揮設計管理在國際工程項目管理中的作用，是一個較為復雜的課題。與國內的EPC項目不同，國外設計院本身的設計內涵相當廣泛，甚至連材料配比、產品廠家的選擇都由設計院指定或者總承包推薦，設計確認。且在業主批準的投資范圍內，國外設計院建筑師對設計作品中的建筑元素及實際效果要求的相當苛刻。在建筑美觀、結構方案和施工難易三者之間取舍時，設計院會首先強調保證建筑美觀效果。本工程的辦公樓，建筑師強調建筑外立面的豐富多用，對底部大空間采用鋼管分肢柱，建筑功能需求使得結構優化與建造難度讓位于建筑元素表達。

參考文獻：

[1] 曾堅.建筑美學[M].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[2] GB 5050936—2014.鋼管混凝土結構技術規范[S].