海外超高層建筑結構價值工程實施策略*

田 偉

(1.上海中建海外發展有限公司，上海 200125； 2.中國建筑股份有限公司埃及分公司，埃及 開羅 11835)

0 引言

根據世界高層建筑與都市人居學會(CTBUH)的定義，建筑高度>300m的建筑被稱為超高層建筑。近些年隨著全球經濟的不斷發展，超高層建筑在全球范圍尤其是在中國得到空前發展。截至2019年，已連續6年每年至少有1座500m以上的超高層建筑竣工。2019年竣工的最高大樓是天津周大福金融中心，以530m高度與同樣高度的姊妹樓廣州周大福金融中心并列成為中國第三、世界第七高建筑。連續5年，當年建成的最高建筑都在中國。根據CTBUH公布的數據，全球>300m高的超高層建筑，前100座中有61座在中國。2019年全球十大最高建筑排行榜，中國上榜6座。中國已成為當今世界超高層建筑發展最快的地區，而且這種高速發展的趨勢仍在持續[1]。

隨著“一帶一路”倡議的實施和我國建造技術的不斷發展，建筑企業開始走出國門承建國外超高層項目。目前在全世界超高層建筑領域，我國承建并竣工的建筑數量占全球總數的一半，從東南亞到西亞再到非洲，處處能看到中國建筑承包商的身影[2]。

由于超高層建筑面積大、建造周期長、投資大，需要消耗大量的社會資源，因此提升超高層建筑設計的經濟性和合理性無論是從降低工程造價還是提升社會的可持續發展都非常重要與必要。特別是對于海外工程，大多數項目為EPC總承包，價值工程的實施對超高層建筑成本控制和展示中國建造的綜合實力至關重要。

價值工程(value engineering)是指以產品或作業的功能分析為核心，以提高產品或作業的價值為目的，力求以最低壽命周期成本實現產品或作業使用所要求的必要功能的一項有組織的創造性活動。價值工程是國外普遍采用的業主或總承包單位對工程項目進行管控的重要手段和工具[3-4]。價值工程是在工程建設領域，在滿足業主需求的前提下，通過設計管理將功能優化、成本控制、工期要求和可建性等直接融入設計，使設計服務于項目綜合效益最大化[5]。

超高層建筑價值工程的實施需總承包單位擁有豐富的項目策劃、設計和施工經驗，在概念設計階段便提前介入，并在初步設計和施工圖設計過程中通過深化、優化和施工經驗融入，優化建筑功能布局、提升設計品質和質量、提高施工效率、控制項目成本，高效高質量完成項目。

本文將從海外超高層建筑的特點出發，以價值工程實施的重點和難點即結構價值工程為研究對象，結合工程案例，對超高層建筑結構價值工程的實施進行探討。

1 海外超高層項目特點

國內工程項目的實施是設計、施工相分離，設計單位負責設計，施工單位按圖施工。在這種體制的引導下，設計單位主要關注設計安全和設計工期，對項目成本考慮較少[1-2]。而施工單位則主要關注工程量和施工便捷性。設計、施工相分離的體制限制，導致工程項目的綜合效益往往無法達到最大化，項目造價超出預算情況屢屢發生。

海外超高層項目普遍根據FIDIC合同實施，主要采用EPC總承包模式，由總承包商全權負責設計、采購、施工[6]。EPC總承包單位承擔全部設計責任，需對設計進行全過程管理[7]。同時，也需對建筑產品的質量和造價進行管控，使其在業主預算范圍內。總承包單位需站在業主角度，以全局化思維對建筑功能、設計質量、工程成本、工期和運維等進行綜合考慮，使項目在全生命周期的綜合效益達到最大化。

同時，業主為了規避風險，海外超高層項目往往是總價包干合同。在海外項目資源組織難、管理成本高、監管嚴格等條件限制下，價值工程是承包商提高利潤水平的重要途徑。

2 超高層建筑結構價值工程實施

超高層建筑的結構設計專業性強，技術含量高，與其他專業相比，其價值工程的實施是超高層建筑價值工程實施的重點和難點，下面結合工程案例，從標準選用、結構體系優化、荷載取值、設計值選用、材料選取、設計施工一體化、精細化深化設計、可建性、施工便捷性等方面詳細分析如何實施超高層建筑結構價值工程。

2.1 標準選用

目前海外超高層項目的熱點區域是在東南亞、西亞及北非地區。這些區域在設計標準方面普遍存在以下問題：標準缺失，未形成自己的國家標準體系，只能選用歐洲標準或美國標準；標準體系不完善，未能覆蓋超高層建筑領域；標準滯后，未能將超高層建筑領域近10年的最新研究成果納入標準體系，甚至還在沿用20世紀90年代的標準。由于存在上述問題，合理選用設計標準成為超高層建筑結構價值工程實施首先要面臨也是最重要的一個問題。選用合理適用的標準體系，對項目的工程造價起到至關重要的作用。超高層建筑不僅僅是地標性建筑，而且象征著國家的現代化和經濟成就，具有政治意義，因此政府主管一般難以接受本國的標志性超高層建筑不采用本國標準而采用國外標準。這就需要承包商采取策略，在無法整體采用國際標準的情況下，推動業主在最核心的若干條款采用國際標準。

為闡釋選用合理標準的重要性，在此以中國建筑企業在北非的某超高層建筑項目為例進行說明。對超高層建筑來說，地震荷載是起控制作用的荷載之一，其取值對結構設計影響巨大。由于項目所在國設計標準滯后，結構設計規范中只有自振周期6s以下地震反應譜，未能覆蓋該超高層建筑10s左右自振周期范圍。當地設計公司未經仔細對比，直接套用當地規范6s的地震反應譜參數，導致地震荷載取值偏大，設計保守，結構成本超出預算。承包商經仔細對比和分析，通過與當地權威部門和標準委員會的溝通，僅采用國際標準合理的地震反應譜參數取值這一條款，如圖1所示，其余內容仍采用當地規范。通過更改地震荷載這一項參數，降低地震作用50%，對結構重新進行設計，僅鋼結構便減少5 000t，鋼筋減少3 000t，綜合降低項目造價約1 500萬美元。

圖1 超高層建筑地震反應譜曲線

2.2 結構體系選擇

水平荷載作用下超高層建筑基底的傾覆力矩和結構頂部位移隨結構高度呈非線性增長，結構抗側材料用量也隨著建筑高度的增加而呈非線性增加，選擇合理的抗側力結構體系是控制超高層建筑成本的重要途徑之一[8]。超高層建筑常用的結構形式有框架+核心筒、巨型框架+核心筒、筒中筒等，以及多筒、筒束等由筒體發展而來的更復雜、承載力更強、抗側剛度更好的結構體系[9]。其中，框架+核心筒是相對較經濟的結構形式，核心筒一般采用混凝土結構，外框常采用鋼結構。對于框架和核心筒之間梁板布置體系是需重點關注的一個方面，其布置對加強核心筒與外框之間的聯系具有重要作用。

現以案例說明梁板布置體系的重要性，某超高層建筑在概念設計階段，梁板體系為環向布置，如圖2a所示。此種布置方式會導致樓面荷載傳力層級多、用鋼量大和樓層凈高低等問題。總承包單位在審核概念設計過程中發現此問題，通過建模分析計算及和業主、設計溝通，建議將梁板布置體系由環向改為徑向，如圖2b所示。

圖2 梁板環向與徑向布置體系

梁板布置體系按徑向調整后有如下優點。

1)加強核心筒和外框之間的聯系，提升結構整體性能 通過徑向布置的次梁，加強核心筒和外框之間的聯系；通過加大外框柱之間鋼梁高度，加強外框柱的整體剛度。上述措施提升了核心筒和外框的協同工作性能，并將伸臂桁架由3道改為2道。

2)增加樓層凈高200mm 原主梁高度為750mm，調整后主梁高度為550mm，增加200mm，不僅為機電管線預留了充分的空間，更提高了建筑的空間舒適性。

3)節約3 000t用鋼量 徑向布置簡化了荷載傳力路徑，通過布局優化和梁截面優化，梁用鋼量總體可節省約2 000t。

4)解決了邊梁抗扭問題 原來邊梁為200mm×200mm方鋼管曲梁，跨度達12m，且由于需支承幕墻結構，荷載較大，邊梁的抗扭及抗彎均存在問題。通過徑向梁的懸挑，為邊梁提供有效的側向支撐，解決了邊梁的抗彎和抗扭問題。

2.3 荷載取值

在超高層建筑中，水平荷載是控制荷載，水平荷載作用下結構的抗彎設計往往起控制作用。地震荷載和風荷載是超高層建筑最主要的水平荷載，減小結構所受的水平荷載是提高超高層建筑結構經濟性最有效措施之一。地震荷載一般可根據當地標準或國際標準進行取值。超高層建筑的風荷載取值相對較復雜，難以準確確定。建議必須通過風洞試驗準確確定風荷載取值，雖需花費一定時間與費用，但對整個超高層建筑設計的合理性和成本的可控性至關重要。

在設計中，還可采取以下措施減小風荷載影響：采用合理的建筑體形減小結構所受風荷載；采用氣動優化技術減小結構風荷載響應，降低結構造價，氣動優化主要通過平面外形優化(圓形、三角形、Y形、角部修正)、建筑物立面外形優化(錐形化立面、階梯縮進)、改變局部形態(附加開洞)等方法減少風荷載；采用風振控制技術減小超高層建筑頂部的加速度響應，提高建筑物的舒適度，風振控制技術主要通過TMD(調諧質量阻尼器)、TLD(調諧液體阻尼器)、AMD(主動質量阻尼器)和EC-TMD(電磁渦流調諧質量阻尼器)等阻尼減小風振。其中，EC-TMD具有阻尼穩定性高、阻尼比可調、造價低等優勢。上海中心的幾何外形在隨著高度上升的過程中同時發生旋轉和收縮，豎向旋轉120?獨特的建筑外形及角部的鈍化處理最大限度地減小了風荷載作用，如圖3所示。國外最新研發了液體阻尼技術，阻尼器設置液體和空氣兩個腔體，通過液體腔體和空氣腔體之間的壓縮和釋放，起到阻尼作用，該技術具有造價低、布置靈活、效率高、空間小等優點。

圖3 上海中心建筑外形

對于其他荷載，如標準層恒載與活載，雖然單層的數值變化不大，但由于超高層標準層多，累加起來數量巨大，因此也需仔細核算。對于有覆土的地下室，覆土厚度等也需分析確認，其荷載取值對地下室頂板的設計影響較大。

2.4 設計值取值

在設計值取值方面，鋼筋、混凝土、鋼材等都有成熟的標準體系，基礎承載力設計值的取值相對來說受工程師主觀影響較大，且本身的離散性也較大，因此有必要通過進一步分析或試驗精確確定基礎承載力。

以某超高層建筑為例，該項目基礎位于強風化玄武巖之上，設計采用筏板基礎。原設計確定地基承載力的方法是取巖樣做室內試驗確定巖樣的性能參數，由于未考慮周圍巖層約束對承載力的提高，按上述方法確定的設計值取值偏保守[10]。保守的承載力設計值取值導致筏板設計用鋼量偏大，對EPC項目控制總成本不利。為了準確確定基巖的承載力，與設計方協商在開挖到設計標高后，采用原位現場荷載試驗，即巖石平板載荷試驗，為考慮水對巖石可能存在的影響，在平板載荷試驗基礎上考慮浸水前后巖石性能參數的變化以準確測定巖石承載力，為設計提供參考。總承包單位通過巖石浸水平板試驗，如圖4所示，精確測定了巖石的力學性能，提升地基承載力設計值接近20%，直接節約筏板鋼筋接近1 000t。

圖4 巖石浸水平板載荷試驗反力裝置

在某裙房獨立基礎的設計中，原設計對裙房區域的地基承載力取相同值，統一為350kN/m2，由于裙房區域的巖層分布呈現西高東低特性，西側裙房區域獨立基礎與巖石之間平均距離為0.5～1.0m，東側裙房區域獨立基礎與巖石之間平均距離為1.5～2.5m，通過進一步分析及與設計單位溝通，將西側裙房區域的地基承載力由350kN/m2調整到450kN/m2，節約基礎鋼筋800t及1 000m3混凝土。

2.5 材料選用

建筑材料的進步是超高層建筑發展的基礎，采用輕質高強材料是超高層建筑的重要發展方向。輕質材料的應用將大大減小結構自重，減小建筑在地震作用下的結構反力，保障結構安全；高強材料的應用將提高結構承載力，從而減少材料用量和減小結構自重，高強鋼材和高強混凝土必將得到更廣泛應用，未來1 000MPa高強鋼筋和200MPa混凝土也將出現。目前國內超高層建筑核心筒墻體的混凝土強度普遍是C60，同時內設勁性結構。國外超高層建筑核心筒墻體普遍不設勁性結構，但混凝土強度等級在C60以上。國內外的兩種思路各有特點，國內需在采用勁性結構的基礎上，拓展核心筒C80以上高強混凝土的應用，進一步減小核心筒面積，拓展有效使用面積；國外則需在高強混凝土的基礎上，推廣內設勁性結構的高強混凝土剪力墻結構。

海外超高層項目普遍面臨資源匱乏情況，因此需細致調研所在國的建筑資源供應情況，綜合考慮成本等因素，最大限度地采用輕質高強材料。

以某超高層建筑為例，通過市場調研，發現該國市場上500MPa的四級鋼筋價格與400MPa的三級鋼筋價格非常接近，只有約3%的價差，且供應充足，因此將原設計采用的三級鋼筋改為四級鋼筋，不僅提高了結構質量和安全性，而且降低了工程造價。

在調研當地材料供應的基礎上，發現當地的水泥、石子等原材料質量較好，因此決定采用C80高強混凝土，這是該國首次采用C80混凝土，通過配合比調試及模型試驗，如圖5所示，成功在核心筒中應用C80高強混凝土，不僅增加了核心筒的有效使用面積、降低了成本，而且擴大了項目影響力，取得良好的綜合效益。

圖5 C80高強混凝土模型試驗

同時，原設計采用水泥磚作為墻體材料，重度達20kN/m3，不僅荷載大，而且砌筑速度慢，將會影響后期的裝飾裝修工程。因此，建議設計采用大尺寸ACC輕質磚和輕鋼龍骨石膏板隔墻。雖然在直接成本上無顯著降低，但在降低勞動力成本、加快施工速度、減小結構自重和減少地震作用力等方面效果顯著，綜合效益良好。

2.6 設計施工一體化

設計單位主要從設計角度考慮問題，出發點局限于設計，總承包單位則需從全局出發，從建造全過程考慮，發揮設計施工一體化優勢，在尊重設計成果的基礎上，結合施工經驗，對設計做出更合理、更經濟、更高效的建議，提高項目的設計品質。

某超高層建筑的筏板原設計為U形，設計厚度為5m，筏板下方需回填5m厚素混凝土10 000m3，如圖6a所示。原設計存在素混凝土回填量大、成本高，5m高單側支模和吊模工作量大，施工工效低等問題。建議將筏板由U形改為平板，取消5m厚素混凝土回填，并在局部增加架空層，如圖6b所示。此種設計不僅降低施工難度，可縮短施工時間2周，而且減低成本約100萬美元；并且通過取消回填，增加結構的嵌固深度，加強了結構整體的穩定性和安全性。

圖6 筏板優化前后設計

2.7 精細化深化設計

海外項目的深化設計一般由總承包單位承擔，這既是對總承包綜合能力的考驗，也是實施價值工程的有利條件，便于總承包單位在深化設計時提前發現問題、解決問題，將問題在設計階段提前解決。價值工程的實施必須融入深化設計，在深化設計實施過程中，需從每個細節考慮最大限度地減低成本。例如，對于鋼筋的連接方式，是采用套筒連接還是搭接連接，需綜合考慮套筒成本及供應情況；鋼筋的搭接位置設置在何處較合適，這些都需綜合考慮，才能達到既經濟又便于施工的目的。以某超高層項目的筏板鋼筋深化設計為例，鋼筋直徑為32mm，根據筏板尺寸，計算發現采用18m定尺加工的鋼筋搭接量最小，提前將搭接位置在深化設計圖紙上標識出來，如圖7所示，斜線部位為搭接區域，通過深化設計，最大限度地減小鋼筋加工量和搭接長度。連梁深化設計如圖8所示，連梁部位鋼筋密集，有鋼結構預埋件，機電開孔，各專業之間極易“打架”，通過深化設計，將各專業信息提前綜合在圖紙上，提前分析鋼筋碰撞，提前解決問題。

圖7 筏板鋼筋定尺加工及搭接位置設計

圖8 連梁鋼筋深化設計

2.8 可建性

可建性是影響工期的核心因素，也是價值工程考慮的核心問題之一。如果未能有效解決，將直接影響項目工期，并可能決定項目“生死”。以某超高層項目的連梁為例，連梁內設有對角鋼筋，對角鋼筋為24根直徑32mm鋼筋，箍筋直徑12mm，間距150mm。連梁上筋和下筋分別為18根直徑32mm鋼筋，如圖9所示。在水平筋、豎向筋和對角鋼筋交叉區域，鋼筋極其密集和復雜。項目通過圖紙審查提前發現此問題，并通過連梁鋼筋安裝的mockup展示給業主、監理方和設計方連梁鋼筋的可建性，以提前暴露問題的方式向設計方施壓。最終設計方調整連梁設計，以鋼梁取代部分連梁對角鋼筋、減少部分連梁的鋼筋數量、取消部分連梁對角鋼筋3種方式解決了連梁可建性問題。

圖9 連梁的密集鋼筋設計

2.9 施工便捷性

工期是價值工程需重點考慮的一個方面，必須考慮施工便捷性。例如，一些設計雖然符合設計標準和要求，無設計錯誤，但施工非常麻煩，會影響項目進度和工期，這就是價值工程需考慮和解決的問題。例如，某超高層建筑的鋼結構埋件設計，錨筋采用彎錨形式，如圖10a所示。彎錨錨筋不僅加工制作麻煩，而且會引起埋件安裝非常困難，平常安裝1個埋件需20min，由于錨筋和墻體水平筋、豎向筋和拉筋“打架”，需大量額外的調整工作，平均安裝1個彎錨錨筋埋件需要3h以上，大大增加了施工難度，影響了現場進度。通過和設計方溝通，設計采用彎錨錨筋主要擔心直錨錨固力不足，綜合考慮，建議將彎錨改為直錨，在直錨筋端部焊接端板以加強錨固，如圖10b所示。修改設計后，大大加快了現場安裝進度。

圖10 修改前后的預埋件直錨筋

3 結語

超高層建筑近年來在世界范圍內得到快速發展，中國承包商已走出國門，承接海外超高層項目。海外超高層項目大部分采用EPC模式，具有實施價值工程的有利條件。價值工程是總承包單位進行項目管理的重要手段，是在滿足業主需求的前提下，將功能優化、成本控制、施工要求等直接融入設計，達到項目綜合效益的最大化。價值工程的策劃和實踐以提前介入設計為主線，通過設計過程中的深化、優化和施工經驗融入，綜合考慮工期、成本和可建性，達到優化建筑功能布局、提升設計品質和質量、提高施工效率和控制項目成本的目的。超高層建筑結構的價值工程實施是超高層建筑價值工程實施的重點和難點。結合工程案例，從標準選用、結構體系優化、荷載取值、設計值選用、材料選取、設計施工一體化、精細化深化設計、可建性、施工便捷性等方面全面分析了超高層建筑結構進行價值工程實施的重點和要點。海外超高層建筑結構實施價值工程綜合效益顯著，值得大力推廣。