大空間分肢柱體系的建筑結(jié)構(gòu)功能分析

羅榮利 劉雙

摘 要：本文以國外EPC項(xiàng)目中某雙子塔高層辦公樓為分析對(duì)象，對(duì)其底層大空間采用的分肢柱布置方案進(jìn)行功能分析，通過結(jié)構(gòu)方案的對(duì)比與施工的難易選擇，著重說明結(jié)構(gòu)構(gòu)件布設(shè)與建筑美學(xué)功能的對(duì)立統(tǒng)一。以此設(shè)計(jì)元素的論證過程為例，通過與屬地設(shè)計(jì)院的交流溝通，闡述了國際工程中總承包單位與國外設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)管理工作特點(diǎn)，為國外EPC項(xiàng)目的設(shè)計(jì)管理工作提供一些實(shí)踐參考分析。

關(guān)鍵詞：EPC設(shè)計(jì)管理；建筑美學(xué)；分肢柱；功能分析

1 引言

目前，隨著基建產(chǎn)能輸出，中國建筑企業(yè)在“一帶一路”的建設(shè)過程中發(fā)揮重要的支柱作用。更多中資建筑企業(yè)走出國門，出現(xiàn)在世界各地大型城市基礎(chǔ)設(shè)施及大型房建工程項(xiàng)目中。以EPC模式為主的項(xiàng)目管理模式在國外廣泛接受，隨之而來的問題是：因工程設(shè)計(jì)地域性很強(qiáng)，國內(nèi)設(shè)計(jì)院在國外建筑市場往往水土不服，中資總承包方一般會(huì)將設(shè)計(jì)咨詢委托給屬地的設(shè)計(jì)院。EPC項(xiàng)目設(shè)計(jì)管理的核心是發(fā)揮設(shè)計(jì)在整個(gè)工程建設(shè)過程中的主導(dǎo)作用。設(shè)計(jì)主導(dǎo)作用的強(qiáng)調(diào)和發(fā)揮，才利于工程項(xiàng)目建設(shè)整體方案的不斷優(yōu)化。而如何與屬地設(shè)計(jì)院就工程設(shè)計(jì)服務(wù)于項(xiàng)目建設(shè)和整體利益進(jìn)行有效溝通，是總承包企業(yè)所面臨的一大課題。本文通過一典型工程的設(shè)計(jì)方案作為分析實(shí)例，對(duì)方案設(shè)計(jì)在取舍過程中的建筑功能、結(jié)構(gòu)方案與施工制約因素進(jìn)行綜合對(duì)比分析，將與設(shè)計(jì)方的協(xié)調(diào)工作過程作為參考。結(jié)構(gòu)方案對(duì)高層建筑的造價(jià)與工期有舉足輕重的影響，但建筑美學(xué)[1]要求與外部環(huán)境的支配作用下，有可能需要從項(xiàng)目整體的意義與業(yè)主方的主觀因素考慮，進(jìn)行整體功能分析，才能在各種復(fù)雜的條件下作出適用、經(jīng)濟(jì)、合理的設(shè)計(jì)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(qū)，是迄今為止中資企業(yè)在埃及市場上承接的最大單個(gè)EPC項(xiàng)目，總建筑面積約170萬平米。整個(gè)CBD建筑物概念設(shè)計(jì)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(xiàn)其當(dāng)?shù)靥厣臍赓|(zhì)與空間的品位。建筑高低錯(cuò)落，天際輪廓線優(yōu)美，空間層次豐富。

雙子塔C05和C06位于核心區(qū)景觀大道入口處，為兩棟對(duì)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(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)的風(fēng)格主要有：帶有統(tǒng)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(xié)調(diào)的傾角鋼結(jié)構(gòu)幕墻裝飾，懸挑5.0m的大陽臺(tái)，中間局部樓層凹進(jìn)，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(shè)計(jì)元素，在CBD其他單體也有出現(xiàn)，一般出現(xiàn)在建筑物中間層，設(shè)置在建筑物底部的只有C05和C06雙子塔。

3 建筑結(jié)構(gòu)功能分析

我們從工期和構(gòu)件受力方面初步判斷，采用分肢柱對(duì)工程施工可能存在諸多不利的影響。作為EPC項(xiàng)目，最初的設(shè)想是為節(jié)省成本，取消此分肢柱，將上層柱網(wǎng)直接落地。從土建考慮，這是最經(jīng)濟(jì)最合理的方案，但這背離了建筑方案初衷，遭到了設(shè)計(jì)方的反對(duì)，業(yè)主也未給予支持。從結(jié)構(gòu)體系直觀上看， 底層躍層分肢柱可能會(huì)形成結(jié)構(gòu)豎向薄弱層，這對(duì)建筑物抗震設(shè)防偏不利（埃及開羅地區(qū)按地震加速度0.15g）。為此，我們根據(jù)概念方案建立結(jié)構(gòu)分析模型（圖2），計(jì)算分析結(jié)果卻顯示：結(jié)構(gòu)在樓層側(cè)移剛度及受剪承載力方面均無薄弱層出現(xiàn)，在地震作用下構(gòu)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(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)管理方，我們從經(jīng)濟(jì)性、工期及施工可行性方面入手，對(duì)各種柱截面類型進(jìn)行功能分析，結(jié)合建筑、結(jié)構(gòu)及建造各因素，對(duì)比選取最為適合的方案。現(xiàn)對(duì)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(jìn)行分析，并綜合比較三者之間的優(yōu)劣，從中選擇最合適的設(shè)計(jì)及建造方案。

3.1 鋼管混凝土柱

鋼管混凝土柱[2]對(duì)提高鋼管壁的穩(wěn)定性很有利，使構(gòu)件的豎向承載能力和地震作用下極限變形能力大大增強(qiáng)。且鋼管混凝土結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)中，對(duì)雙子塔高層?xùn)|部一～三層端部采用“倒金字塔”分肢鋼管混凝土圓柱，直徑經(jīng)優(yōu)化為1100mm，在第四層進(jìn)行厚板轉(zhuǎn)換，柱上設(shè)置厚板（暗梁）作為轉(zhuǎn)換構(gòu)件（圖4），結(jié)構(gòu)構(gòu)件輕巧，立面風(fēng)格以簡約、純凈的現(xiàn)代建筑表現(xiàn)語言，強(qiáng)調(diào)外立面材料的質(zhì)感和對(duì)比，建筑空間觀感效果較好。

在建造過程中將存在以下兩個(gè)主要困難：一、鋼管厚度大于50mm，當(dāng)?shù)責(zé)o法加工此類高強(qiáng)鋼管，鋼結(jié)構(gòu)從屬地設(shè)計(jì)、國內(nèi)生產(chǎn)加工到運(yùn)輸至國外現(xiàn)場施工，過程至少需要三個(gè)月以上，因此需提前出圖提前加工；二、因鋼結(jié)構(gòu)從國內(nèi)進(jìn)口，在當(dāng)?shù)厥┕さ馁|(zhì)量檢測費(fèi)用增加，工期延長將帶來的各項(xiàng)費(fèi)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(jié)構(gòu)類似，可作為臨時(shí)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(jié)構(gòu)，共同承受使用階段的荷載，施工相對(duì)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(jìn)口及運(yùn)輸問題。但勁性混凝土柱對(duì)混凝土模板要求很高，各型鋼柱在節(jié)點(diǎn)處如何搭接是個(gè)問題。圓柱的高斜支模、定位以及混凝土澆筑質(zhì)量對(duì)工程影響巨大。從建筑效果看，柱構(gòu)件相對(duì)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(qiáng)度混凝土，按照一般躍層柱進(jìn)行設(shè)計(jì)施工。但需要架設(shè)嚴(yán)格控制變形的模板支撐體系，因混凝土柱截面相對(duì)于8.4m的柱網(wǎng)，入口處柱構(gòu)件觀感巨大，空間效果差，影響了整體的建筑形象，遭到設(shè)計(jì)方的反對(duì)。偏保守的結(jié)構(gòu)工程師認(rèn)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(rèn)為其影響了關(guān)鍵的建筑設(shè)計(jì)元素效果。

值得注意的是，國外工程項(xiàng)目對(duì)屬地設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)方案質(zhì)疑，必須要建立在依據(jù)當(dāng)?shù)匾?guī)范的基礎(chǔ)上。而國外設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)周期相對(duì)國內(nèi)較長，若重新調(diào)整柱網(wǎng)或改變建筑方案，設(shè)計(jì)進(jìn)度更變得不可控制。這方面和國內(nèi)EPC項(xiàng)目設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，其“倒金字塔”的造型避免了普通立柱帶來的單調(diào)，體現(xiàn)建筑的藝術(shù)氣質(zhì)與空間品位。經(jīng)綜合分析，最終方案采用鋼管混凝土分肢柱。其結(jié)構(gòu)構(gòu)件纖細(xì)優(yōu)美，簡潔的線條展現(xiàn)的美感與向上的動(dòng)勢，“倒金字塔”鋼管分肢柱作為整個(gè)埃及新行政區(qū)CBD一個(gè)重要建筑設(shè)計(jì)要素，盡管從結(jié)構(gòu)及建造方面付出的代價(jià)不小，但為了城市界面整體形象的營造，必須給予保留。

4 結(jié)語

在國外EPC項(xiàng)目中，因?yàn)橐?guī)范標(biāo)準(zhǔn)不同、設(shè)計(jì)院功能定位不同，如何發(fā)揮設(shè)計(jì)管理在國際工程項(xiàng)目管理中的作用，是一個(gè)較為復(fù)雜的課題。與國內(nèi)的EPC項(xiàng)目不同，國外設(shè)計(jì)院本身的設(shè)計(jì)內(nèi)涵相當(dāng)廣泛，甚至連材料配比、產(chǎn)品廠家的選擇都由設(shè)計(jì)院指定或者總承包推薦，設(shè)計(jì)確認(rèn)。且在業(yè)主批準(zhǔn)的投資范圍內(nèi)，國外設(shè)計(jì)院建筑師對(duì)設(shè)計(jì)作品中的建筑元素及實(shí)際效果要求的相當(dāng)苛刻。在建筑美觀、結(jié)構(gòu)方案和施工難易三者之間取舍時(shí)，設(shè)計(jì)院會(huì)首先強(qiáng)調(diào)保證建筑美觀效果。本工程的辦公樓，建筑師強(qiáng)調(diào)建筑外立面的豐富多用，對(duì)底部大空間采用鋼管分肢柱，建筑功能需求使得結(jié)構(gòu)優(yōu)化與建造難度讓位于建筑元素表達(dá)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 曾堅(jiān).建筑美學(xué)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2] GB 5050936—2014.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范[S].