大空间分肢柱体系的建筑结构功能分析

罗荣利 刘双

摘 要：本文以国外EPC项目中某双子塔高层办公楼为分析对象，对其底层大空间采用的分肢柱布置方案进行功能分析，通过结构方案的对比与施工的难易选择，着重说明结构构件布设与建筑美学功能的对立统一。以此设计元素的论证过程为例，通过与属地设计院的交流沟通，阐述了国际工程中总承包单位与国外设计院的设计协调管理工作特点，为国外EPC项目的设计管理工作提供一些实践参考分析。

关键词：EPC设计管理；建筑美学；分肢柱；功能分析

1 引言

目前，随着基建产能输出，中国建筑企业在“一带一路”的建设过程中发挥重要的支柱作用。更多中资建筑企业走出国门，出现在世界各地大型城市基础设施及大型房建工程项目中。以EPC模式为主的项目管理模式在国外广泛接受，随之而来的问题是：因工程设计地域性很强，国内设计院在国外建筑市场往往水土不服，中资总承包方一般会将设计咨询委托给属地的设计院。EPC项目设计管理的核心是发挥设计在整个工程建设过程中的主导作用。设计主导作用的强调和发挥，才利于工程项目建设整体方案的不断优化。而如何与属地设计院就工程设计服务于项目建设和整体利益进行有效沟通，是总承包企业所面临的一大课题。本文通过一典型工程的设计方案作为分析实例，对方案设计在取舍过程中的建筑功能、结构方案与施工制约因素进行综合对比分析，将与设计方的协调工作过程作为参考。结构方案对高层建筑的造价与工期有举足轻重的影响，但建筑美学[1]要求与外部环境的支配作用下，有可能需要从项目整体的意义与业主方的主观因素考虑，进行整体功能分析，才能在各种复杂的条件下作出适用、经济、合理的设计方案。

2 工程概况

本工程位于埃及开罗新首都行政一期核心区，是迄今为止中资企业在埃及市场上承接的最大单个EPC项目，总建筑面积约170万平米。整个CBD建筑物概念设计着眼于城市界面整体形象的营造，旨在满足功能的前提下，体现其当地特色的气质与空间的品位。建筑高低错落，天际轮廓线优美，空间层次丰富。

双子塔C05和C06位于核心区景观大道入口处，为两栋对称的高层办公楼，每栋建筑地上18层，地下2层（见图1）。其建筑设计强调的风格主要有：带有统一的横竖向金属线条搭配的外立面幕墙，底部入口大空间采用跃层的“倒金字塔型”分肢柱，顶部采用与其他栋协调的倾角钢结构幕墙装饰，悬挑5.0m的大阳台，中间局部楼层凹进，立面造型凸显形体感和线条感，局部变化灵活。其中，作为分肢柱的设计元素，在CBD其他单体也有出现，一般出现在建筑物中间层，设置在建筑物底部的只有C05和C06双子塔。

3 建筑结构功能分析

我们从工期和构件受力方面初步判断，采用分肢柱对工程施工可能存在诸多不利的影响。作为EPC项目，最初的设想是为节省成本，取消此分肢柱，将上层柱网直接落地。从土建考虑，这是最经济最合理的方案，但这背离了建筑方案初衷，遭到了设计方的反对，业主也未给予支持。从结构体系直观上看， 底层跃层分肢柱可能会形成结构竖向薄弱层，这对建筑物抗震设防偏不利（埃及开罗地区按地震加速度0.15g）。为此，我们根据概念方案建立结构分析模型（图2），计算分析结果却显示：结构在楼层侧移刚度及受剪承载力方面均无薄弱层出现，在地震作用下构件性能分析中，底部跃层柱未见有明显的破坏（图3），这某种程度上说明了这种“倒金字塔型”分肢柱因其传力体系明确，其抗震性能较为良好。

概念设计与设计院沟通后，确定采用分肢柱。但采用何种形式的柱截面，并无定论。作为设计管理方，我们从经济性、工期及施工可行性方面入手，对各种柱截面类型进行功能分析，结合建筑、结构及建造各因素，对比选取最为适合的方案。现对拟采用钢管混凝土柱、型钢混凝土柱、和普通混凝土柱三种方案分别进行分析，并综合比较三者之间的优劣，从中选择最合适的设计及建造方案。

3.1 钢管混凝土柱

钢管混凝土柱[2]对提高钢管壁的稳定性很有利，使构件的竖向承载能力和地震作用下极限变形能力大大增强。且钢管混凝土结构的耐火耐腐蚀性能好，施工过程中不用绑扎钢筋、支模、拆模等工序，施工简便。

在概念设计中，对双子塔高层东部一～三层端部采用“倒金字塔”分肢钢管混凝土圆柱，直径经优化为1100mm，在第四层进行厚板转换，柱上设置厚板（暗梁）作为转换构件（图4），结构构件轻巧，立面风格以简约、纯净的现代建筑表现语言，强调外立面材料的质感和对比，建筑空间观感效果较好。

在建造过程中将存在以下两个主要困难：一、钢管厚度大于50mm，当地无法加工此类高强钢管，钢结构从属地设计、国内生产加工到运输至国外现场施工，过程至少需要三个月以上，因此需提前出图提前加工；二、因钢结构从国内进口，在当地施工的质量检测费用增加，工期延长将带来的各项费用的增加。

3.2 劲性混凝土柱

采用劲性混凝土圆柱，直径为1300mm，型钢骨架的安装与全钢结构类似，可作为临时支撑承受后浇混凝土、模板脚手架的施工荷载，待浇筑完毕后与型钢形成钢骨混凝土结构，共同承受使用阶段的荷载，施工相对简便。

从施工可行性看，建筑材料可从埃及就地取材，不存在进口及运输问题。但劲性混凝土柱对混凝土模板要求很高，各型钢柱在节点处如何搭接是个问题。圆柱的高斜支模、定位以及混凝土浇筑质量对工程影响巨大。从建筑效果看，柱构件相对较大，稍显厚重，建筑空间效果一般。

3.3 钢筋混凝土柱

采用普通钢筋混凝土圓柱，柱截面直径为1600mm，采用C60的高强度混凝土，按照一般跃层柱进行设计施工。但需要架设严格控制变形的模板支撑体系，因混凝土柱截面相对于8.4m的柱网，入口处柱构件观感巨大，空间效果差，影响了整体的建筑形象，遭到设计方的反对。偏保守的结构工程师认为这种普通混凝土斜柱的抗剪性能不足截面不能减小，建筑师则认为其影响了关键的建筑设计元素效果。

值得注意的是，国外工程项目对属地设计院的设计方案质疑，必须要建立在依据当地规范的基础上。而国外设计院的设计周期相对国内较长，若重新调整柱网或改变建筑方案，设计进度更变得不可控制。这方面和国内EPC项目设计管理有较大的差异。

双子塔建筑底层采用分肢柱作为跃层空间的支撑结构，其“倒金字塔”的造型避免了普通立柱带来的单调，体现建筑的艺术气质与空间品位。经综合分析，最终方案采用钢管混凝土分肢柱。其结构构件纤细优美，简洁的线条展现的美感与向上的动势，“倒金字塔”钢管分肢柱作为整个埃及新行政区CBD一个重要建筑设计要素，尽管从结构及建造方面付出的代价不小，但为了城市界面整体形象的营造，必须给予保留。

4 结语

在国外EPC项目中，因为规范标准不同、设计院功能定位不同，如何发挥设计管理在国际工程项目管理中的作用，是一个较为复杂的课题。与国内的EPC项目不同，国外设计院本身的设计内涵相当广泛，甚至连材料配比、产品厂家的选择都由设计院指定或者总承包推荐，设计确认。且在业主批准的投资范围内，国外设计院建筑师对设计作品中的建筑元素及实际效果要求的相当苛刻。在建筑美观、结构方案和施工难易三者之间取舍时，设计院会首先强调保证建筑美观效果。本工程的办公楼，建筑师强调建筑外立面的丰富多用，对底部大空间采用钢管分肢柱，建筑功能需求使得结构优化与建造难度让位于建筑元素表达。

参考文献：

[1] 曾坚.建筑美学[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2] GB 5050936—2014.钢管混凝土结构技术规范[S].