海外超高层建筑结构价值工程实施策略*

田 伟

(1.上海中建海外发展有限公司，上海 200125； 2.中国建筑股份有限公司埃及分公司，埃及 开罗 11835)

0 引言

根据世界高层建筑与都市人居学会(CTBUH)的定义，建筑高度>300m的建筑被称为超高层建筑。近些年随着全球经济的不断发展，超高层建筑在全球范围尤其是在中国得到空前发展。截至2019年，已连续6年每年至少有1座500m以上的超高层建筑竣工。2019年竣工的最高大楼是天津周大福金融中心，以530m高度与同样高度的姊妹楼广州周大福金融中心并列成为中国第三、世界第七高建筑。连续5年，当年建成的最高建筑都在中国。根据CTBUH公布的数据，全球>300m高的超高层建筑，前100座中有61座在中国。2019年全球十大最高建筑排行榜，中国上榜6座。中国已成为当今世界超高层建筑发展最快的地区，而且这种高速发展的趋势仍在持续[1]。

随着“一带一路”倡议的实施和我国建造技术的不断发展，建筑企业开始走出国门承建国外超高层项目。目前在全世界超高层建筑领域，我国承建并竣工的建筑数量占全球总数的一半，从东南亚到西亚再到非洲，处处能看到中国建筑承包商的身影[2]。

由于超高层建筑面积大、建造周期长、投资大，需要消耗大量的社会资源，因此提升超高层建筑设计的经济性和合理性无论是从降低工程造价还是提升社会的可持续发展都非常重要与必要。特别是对于海外工程，大多数项目为EPC总承包，价值工程的实施对超高层建筑成本控制和展示中国建造的综合实力至关重要。

价值工程(value engineering)是指以产品或作业的功能分析为核心，以提高产品或作业的价值为目的，力求以最低寿命周期成本实现产品或作业使用所要求的必要功能的一项有组织的创造性活动。价值工程是国外普遍采用的业主或总承包单位对工程项目进行管控的重要手段和工具[3-4]。价值工程是在工程建设领域，在满足业主需求的前提下，通过设计管理将功能优化、成本控制、工期要求和可建性等直接融入设计，使设计服务于项目综合效益最大化[5]。

超高层建筑价值工程的实施需总承包单位拥有丰富的项目策划、设计和施工经验，在概念设计阶段便提前介入，并在初步设计和施工图设计过程中通过深化、优化和施工经验融入，优化建筑功能布局、提升设计品质和质量、提高施工效率、控制项目成本，高效高质量完成项目。

本文将从海外超高层建筑的特点出发，以价值工程实施的重点和难点即结构价值工程为研究对象，结合工程案例，对超高层建筑结构价值工程的实施进行探讨。

1 海外超高层项目特点

国内工程项目的实施是设计、施工相分离，设计单位负责设计，施工单位按图施工。在这种体制的引导下，设计单位主要关注设计安全和设计工期，对项目成本考虑较少[1-2]。而施工单位则主要关注工程量和施工便捷性。设计、施工相分离的体制限制，导致工程项目的综合效益往往无法达到最大化，项目造价超出预算情况屡屡发生。

海外超高层项目普遍根据FIDIC合同实施，主要采用EPC总承包模式，由总承包商全权负责设计、采购、施工[6]。EPC总承包单位承担全部设计责任，需对设计进行全过程管理[7]。同时，也需对建筑产品的质量和造价进行管控，使其在业主预算范围内。总承包单位需站在业主角度，以全局化思维对建筑功能、设计质量、工程成本、工期和运维等进行综合考虑，使项目在全生命周期的综合效益达到最大化。

同时，业主为了规避风险，海外超高层项目往往是总价包干合同。在海外项目资源组织难、管理成本高、监管严格等条件限制下，价值工程是承包商提高利润水平的重要途径。

2 超高层建筑结构价值工程实施

超高层建筑的结构设计专业性强，技术含量高，与其他专业相比，其价值工程的实施是超高层建筑价值工程实施的重点和难点，下面结合工程案例，从标准选用、结构体系优化、荷载取值、设计值选用、材料选取、设计施工一体化、精细化深化设计、可建性、施工便捷性等方面详细分析如何实施超高层建筑结构价值工程。

2.1 标准选用

目前海外超高层项目的热点区域是在东南亚、西亚及北非地区。这些区域在设计标准方面普遍存在以下问题：标准缺失，未形成自己的国家标准体系，只能选用欧洲标准或美国标准；标准体系不完善，未能覆盖超高层建筑领域；标准滞后，未能将超高层建筑领域近10年的最新研究成果纳入标准体系，甚至还在沿用20世纪90年代的标准。由于存在上述问题，合理选用设计标准成为超高层建筑结构价值工程实施首先要面临也是最重要的一个问题。选用合理适用的标准体系，对项目的工程造价起到至关重要的作用。超高层建筑不仅仅是地标性建筑，而且象征着国家的现代化和经济成就，具有政治意义，因此政府主管一般难以接受本国的标志性超高层建筑不采用本国标准而采用国外标准。这就需要承包商采取策略，在无法整体采用国际标准的情况下，推动业主在最核心的若干条款采用国际标准。

为阐释选用合理标准的重要性，在此以中国建筑企业在北非的某超高层建筑项目为例进行说明。对超高层建筑来说，地震荷载是起控制作用的荷载之一，其取值对结构设计影响巨大。由于项目所在国设计标准滞后，结构设计规范中只有自振周期6s以下地震反应谱，未能覆盖该超高层建筑10s左右自振周期范围。当地设计公司未经仔细对比，直接套用当地规范6s的地震反应谱参数，导致地震荷载取值偏大，设计保守，结构成本超出预算。承包商经仔细对比和分析，通过与当地权威部门和标准委员会的沟通，仅采用国际标准合理的地震反应谱参数取值这一条款，如图1所示，其余内容仍采用当地规范。通过更改地震荷载这一项参数，降低地震作用50%，对结构重新进行设计，仅钢结构便减少5 000t，钢筋减少3 000t，综合降低项目造价约1 500万美元。

图1 超高层建筑地震反应谱曲线

2.2 结构体系选择

水平荷载作用下超高层建筑基底的倾覆力矩和结构顶部位移随结构高度呈非线性增长，结构抗侧材料用量也随着建筑高度的增加而呈非线性增加，选择合理的抗侧力结构体系是控制超高层建筑成本的重要途径之一[8]。超高层建筑常用的结构形式有框架+核心筒、巨型框架+核心筒、筒中筒等，以及多筒、筒束等由筒体发展而来的更复杂、承载力更强、抗侧刚度更好的结构体系[9]。其中，框架+核心筒是相对较经济的结构形式，核心筒一般采用混凝土结构，外框常采用钢结构。对于框架和核心筒之间梁板布置体系是需重点关注的一个方面，其布置对加强核心筒与外框之间的联系具有重要作用。

现以案例说明梁板布置体系的重要性，某超高层建筑在概念设计阶段，梁板体系为环向布置，如图2a所示。此种布置方式会导致楼面荷载传力层级多、用钢量大和楼层净高低等问题。总承包单位在审核概念设计过程中发现此问题，通过建模分析计算及和业主、设计沟通，建议将梁板布置体系由环向改为径向，如图2b所示。

图2 梁板环向与径向布置体系

梁板布置体系按径向调整后有如下优点。

1)加强核心筒和外框之间的联系，提升结构整体性能 通过径向布置的次梁，加强核心筒和外框之间的联系；通过加大外框柱之间钢梁高度，加强外框柱的整体刚度。上述措施提升了核心筒和外框的协同工作性能，并将伸臂桁架由3道改为2道。

2)增加楼层净高200mm 原主梁高度为750mm，调整后主梁高度为550mm，增加200mm，不仅为机电管线预留了充分的空间，更提高了建筑的空间舒适性。

3)节约3 000t用钢量 径向布置简化了荷载传力路径，通过布局优化和梁截面优化，梁用钢量总体可节省约2 000t。

4)解决了边梁抗扭问题 原来边梁为200mm×200mm方钢管曲梁，跨度达12m，且由于需支承幕墙结构，荷载较大，边梁的抗扭及抗弯均存在问题。通过径向梁的悬挑，为边梁提供有效的侧向支撑，解决了边梁的抗弯和抗扭问题。

2.3 荷载取值

在超高层建筑中，水平荷载是控制荷载，水平荷载作用下结构的抗弯设计往往起控制作用。地震荷载和风荷载是超高层建筑最主要的水平荷载，减小结构所受的水平荷载是提高超高层建筑结构经济性最有效措施之一。地震荷载一般可根据当地标准或国际标准进行取值。超高层建筑的风荷载取值相对较复杂，难以准确确定。建议必须通过风洞试验准确确定风荷载取值，虽需花费一定时间与费用，但对整个超高层建筑设计的合理性和成本的可控性至关重要。

在设计中，还可采取以下措施减小风荷载影响：采用合理的建筑体形减小结构所受风荷载；采用气动优化技术减小结构风荷载响应，降低结构造价，气动优化主要通过平面外形优化(圆形、三角形、Y形、角部修正)、建筑物立面外形优化(锥形化立面、阶梯缩进)、改变局部形态(附加开洞)等方法减少风荷载；采用风振控制技术减小超高层建筑顶部的加速度响应，提高建筑物的舒适度，风振控制技术主要通过TMD(调谐质量阻尼器)、TLD(调谐液体阻尼器)、AMD(主动质量阻尼器)和EC-TMD(电磁涡流调谐质量阻尼器)等阻尼减小风振。其中，EC-TMD具有阻尼稳定性高、阻尼比可调、造价低等优势。上海中心的几何外形在随着高度上升的过程中同时发生旋转和收缩，竖向旋转120?独特的建筑外形及角部的钝化处理最大限度地减小了风荷载作用，如图3所示。国外最新研发了液体阻尼技术，阻尼器设置液体和空气两个腔体，通过液体腔体和空气腔体之间的压缩和释放，起到阻尼作用，该技术具有造价低、布置灵活、效率高、空间小等优点。

图3 上海中心建筑外形

对于其他荷载，如标准层恒载与活载，虽然单层的数值变化不大，但由于超高层标准层多，累加起来数量巨大，因此也需仔细核算。对于有覆土的地下室，覆土厚度等也需分析确认，其荷载取值对地下室顶板的设计影响较大。

2.4 设计值取值

在设计值取值方面，钢筋、混凝土、钢材等都有成熟的标准体系，基础承载力设计值的取值相对来说受工程师主观影响较大，且本身的离散性也较大，因此有必要通过进一步分析或试验精确确定基础承载力。

以某超高层建筑为例，该项目基础位于强风化玄武岩之上，设计采用筏板基础。原设计确定地基承载力的方法是取岩样做室内试验确定岩样的性能参数，由于未考虑周围岩层约束对承载力的提高，按上述方法确定的设计值取值偏保守[10]。保守的承载力设计值取值导致筏板设计用钢量偏大，对EPC项目控制总成本不利。为了准确确定基岩的承载力，与设计方协商在开挖到设计标高后，采用原位现场荷载试验，即岩石平板载荷试验，为考虑水对岩石可能存在的影响，在平板载荷试验基础上考虑浸水前后岩石性能参数的变化以准确测定岩石承载力，为设计提供参考。总承包单位通过岩石浸水平板试验，如图4所示，精确测定了岩石的力学性能，提升地基承载力设计值接近20%，直接节约筏板钢筋接近1 000t。

图4 岩石浸水平板载荷试验反力装置

在某裙房独立基础的设计中，原设计对裙房区域的地基承载力取相同值，统一为350kN/m2，由于裙房区域的岩层分布呈现西高东低特性，西侧裙房区域独立基础与岩石之间平均距离为0.5～1.0m，东侧裙房区域独立基础与岩石之间平均距离为1.5～2.5m，通过进一步分析及与设计单位沟通，将西侧裙房区域的地基承载力由350kN/m2调整到450kN/m2，节约基础钢筋800t及1 000m3混凝土。

2.5 材料选用

建筑材料的进步是超高层建筑发展的基础，采用轻质高强材料是超高层建筑的重要发展方向。轻质材料的应用将大大减小结构自重，减小建筑在地震作用下的结构反力，保障结构安全；高强材料的应用将提高结构承载力，从而减少材料用量和减小结构自重，高强钢材和高强混凝土必将得到更广泛应用，未来1 000MPa高强钢筋和200MPa混凝土也将出现。目前国内超高层建筑核心筒墙体的混凝土强度普遍是C60，同时内设劲性结构。国外超高层建筑核心筒墙体普遍不设劲性结构，但混凝土强度等级在C60以上。国内外的两种思路各有特点，国内需在采用劲性结构的基础上，拓展核心筒C80以上高强混凝土的应用，进一步减小核心筒面积，拓展有效使用面积；国外则需在高强混凝土的基础上，推广内设劲性结构的高强混凝土剪力墙结构。

海外超高层项目普遍面临资源匮乏情况，因此需细致调研所在国的建筑资源供应情况，综合考虑成本等因素，最大限度地采用轻质高强材料。

以某超高层建筑为例，通过市场调研，发现该国市场上500MPa的四级钢筋价格与400MPa的三级钢筋价格非常接近，只有约3%的价差，且供应充足，因此将原设计采用的三级钢筋改为四级钢筋，不仅提高了结构质量和安全性，而且降低了工程造价。

在调研当地材料供应的基础上，发现当地的水泥、石子等原材料质量较好，因此决定采用C80高强混凝土，这是该国首次采用C80混凝土，通过配合比调试及模型试验，如图5所示，成功在核心筒中应用C80高强混凝土，不仅增加了核心筒的有效使用面积、降低了成本，而且扩大了项目影响力，取得良好的综合效益。

图5 C80高强混凝土模型试验

同时，原设计采用水泥砖作为墙体材料，重度达20kN/m3，不仅荷载大，而且砌筑速度慢，将会影响后期的装饰装修工程。因此，建议设计采用大尺寸ACC轻质砖和轻钢龙骨石膏板隔墙。虽然在直接成本上无显著降低，但在降低劳动力成本、加快施工速度、减小结构自重和减少地震作用力等方面效果显著，综合效益良好。

2.6 设计施工一体化

设计单位主要从设计角度考虑问题，出发点局限于设计，总承包单位则需从全局出发，从建造全过程考虑，发挥设计施工一体化优势，在尊重设计成果的基础上，结合施工经验，对设计做出更合理、更经济、更高效的建议，提高项目的设计品质。

某超高层建筑的筏板原设计为U形，设计厚度为5m，筏板下方需回填5m厚素混凝土10 000m3，如图6a所示。原设计存在素混凝土回填量大、成本高，5m高单侧支模和吊模工作量大，施工工效低等问题。建议将筏板由U形改为平板，取消5m厚素混凝土回填，并在局部增加架空层，如图6b所示。此种设计不仅降低施工难度，可缩短施工时间2周，而且减低成本约100万美元；并且通过取消回填，增加结构的嵌固深度，加强了结构整体的稳定性和安全性。

图6 筏板优化前后设计

2.7 精细化深化设计

海外项目的深化设计一般由总承包单位承担，这既是对总承包综合能力的考验，也是实施价值工程的有利条件，便于总承包单位在深化设计时提前发现问题、解决问题，将问题在设计阶段提前解决。价值工程的实施必须融入深化设计，在深化设计实施过程中，需从每个细节考虑最大限度地减低成本。例如，对于钢筋的连接方式，是采用套筒连接还是搭接连接，需综合考虑套筒成本及供应情况；钢筋的搭接位置设置在何处较合适，这些都需综合考虑，才能达到既经济又便于施工的目的。以某超高层项目的筏板钢筋深化设计为例，钢筋直径为32mm，根据筏板尺寸，计算发现采用18m定尺加工的钢筋搭接量最小，提前将搭接位置在深化设计图纸上标识出来，如图7所示，斜线部位为搭接区域，通过深化设计，最大限度地减小钢筋加工量和搭接长度。连梁深化设计如图8所示，连梁部位钢筋密集，有钢结构预埋件，机电开孔，各专业之间极易“打架”，通过深化设计，将各专业信息提前综合在图纸上，提前分析钢筋碰撞，提前解决问题。

图7 筏板钢筋定尺加工及搭接位置设计

图8 连梁钢筋深化设计

2.8 可建性

可建性是影响工期的核心因素，也是价值工程考虑的核心问题之一。如果未能有效解决，将直接影响项目工期，并可能决定项目“生死”。以某超高层项目的连梁为例，连梁内设有对角钢筋，对角钢筋为24根直径32mm钢筋，箍筋直径12mm，间距150mm。连梁上筋和下筋分别为18根直径32mm钢筋，如图9所示。在水平筋、竖向筋和对角钢筋交叉区域，钢筋极其密集和复杂。项目通过图纸审查提前发现此问题，并通过连梁钢筋安装的mockup展示给业主、监理方和设计方连梁钢筋的可建性，以提前暴露问题的方式向设计方施压。最终设计方调整连梁设计，以钢梁取代部分连梁对角钢筋、减少部分连梁的钢筋数量、取消部分连梁对角钢筋3种方式解决了连梁可建性问题。

图9 连梁的密集钢筋设计

2.9 施工便捷性

工期是价值工程需重点考虑的一个方面，必须考虑施工便捷性。例如，一些设计虽然符合设计标准和要求，无设计错误，但施工非常麻烦，会影响项目进度和工期，这就是价值工程需考虑和解决的问题。例如，某超高层建筑的钢结构埋件设计，锚筋采用弯锚形式，如图10a所示。弯锚锚筋不仅加工制作麻烦，而且会引起埋件安装非常困难，平常安装1个埋件需20min，由于锚筋和墙体水平筋、竖向筋和拉筋“打架”，需大量额外的调整工作，平均安装1个弯锚锚筋埋件需要3h以上，大大增加了施工难度，影响了现场进度。通过和设计方沟通，设计采用弯锚锚筋主要担心直锚锚固力不足，综合考虑，建议将弯锚改为直锚，在直锚筋端部焊接端板以加强锚固，如图10b所示。修改设计后，大大加快了现场安装进度。

图10 修改前后的预埋件直锚筋

3 结语

超高层建筑近年来在世界范围内得到快速发展，中国承包商已走出国门，承接海外超高层项目。海外超高层项目大部分采用EPC模式，具有实施价值工程的有利条件。价值工程是总承包单位进行项目管理的重要手段，是在满足业主需求的前提下，将功能优化、成本控制、施工要求等直接融入设计，达到项目综合效益的最大化。价值工程的策划和实践以提前介入设计为主线，通过设计过程中的深化、优化和施工经验融入，综合考虑工期、成本和可建性，达到优化建筑功能布局、提升设计品质和质量、提高施工效率和控制项目成本的目的。超高层建筑结构的价值工程实施是超高层建筑价值工程实施的重点和难点。结合工程案例，从标准选用、结构体系优化、荷载取值、设计值选用、材料选取、设计施工一体化、精细化深化设计、可建性、施工便捷性等方面全面分析了超高层建筑结构进行价值工程实施的重点和要点。海外超高层建筑结构实施价值工程综合效益显著，值得大力推广。