埃及是“一带一路”倡议的重要支点国家,其新首都CBD项目是迄今为止中资企业在埃及市场上承接的最大项目。项目位于新首都核心区,总占地面积约50.5万m²,包括1栋超高层建筑Iconic Tower,12栋高层商业办公楼、5栋高层公寓和2栋高档酒店,共计20个高层建筑单体及配套市政工程,建筑总面积约170万m²。整个项目由中国建筑埃及分公司承建,为EPC总承包项目。Iconic Tower是CBD项目的核心,是整个项目的最大亮点,高度达到386m,建成后将成为继金字塔之后开罗的新地标,将是埃及第一高楼,也将是未来非洲第一高楼(见图1)。

　　 Iconic Tower总建筑面积24.6万m²,地下2层,地上79层,是一座集办公、酒店、商业、观光等多种功能于一体的超高层项目,如图2所示。项目预计在2022年1月竣工。

　　 Iconic Tower的结构体系为框架-核心筒结构体系,外部为钢框架,内部为钢筋混凝土核心筒,为增强核心筒和外框的整体工作性能,在29,40,54层设置3道钢管伸臂桁架,如图3所示。楼板采用压型钢板和现浇混凝土体系。外框柱为钢管混凝土柱,底部直径1.6m,顶部缩减到0.75m。

　　 国内的工程项目施工时,设计、施工相分离,设计单位负责设计,施工单位按图施工。工程一旦出现设计问题,责任在于设计单位。设计单位往往更关注设计工期,对项目成本及施工考虑较少,同时设计质量也难以考评 ^[1,2]。正是由于这种体制限制,工程项目的综合效益往往无法达到最大化。

　　 在国际项目工程合同中,根据FIDIC合同条款,EPC工程应由总承包商全权负责设计、采购、施工,甚至包括施工中的监理工作。但国际市场上的实际情况往往有所不同,大多数业主采用不完全的EPC,工程设计和工程监理通常为一体,且由业主直接指定 ^[1,3]。同时,监理工程师还负责工程的设计和招标(合同)文件的编写,同时又负责工程施工期的合同管理。工程设计为工程建设和业主服务,业主和监理工程师有权修改和推翻设计 ^[4]。总承包单位承担了全部设计的责任,在总承包单位的设计管理过程中,需贯彻业主需求,设计满足业主要求的建筑产品,同时也需对产品质量和工程造价进行管控,使其在业主预期之内。总承包单位不但要负责深化图纸设计(shop drawing),还有责任对设计质量、建筑功能、工程造价等进行控制。这对总承包单位提出更高要求,不仅要有一定的设计能力和施工能力,更要站在业主的角度,以全局化的思维对建筑功能、设计质量、工程成本、工期和施工效率等进行综合考虑,使项目能达到综合效益的最大化。

　　 价值工程(value engineering)是总承包单位对工程项目进行管控的重要手段和工具 ^[5,6]。价值工程是在工程建设领域,通过对项目的设计管理,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,使设计服务于施工和成本控制,使项目综合效益达到最大化 ^[7]。

　　 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 ^[8],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。

　　 在Iconic Tower项目中,总承包单位对项目进行了价值工程实施策划,从概念设计阶段便介入设计,在整个设计过程中,与设计单位反复沟通,不断进行深化、优化和施工要求融入,取得良好效果。现将Iconic Tower项目在价值工程实践方面的成果和经验介绍如下。

　　 初步设计阶段核心筒在竖向变化2次,在1～28层保持不变,在29～54层变化1次,在55～79层变化1次。核心筒墙体的布置存在水平和竖向不连续的情况,导致结构的抗侧刚度偏弱。例如,在楼梯位置,水平方向剪力墙被通道打断,导致水平方向剪力墙整体刚度偏弱,特别是在结构顶部愈加明显,如图4所示。经过和设计单位沟通,调整核心筒布局,保证剪力墙水平和竖向的连续性,并在薄弱部位通过调整建筑布局增设剪力墙。例如,将消防电梯和楼梯互换位置,腾出空间增设1道剪力墙,如图5所示。调整后,结构的整体性能得到改善,特别是顶部的结构刚度得到有效加强,关键结构性能指标在调整前后的变化如表1所示。由表1可知,结构整体性能提升>10%。

　　 在概念设计阶段,梁板体系为环向布置,如图6a所示。这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,因此建议将梁板布置体系由环向改为径向布置,如图6b所示。梁板布置体系按径向调整后有如下优点。

　　 1)增加净高原主梁高度为750mm,调整后主梁高度为550mm,增加200mm的楼层净高,不仅为机电管线留出充分空间,更提高了建筑的空间舒适性。

　　 2)节省8%的用钢量径向布置简化了荷载的传力路径。加上原设计梁板比较保守,通过布局优化和梁截面优化,计算发现梁的用钢量总体可节省8%。

　　 3)解决边梁问题原来边梁为曲梁,跨度达12m,上部需支撑幕墙,荷载较大,边梁抗扭及抗弯均存在问题。通过径向梁的悬挑,对边梁进行侧向支撑,有效解决边梁的抗弯和抗扭问题。

　　 4)增强外框柱之间的联系通过增大外框柱之间钢梁的截面,加强外框柱之间的连接刚度,提升了结构整体性能,可减少1道伸臂桁架。

　　 原设计梁主要采用宽翼缘的工字钢,调整布局后,次梁有了充分的高度空间,因此次梁可采用截面高度高、窄翼缘的工字钢。同时,计算时考虑梁上翼缘与楼板的共同作用,减少上翼缘面积。通过上述措施,可减少3%的梁用钢量(包含在梁板布置调整后节约的8%用钢量中)。

　　 原设计计算参数对偏心率取值为7%,经过查询埃及设计标准及欧洲标准等规范的相关条文,与设计单位沟通后,将偏心率调整为5%。通过将偏心率e由7%下降至5%,结构楼层扭转位移比等关键结构参数减少约10%,减少结构加强措施和用钢量,降低了造价。

　　 设计最初在筏板及核心筒剪力墙中采用400MPa钢筋,相当于国内的三级钢筋。通过对埃及市场和欧洲市场的调研后,发现当地可进口欧洲市场的500MPa高强钢筋,在埃及当地进行500MPa高强钢筋加工,且成本仅增加3%左右。因此,建议在筏板、核心筒剪力墙等以应力控制部位(非构造配筋部位)采用500MPa以上高强钢筋,有效减少钢筋用量,同时由于钢筋用量减少,也方便施工。

　　 埃及当地大量采用黏土红砖作为墙体材料,砖块尺寸为200mm×100mm×120mm,重度达20kN/m³,不仅荷载大,且砌筑速度慢,会影响后期的装饰装修工程。因此,建议设计采用大尺寸的ACC轻质砖和轻钢龙骨石膏板隔墙。虽然在直接成本上未有显著降低,但在节约劳动力成本、加快施工速度、减小结构自重和减小地震作用力等方面效果显著。

　　 筏板原设计为U形,设计厚度为5m,筏板下方需回填5m厚的素混凝土1万m³,如图7a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,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7b所示。这种设计不仅降低施工难度,缩短施工时间2周,而且节省成本约100万美元;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。

　　 沙漠地区光照强烈,原设计中有悬挑1.4m的水平外遮阳,如图8所示。经分析后发现,水平遮阳效率不高,且过大的悬挑长度在长期风荷载作用下易疲劳破坏,在未来运营阶段会形成安全隐患等,因此建议调整水平遮阳系统的悬挑长度,损失的遮阳效果主要通过加强Low-E玻璃或双银Low-E玻璃的性能指标解决。通过和设计单位反复沟通,最终将水平遮阳的悬挑尺寸从1.4m减小至0.75m。在不影响建筑外观的情况下,不仅提升了建筑的安全性,也直接节约成本约300万美元。

　　 项目施工采用液压爬模,核心筒内楼板滞后于竖向墙体施工,核心筒内水平结构的及时施工是保障核心筒施工安全的重要因素。特别是楼梯,支模复杂,施工时间长,难度和危险性大,因此建议设计采用预制楼梯,不仅可减少材料损耗,提高构件质量,而且可加快核心筒水平梁板系统的施工速度,保障核心筒施工安全。

　　 原设计对端部空间利用不足,且角部曲率变化过快,导致阴角部位的幕墙单元由于弧度大加工制作难度高,施工复杂,如图9所示。建议在方钢管柱外侧设置2m悬挑梁,减少凹槽长度至3 250mm,如图10所示。采取此项措施基本不影响建筑整体外观效果,几乎不增加成本。每层将增加建筑面积20m²,共可增加约3 200m²使用面积,且可降低幕墙的加工制作和安装难度,综合效益显著。

　　 概念设计阶段外框结构体系主要采用的12根1.6m钢管柱和4根方钢管柱,外框架的竖向构件刚度偏弱,建议将核心筒角部的8根钢管柱改为直径2.1m巨型柱,如图11所示,同时通过3道伸臂桁架将巨型柱与核心筒联系在一起,提升外框与核心筒的整体工作性能。通过计算发现,设置巨型柱后结构整体性能提升明显,部分结构性能指标提高15%以上,可减少核心筒外墙厚度约10%。但由于设置巨型柱影响了塔楼高区的公寓和酒店房间的建筑效果,最终未能被设计采纳。

　　 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。Iconic Tower项目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,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,节约直接费用>1 200万美元。