盧賽爾體育場投標階段設計方案優化思路和措施

楊世杰

（中國鐵建國際集團有限公司，北京 100855）

1 引言

設計工作是建筑工程實施的基礎，對工程造價的影響顯著。據相關資料統計，設計方案對工程造價的影響可達到總造價的75%～95%，結構設計對應的土建費用一般占工程造價的30%以上。因此，把控好結構設計方案，對項目工程造價的控制將起到關鍵的作用。已經有越來越多的建設方，將結構設計方案的優化工作作為成本控制的一項重要任務和手段。而結構設計方案把控的手段，就是對結構設計方案進行優化。

盧賽爾體育場項目是卡塔爾2022年足球世界杯（FIFA）比賽的主賽場項目，該項目由中國鐵建股份有限公司（下稱CRCC）與卡塔爾HBK施工總承包公司（下稱HBK）組成的緊密型聯合體（下稱JV）于2016年10月份中標。在各種中標因素里，結構設計方案優化工作起到了至關重要的作用，正是因為它，才使得整個項目工程造價從56億卡幣（約15.4億美元）降到28億卡幣（約7.7億美元）成為可能，實現了業主要求的限價競標要求。

2 項目概況及背景介紹

2.1 項目概況

盧賽爾體育場項目是2022年卡塔爾FIFA（國際足球聯合會）比賽的主賽場，位于卡塔爾首都多哈市北部約20 km的盧賽爾新城，東鄰海濱，西臨豪爾海濱公路，項目主體區域占地約1.6×105m2，整個項目大場區占地約8.0×105m2。

項目業主為“卡塔爾國家建設及開發最高委員會”（SC），是卡塔爾政府專門成立的一個世界杯組委會的管理機構，統一管理FIFA體育場館和配套設施建設。

2.2 背景介紹

2015年12月，SC面向國際市場發布盧賽爾體育場項目招標公告進行招標。2016年4月28日，卡塔爾HBK施工總承包公司（HBK）與中國鐵建股份有限公司（CRCC）組成的緊密型聯合體（JV）通過了SC招標資審。2016年5月6日，JV獲得了招標文件并開始組織投標工作。標書內設計方案圖紙和文件由英國福斯特建筑事務所（Foster+Partner）和英國奧雅納工程咨詢公司（A rup）公司提供，根據設計圖紙估算，該項目工程造價約56億卡幣，而業主要求該項目投標總價不得超過28億卡幣。

經過JV分析和商討，一致認為常規的商務手段已遠不能實現這一目標，并且通過施工工藝、工法、材料替換等優化方法，優化效果也非常有限。因此，JV決定從設計方案著手，在保持原功能和要求的基礎上進行優化和改進。鑒于土建費用占到了估算總成本的40%，結構設計方案的優化任務異常艱巨。

3 結構設計方案優化思路

3.1 原方案介紹

由于結構設計專業輔助于建筑專業，因此，在熟悉和研究現有結構方案之前，需要先對建筑方案進行充分了解。根據Foster+Partner的建筑圖紙和資料可知，體育場外形呈碗狀，外立面為金色三角形網格圍攏的玻璃幕墻，幕墻底部有24個巨型柱支撐，項目效果見圖1。

圖1 項目效果

體育場屋頂呈馬鞍形，投影區域最大跨度300m，帶天眼開口，天眼跨度122m，屋面覆蓋有2層膜。球場為下沉式，看臺分高、中、低3個分段，高區看臺外圈為通透中庭，如圖2所示。建筑平面中有24個核心筒與外部24個巨型支柱相對應。整個體育場地上12層（含設備夾層），地下4層（含地下夾層），建筑總高度67 m，總建筑面積24×104m2，看臺最多可容納約92 000人。原結構方案分4個結構體系：基礎結構體系、主體看臺結構體系、外幕墻及屋面支撐結構體系和屋面結構體系。

圖2 剖面示意圖

3.1.1 基礎結構體系

基礎的結構形式為樁筏基礎，范圍包括主體看臺下及球場區域（見圖3）：（1）地下設計水位標高+5.000m，歷史水位最高+1.000m，球場標高+0.300m，室外路面標高+7.200m；（2）球場為下沉式，且設計水位較高，因而存在抗拔樁以解決抗浮問題；（3）樁徑以600mm居多，筏板厚度不等，看臺低區下筏板厚為500mm，看臺高區下筏板厚為2 000mm；（4）地質條件為沉積巖構造，成分以石灰石為主，地基承載力特征值高，約為750 kPa。

圖3 基礎示意圖

3.1.2 主體看臺結構體系

主體看臺的結構形式為框剪結構（見圖4）：（1）看臺主體結構被8道水平施工縫分為8個獨立的結構單元，核心筒布置于看臺高區外側，剪力墻厚度不等，最大厚度為600mm；（2）建筑軸網為放射狀橢圓形布置，軸網間距不等，最大間距約12m；（3）柱截面多為直徑1 000mm的圓形柱，框架梁單向布置，截面以800mm×1 000mm居多，樓板以單向板為主，樓板厚度多為275mm；（4）看臺板為預制構件，支撐于現澆混凝土看臺斜梁上。

圖4 混凝土看臺示意圖

3.1.3 外幕墻及屋面支撐結構體系

外幕墻及屋面支撐體系的結構形式為鋼結構（見圖5）：（1）屋面支撐體系主要由頂部受拉環、底部受壓環和上下環間的A字鋼柱組成，外幕墻支撐體系主要由A字連接的箱型主肋及交叉的雙層斜次肋組成，頂部通過腹桿與受拉環相連，底部與受壓環相連形成一套體系；（2）其中箱型主肋截面為2 000mm×600mm×25mm×25mm，A字鋼柱最大直徑為2 000mm，壁厚60mm，頂部受拉環直徑為1 500mm，底部受壓環直徑為2 000mm；（3）整個鋼結構體系通過24個球星支座固定于24個巨型混凝土支座上，巨型混凝土支座截面為2 500mm×6 500mm。

圖5 主鋼結構示意圖

3.1.4 屋面結構體系

屋面體系的結構形式為索網結構，有48組魚腹式徑向索兩側相連與外部屋面受壓環和內部天眼環形索，除徑向索與環索外，屋面還設置有水平交叉次索和豎向交叉次索，整個索網呈馬鞍面造型（見圖6）：（1）徑向索為雙根布置，采用封閉索，上索直徑100mm，下索直徑70mm；（2）環索采用封閉索，上下各14根，索徑90 mm。索網上布置有馬道及拱桿等次鋼構。

圖6 屋面索網示意圖

3.2 結構設計方案優化原則

（1）以保證結構安全性及FIFA賽事的功能性為基礎；（2）以最大限度提升結構的經濟性為目標，且兼顧施工便利性；（3）滿足設計規范要求、卡塔爾當地標準要求、業主技術要求、綠色建筑評價體系（GSAS）4星環保要求等；（4）盡最大可能保證原建筑方案的整體外觀效果。

4 結構設計方案優化分析與措施

4.1 優化樓層數量

4.1.1 分析

1）優化樓層數量，取消不必要的樓層，將可使用對應結構的水平構件取消，以減少梁板混凝土量、鋼筋量和模板量。

2）減少基礎承擔的上部荷載與基礎構件截面。如可減少筏板厚度、樁徑、樁長、樁承臺尺寸，同時還可以降低混凝土及鋼筋用量、基坑土方開挖量等。

鑒于2022年FIFA賽事由夏季調整到了冬季，而原設計方案是根據夏季舉行賽事設計的，因此空調負荷需求量將會縮減，原設計樓層中許多設備夾層將有條件取消。

4.1.2 措施

經過建筑和機電專業進一步的分析研究和調整，原地上11個樓層優化為8個樓層。因此，看臺主體內水平構件減少，上部結構傳給基礎的荷載減小，可有效減少混凝土的工程量[1]。

4.2 優化建筑體量

4.2.1 分析

原方案看臺布置松散，造成整個建筑體量較大。如果將看臺緊湊排布，縮小看臺投影面積，不僅整個建筑的體量會縮小，而且主體結構工程量也會減少。此時，基礎面積、鋼結構工程量、幕墻面積及幕墻龍骨量、屋頂膜面面積及屋面索網工程量也會隨之按比例減少，這對優化后的經濟性非常好。

原方案看臺座椅寬度比FIFA要求富裕很多，且看臺視點位置及視線升高差也有調整余量，因此建筑專業將看臺座椅重新優化排布，從而調整了整個建筑的體量。

4.2.2 措施

（1）體育場建筑軸網由原先橢圓形放射狀優化為4個方向正交的軸網；（2）看臺布置以滿足FIFA最低標準為條件重新調整布置；（3）核心筒及柱網也做了相應調整。調整后，整個向內縮小了10m，即最外圈少了一跨柱網（見圖7和圖8）。使整個體育場結構工程包括基礎、看臺結構、鋼結構和屋面索網結構量大幅減少。由于最外圈柱網取消，看臺上部5層以上樓板將面臨懸挑問題。為使用懸挑梁及憑借鋼結構的A柱作為受力支撐，懸挑樓板可做復合樓板處理。

圖7 建筑輪廓優化對比圖

圖8 建筑平面投影優化對比圖

4.3 抬高基礎

4.3.1 分析

由于球場標高為+0.300m，設計地下水位標高為+5.000m，因此基礎設計存在抗浮問題，且球場及地下室基礎筏板較厚，同時還存在很多抗拔樁。若將基礎抬高至地下水位之上，則可解決抗浮問題，抗拔樁也可全部取消，筏板厚度可減小，擋土墻厚度及配筋率也會減小，甚至基礎也可考慮用淺基礎形式。球場及地下室基礎抬高后，整個體育場將會被抬高，地下室將變為首層。雖然外立面有變化，但保持了原設計立面效果風格，且賽場入口可通過環形平臺加樓梯及坡道的形式實現，該優化思路可行。

4.3.2 措施

（1）地下室夾層取消，地下室地面標高優化為與球場標高一致，抬升至+5.000m標高；（2）降低室外地面標高至+5.000m以下，取消原地下室擋土墻；（3）增加賽場入口環形平臺以及附帶的室外樓梯和坡道。

該調整雖然沒有徹底去除基礎抗浮問題，但在很大程度上減少了抗拔樁的數量，減小了筏板的厚度，去除了原地下室擋土墻的設置，減少了地下室水平梁板的布置，從而大大減少了土方開挖量[2]。此外，雖然該調整增加了環形平臺構件，但該部分增加的工程量相比于優化減少的工程量而言占比很小。

4.4 簡化外幕墻及屋面支撐鋼結構形式

4.4.1 分析

原設計鋼結構部分構件尺寸參數為：（1）A字形鋼柱最大直徑2 000mm，壁厚60mm；（2）箱型主肋截面長2 000mm，寬600mm，壁厚25mm；（3）頂部受拉環直徑1 500mm；（4）底部受壓環直徑2 000mm等。如果可以優化該部分構件的截面或形式，則可以在保障結構受力合理安全的情況下，減小用鋼量。

可采取3項措施：（1）將A柱底部受壓環改為受壓桁架；（2）將箱型主肋和雙層交叉次肋優化為空間桁架形式；（3）將A字柱截面進行優化。

經過建模計算，結果可行。該優化僅調整了室內鋼構件的布置，結構體系基本維持了原設計，對建筑外立面無影響，優化思路可行。

4.4.2 措施

經詳細建模分析，在保持與原設計相同荷載、規范及相同計算參數的基礎上，鋼結構優化方案可行。箱型主肋比原設計用鋼量減少1 900 t，雙層交叉次肋減少1 200 t，A字柱底部受壓環減少2 700 t。

4.5 簡化屋面索網結構

4.5.1 分析

鑒于FIFA賽事由夏季調整到了冬季，故而屋面雙膜存在改成單膜的可能性，即索網下部次索存在取消的條件?？煽紤]的方案如下：

1）將三維受壓環截面改為平面桁架形式，將其與屋面支撐體系頂部受拉環結構合二為一，取消二者間的球形支座。

2）優化雙根徑向索為單根，取消水平向和垂直向次索布置。

3）優化環索截面及簡化拱桿支撐結構的布置。

4.5.2 措施

經建筑及機電專業復核，下膜可以取消，并將屋面天眼做了擴大調整。經結構建模分析，結構優化思路可行，具體表現為：（1）屋頂受壓環優化后減少用鋼量6 000 t；（2）徑向索及環索優化后減少索用量700 t；（3）取消次索及優化拱桿連接方式后，工程量減少150 t。

以上即為盧賽爾體育場結構設計方案優化的要點和成果，經投標預算組估算和評估，基礎結構工程量比原設計減少約23%，外幕墻及屋面支撐鋼結構工程量比原設計減少約40%，屋面索網結構工程量比原設計減少約61%，主體看臺混凝土結構工程量比原設計減少約37%。

最后，匯總其他專業以及其余項優化成果，本項目工程總造價最終優化到了27.9億卡幣，實現了業主招標的商務要求。可見，結構設計方案優化在其中的貢獻極大。

5 結語

盧賽爾體育場項目是中國企業第一次以主承包商身份承建的FIFA主體育場項目，實現了中國企業在承建FIFA賽事項目上零經驗的突破，為推動中國企業國際化進程，以及推進“一帶一路”倡議提供了重要的學習和借鑒意義。結合盧賽爾體育場項目投標實例，闡明了結構設計方案優化在項目中標過程中對于控制工程造價的重大意義。其中，介紹的項目結構設計方案的優化思路和原則，對最佳結構優化項目做的深入講解和分析，以及對結構設計方案優化過程中存在問題的歸納和總結，可供同行及相關學者研究和討論。