杨世杰

（中国铁建国际集团有限公司，北京 100855）

1 引言

设计工作是建筑工程实施的基础，对工程造价的影响显著。据相关资料统计，设计方案对工程造价的影响可达到总造价的75%～95%，结构设计对应的土建费用一般占工程造价的30%以上。因此，把控好结构设计方案，对项目工程造价的控制将起到关键的作用。已经有越来越多的建设方，将结构设计方案的优化工作作为成本控制的一项重要任务和手段。而结构设计方案把控的手段，就是对结构设计方案进行优化。

卢赛尔体育场项目是卡塔尔2022年足球世界杯（FIFA）比赛的主赛场项目，该项目由中国铁建股份有限公司（下称CRCC）与卡塔尔HBK施工总承包公司（下称HBK）组成的紧密型联合体（下称JV）于2016年10月份中标。在各种中标因素里，结构设计方案优化工作起到了至关重要的作用，正是因为它，才使得整个项目工程造价从56亿卡币（约15.4亿美元）降到28亿卡币（约7.7亿美元）成为可能，实现了业主要求的限价竞标要求。

2 项目概况及背景介绍

2.1 项目概况

卢赛尔体育场项目是2022年卡塔尔FIFA（国际足球联合会）比赛的主赛场，位于卡塔尔首都多哈市北部约20 km的卢赛尔新城，东邻海滨，西临豪尔海滨公路，项目主体区域占地约1.6×105m2，整个项目大场区占地约8.0×105m2。

项目业主为“卡塔尔国家建设及开发最高委员会”（SC），是卡塔尔政府专门成立的一个世界杯组委会的管理机构，统一管理FIFA体育场馆和配套设施建设。

2.2 背景介绍

2015年12月，SC面向国际市场发布卢赛尔体育场项目招标公告进行招标。2016年4月28日，卡塔尔HBK施工总承包公司（HBK）与中国铁建股份有限公司（CRCC）组成的紧密型联合体（JV）通过了SC招标资审。2016年5月6日，JV获得了招标文件并开始组织投标工作。标书内设计方案图纸和文件由英国福斯特建筑事务所（Foster+Partner）和英国奥雅纳工程咨询公司（A rup）公司提供，根据设计图纸估算，该项目工程造价约56亿卡币，而业主要求该项目投标总价不得超过28亿卡币。

经过JV分析和商讨，一致认为常规的商务手段已远不能实现这一目标，并且通过施工工艺、工法、材料替换等优化方法，优化效果也非常有限。因此，JV决定从设计方案着手，在保持原功能和要求的基础上进行优化和改进。鉴于土建费用占到了估算总成本的40%，结构设计方案的优化任务异常艰巨。

3 结构设计方案优化思路

3.1 原方案介绍

由于结构设计专业辅助于建筑专业，因此，在熟悉和研究现有结构方案之前，需要先对建筑方案进行充分了解。根据Foster+Partner的建筑图纸和资料可知，体育场外形呈碗状，外立面为金色三角形网格围拢的玻璃幕墙，幕墙底部有24个巨型柱支撑，项目效果见图1。

图1 项目效果

体育场屋顶呈马鞍形，投影区域最大跨度300m，带天眼开口，天眼跨度122m，屋面覆盖有2层膜。球场为下沉式，看台分高、中、低3个分段，高区看台外圈为通透中庭，如图2所示。建筑平面中有24个核心筒与外部24个巨型支柱相对应。整个体育场地上12层（含设备夹层），地下4层（含地下夹层），建筑总高度67 m，总建筑面积24×104m2，看台最多可容纳约92 000人。原结构方案分4个结构体系：基础结构体系、主体看台结构体系、外幕墙及屋面支撑结构体系和屋面结构体系。

图2 剖面示意图

3.1.1 基础结构体系

基础的结构形式为桩筏基础，范围包括主体看台下及球场区域（见图3）：（1）地下设计水位标高+5.000m，历史水位最高+1.000m，球场标高+0.300m，室外路面标高+7.200m；（2）球场为下沉式，且设计水位较高，因而存在抗拔桩以解决抗浮问题；（3）桩径以600mm居多，筏板厚度不等，看台低区下筏板厚为500mm，看台高区下筏板厚为2 000mm；（4）地质条件为沉积岩构造，成分以石灰石为主，地基承载力特征值高，约为750 kPa。

图3 基础示意图

3.1.2 主体看台结构体系

主体看台的结构形式为框剪结构（见图4）：（1）看台主体结构被8道水平施工缝分为8个独立的结构单元，核心筒布置于看台高区外侧，剪力墙厚度不等，最大厚度为600mm；（2）建筑轴网为放射状椭圆形布置，轴网间距不等，最大间距约12m；（3）柱截面多为直径1 000mm的圆形柱，框架梁单向布置，截面以800mm×1 000mm居多，楼板以单向板为主，楼板厚度多为275mm；（4）看台板为预制构件，支撑于现浇混凝土看台斜梁上。

图4 混凝土看台示意图

3.1.3 外幕墙及屋面支撑结构体系

外幕墙及屋面支撑体系的结构形式为钢结构（见图5）：（1）屋面支撑体系主要由顶部受拉环、底部受压环和上下环间的A字钢柱组成，外幕墙支撑体系主要由A字连接的箱型主肋及交叉的双层斜次肋组成，顶部通过腹杆与受拉环相连，底部与受压环相连形成一套体系；（2）其中箱型主肋截面为2 000mm×600mm×25mm×25mm，A字钢柱最大直径为2 000mm，壁厚60mm，顶部受拉环直径为1 500mm，底部受压环直径为2 000mm；（3）整个钢结构体系通过24个球星支座固定于24个巨型混凝土支座上，巨型混凝土支座截面为2 500mm×6 500mm。

图5 主钢结构示意图

3.1.4 屋面结构体系

屋面体系的结构形式为索网结构，有48组鱼腹式径向索两侧相连与外部屋面受压环和内部天眼环形索，除径向索与环索外，屋面还设置有水平交叉次索和竖向交叉次索，整个索网呈马鞍面造型（见图6）：（1）径向索为双根布置，采用封闭索，上索直径100mm，下索直径70mm；（2）环索采用封闭索，上下各14根，索径90 mm。索网上布置有马道及拱杆等次钢构。

图6 屋面索网示意图

3.2 结构设计方案优化原则

（1）以保证结构安全性及FIFA赛事的功能性为基础；（2）以最大限度提升结构的经济性为目标，且兼顾施工便利性；（3）满足设计规范要求、卡塔尔当地标准要求、业主技术要求、绿色建筑评价体系（GSAS）4星环保要求等；（4）尽最大可能保证原建筑方案的整体外观效果。

4 结构设计方案优化分析与措施

4.1 优化楼层数量

4.1.1 分析

1）优化楼层数量，取消不必要的楼层，将可使用对应结构的水平构件取消，以减少梁板混凝土量、钢筋量和模板量。

2）减少基础承担的上部荷载与基础构件截面。如可减少筏板厚度、桩径、桩长、桩承台尺寸，同时还可以降低混凝土及钢筋用量、基坑土方开挖量等。

鉴于2022年FIFA赛事由夏季调整到了冬季，而原设计方案是根据夏季举行赛事设计的，因此空调负荷需求量将会缩减，原设计楼层中许多设备夹层将有条件取消。

4.1.2 措施

经过建筑和机电专业进一步的分析研究和调整，原地上11个楼层优化为8个楼层。因此，看台主体内水平构件减少，上部结构传给基础的荷载减小，可有效减少混凝土的工程量[1]。

4.2 优化建筑体量

4.2.1 分析

原方案看台布置松散，造成整个建筑体量较大。如果将看台紧凑排布，缩小看台投影面积，不仅整个建筑的体量会缩小，而且主体结构工程量也会减少。此时，基础面积、钢结构工程量、幕墙面积及幕墙龙骨量、屋顶膜面面积及屋面索网工程量也会随之按比例减少，这对优化后的经济性非常好。

原方案看台座椅宽度比FIFA要求富裕很多，且看台视点位置及视线升高差也有调整余量，因此建筑专业将看台座椅重新优化排布，从而调整了整个建筑的体量。

4.2.2 措施

（1）体育场建筑轴网由原先椭圆形放射状优化为4个方向正交的轴网；（2）看台布置以满足FIFA最低标准为条件重新调整布置；（3）核心筒及柱网也做了相应调整。调整后，整个向内缩小了10m，即最外圈少了一跨柱网（见图7和图8）。使整个体育场结构工程包括基础、看台结构、钢结构和屋面索网结构量大幅减少。由于最外圈柱网取消，看台上部5层以上楼板将面临悬挑问题。为使用悬挑梁及凭借钢结构的A柱作为受力支撑，悬挑楼板可做复合楼板处理。

图7 建筑轮廓优化对比图

图8 建筑平面投影优化对比图

4.3 抬高基础

4.3.1 分析

由于球场标高为+0.300m，设计地下水位标高为+5.000m，因此基础设计存在抗浮问题，且球场及地下室基础筏板较厚，同时还存在很多抗拔桩。若将基础抬高至地下水位之上，则可解决抗浮问题，抗拔桩也可全部取消，筏板厚度可减小，挡土墙厚度及配筋率也会减小，甚至基础也可考虑用浅基础形式。球场及地下室基础抬高后，整个体育场将会被抬高，地下室将变为首层。虽然外立面有变化，但保持了原设计立面效果风格，且赛场入口可通过环形平台加楼梯及坡道的形式实现，该优化思路可行。

4.3.2 措施

（1）地下室夹层取消，地下室地面标高优化为与球场标高一致，抬升至+5.000m标高；（2）降低室外地面标高至+5.000m以下，取消原地下室挡土墙；（3）增加赛场入口环形平台以及附带的室外楼梯和坡道。

该调整虽然没有彻底去除基础抗浮问题，但在很大程度上减少了抗拔桩的数量，减小了筏板的厚度，去除了原地下室挡土墙的设置，减少了地下室水平梁板的布置，从而大大减少了土方开挖量[2]。此外，虽然该调整增加了环形平台构件，但该部分增加的工程量相比于优化减少的工程量而言占比很小。

4.4 简化外幕墙及屋面支撑钢结构形式

4.4.1 分析

原设计钢结构部分构件尺寸参数为：（1）A字形钢柱最大直径2 000mm，壁厚60mm；（2）箱型主肋截面长2 000mm，宽600mm，壁厚25mm；（3）顶部受拉环直径1 500mm；（4）底部受压环直径2 000mm等。如果可以优化该部分构件的截面或形式，则可以在保障结构受力合理安全的情况下，减小用钢量。

可采取3项措施：（1）将A柱底部受压环改为受压桁架；（2）将箱型主肋和双层交叉次肋优化为空间桁架形式；（3）将A字柱截面进行优化。

经过建模计算，结果可行。该优化仅调整了室内钢构件的布置，结构体系基本维持了原设计，对建筑外立面无影响，优化思路可行。

4.4.2 措施

经详细建模分析，在保持与原设计相同荷载、规范及相同计算参数的基础上，钢结构优化方案可行。箱型主肋比原设计用钢量减少1 900 t，双层交叉次肋减少1 200 t，A字柱底部受压环减少2 700 t。

4.5 简化屋面索网结构

4.5.1 分析

鉴于FIFA赛事由夏季调整到了冬季，故而屋面双膜存在改成单膜的可能性，即索网下部次索存在取消的条件。可考虑的方案如下：

1）将三维受压环截面改为平面桁架形式，将其与屋面支撑体系顶部受拉环结构合二为一，取消二者间的球形支座。

2）优化双根径向索为单根，取消水平向和垂直向次索布置。

3）优化环索截面及简化拱杆支撑结构的布置。

4.5.2 措施

经建筑及机电专业复核，下膜可以取消，并将屋面天眼做了扩大调整。经结构建模分析，结构优化思路可行，具体表现为：（1）屋顶受压环优化后减少用钢量6 000 t；（2）径向索及环索优化后减少索用量700 t；（3）取消次索及优化拱杆连接方式后，工程量减少150 t。

以上即为卢赛尔体育场结构设计方案优化的要点和成果，经投标预算组估算和评估，基础结构工程量比原设计减少约23%，外幕墙及屋面支撑钢结构工程量比原设计减少约40%，屋面索网结构工程量比原设计减少约61%，主体看台混凝土结构工程量比原设计减少约37%。

最后，汇总其他专业以及其余项优化成果，本项目工程总造价最终优化到了27.9亿卡币，实现了业主招标的商务要求。可见，结构设计方案优化在其中的贡献极大。

5 结语

卢赛尔体育场项目是中国企业第一次以主承包商身份承建的FIFA主体育场项目，实现了中国企业在承建FIFA赛事项目上零经验的突破，为推动中国企业国际化进程，以及推进“一带一路”倡议提供了重要的学习和借鉴意义。结合卢赛尔体育场项目投标实例，阐明了结构设计方案优化在项目中标过程中对于控制工程造价的重大意义。其中，介绍的项目结构设计方案的优化思路和原则，对最佳结构优化项目做的深入讲解和分析，以及对结构设计方案优化过程中存在问题的归纳和总结，可供同行及相关学者研究和讨论。