大清真寺宣禮塔超高結(jié)構(gòu)施工技術(shù)分析與探討

吳章熙 葛志雄 李寬平 李劍飛 蘇海勇

1. 中建三局第三建設(shè)工程有限責(zé)任公司 湖北 武漢 430074；2. 中國建筑股份有限公司阿爾及利亞公司 北京 100025

1 工程概況

阿爾及利亞嘉瑪大清真寺位于阿爾及利亞首都阿爾及爾中軸線上，地處地中海畔。項(xiàng)目建筑面積400 000 m2，包括宣禮塔、祈禱廳、伊斯蘭學(xué)院、圖書館及文化中心等12座建筑，其中宣禮塔總高265 m，為世界宣禮塔之最，建成后將成為非洲高度最高的建筑。

本項(xiàng)目的宣禮塔由德國著名的KSP-KUK聯(lián)合設(shè)計(jì)體進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中KUK主要負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)形式較為特殊，其中標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面為正方形，4個正方形核心筒分別位于結(jié)構(gòu)平面的4個角，4個核心筒之間通過鋼結(jié)構(gòu)斜撐與水平樓板相連成一個整體。而目前國內(nèi)多數(shù)超高層建筑都是核心筒在中間，周邊配上一些支撐結(jié)構(gòu)，目前以框架、巨型框架和外框筒這3種外周邊結(jié)構(gòu)居多?？傮w來說，國內(nèi)現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)體系大多是一個核心筒一個框架，如果不能滿足規(guī)范要求，則再加一個伸臂桁架、腰桁架或是斜撐，高度從200～500 m的建筑基本上都用這種結(jié)構(gòu)[1-2]。

正是因?yàn)樾Y塔的特殊性，之前沒有類似相關(guān)的結(jié)構(gòu)工程施工經(jīng)驗(yàn)，這給結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的選擇帶來了一定的挑戰(zhàn)，選擇不好，將給進(jìn)度、安全和成本帶來不可估量的損失，特別是在垂直運(yùn)輸設(shè)備選擇、鋼結(jié)構(gòu)吊裝方案、模架體系及混凝土澆筑等方面[3-4]。

2 結(jié)構(gòu)施工難點(diǎn)分析

2.1 模架體系的選擇

宣禮塔標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)為正方形，平面尺寸為27.8 m×27.8 m，標(biāo)準(zhǔn)層層高為5.85 m，核心筒分列于平面的4個角上（圖1），核心筒內(nèi)主要為電梯間、樓板間、衛(wèi)生間、機(jī)電技術(shù)間及管井，核心筒之間的樓板為公共區(qū)域，主要功能為博物館及辦公區(qū)，同時每隔5層設(shè)置一個超高樓層，樓層層高為11.7 m，這樣設(shè)計(jì)的意義在于其融入了馬格里布宣禮塔的傳統(tǒng)風(fēng)格，圍繞數(shù)字5的象征性用法，樓層每5層分成1個部分，共5部分，通過超高樓層隔成玻璃幕墻裝飾的大廳（圖2）。

圖1 宣禮塔標(biāo)準(zhǔn)層平面布置(單位:m)

圖2 宣禮塔結(jié)構(gòu)施工

本項(xiàng)目自2012年初就開始進(jìn)行模架體系的選擇與招標(biāo)，因宣禮塔質(zhì)量要求高，而業(yè)主合同要求宣禮塔采用工具式模板，因此項(xiàng)目模架體系的選擇一開始就準(zhǔn)備進(jìn)行國際招標(biāo)，重點(diǎn)從歐洲供應(yīng)商中進(jìn)行選擇，通過多輪詢標(biāo)，最終從DOKA和PERI這2家中選擇了DOKA，由其負(fù)責(zé)宣禮塔整體模板體系的設(shè)計(jì)、供貨及現(xiàn)場安裝指導(dǎo)。

由于核心筒內(nèi)存在水平結(jié)構(gòu)（電梯前室、樓梯休息平臺、衛(wèi)生間及技術(shù)間），核心筒之間存在水平樓板，因此在進(jìn)行方案的選擇時，應(yīng)考慮三者之間的相互關(guān)系，此時存在3種方案的比選：

1）第1種方案：可考慮每個核心筒與水平結(jié)構(gòu)均單獨(dú)施工，即4個核心筒均采用爬模體系單獨(dú)提前施工，筒內(nèi)水平結(jié)構(gòu)及筒之間的樓板后施工。

2）第2種方案：可考慮核心筒內(nèi)水平結(jié)構(gòu)、筒之間的樓板結(jié)構(gòu)與核心筒同時施工。

3）第3種方案：可考慮核心筒與筒之間的樓板提前施工，而核心筒內(nèi)水平結(jié)構(gòu)后施工。

通過3種方案的比選，發(fā)現(xiàn)了每種方案的利弊，分別分析如下：

1）第1種方案：雖然理論上減少了關(guān)鍵工序的工作內(nèi)容，會加快豎向結(jié)構(gòu)核心筒的施工進(jìn)度，同時4個核心筒分開施工，可組織工人流水施工，但是由于所有水平結(jié)構(gòu)均后施工，這樣不僅后續(xù)的施工工作內(nèi)容非常大，而且會存在一定的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及管理障礙和風(fēng)險。在技術(shù)上，工人上下通道、材料堆放平臺等均受限制，實(shí)際施工過程中會降低工人的工作效率，而且4個筒分開施工，若水平結(jié)構(gòu)滯后太多，4個核心筒之間無可靠樓板連接，會帶來結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險，特別是發(fā)生地震的情況下；在經(jīng)濟(jì)上，由于豎向結(jié)構(gòu)與水平結(jié)構(gòu)分開施工并采用套筒連接，故會增加一筆巨大的費(fèi)用，該費(fèi)用不僅包含套筒的材料費(fèi)，而且也包含套筒預(yù)埋及后期連接的人工費(fèi)用；在管理上，豎向結(jié)構(gòu)與水平結(jié)構(gòu)施工分開管理，使管理及協(xié)調(diào)工作量增多，監(jiān)理驗(yàn)收工作內(nèi)容增加，實(shí)際上也會限制整體進(jìn)度的實(shí)施。

2）第2種方案：該方案的最大優(yōu)勢在于所有結(jié)構(gòu)能同時一起施工，無結(jié)構(gòu)收尾后續(xù)工作量，同時不需要增加套筒，降低了施工成本。但是實(shí)際上，由于結(jié)構(gòu)形式的限制，該方案無法實(shí)施，因?yàn)樵诤诵耐矁?nèi)必須安裝爬模體系，該體系的存在影響了水平結(jié)構(gòu)的施工，因此筒內(nèi)水平結(jié)構(gòu)只有等爬模體系施工完之后才能施工。

3）第3種方案：由于第1種和第2種方案的客觀原因所在，故必須選擇4個核心筒與筒之間的水平結(jié)構(gòu)同時施工，而核心筒內(nèi)水平結(jié)構(gòu)受制于爬模體系的存在，必須后施工，且核心筒內(nèi)水平結(jié)構(gòu)與剪力墻之間必須采用套筒的連接方式。

2.2 勁性鋼結(jié)構(gòu)吊裝

宣禮塔勁性鋼結(jié)構(gòu)主要為勁性鋼柱以及連接勁性鋼柱的斜梁、X斜撐，其中只有X斜撐屬于外露部分，其他均為勁性結(jié)構(gòu)。其中鋼柱分別位于核心筒外側(cè)的轉(zhuǎn)角處，每個核心筒共2根角柱，2根中柱，4個核心筒總計(jì)16根勁性柱（圖3），該柱截面由厚7 cm的雙層鋼板拼裝而成，勁性柱最長達(dá)18 m，質(zhì)量最大32 t。

圖3 鋼結(jié)構(gòu)柱平面布置

所有鋼結(jié)構(gòu)之間全部采用圓孔高強(qiáng)螺栓連接，現(xiàn)場無一處焊接，為了增加與混凝土的握裹力，鋼板表面全部設(shè)計(jì)為錨栓。鋼結(jié)構(gòu)吊裝時（圖4），存在以下難點(diǎn)：

圖4 鋼結(jié)構(gòu)吊裝模擬示意

1）鋼結(jié)構(gòu)全部采用高強(qiáng)螺栓連接，螺栓安裝工作量大，導(dǎo)致安裝工作效率較低，同時高空作業(yè)平臺多，安全風(fēng)險巨大。

2）由于鋼柱截面為雙層鋼板在工廠焊接成型，鋼柱長度普遍為6～18 m，大部分鋼柱長度超過10 m，由于這種類型的鋼柱沿核心筒剪力墻長度方向上剛度較大，但是沿厚度方向剛度非常小，在長細(xì)比如此大的情況下，極易導(dǎo)致鋼柱在安裝完成之后沿墻厚度方向發(fā)生位移與變形，這給鋼柱的放線定位帶來非常大的困難，測量及安裝方法選擇不當(dāng)，即可能造成鋼柱的偏位，給后續(xù)鋼筋及模板施工均造成非常大的影響。

3）由于鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)先土建結(jié)構(gòu)施工，因此應(yīng)合理規(guī)劃鋼結(jié)構(gòu)吊裝時間，既保證鋼結(jié)構(gòu)吊裝進(jìn)度，同時又不影響土建結(jié)構(gòu)的施工，使2個工序合理穿插，互不干涉。同時由于鋼結(jié)構(gòu)螺栓連接區(qū)與鋼筋套筒區(qū)域不在同一個平面上，因此也應(yīng)合理協(xié)調(diào)鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋的施工進(jìn)度。

2.3 超長鋼筋施工

宣禮塔結(jié)構(gòu)豎向鋼筋最長達(dá)13 m，而一般鋼筋出廠的定尺長度為9 m，這種設(shè)計(jì)在國內(nèi)基本上沒有，國內(nèi)通常根據(jù)一個樓層的高度設(shè)置搭接及套筒連接區(qū)，而13 m的超長鋼筋，相當(dāng)于國內(nèi)住宅4層樓的高度，在宣禮塔5.85 m層高的情況下也要一次性施工2層，而超長鋼筋的吊裝、豎立以及與上部鋼結(jié)構(gòu)施工之間的配合，成為結(jié)構(gòu)施工的一個難點(diǎn)。當(dāng)然這種設(shè)計(jì)有一個好處，即減少了每層的鋼筋套筒及搭接連接的工程量，理論上安裝完成一次超長豎向鋼筋，在施工下一樓層的時候，只需要施工水平鋼筋及箍筋，會壓縮下一層樓的結(jié)構(gòu)施工進(jìn)度。

2.4 垂直運(yùn)輸設(shè)備選擇

宣禮塔特殊的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了其安裝大型動臂式塔吊的難度，由于其核心筒內(nèi)平面尺寸達(dá)6 m，核心筒內(nèi)電梯井2個面為核心筒剪力墻，另外2個面計(jì)劃于后期采用鋼梁封閉，因此不管是采用橫梁支腿式還是附著式，均存在安裝難度大的問題。同時由于核心筒均安裝爬模體系，對于需吊裝本項(xiàng)目中質(zhì)量最大達(dá)32 t的鋼結(jié)構(gòu)，其標(biāo)準(zhǔn)節(jié)截面尺寸至少在3 m以上，故與爬模體系的安裝存在較大的沖突。

因此最終只能考慮設(shè)置地面基礎(chǔ)與外附墻式的傳統(tǒng)大型塔吊方案，由于塔吊拆除時間晚，除了結(jié)構(gòu)施工階段，后期所有外裝施工材料也必須采用塔吊吊運(yùn)，因此在考慮附墻的位置時應(yīng)盡量減少對外立面石材及玻璃幕墻的影響。

2.5 高層泵送混凝土

宣禮塔豎向結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級相當(dāng)于國標(biāo)的C60，泵送最高點(diǎn)為250 m，雖然國內(nèi)超高層技術(shù)突飛猛進(jìn)，甚至400 m以上的超高層建筑也不足為奇，但是基于阿爾及利亞當(dāng)?shù)氐馁Y源限制（水泥水化熱大，強(qiáng)度不穩(wěn)定，無摻合粉，砂石料供應(yīng)不穩(wěn)定），以及歐標(biāo)對混凝土的嚴(yán)格要求，導(dǎo)致宣禮塔C60的混凝土配制非常困難。歐標(biāo)規(guī)定大于80 cm（核心筒剪力墻厚度大于此規(guī)定）的構(gòu)件內(nèi)部中心混凝土溫度不允許超過70 ℃，否則會生成鈣礬石，影響結(jié)構(gòu)的耐久性功能，同時在配制過程中，應(yīng)兼顧混凝土的最終強(qiáng)度、泵送性、爬模強(qiáng)度等重要指標(biāo)，基于客觀存在的事實(shí)，高層泵送混凝土是宣禮塔施工的一大難點(diǎn)。

2.6 后續(xù)施工與結(jié)構(gòu)施工的關(guān)系

本項(xiàng)目屬EPC總承包項(xiàng)目，宣禮塔作為標(biāo)志性建筑，為了滿足其作為辦公、博物館及參觀的要求，在進(jìn)行外裝、內(nèi)裝以及機(jī)電設(shè)計(jì)時，標(biāo)準(zhǔn)要求高、工作內(nèi)容多，因此在結(jié)構(gòu)施工階段考慮施工方案時，應(yīng)一起考慮其他后續(xù)各個專業(yè)的方案，比如施工電梯的選擇、外墻爬模與外裝干掛石材的方案等。

3 最終方案的選擇及實(shí)施效果

3.1 模架體系的選擇與應(yīng)用

根據(jù)上述分析，最終選擇了4個核心筒與筒之間的水平結(jié)構(gòu)同時施工的方法，這種方法選擇較為合理，同時樓板可作為一個非常大的堆料平臺及人員操作平臺，方便了人員的操作，提高了工人的工作效率。

但是由于核心筒內(nèi)水平結(jié)構(gòu)后施工，因此工人在施工核心筒內(nèi)水平結(jié)構(gòu)時，與頂部核心筒爬模體系處于立體交叉作業(yè)的狀態(tài)，存在較大的高空墜物的風(fēng)險（圖5）。

同時由于靠樓板一側(cè)的模板掛在筒內(nèi)爬模架體伸出的鋼梁上（圖6），只有等爬模爬至上一層之后，才能進(jìn)行下一層樓板的澆筑，因此上一層混凝土的強(qiáng)度就決定了下一層爬模的爬升時間，而爬升又影響下一層樓板的澆筑，在實(shí)際混凝土配制過程中，我方配制的混凝土強(qiáng)度在1 d后能達(dá)到30 MPa，滿足要求的25 MPa，對結(jié)構(gòu)施工進(jìn)度的影響非常小。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)吊裝方案的選擇

鑒于本項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)，在施工方案的選擇上，我們重點(diǎn)從以下幾個方面進(jìn)行考慮：

圖5 爬模安裝完成后

圖6 靠樓板一側(cè)的模板懸掛體系

1）根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的特殊結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)各種類型的定型化鋼結(jié)構(gòu)操作平臺（圖7），安裝及拆除方便，以滿足操作工人安全的要求，同時配置足夠的安全防護(hù)用具，以保證工人操作的安全。

2）對于鋼構(gòu)柱的安裝，為了保證在底部剪力墻混凝土澆筑之前其定位的精確性，必須使上部鋼柱與所有斜撐及X斜撐連成一個整體，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系之后才能進(jìn)行下部鋼筋的綁扎，否則極易在鋼筋綁扎及混凝土澆筑的過程中造成柱子的偏位，同時在相鄰中柱之間設(shè)置水平型鋼連接，通過三角穩(wěn)定性來限制相鄰2根角柱朝剪力墻厚度方向的位移（圖8）。

圖7 鋼結(jié)構(gòu)定型化操作平臺

圖8 鋼結(jié)構(gòu)整體連接及中柱水平 型鋼連接

3）在施工過程中，由于鋼結(jié)構(gòu)吊裝需占用大量塔吊時間，因此過程中與鋼筋及模板吊裝進(jìn)行了有效及合理的協(xié)調(diào)，大量利用混凝土澆筑完之后的技術(shù)間歇期以及晚上進(jìn)行吊裝，既保證了鋼結(jié)構(gòu)吊裝的進(jìn)度，也不影響土建結(jié)構(gòu)的施工進(jìn)展。

3.3 超長鋼筋施工方案

通過設(shè)置專用吊筒（圖9），一次性能滿足30～40根鋼筋的吊裝要求，同時通過塔吊直接將鋼筋在安裝位置處豎立，大大加快了鋼筋吊裝進(jìn)度。

3.4 垂直運(yùn)輸設(shè)備的選型

塔吊最終選擇了永茂廠家的ST8075塔吊，采用獨(dú)立基礎(chǔ)外附墻式的傳統(tǒng)塔吊方案，位于宣禮塔的西側(cè)，經(jīng)過鋼結(jié)構(gòu)吊裝質(zhì)量分析，滿足吊裝要求。

由于該塔吊為項(xiàng)目購買，在海外這種特殊環(huán)境下，使用過程中出現(xiàn)了一系列不可預(yù)估的問題，比如使用過程中因減速機(jī)及卷揚(yáng)機(jī)機(jī)械故障嚴(yán)重影響了現(xiàn)場施工。因此塔吊廠家的選擇以及易損件和配件的配置顯得尤為重要，同時應(yīng)重點(diǎn)考慮該廠家在該國的售后服務(wù)是否能跟上，盡量選擇售后體系相對完善的廠家。

同時該塔吊由于拆除時間晚，故將所有塔吊附墻位置設(shè)置在超高樓層的剪力墻上，保證不影響標(biāo)準(zhǔn)層的石材及玻璃幕墻施工，這一點(diǎn)也是在方案編制過程中需重點(diǎn)考慮的一個影響因素（圖2中部分附墻在標(biāo)準(zhǔn)層為臨時附著，后期可拆除）。

3.5 高層泵送混凝土的配制

在滿足C60強(qiáng)度、超高層泵送性、入模溫度和中心最高溫度以及爬模要求早強(qiáng)的多項(xiàng)指標(biāo)嚴(yán)格要求下，同時在當(dāng)?shù)厮鄰?qiáng)度極不穩(wěn)定、骨料供應(yīng)無法正常保證以及無摻合料的情況下，通過技術(shù)團(tuán)隊(duì)的不懈努力，選用低水化熱的LAFARGE水泥，同時從國內(nèi)及歐洲選用合理的摻合料，最終成功地開發(fā)出了滿足上述所有條件的混凝土配合比，目前已成功泵送至130 m的高度，取得了較好的社會效益。

同時我們獨(dú)創(chuàng)地采用了在樓板觀光電梯井處洞口設(shè)置三角附墻架式自爬式布料機(jī)（圖10），該布料機(jī)不需要采用塔吊每次進(jìn)行吊運(yùn)，完全實(shí)現(xiàn)自爬升功能，減少了占用塔吊的時間，同時該布料機(jī)布料范圍達(dá)28 m，基本能覆蓋所有部分的混凝土澆筑。

圖9 鋼筋吊裝專用吊筒

圖10 布料機(jī)附墻架

4 結(jié)語

本文對阿爾及利亞大清真寺項(xiàng)目這一特殊的超高層結(jié)構(gòu)施工技術(shù)進(jìn)行了全面分析，從鋼結(jié)構(gòu)吊裝、模架體系選擇、超長鋼筋施工、混凝土配制和泵送設(shè)備的選型，以及垂直運(yùn)輸設(shè)備的選型等方面做了詳細(xì)分析與探討，為今后類似工程的施工技術(shù)方案選擇提供了可借鑒的依據(jù)。