非洲第一高樓Iconic Tower 筏板建造關(guān)鍵技術(shù)

田 偉 魏建勛 鄒仙德 劉小虎

1. 上海中建海外發(fā)展有限公司 上海 200126；

2. 中國(guó)建筑第八工程局有限公司東北分公司 遼寧 大連 116019；

3. 中國(guó)建筑股份有限公司埃及分公司 開羅 11435

1 工程概況

埃及是“一帶一路”倡議的重要支點(diǎn)國(guó)家，開羅東部的新首都CBD項(xiàng)目是迄今為止中資企業(yè)在埃及市場(chǎng)上承接的最大項(xiàng)目。項(xiàng)目位于新首都核心區(qū)，建筑面積約1 700 000 m2。整個(gè)項(xiàng)目由中國(guó)建筑埃及分公司承建，為EPC總承包項(xiàng)目。

Iconic Tower是CBD項(xiàng)目的核心，是整個(gè)CBD項(xiàng)目的最大亮點(diǎn)，高度達(dá)到385.8 m，建成后將成為繼金字塔之后開羅的新地標(biāo)，將是未來的非洲第一高樓，被譽(yù)為埃及新時(shí)期的金字塔。Iconic Tower總建筑面積267 000 m2，地下2層，地上79層，是一座集辦公、酒店、商業(yè)、觀光等多種功能為一體的超高層項(xiàng)目，如圖1所示。項(xiàng)目預(yù)計(jì)于2022年6月竣工。

Iconic Tower的結(jié)構(gòu)體系為框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，外部為鋼結(jié)構(gòu)框架，內(nèi)部為鋼筋混凝土核心筒[1]，為加強(qiáng)核心筒和外框的整體工作性能，在49層和74層設(shè)置2道鋼管伸臂桁架，如圖2所示。

核心筒混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80和C60，外框柱為鋼管混凝土組合柱，內(nèi)灌C80、C60高強(qiáng)混凝土，組合柱底部直徑1.6 m，頂部縮減至0.75 m。

Iconic Tower為EPC總承包項(xiàng)目，EPC工程由總承包全權(quán)負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工，總承包單位承擔(dān)全部設(shè)計(jì)責(zé)任[2]。在總承包單位的設(shè)計(jì)管理過程中，需要設(shè)計(jì)滿足業(yè)主要求的建筑產(chǎn)品，同時(shí)也需要對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和工程造價(jià)進(jìn)行管控，使其在業(yè)主預(yù)期之內(nèi)[3-4]。這為Iconic Tower的設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)施創(chuàng)造了良好的先天條件，總承包商可以充分發(fā)揮設(shè)計(jì)和施工一體化的綜合優(yōu)勢(shì)，控制項(xiàng)目成本，保證項(xiàng)目質(zhì)量。

圖1 Iconic Tower全景

圖2 Iconic Tower結(jié)構(gòu)體系

圖3 筏板設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)是超高層建筑的根基，其設(shè)計(jì)和施工是超高層建筑的關(guān)鍵點(diǎn)之一。經(jīng)地勘探明，Iconic Tower下部有完整的厚度約40 m的玄武巖層，玄武巖承載力較高，經(jīng)研究確定Iconic Tower采用筏板基礎(chǔ)。筏板設(shè)計(jì)厚度達(dá)5 m，混凝土量達(dá)到18 500 m3，是埃及建筑史上最大的筏板基礎(chǔ)，其建造過程存在諸多難點(diǎn)。

通過采取筏板設(shè)計(jì)優(yōu)化、巖石平板試驗(yàn)、工序前置的施工方案，輔以鋼筋高精度安裝技術(shù)、混凝土配合比優(yōu)化、筏板澆筑施工組織和合理的養(yǎng)護(hù)措施，項(xiàng)目最終高效、高質(zhì)量地完成了Iconic Tower筏板的建造，同時(shí)創(chuàng)造了中東及非洲建筑史上的三項(xiàng)紀(jì)錄。

2 筏板設(shè)計(jì)優(yōu)化

總承包項(xiàng)目部充分發(fā)揮設(shè)計(jì)管理特長(zhǎng)，結(jié)合設(shè)計(jì)、施工一體化的綜合優(yōu)勢(shì)，對(duì)筏板設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，有效降低了成本，縮短了工期。

筏板原設(shè)計(jì)為凹形，平均厚度為5 m，局部最大厚度達(dá)到9 m，同時(shí)筏板下方需要回填5 m厚的素混凝土10 000 m3，如圖3（a）所示。此設(shè)計(jì)存在素混凝土回填量大、成本高、5 m高單側(cè)支模和吊模施工難度大、工作量大和施工工效低等問題。通過分析對(duì)比，建議設(shè)計(jì)將筏板由U形改為平板，將筏板整體標(biāo)高降低，同時(shí)增加1層架空層，取消5 m厚素混凝土回填，如圖3（b）所示。

優(yōu)化后的筏板設(shè)計(jì)不僅降低施工難度，并且通過取消素混凝土回填節(jié)省約10 000 m3的混凝土，同時(shí)筏板設(shè)計(jì)節(jié)約了鋼筋和混凝土用量，總體可節(jié)省成本約100萬美元，縮短施工工期2周。同時(shí)由于增加了架空層，既提高了建筑使用空間，又增加了結(jié)構(gòu)嵌固深度，提升了結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性和安全性。

沙漠地區(qū)工程地質(zhì)條件復(fù)雜，地形起伏較大，地層、地質(zhì)構(gòu)造、地貌條件復(fù)雜，不良工程地質(zhì)現(xiàn)象普遍，難以準(zhǔn)確確定基礎(chǔ)承載力設(shè)計(jì)值[5]。原設(shè)計(jì)采用的地基承載力是在實(shí)驗(yàn)室通過鉆芯巖樣的性能參數(shù)確定。這種方法未能考慮周圍巖石約束作用對(duì)巖石性能的提高，因此和設(shè)計(jì)協(xié)商確定在開挖到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，通過巖石浸水平板載荷試驗(yàn)的方法準(zhǔn)確測(cè)定巖石的承載力。巖石浸水平板載荷試驗(yàn)通過采集基巖性能的主要數(shù)據(jù)，基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型對(duì)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性回歸分析，確定基巖性能的主要參數(shù)，為設(shè)計(jì)提供參考。

基巖浸水平板載荷試驗(yàn)具有以下3個(gè)特點(diǎn)：一是荷載大，達(dá)到4 000 kN；二是平整度要求高，基巖平整度要求1 mm，墊層找平后平整度要求0.1 mm，載荷板在加載條件下任意2點(diǎn)的偏差小于0.002 5 mm；三是流程復(fù)雜，包含巖層浸水前后對(duì)比及浸水后浸潤(rùn)深度的探查等。項(xiàng)目部通過自行設(shè)計(jì)加載裝置、找平工藝、設(shè)計(jì)可調(diào)平板裝置等解決了平整度問題，效果良好。準(zhǔn)確得出基巖性能參數(shù)，提高了基巖的設(shè)計(jì)承載力，并反饋給設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)通過更新基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)筏板進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，節(jié)省了約1 000 t鋼筋（圖4）。

圖4 基巖浸水平板載荷試驗(yàn)

3 設(shè)置擋土墻兼作模板

筏板施工存在工期緊張、5 m高筏板單側(cè)支模難度較大、筏板邊緣作業(yè)面狹窄等問題。為解決上述問題，項(xiàng)目部在筏板外側(cè)澆筑一道擋土墻，擋土墻既作為筏板澆筑時(shí)的模板，又可將防水等后置工序提前，加快施工進(jìn)度，同時(shí)通過將回填工序前置為后續(xù)施工創(chuàng)造作業(yè)面。

在筏板進(jìn)行局部開挖、墊層施工及平面防水施工的同時(shí)，擋土墻同時(shí)進(jìn)行分段施工，如圖5（a）所示。在筏板底筋綁扎完成30%時(shí)，擋土墻已經(jīng)完成，如圖5（b）所示。此時(shí)立刻開始擋土墻外圍的紅土回填工作，確保在混凝土澆筑之前，完成基礎(chǔ)外側(cè)5 m高的紅土回填工作，既保障了筏板澆筑期間模板的安全，又為后續(xù)工作提供充足的作業(yè)空間和便利，如圖5（c）所示。經(jīng)綜合測(cè)算，考慮工期成本，與單側(cè)支模相比，擋土墻總體節(jié)約費(fèi)用約30萬，并且為筏板的快速成功澆筑及后續(xù)工作的順利推進(jìn)打下了基礎(chǔ)。

4 筏板鋼筋高精度安裝技術(shù)

超厚筏板一般存在基礎(chǔ)鋼筋量大、鋼筋層數(shù)多、安裝周期短、安裝難度大等問題[6-7]。Iconic Tower超厚筏板基礎(chǔ)則存在鋼筋量大（4 600 t）、層數(shù)多（底部34層、頂部10層）、精度要求高（8 mm），豎向抗剪鋼筋安裝量大（22 600根）、難度高等困難。筏板鋼筋采用的是直徑32 mm的鋼筋，鋼筋間距200 mm；豎向抗剪鋼筋長(zhǎng)度4.89 m，端部焊有直徑120 mm的端板。在筏板水平鋼筋搭接區(qū)域，水平鋼筋的定位容許偏差僅有8 mm，否則會(huì)導(dǎo)致豎向抗剪鋼筋難以安裝。項(xiàng)目通過技術(shù)攻關(guān)，以筏板頂部鋼筋的支撐架系統(tǒng)為突破口，采用螺栓連接的型鋼支撐體系并對(duì)體系進(jìn)行優(yōu)化，選用合理的支撐立桿間距和立桿型號(hào)，選用HEB120工字鋼梁作為支撐架立桿，支撐架在主要受力方向的跨度為4 200 mm，另一方向根據(jù)平面形狀調(diào)整，為200 mm的模數(shù)，如圖6所示。

圖6 支撐架定位控制系統(tǒng)

定位系統(tǒng)以支撐架作為一級(jí)控制網(wǎng)，在支撐架水平梁上標(biāo)識(shí)出二級(jí)控制點(diǎn)，鋼筋的安裝按照二級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行定位。同時(shí)制作簡(jiǎn)易工具對(duì)鋼筋凈距進(jìn)行復(fù)核，保證后期抗剪鋼筋的順利安裝。通過合理的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、定位，以及施工順序優(yōu)化和精度控制措施，完成了最密集處達(dá)17層雙向配筋的筏板底筋施工。水平鋼筋的安裝效果如圖7所示。通過高精度定位安裝，有效控制了安裝誤差，保證了水平鋼筋間距，使得22 600根抗剪鋼筋在3 d之內(nèi)順利安裝，抗剪鋼筋在筏板鋼筋搭接區(qū)域的安裝效果如圖8所示。

圖7 水平鋼筋安裝效果

圖8 抗剪鋼筋安裝效果

通過采用上述技術(shù)措施，在28 d內(nèi)高效完成了4 600 t筏板鋼筋的安裝。

5 高性能混凝土配制

根據(jù)大體積混凝土施工經(jīng)驗(yàn)和溫度控制技術(shù)[8]，結(jié)合沙漠地區(qū)高熱、高溫差的氣候條件以及筏板鋼筋密集的特點(diǎn)，提出Iconic Tower筏板C45混凝土應(yīng)具有低水化熱、高擴(kuò)展度、3 h保擴(kuò)性能和高流態(tài)的性能。特別是3 h保擴(kuò)性能指標(biāo)，指的是要求混凝土在3 h內(nèi)混凝土擴(kuò)展度損失在5%以內(nèi)。

在配合比研發(fā)和篩選中，采用低熱性能材料比選、正交設(shè)計(jì)及試配試驗(yàn)等方法，配制出低水化熱、大流淌度C45混凝土以應(yīng)對(duì)沙漠地區(qū)干燥、高溫的氣候特點(diǎn)。在正式澆筑之前，利用有限元數(shù)值模擬分析和5 m×5 m×5 m同配比模型試驗(yàn)檢驗(yàn)配合比的可靠性、穩(wěn)定性和溫控措施的有效性。模型試驗(yàn)如圖9所示。

圖9 5 m×5 m×5 m模型試驗(yàn)

6 筏板澆筑施工組織

針對(duì)當(dāng)?shù)鼗炷翑嚢枵酒毡檩^小、單個(gè)攪拌站生產(chǎn)能力有限的混凝土供應(yīng)情況，以CBD項(xiàng)目自建攪拌站為核心，聯(lián)合當(dāng)?shù)?家混凝土攪拌站，共計(jì)12條生產(chǎn)線，協(xié)同進(jìn)行Iconic Tower超厚筏板的澆筑。為保證混凝土質(zhì)量，對(duì)屬地?cái)嚢枵静捎媒y(tǒng)一配合比，統(tǒng)一原料供應(yīng)，并提前對(duì)屬地?cái)嚢枵具M(jìn)行了前期考察、備料檢查，澆筑時(shí)采取人員駐場(chǎng)監(jiān)督、混凝土現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、統(tǒng)一調(diào)度等措施。同時(shí)根據(jù)攪拌站的生產(chǎn)能力安排澆筑點(diǎn)位，設(shè)置公共澆筑點(diǎn)位，采用多生產(chǎn)多澆筑等措施充分調(diào)動(dòng)了當(dāng)?shù)財(cái)嚢枵镜姆e極性，有效保障了筏板混凝土的順利澆筑。

施工前根據(jù)沙漠高溫差氣候條件的特點(diǎn)，確定了超厚大體積混凝土連續(xù)無縫快速澆筑的施工方法，并對(duì)施工前準(zhǔn)備、現(xiàn)場(chǎng)施工組織、混凝土澆筑施工、混凝土測(cè)溫及養(yǎng)護(hù)等內(nèi)容進(jìn)行重點(diǎn)研究。

通過科學(xué)合理的現(xiàn)場(chǎng)施工組織，充分利用現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地優(yōu)勢(shì)，采用“溜槽＋汽車泵＋地泵＋自卸＋串筒”多種方式結(jié)合的澆筑方法，進(jìn)行整體斜面分層推移式澆筑，如圖10所示，實(shí)現(xiàn)了埃及建筑史上最大的超長(zhǎng)、超大（厚5 m、直徑70 m、面積3 700 m2）混凝土筏板的無縫連續(xù)一次性澆筑。

7 筏板混凝土養(yǎng)護(hù)

針對(duì)沙漠干燥、白天高溫、晝夜溫差大的氣候特點(diǎn)，采用薄膜覆蓋保水、晚上棉被覆蓋保溫、白天揭開棉被散熱、及時(shí)澆水等方式進(jìn)行混凝土養(yǎng)護(hù)，如圖11所示。通過及時(shí)可靠的保溫養(yǎng)護(hù)和溫度監(jiān)控措施，有效降低混凝土的內(nèi)外溫差。經(jīng)測(cè)量，筏板核心的最高溫度為64.8 ℃，筏板核心和表面最大溫差為38.5 K，溫度梯度為15.4 K/m。數(shù)據(jù)表明，混凝土配比良好，養(yǎng)護(hù)措施合理，筏板施工質(zhì)量良好。

圖10 筏板澆筑現(xiàn)場(chǎng)

圖11 筏板養(yǎng)護(hù)

8 結(jié)語

項(xiàng)目從設(shè)計(jì)優(yōu)化入手，創(chuàng)新施工方案，細(xì)化鋼筋安裝技術(shù)，優(yōu)化混凝土配比，多措并舉地高效完成筏板混凝土澆筑，在埃及一舉創(chuàng)造了中東及非洲建筑史上的三項(xiàng)紀(jì)錄：?jiǎn)未螡仓畲篌w量筏板（18 500 m3）、超大型基礎(chǔ)筏板的澆筑最快紀(jì)錄（38 h）、高峰期單小時(shí)最大混凝土澆筑量（785 m3/h）。Iconic Tower厚5 m超大筏板的成功建造，充分展現(xiàn)了中國(guó)建筑企業(yè)從設(shè)計(jì)、施工到管理的強(qiáng)大綜合建造能力，為中國(guó)建筑企業(yè)在當(dāng)?shù)貥淞⒘肆己眯蜗?，為中?guó)建筑企業(yè)“走出去”奠定了扎實(shí)基礎(chǔ)。