沙漠地區(qū)綠色建造技術(shù)研究*

張晶波，田 偉，何 瑞

(1.中國建筑股份有限公司，北京 100029； 2.上海中建海外發(fā)展有限公司，上海 200125； 3.中國建筑股份有限公司埃及分公司，埃及 開羅 11835)

0 引言

北非地區(qū)地處亞洲、歐洲、非洲的連接點，是“一帶一路”倡議的重要戰(zhàn)略支點，中國在北非的影響力也逐漸增大。目前，在“一帶一路”倡議框架下，雙方合作主要集中在基礎(chǔ)設(shè)施、房建、能源等領(lǐng)域。中國建筑企業(yè)在北非地區(qū)投資或承建了許多地標(biāo)性建筑，如阿爾及爾歌劇院、喜來登酒店、阿爾及爾大清真寺、東西高速公路及埃及新行政首都CBD、阿拉曼超高層公寓等項目[1]。例如，目前非洲第一高樓Iconic Tower也由中國建筑企業(yè)承建，高度達(dá)385.8m，被譽為埃及新時期的“金字塔”。

北非地區(qū)地勢平坦，氣候干旱，沙漠廣布，北非的撒哈拉沙漠是世界上最大的沙漠，其面積約占非洲總面積的32%。北非地區(qū)以沙漠氣候為主，表現(xiàn)為終年炎熱干燥，年均降水量50～200mm，蒸發(fā)量約為降水量的20倍以上，是地球上最干燥的地區(qū)，夏季氣溫較高，絕對最高氣溫>50℃，地面溫度更高。北非的撒哈拉沙漠也是全球沙塵的重要發(fā)源地，春夏時節(jié)沙塵暴發(fā)生頻繁。

在北非地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)，需根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蚝唾Y源條件，因地制宜，大力推行綠色建造，開展沙漠地區(qū)綠色建造技術(shù)研究，節(jié)約資源，以人為本，保護(hù)環(huán)境，提升工程品質(zhì)。

1 綠色建造概念

綠色建造是著眼于建筑全生命周期，在保證工程質(zhì)量和安全的前提下，踐行可持續(xù)發(fā)展理念，堅持以人為本、因地制宜，通過科學(xué)管理和技術(shù)進(jìn)步，在工程建造過程中最大限度地節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境，實現(xiàn)綠色施工要求，生產(chǎn)綠色建筑產(chǎn)品的工程活動[2]。

綠色建造是在 “創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的大背景下提出的，綠色建造強調(diào)環(huán)境保護(hù)、資源節(jié)約和以人為本的理念，重視建造全過程和最終產(chǎn)品的綠色化，追求工程項目經(jīng)濟、社會與環(huán)境等綜合效益的最大化。綠色建造注重工程立項策劃、設(shè)計與施工的深度融合，打破建設(shè)過程中多元主體間的壁壘，有效控制建造全過程中的不利因素，實現(xiàn)整體效益最大化。綠色建造通過推行工程項目策劃、設(shè)計與施工一體化的建造模式，有利于資源配置的優(yōu)化，實現(xiàn)建筑產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效，提高產(chǎn)業(yè)競爭力，助推生態(tài)文明建設(shè)和社會可持續(xù)發(fā)展[3]。

在沙漠地區(qū)推行綠色建造技術(shù)，不僅有利于提高勞動效率，減輕勞動強度、節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境，更能體現(xiàn)中國建筑企業(yè)的綜合建造能力和技術(shù)優(yōu)勢，對進(jìn)一步拓展市場具有重要意義。

2 沙漠地區(qū)綠色建造技術(shù)

綠色建造技術(shù)的創(chuàng)新和研發(fā)是綠色建造發(fā)展的動力和源泉[4]，針對沙漠地區(qū)的特點，因地制宜，研發(fā)了一系列沙漠地區(qū)綠色建造技術(shù)，其中的典型技術(shù)如下。

2.1 設(shè)計施工一體化技術(shù)

綠色建造強調(diào)充分發(fā)揮總承包的設(shè)計管理特長，融合設(shè)計施工一體化綜合優(yōu)勢，結(jié)合項目特點，對設(shè)計進(jìn)行了優(yōu)化，達(dá)到提升工程品質(zhì)、降低施工難度、提高施工效率、降低成本、加快工期的目的。典型的設(shè)計施工一體化技術(shù)案例如下。

例如，某超高層項目筏板原設(shè)計為U形，平均厚度為5m，局部厚度最大達(dá)9m，同時筏板下需回填1萬m3素混凝土，如圖1a所示。此設(shè)計存在素混凝土回填量大、成本高、施工難度大和施工工效低等問題。通過分析對比，將筏板由U形改為平板，降低筏板標(biāo)高，增加1層架空層，取消5m厚素混凝土回填，如圖1b所示。此設(shè)計不僅降低施工難度，減少1萬m3素混凝土回填和筏板鋼筋、混凝土用量，而且縮短了工期。同時，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)整體穩(wěn)定性和安全性。

圖1 筏板設(shè)計

再如，某項目存在筏板施工工期緊，5m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，在筏板外側(cè)設(shè)計1道5.25m高混凝土墻體，此道墻體有3個作用：①作為筏板澆筑時的模板；②作為擋土墻，將外側(cè)的回填作業(yè)提前，為后續(xù)施工創(chuàng)造作業(yè)面；③可將筏板外側(cè)的防水等工序提前，加快施工進(jìn)度。在筏板進(jìn)行局部開挖、墊層施工及平面防水施工的同時，擋土墻同時進(jìn)行分段施工，如圖2a所示。在筏板底筋綁扎完成30%時，擋土墻已完成，如圖2b所示。在筏板澆筑前，完成外側(cè)的紅土回填工作，既保障了筏板快速澆筑的模板安全，又為后續(xù)工作提供了作業(yè)空間，如圖2c所示。經(jīng)綜合測算，此墻體的成本與單側(cè)支模的直接成本及工期成本相比，總體降低成本30萬元，并為筏板的快速成功澆筑及后續(xù)工作的推進(jìn)打下基礎(chǔ)。

圖2 擋土墻兼作模板方案

2.2 高強鋼筋應(yīng)用

在當(dāng)?shù)亟ú氖袌鲋髁麂摻顝姸葹?00MPa的情況下，在對當(dāng)?shù)厥袌龊蜌W洲市場調(diào)研后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)乜蛇M(jìn)口歐洲市場的500MPa高強鋼錠，在當(dāng)?shù)剡M(jìn)行500MPa高強鋼筋加工，且成本增加較少。主動和所在國排名前三的鋼筋生產(chǎn)企業(yè)聯(lián)系，要求專門生產(chǎn)500MPa級高強鋼筋，以替換常規(guī)的400MPa級鋼筋。在明確了技術(shù)要求后，僅以比400MPa級鋼筋高3%的價格獲得500MPa級高強鋼筋，不僅降低了成本，也節(jié)約了資源，方便了現(xiàn)場施工。

2.3 沙漠地區(qū)高性能大體積混凝土技術(shù)

根據(jù)沙漠地區(qū)高熱、高溫差、干燥的氣候特點，結(jié)合大體積混凝土施工和溫度控制經(jīng)驗，提出沙漠地區(qū)大體積混凝土應(yīng)具有低水化熱、高擴展度、3h保擴性能和高流態(tài)性能。特別是3h保擴性能指標(biāo)，指的是要求混凝土在3h內(nèi)混凝土擴展度損失在5%以內(nèi)。在沙漠地區(qū)高性能大體積混凝土配合比研發(fā)中，采用低熱性能材料比選、正交設(shè)計及試配試驗等方法，選用適量高效減水劑和復(fù)合高效緩凝劑，適當(dāng)延遲混凝土初凝時間，配制出低水化熱、大流動度的大體積混凝土。

經(jīng)過現(xiàn)場試驗，5m厚筏板大體積混凝土的核心最高溫度為64.8°C，筏板核心和表面最大溫差為38.5°C。試驗數(shù)據(jù)表明，混凝土配合比良好，適應(yīng)沙漠地區(qū)氣候特點，有效保證了筏板施工質(zhì)量。

2.4 沙漠地區(qū)免振混凝土技術(shù)

北非沙漠地區(qū)建筑工人的技術(shù)水平相對較低，且在白天高溫下，澆筑過程中若振搗不及時，極易出現(xiàn)質(zhì)量問題。為解決上述問題，研發(fā)了沙漠地區(qū)免振搗混凝土。利用礦渣粉等礦物摻合料的微細(xì)粉填充效應(yīng)和礦物減水效應(yīng)，減少混凝土泌水風(fēng)險并提高流動性，降低早期塑性收縮量，提高混凝土拌合物工作性能?；炷恋某跄龝r間控制在7～9h，入泵坍落度為240～260mm，入泵擴展度為(700±50)mm，3h內(nèi)坍落度損失<10%，具有大流動性、保坍性好、勻質(zhì)性好、自密實、免振搗及良好的可泵性、和易性等特點，便于泵送施工。

免振搗混凝土的研發(fā)彌補了當(dāng)?shù)毓と说募夹g(shù)缺陷，提高了施工質(zhì)量，同時節(jié)省了人力成本，雖然混凝土直接成本略有增加，但降低了綜合成本，綜合效益明顯。

2.5 沙漠地區(qū)大體積混凝土綜合澆筑技術(shù)

沙漠地區(qū)氣候干燥，白天光照強烈，對大體積混凝土澆筑的不利因素較多。澆筑時間越長，出現(xiàn)冷縫及質(zhì)量問題的概率越大[5]，因此需在最短時間內(nèi)將大體積混凝土澆筑完畢。一般情況下，沙漠地區(qū)場地空間相對寬闊，在筏板大體積混凝土施工階段，周圍可利用空間較大，可充分利用場地優(yōu)勢，通過科學(xué)合理的現(xiàn)場施工組織，充分利用現(xiàn)場場地優(yōu)勢，采用“溜槽+汽車泵+地泵+自卸”多種方式結(jié)合的澆筑方式，整體斜面分層推移式澆筑，如圖3所示。利用上述綜合澆筑方法，38h便完成了埃及建筑史上最大(直徑70m、厚5m、方量18 500m3)混凝土筏板的無縫連續(xù)一次性澆筑，創(chuàng)造了埃及建筑史上的奇跡。其中，采用溜槽、自卸方式澆筑的混凝土接近1萬m3，不僅節(jié)約了大量能源，而且大大提高了施工效率。

圖3 大體積混凝土綜合澆筑技術(shù)

2.6 沙漠地區(qū)混凝土養(yǎng)護(hù)技術(shù)

沙漠地區(qū)溫度高、濕度小、晝夜溫差大、高空風(fēng)力大，對混凝土養(yǎng)護(hù)影響較大。若采用傳統(tǒng)的澆水養(yǎng)護(hù)方式，存在蒸發(fā)量大、有效養(yǎng)護(hù)用水少、澆水頻率高的問題。綜合考慮，采取以下養(yǎng)護(hù)措施：外側(cè)迎風(fēng)面采用養(yǎng)護(hù)液養(yǎng)護(hù)，內(nèi)側(cè)噴淋養(yǎng)護(hù)，將噴淋養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)安裝到爬模系統(tǒng)，隨同爬模系統(tǒng)共同爬升，對混凝土樓層逐層養(yǎng)護(hù)，如圖4所示，達(dá)到提高養(yǎng)護(hù)效率、節(jié)約用水的目的。同時，由于采用噴淋養(yǎng)護(hù)，還能產(chǎn)生降低作業(yè)面溫度的間接效果。

圖4 混凝土噴淋養(yǎng)護(hù)

2.7 沙漠砂利用技術(shù)

沙漠地區(qū)有豐富的沙漠砂資源，就地取材，利用沙漠地區(qū)豐富的優(yōu)質(zhì)砂特點，在混凝土配合比和建筑做法中，大量利用沙漠砂，方便采購、降低成本、保證質(zhì)量。選取符合要求的優(yōu)質(zhì)砂礦，對含泥量、細(xì)度模數(shù)等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行控制。采用篩選砂礦，混凝土用砂的細(xì)度模數(shù)宜控制在2.3～3.0，云母含量≤1.0%，含泥量≤1.5%，泥塊含量≤0.5%。采購優(yōu)質(zhì)沙漠砂作為混凝土原材，進(jìn)行以沙漠砂為原材的混凝土配合比研發(fā)，為項目提供低成本、高質(zhì)量混凝土。

充分利用項目周圍豐富的沙漠砂資源，在了解當(dāng)?shù)爻Ｓ玫慕ㄖ龇ɑA(chǔ)上，在同設(shè)計方溝通的前提下，將沙漠砂用于室內(nèi)回填、建筑施工中，降低材料成本。如圖5所示，將沙漠砂用于裙房混凝土配筋地面下的大面積回填中。

圖5 沙漠砂用于室內(nèi)回填

2.8 沙漠地區(qū)除塵降溫技術(shù)

針對沙漠地區(qū)沙塵大、溫度高的氣候特點，在現(xiàn)場設(shè)置霧炮，充分利用霧炮作用，每天根據(jù)現(xiàn)場情況定時開啟霧炮：①提高現(xiàn)場濕度，達(dá)到降塵效果；②利用水汽，達(dá)到局部降溫效果，調(diào)節(jié)施工現(xiàn)場局部范圍內(nèi)的溫度和濕度，改善作業(yè)條件，如圖6所示。

圖6 霧炮除塵降溫

2.9 核心筒與外框豎向變形差層高補償技術(shù)

超高層建筑混凝土核心筒與外框鋼結(jié)構(gòu)間普遍存在豎向變形差，核心筒混凝土豎向變形主要由彈性變形、收縮變形和徐變變形構(gòu)成[6]。由于沙漠地區(qū)干燥的氣候條件，收縮變形的影響更大，為控制豎向變形差的不利影響，研發(fā)了混凝土核心筒標(biāo)高補償技術(shù)，通過調(diào)整樓層設(shè)計標(biāo)高，提前補償核心筒變形，在結(jié)構(gòu)封頂階段，實現(xiàn)混凝土核心筒與外框鋼結(jié)構(gòu)間變形差的最小化。如圖7所示，計算得到某項目竣工時核心筒和外框鋼結(jié)構(gòu)的變形差約為25mm，通過核心筒標(biāo)高補償技術(shù)，從25層到59層，每層標(biāo)高比設(shè)計標(biāo)高高12mm；從60層到69層，每層標(biāo)高比設(shè)計標(biāo)高高20mm；從70層到屋頂，每層標(biāo)高比設(shè)計標(biāo)高高28mm。通過核心筒標(biāo)高補償技術(shù)，可將核心筒和外框的變形差控制在5mm以內(nèi)，屋頂?shù)淖冃尾罱咏?。

圖7 樓層標(biāo)高補償

該技術(shù)僅以數(shù)方混凝土成本，達(dá)到減小核心筒與外框間豎向變形差的良好效果，控制了變形差引起的附加應(yīng)力，保證了結(jié)構(gòu)安全，同時也保證了樓層凈高。

2.10 施工用水循環(huán)利用

沙漠地區(qū)水資源匱乏，施工用水的高效利用是綠色建造的重要內(nèi)容。通過對施工現(xiàn)場施工用水，特別是洗泵用水的收集、沉淀、處理和重復(fù)利用，達(dá)到水資源的高效利用(見圖8)。

圖8 施工用水循環(huán)利用

2.11 鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點焊接防曬技術(shù)

在鋼柱施工過程中，焊接工作量大，工作時間長，屬于高空作業(yè)，為此設(shè)計制作了鋼柱焊接平臺(見圖9)，為工人提供安全可靠的作業(yè)平面，同時考慮到沙漠地區(qū)日照強烈，設(shè)置了可拆卸帆布頂棚，為工人提供遮蔽陽光設(shè)施，同時可減少高空大風(fēng)對焊接作業(yè)的影響。

圖9 鋼柱焊接作業(yè)防曬平臺

2.12 高溫差下鋼結(jié)構(gòu)合龍控制技術(shù)

沙漠地區(qū)白天日照強烈，溫度高，夜晚溫度低，晝夜溫差大。鋼結(jié)構(gòu)完全暴露于太陽輻射下，且鋼結(jié)構(gòu)對溫度作用較敏感，給安裝帶來巨大挑戰(zhàn)。伸臂桁架的合龍方案是超高層建筑施工階段的關(guān)鍵。在晝夜溫差較大的沙漠地區(qū)，選擇一個合理的合龍方案便顯得尤為重要。伸臂桁架合龍的關(guān)鍵技術(shù)包括：①合龍線選擇；②合龍溫度確定；③溫度監(jiān)測技術(shù)；④物理降溫技術(shù)；⑤合龍段長度和合龍口間隙；⑥合龍段安裝工藝；⑦合龍焊接技術(shù)；⑧合龍時間控制。

通過對溫度差異引起結(jié)構(gòu)的內(nèi)力效應(yīng)、太陽輻射吸收系數(shù)的影響因素及降低太陽輻射溫升的措施進(jìn)行分析，統(tǒng)計得到結(jié)構(gòu)各區(qū)域構(gòu)件的太陽輻射照度，合理確定溫度場技術(shù)采用的各種參數(shù)及室內(nèi)外風(fēng)速和相應(yīng)的熱傳導(dǎo)技術(shù)邊界條件，采用有限元法計算各構(gòu)件表面的輻射溫度與構(gòu)件的平均輻射溫升。根據(jù)項目地點歷史氣象溫度記錄與變化趨勢、太陽輻射溫升、結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性及結(jié)構(gòu)施工的實際進(jìn)程，綜合確定合理溫度與最大正、負(fù)溫差。合龍施工技術(shù)措施主要為：合龍前測量，矯正施工(標(biāo)高調(diào)整、水平誤差調(diào)整)，矯正后測量，合龍施工(在設(shè)計溫度下，安排多名焊接工人在規(guī)定時間和溫度下同時施工，使整個鋼結(jié)構(gòu)在整條合龍線上同時合龍)。

3 沙漠地區(qū)綠色建造技術(shù)發(fā)展方向

1)“一體化”強調(diào)設(shè)計施工的深度融合，總承包單位通過自身的設(shè)計管理能力，優(yōu)化、深化設(shè)計，將施工的可操作性和便利性作為重要因素融入設(shè)計，實現(xiàn)設(shè)計施工的一體化，最大限度地節(jié)約資源、提高效率和保護(hù)環(huán)境。

2)“精益化”強調(diào)建造過程統(tǒng)籌考慮、精細(xì)管理，提高質(zhì)量、減少浪費、節(jié)約資源、防止污染，提升經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

3)“信息化”強調(diào)通過信息技術(shù)在建造過程中的應(yīng)用實現(xiàn)節(jié)材、節(jié)能及提高工效等目的，信息技術(shù)的應(yīng)用體現(xiàn)在施工作業(yè)層面與工程管理層面。

4)“機械化”強調(diào)在工程建設(shè)中利用工程機械替代人的體力勞動，特別是智能化工程機械，實現(xiàn)信息傳輸、智能處理及實際操作于一體，提高施工效率，降低人力成本，保障工程品質(zhì)。

5)“裝配化”強調(diào)將施工現(xiàn)場大量的高強度作業(yè)轉(zhuǎn)向工作環(huán)境可實現(xiàn)人為控制的廠房內(nèi)，在廠房內(nèi)進(jìn)行現(xiàn)代化生產(chǎn)，減少現(xiàn)場作業(yè)量，減少揚塵、噪聲和廢棄物排放，改善工人作業(yè)條件，降低勞動強度，減少污染，保護(hù)環(huán)境，提高工效，縮短工期，減少施工安全隱患，保證建筑品質(zhì)。

4 結(jié)語

針對北非地區(qū)以沙漠氣候為主，終年炎熱干燥、高溫少雨的氣候特點和資源現(xiàn)狀，研發(fā)了適合北非沙漠地區(qū)的一系列綠色建造技術(shù)，這些沙漠地區(qū)綠色建造技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用展現(xiàn)了中國建筑企業(yè)從設(shè)計、施工到管理的強大綜合建造能力，為中國建筑企業(yè)樹立了良好形象，為中國建筑企業(yè)走出去奠定了扎實基礎(chǔ)。