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
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]。
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。
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。
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。
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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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)。
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
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)。