大清真寺宣禮塔超高結構施工技術分析與探討

吳章熙 葛志雄 李寬平 李劍飛 蘇海勇

1. 中建三局第三建設工程有限責任公司 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。項目建筑面積400 000 m2，包括宣禮塔、祈禱廳、伊斯蘭學院、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。

本項目的宣禮塔由德國著名的KSP-KUK聯合設計體進行設計，其中KUK主要負責結構設計，該結構形式較為特殊，其中標準層結構平面為正方形，4個正方形核心筒分別位于結構平面的4個角，4個核心筒之間通過鋼結構斜撐與水平樓板相連成一個整體。而目前國內多數超高層建筑都是核心筒在中間，周邊配上一些支撐結構，目前以框架、巨型框架和外框筒這3種外周邊結構居多。總體來說，國內現在的結構體系大多是一個核心筒一個框架，如果不能滿足規范要求，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構[1-2]。

正是因為宣禮塔的特殊性，之前沒有類似相關的結構工程施工經驗，這給結構施工技術的選擇帶來了一定的挑戰，選擇不好，將給進度、安全和成本帶來不可估量的損失，特別是在垂直運輸設備選擇、鋼結構吊裝方案、模架體系及混凝土澆筑等方面[3-4]。

2 結構施工難點分析

2.1 模架體系的選擇

宣禮塔標準層結構為正方形，平面尺寸為27.8 m×27.8 m，標準層層高為5.85 m，核心筒分列于平面的4個角上（圖1），核心筒內主要為電梯間、樓板間、衛生間、機電技術間及管井，核心筒之間的樓板為公共區域，主要功能為博物館及辦公區，同時每隔5層設置一個超高樓層，樓層層高為11.7 m，這樣設計的意義在于其融入了馬格里布宣禮塔的傳統風格，圍繞數字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 宣禮塔標準層平面布置(單位:m)

圖2 宣禮塔結構施工

本項目自2012年初就開始進行模架體系的選擇與招標，因宣禮塔質量要求高，而業主合同要求宣禮塔采用工具式模板，因此項目模架體系的選擇一開始就準備進行國際招標，重點從歐洲供應商中進行選擇，通過多輪詢標，最終從DOKA和PERI這2家中選擇了DOKA，由其負責宣禮塔整體模板體系的設計、供貨及現場安裝指導。

由于核心筒內存在水平結構（電梯前室、樓梯休息平臺、衛生間及技術間），核心筒之間存在水平樓板，因此在進行方案的選擇時，應考慮三者之間的相互關系，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構均單獨施工，即4個核心筒均采用爬模體系單獨提前施工，筒內水平結構及筒之間的樓板后施工。

2）第2種方案：可考慮核心筒內水平結構、筒之間的樓板結構與核心筒同時施工。

3）第3種方案：可考慮核心筒與筒之間的樓板提前施工，而核心筒內水平結構后施工。

通過3種方案的比選，發現了每種方案的利弊，分別分析如下：

1）第1種方案：雖然理論上減少了關鍵工序的工作內容，會加快豎向結構核心筒的施工進度，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構均后施工，這樣不僅后續的施工工作內容非常大，而且會存在一定的技術、經濟及管理障礙和風險。在技術上，工人上下通道、材料堆放平臺等均受限制，實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，若水平結構滯后太多，4個核心筒之間無可靠樓板連接，會帶來結構安全風險，特別是發生地震的情況下；在經濟上，由于豎向結構與水平結構分開施工并采用套筒連接，故會增加一筆巨大的費用，該費用不僅包含套筒的材料費，而且也包含套筒預埋及后期連接的人工費用；在管理上，豎向結構與水平結構施工分開管理，使管理及協調工作量增多，監理驗收工作內容增加，實際上也會限制整體進度的實施。

2）第2種方案：該方案的最大優勢在于所有結構能同時一起施工，無結構收尾后續工作量，同時不需要增加套筒，降低了施工成本。但是實際上，由于結構形式的限制，該方案無法實施，因為在核心筒內必須安裝爬模體系，該體系的存在影響了水平結構的施工，因此筒內水平結構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構同時施工，而核心筒內水平結構受制于爬模體系的存在，必須后施工，且核心筒內水平結構與剪力墻之間必須采用套筒的連接方式。

2.2 勁性鋼結構吊裝

宣禮塔勁性鋼結構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，其他均為勁性結構。其中鋼柱分別位于核心筒外側的轉角處，每個核心筒共2根角柱，2根中柱，4個核心筒總計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18 m，質量最大32 t。

圖3 鋼結構柱平面布置

所有鋼結構之間全部采用圓孔高強螺栓連接，現場無一處焊接，為了增加與混凝土的握裹力，鋼板表面全部設計為錨栓。鋼結構吊裝時（圖4），存在以下難點：

圖4 鋼結構吊裝模擬示意

1）鋼結構全部采用高強螺栓連接，螺栓安裝工作量大，導致安裝工作效率較低，同時高空作業平臺多，安全風險巨大。

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，在長細比如此大的情況下，極易導致鋼柱在安裝完成之后沿墻厚度方向發生位移與變形，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，即可能造成鋼柱的偏位，給后續鋼筋及模板施工均造成非常大的影響。

3）由于鋼結構領先土建結構施工，因此應合理規劃鋼結構吊裝時間，既保證鋼結構吊裝進度，同時又不影響土建結構的施工，使2個工序合理穿插，互不干涉。同時由于鋼結構螺栓連接區與鋼筋套筒區域不在同一個平面上，因此也應合理協調鋼結構與鋼筋的施工進度。

2.3 超長鋼筋施工

宣禮塔結構豎向鋼筋最長達13 m，而一般鋼筋出廠的定尺長度為9 m，這種設計在國內基本上沒有，國內通常根據一個樓層的高度設置搭接及套筒連接區，而13 m的超長鋼筋，相當于國內住宅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構施工之間的配合，成為結構施工的一個難點。當然這種設計有一個好處，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構施工進度。

2.4 垂直運輸設備選擇

宣禮塔特殊的結構形式決定了其安裝大型動臂式塔吊的難度，由于其核心筒內平面尺寸達6 m，核心筒內電梯井2個面為核心筒剪力墻，另外2個面計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，對于需吊裝本項目中質量最大達32 t的鋼結構，其標準節截面尺寸至少在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置地面基礎與外附墻式的傳統大型塔吊方案，由于塔吊拆除時間晚，除了結構施工階段，后期所有外裝施工材料也必須采用塔吊吊運，因此在考慮附墻的位置時應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

宣禮塔豎向結構混凝土強度等級相當于國標的C60，泵送最高點為250 m，雖然國內超高層技術突飛猛進，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地的資源限制（水泥水化熱大，強度不穩定，無摻合粉，砂石料供應不穩定），以及歐標對混凝土的嚴格要求，導致宣禮塔C60的混凝土配制非常困難。歐標規定大于80 cm（核心筒剪力墻厚度大于此規定）的構件內部中心混凝土溫度不允許超過70 ℃，否則會生成鈣礬石，影響結構的耐久性功能，同時在配制過程中，應兼顧混凝土的最終強度、泵送性、爬模強度等重要指標，基于客觀存在的事實，高層泵送混凝土是宣禮塔施工的一大難點。

2.6 后續施工與結構施工的關系

本項目屬EPC總承包項目，宣禮塔作為標志性建筑，為了滿足其作為辦公、博物館及參觀的要求，在進行外裝、內裝以及機電設計時，標準要求高、工作內容多，因此在結構施工階段考慮施工方案時，應一起考慮其他后續各個專業的方案，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施效果

3.1 模架體系的選擇與應用

根據上述分析，最終選擇了4個核心筒與筒之間的水平結構同時施工的方法，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。

但是由于核心筒內水平結構后施工，因此工人在施工核心筒內水平結構時，與頂部核心筒爬模體系處于立體交叉作業的狀態，存在較大的高空墜物的風險（圖5）。

同時由于靠樓板一側的模板掛在筒內爬模架體伸出的鋼梁上（圖6），只有等爬模爬至上一層之后，才能進行下一層樓板的澆筑，因此上一層混凝土的強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，在實際混凝土配制過程中，我方配制的混凝土強度在1 d后能達到30 MPa，滿足要求的25 MPa，對結構施工進度的影響非常小。

3.2 鋼結構吊裝方案的選擇

鑒于本項目鋼結構的特殊設計，在施工方案的選擇上，我們重點從以下幾個方面進行考慮：

圖5 爬模安裝完成后

圖6 靠樓板一側的模板懸掛體系

1）根據鋼結構的特殊結構形式，設計各種類型的定型化鋼結構操作平臺（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用具，以保證工人操作的安全。

2）對于鋼構柱的安裝，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，形成穩定的結構體系之后才能進行下部鋼筋的綁扎，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置水平型鋼連接，通過三角穩定性來限制相鄰2根角柱朝剪力墻厚度方向的位移（圖8）。

圖7 鋼結構定型化操作平臺

圖8 鋼結構整體連接及中柱水平 型鋼連接

3）在施工過程中，由于鋼結構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行了有效及合理的協調，大量利用混凝土澆筑完之后的技術間歇期以及晚上進行吊裝，既保證了鋼結構吊裝的進度，也不影響土建結構的施工進展。

3.3 超長鋼筋施工方案

通過設置專用吊筒（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度。

3.4 垂直運輸設備的選型

塔吊最終選擇了永茂廠家的ST8075塔吊，采用獨立基礎外附墻式的傳統塔吊方案，位于宣禮塔的西側，經過鋼結構吊裝質量分析，滿足吊裝要求。

由于該塔吊為項目購買，在海外這種特殊環境下，使用過程中出現了一系列不可預估的問題，比如使用過程中因減速機及卷揚機機械故障嚴重影響了現場施工。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，同時應重點考慮該廠家在該國的售后服務是否能跟上，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置在超高樓層的剪力墻上，保證不影響標準層的石材及玻璃幕墻施工，這一點也是在方案編制過程中需重點考慮的一個影響因素（圖2中部分附墻在標準層為臨時附著，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的多項指標嚴格要求下，同時在當地水泥強度極不穩定、骨料供應無法正常保證以及無摻合料的情況下，通過技術團隊的不懈努力，選用低水化熱的LAFARGE水泥，同時從國內及歐洲選用合理的摻合料，最終成功地開發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。

同時我們獨創地采用了在樓板觀光電梯井處洞口設置三角附墻架式自爬式布料機（圖10），該布料機不需要采用塔吊每次進行吊運，完全實現自爬升功能，減少了占用塔吊的時間，同時該布料機布料范圍達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 布料機附墻架

4 結語

本文對阿爾及利亞大清真寺項目這一特殊的超高層結構施工技術進行了全面分析，從鋼結構吊裝、模架體系選擇、超長鋼筋施工、混凝土配制和泵送設備的選型，以及垂直運輸設備的選型等方面做了詳細分析與探討，為今后類似工程的施工技術方案選擇提供了可借鑒的依據。