沙漠地區綠色建造技術研究*

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

北非地區地處亞洲、歐洲、非洲的連接點，是“一帶一路”倡議的重要戰略支點，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設施、房建、能源等領域。中國建筑企業在北非地區投資或承建了許多地標性建筑，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也由中國建筑企業承建，高度達385.8m，被譽為埃及新時期的“金字塔”。

北非地區地勢平坦，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%。北非地區以沙漠氣候為主，表現為終年炎熱干燥，年均降水量50～200mm，蒸發量約為降水量的20倍以上，是地球上最干燥的地區，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源地，春夏時節沙塵暴發生頻繁。

在北非地區進行工程建設，需根據當地氣候和資源條件，因地制宜，大力推行綠色建造，開展沙漠地區綠色建造技術研究，節約資源，以人為本，保護環境，提升工程品質。

1 綠色建造概念

綠色建造是著眼于建筑全生命周期，在保證工程質量和安全的前提下，踐行可持續發展理念，堅持以人為本、因地制宜，通過科學管理和技術進步，在工程建造過程中最大限度地節約資源和保護環境，實現綠色施工要求，生產綠色建筑產品的工程活動[2]。

綠色建造是在 “創新、協調、綠色、開放、共享”的大背景下提出的，綠色建造強調環境保護、資源節約和以人為本的理念，重視建造全過程和最終產品的綠色化，追求工程項目經濟、社會與環境等綜合效益的最大化。綠色建造注重工程立項策劃、設計與施工的深度融合，打破建設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，實現整體效益最大化。綠色建造通過推行工程項目策劃、設計與施工一體化的建造模式，有利于資源配置的優化，實現建筑產業提質增效，提高產業競爭力，助推生態文明建設和社會可持續發展[3]。

在沙漠地區推行綠色建造技術，不僅有利于提高勞動效率，減輕勞動強度、節約資源、保護環境，更能體現中國建筑企業的綜合建造能力和技術優勢，對進一步拓展市場具有重要意義。

2 沙漠地區綠色建造技術

綠色建造技術的創新和研發是綠色建造發展的動力和源泉[4]，針對沙漠地區的特點，因地制宜，研發了一系列沙漠地區綠色建造技術，其中的典型技術如下。

2.1 設計施工一體化技術

綠色建造強調充分發揮總承包的設計管理特長，融合設計施工一體化綜合優勢，結合項目特點，對設計進行了優化，達到提升工程品質、降低施工難度、提高施工效率、降低成本、加快工期的目的。典型的設計施工一體化技術案例如下。

例如，某超高層項目筏板原設計為U形，平均厚度為5m，局部厚度最大達9m，同時筏板下需回填1萬m3素混凝土，如圖1a所示。此設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，又增加了結構嵌固深度，提升了結構整體穩定性和安全性。

圖1 筏板設計

再如，某項目存在筏板施工工期緊，5m高筏板單側支模難度較大，筏板邊緣作業面狹窄等問題。為解決上述問題，在筏板外側設計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，將外側的回填作業提前，為后續施工創造作業面；③可將筏板外側的防水等工序提前，加快施工進度。在筏板進行局部開挖、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，又為后續工作提供了作業空間，如圖2c所示。經綜合測算，此墻體的成本與單側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工作的推進打下基礎。

圖2 擋土墻兼作模板方案

2.2 高強鋼筋應用

在當地建材市場主流鋼筋強度為400MPa的情況下，在對當地市場和歐洲市場調研后，發現當地可進口歐洲市場的500MPa高強鋼錠，在當地進行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企業聯系，要求專門生產500MPa級高強鋼筋，以替換常規的400MPa級鋼筋。在明確了技術要求后，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，也節約了資源，方便了現場施工。

2.3 沙漠地區高性能大體積混凝土技術

根據沙漠地區高熱、高溫差、干燥的氣候特點，結合大體積混凝土施工和溫度控制經驗，提出沙漠地區大體積混凝土應具有低水化熱、高擴展度、3h保擴性能和高流態性能。特別是3h保擴性能指標，指的是要求混凝土在3h內混凝土擴展度損失在5%以內。在沙漠地區高性能大體積混凝土配合比研發中，采用低熱性能材料比選、正交設計及試配試驗等方法，選用適量高效減水劑和復合高效緩凝劑，適當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。

經過現場試驗，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。試驗數據表明，混凝土配合比良好，適應沙漠地區氣候特點，有效保證了筏板施工質量。

2.4 沙漠地區免振混凝土技術

北非沙漠地區建筑工人的技術水平相對較低，且在白天高溫下，澆筑過程中若振搗不及時，極易出現質量問題。為解決上述問題，研發了沙漠地區免振搗混凝土。利用礦渣粉等礦物摻合料的微細粉填充效應和礦物減水效應，減少混凝土泌水風險并提高流動性，降低早期塑性收縮量，提高混凝土拌合物工作性能。混凝土的初凝時間控制在7～9h，入泵坍落度為240～260mm，入泵擴展度為(700±50)mm，3h內坍落度損失<10%，具有大流動性、保坍性好、勻質性好、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彌補了當地工人的技術缺陷，提高了施工質量，同時節省了人力成本，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 沙漠地區大體積混凝土綜合澆筑技術

沙漠地區氣候干燥，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，出現冷縫及質量問題的概率越大[5]，因此需在最短時間內將大體積混凝土澆筑完畢。一般情況下，沙漠地區場地空間相對寬闊，在筏板大體積混凝土施工階段，周圍可利用空間較大，可充分利用場地優勢，通過科學合理的現場施工組織，充分利用現場場地優勢，采用“溜槽+汽車泵+地泵+自卸”多種方式結合的澆筑方式，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一次性澆筑，創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

2.6 沙漠地區混凝土養護技術

沙漠地區溫度高、濕度小、晝夜溫差大、高空風力大，對混凝土養護影響較大。若采用傳統的澆水養護方式，存在蒸發量大、有效養護用水少、澆水頻率高的問題。綜合考慮，采取以下養護措施：外側迎風面采用養護液養護，內側噴淋養護，將噴淋養護系統安裝到爬模系統，隨同爬模系統共同爬升，對混凝土樓層逐層養護，如圖4所示，達到提高養護效率、節約用水的目的。同時，由于采用噴淋養護，還能產生降低作業面溫度的間接效果。

圖4 混凝土噴淋養護

2.7 沙漠砂利用技術

沙漠地區有豐富的沙漠砂資源，就地取材，利用沙漠地區豐富的優質砂特點，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、保證質量。選取符合要求的優質砂礦，對含泥量、細度模數等關鍵指標進行控制。采用篩選砂礦，混凝土用砂的細度模數宜控制在2.3～3.0，云母含量≤1.0%，含泥量≤1.5%，泥塊含量≤0.5%。采購優質沙漠砂作為混凝土原材，進行以沙漠砂為原材的混凝土配合比研發，為項目提供低成本、高質量混凝土。

充分利用項目周圍豐富的沙漠砂資源，在了解當地常用的建筑做法基礎上，在同設計方溝通的前提下，將沙漠砂用于室內回填、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 沙漠砂用于室內回填

2.8 沙漠地區除塵降溫技術

針對沙漠地區沙塵大、溫度高的氣候特點，在現場設置霧炮，充分利用霧炮作用，每天根據現場情況定時開啟霧炮：①提高現場濕度，達到降塵效果；②利用水汽，達到局部降溫效果，調節施工現場局部范圍內的溫度和濕度，改善作業條件，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

超高層建筑混凝土核心筒與外框鋼結構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成[6]。由于沙漠地區干燥的氣候條件，收縮變形的影響更大，為控制豎向變形差的不利影響，研發了混凝土核心筒標高補償技術，通過調整樓層設計標高，提前補償核心筒變形，在結構封頂階段，實現混凝土核心筒與外框鋼結構間變形差的最小化。如圖7所示，計算得到某項目竣工時核心筒和外框鋼結構的變形差約為25mm，通過核心筒標高補償技術，從25層到59層，每層標高比設計標高高12mm；從60層到69層，每層標高比設計標高高20mm；從70層到屋頂，每層標高比設計標高高28mm。通過核心筒標高補償技術，可將核心筒和外框的變形差控制在5mm以內，屋頂的變形差接近0。

圖7 樓層標高補償

該技術僅以數方混凝土成本，達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力，保證了結構安全，同時也保證了樓層凈高。

2.10 施工用水循環利用

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

圖8 施工用水循環利用

2.11 鋼結構節點焊接防曬技術

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，為此設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平面，同時考慮到沙漠地區日照強烈，設置了可拆卸帆布頂棚，為工人提供遮蔽陽光設施，同時可減少高空大風對焊接作業的影響。

圖9 鋼柱焊接作業防曬平臺

2.12 高溫差下鋼結構合龍控制技術

沙漠地區白天日照強烈，溫度高，夜晚溫度低，晝夜溫差大。鋼結構完全暴露于太陽輻射下，且鋼結構對溫度作用較敏感，給安裝帶來巨大挑戰。伸臂桁架的合龍方案是超高層建筑施工階段的關鍵。在晝夜溫差較大的沙漠地區，選擇一個合理的合龍方案便顯得尤為重要。伸臂桁架合龍的關鍵技術包括：①合龍線選擇；②合龍溫度確定；③溫度監測技術；④物理降溫技術；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；⑧合龍時間控制。

通過對溫度差異引起結構的內力效應、太陽輻射吸收系數的影響因素及降低太陽輻射溫升的措施進行分析，統計得到結構各區域構件的太陽輻射照度，合理確定溫度場技術采用的各種參數及室內外風速和相應的熱傳導技術邊界條件，采用有限元法計算各構件表面的輻射溫度與構件的平均輻射溫升。根據項目地點歷史氣象溫度記錄與變化趨勢、太陽輻射溫升、結構設計的合理性及結構施工的實際進程，綜合確定合理溫度與最大正、負溫差。合龍施工技術措施主要為：合龍前測量，矯正施工(標高調整、水平誤差調整)，矯正后測量，合龍施工(在設計溫度下，安排多名焊接工人在規定時間和溫度下同時施工，使整個鋼結構在整條合龍線上同時合龍)。

3 沙漠地區綠色建造技術發展方向

1)“一體化”強調設計施工的深度融合，總承包單位通過自身的設計管理能力，優化、深化設計，將施工的可操作性和便利性作為重要因素融入設計，實現設計施工的一體化，最大限度地節約資源、提高效率和保護環境。

2)“精益化”強調建造過程統籌考慮、精細管理，提高質量、減少浪費、節約資源、防止污染，提升經濟效益和環境效益。

3)“信息化”強調通過信息技術在建造過程中的應用實現節材、節能及提高工效等目的，信息技術的應用體現在施工作業層面與工程管理層面。

4)“機械化”強調在工程建設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。

5)“裝配化”強調將施工現場大量的高強度作業轉向工作環境可實現人為控制的廠房內，在廠房內進行現代化生產，減少現場作業量，減少揚塵、噪聲和廢棄物排放，改善工人作業條件，降低勞動強度，減少污染，保護環境，提高工效，縮短工期，減少施工安全隱患，保證建筑品質。

4 結語

針對北非地區以沙漠氣候為主，終年炎熱干燥、高溫少雨的氣候特點和資源現狀，研發了適合北非沙漠地區的一系列綠色建造技術，這些沙漠地區綠色建造技術的研發和應用展現了中國建筑企業從設計、施工到管理的強大綜合建造能力，為中國建筑企業樹立了良好形象，為中國建筑企業走出去奠定了扎實基礎。