沙漠地区绿色建造技术研究*

张晶波，田 伟，何 瑞

(1.中国建筑股份有限公司，北京 100029； 2.上海中建海外发展有限公司，上海 200125； 3.中国建筑股份有限公司埃及分公司，埃及 开罗 11835)

0 引言

北非地区地处亚洲、欧洲、非洲的连接点，是“一带一路”倡议的重要战略支点，中国在北非的影响力也逐渐增大。目前，在“一带一路”倡议框架下，双方合作主要集中在基础设施、房建、能源等领域。中国建筑企业在北非地区投资或承建了许多地标性建筑，如阿尔及尔歌剧院、喜来登酒店、阿尔及尔大清真寺、东西高速公路及埃及新行政首都CBD、阿拉曼超高层公寓等项目[1]。例如，目前非洲第一高楼Iconic Tower也由中国建筑企业承建，高度达385.8m，被誉为埃及新时期的“金字塔”。

北非地区地势平坦，气候干旱，沙漠广布，北非的撒哈拉沙漠是世界上最大的沙漠，其面积约占非洲总面积的32%。北非地区以沙漠气候为主，表现为终年炎热干燥，年均降水量50～200mm，蒸发量约为降水量的20倍以上，是地球上最干燥的地区，夏季气温较高，绝对最高气温>50℃，地面温度更高。北非的撒哈拉沙漠也是全球沙尘的重要发源地，春夏时节沙尘暴发生频繁。

在北非地区进行工程建设，需根据当地气候和资源条件，因地制宜，大力推行绿色建造，开展沙漠地区绿色建造技术研究，节约资源，以人为本，保护环境，提升工程品质。

1 绿色建造概念

绿色建造是着眼于建筑全生命周期，在保证工程质量和安全的前提下，践行可持续发展理念，坚持以人为本、因地制宜，通过科学管理和技术进步，在工程建造过程中最大限度地节约资源和保护环境，实现绿色施工要求，生产绿色建筑产品的工程活动[2]。

绿色建造是在 “创新、协调、绿色、开放、共享”的大背景下提出的，绿色建造强调环境保护、资源节约和以人为本的理念，重视建造全过程和最终产品的绿色化，追求工程项目经济、社会与环境等综合效益的最大化。绿色建造注重工程立项策划、设计与施工的深度融合，打破建设过程中多元主体间的壁垒，有效控制建造全过程中的不利因素，实现整体效益最大化。绿色建造通过推行工程项目策划、设计与施工一体化的建造模式，有利于资源配置的优化，实现建筑产业提质增效，提高产业竞争力，助推生态文明建设和社会可持续发展[3]。

在沙漠地区推行绿色建造技术，不仅有利于提高劳动效率，减轻劳动强度、节约资源、保护环境，更能体现中国建筑企业的综合建造能力和技术优势，对进一步拓展市场具有重要意义。

2 沙漠地区绿色建造技术

绿色建造技术的创新和研发是绿色建造发展的动力和源泉[4]，针对沙漠地区的特点，因地制宜，研发了一系列沙漠地区绿色建造技术，其中的典型技术如下。

2.1 设计施工一体化技术

绿色建造强调充分发挥总承包的设计管理特长，融合设计施工一体化综合优势，结合项目特点，对设计进行了优化，达到提升工程品质、降低施工难度、提高施工效率、降低成本、加快工期的目的。典型的设计施工一体化技术案例如下。

例如，某超高层项目筏板原设计为U形，平均厚度为5m，局部厚度最大达9m，同时筏板下需回填1万m3素混凝土，如图1a所示。此设计存在素混凝土回填量大、成本高、施工难度大和施工工效低等问题。通过分析对比，将筏板由U形改为平板，降低筏板标高，增加1层架空层，取消5m厚素混凝土回填，如图1b所示。此设计不仅降低施工难度，减少1万m3素混凝土回填和筏板钢筋、混凝土用量，而且缩短了工期。同时，增加了架空层，既提高了建筑使用空间，又增加了结构嵌固深度，提升了结构整体稳定性和安全性。

图1 筏板设计

再如，某项目存在筏板施工工期紧，5m高筏板单侧支模难度较大，筏板边缘作业面狭窄等问题。为解决上述问题，在筏板外侧设计1道5.25m高混凝土墙体，此道墙体有3个作用：①作为筏板浇筑时的模板；②作为挡土墙，将外侧的回填作业提前，为后续施工创造作业面；③可将筏板外侧的防水等工序提前，加快施工进度。在筏板进行局部开挖、垫层施工及平面防水施工的同时，挡土墙同时进行分段施工，如图2a所示。在筏板底筋绑扎完成30%时，挡土墙已完成，如图2b所示。在筏板浇筑前，完成外侧的红土回填工作，既保障了筏板快速浇筑的模板安全，又为后续工作提供了作业空间，如图2c所示。经综合测算，此墙体的成本与单侧支模的直接成本及工期成本相比，总体降低成本30万元，并为筏板的快速成功浇筑及后续工作的推进打下基础。

图2 挡土墙兼作模板方案

2.2 高强钢筋应用

在当地建材市场主流钢筋强度为400MPa的情况下，在对当地市场和欧洲市场调研后，发现当地可进口欧洲市场的500MPa高强钢锭，在当地进行500MPa高强钢筋加工，且成本增加较少。主动和所在国排名前三的钢筋生产企业联系，要求专门生产500MPa级高强钢筋，以替换常规的400MPa级钢筋。在明确了技术要求后，仅以比400MPa级钢筋高3%的价格获得500MPa级高强钢筋，不仅降低了成本，也节约了资源，方便了现场施工。

2.3 沙漠地区高性能大体积混凝土技术

根据沙漠地区高热、高温差、干燥的气候特点，结合大体积混凝土施工和温度控制经验，提出沙漠地区大体积混凝土应具有低水化热、高扩展度、3h保扩性能和高流态性能。特别是3h保扩性能指标，指的是要求混凝土在3h内混凝土扩展度损失在5%以内。在沙漠地区高性能大体积混凝土配合比研发中，采用低热性能材料比选、正交设计及试配试验等方法，选用适量高效减水剂和复合高效缓凝剂，适当延迟混凝土初凝时间，配制出低水化热、大流动度的大体积混凝土。

经过现场试验，5m厚筏板大体积混凝土的核心最高温度为64.8°C，筏板核心和表面最大温差为38.5°C。试验数据表明，混凝土配合比良好，适应沙漠地区气候特点，有效保证了筏板施工质量。

2.4 沙漠地区免振混凝土技术

北非沙漠地区建筑工人的技术水平相对较低，且在白天高温下，浇筑过程中若振捣不及时，极易出现质量问题。为解决上述问题，研发了沙漠地区免振捣混凝土。利用矿渣粉等矿物掺合料的微细粉填充效应和矿物减水效应，减少混凝土泌水风险并提高流动性，降低早期塑性收缩量，提高混凝土拌合物工作性能。混凝土的初凝时间控制在7～9h，入泵坍落度为240～260mm，入泵扩展度为(700±50)mm，3h内坍落度损失<10%，具有大流动性、保坍性好、匀质性好、自密实、免振捣及良好的可泵性、和易性等特点，便于泵送施工。

免振捣混凝土的研发弥补了当地工人的技术缺陷，提高了施工质量，同时节省了人力成本，虽然混凝土直接成本略有增加，但降低了综合成本，综合效益明显。

2.5 沙漠地区大体积混凝土综合浇筑技术

沙漠地区气候干燥，白天光照强烈，对大体积混凝土浇筑的不利因素较多。浇筑时间越长，出现冷缝及质量问题的概率越大[5]，因此需在最短时间内将大体积混凝土浇筑完毕。一般情况下，沙漠地区场地空间相对宽阔，在筏板大体积混凝土施工阶段，周围可利用空间较大，可充分利用场地优势，通过科学合理的现场施工组织，充分利用现场场地优势，采用“溜槽+汽车泵+地泵+自卸”多种方式结合的浇筑方式，整体斜面分层推移式浇筑，如图3所示。利用上述综合浇筑方法，38h便完成了埃及建筑史上最大(直径70m、厚5m、方量18 500m3)混凝土筏板的无缝连续一次性浇筑，创造了埃及建筑史上的奇迹。其中，采用溜槽、自卸方式浇筑的混凝土接近1万m3，不仅节约了大量能源，而且大大提高了施工效率。

图3 大体积混凝土综合浇筑技术

2.6 沙漠地区混凝土养护技术

沙漠地区温度高、湿度小、昼夜温差大、高空风力大，对混凝土养护影响较大。若采用传统的浇水养护方式，存在蒸发量大、有效养护用水少、浇水频率高的问题。综合考虑，采取以下养护措施：外侧迎风面采用养护液养护，内侧喷淋养护，将喷淋养护系统安装到爬模系统，随同爬模系统共同爬升，对混凝土楼层逐层养护，如图4所示，达到提高养护效率、节约用水的目的。同时，由于采用喷淋养护，还能产生降低作业面温度的间接效果。

图4 混凝土喷淋养护

2.7 沙漠砂利用技术

沙漠地区有丰富的沙漠砂资源，就地取材，利用沙漠地区丰富的优质砂特点，在混凝土配合比和建筑做法中，大量利用沙漠砂，方便采购、降低成本、保证质量。选取符合要求的优质砂矿，对含泥量、细度模数等关键指标进行控制。采用筛选砂矿，混凝土用砂的细度模数宜控制在2.3～3.0，云母含量≤1.0%，含泥量≤1.5%，泥块含量≤0.5%。采购优质沙漠砂作为混凝土原材，进行以沙漠砂为原材的混凝土配合比研发，为项目提供低成本、高质量混凝土。

充分利用项目周围丰富的沙漠砂资源，在了解当地常用的建筑做法基础上，在同设计方沟通的前提下，将沙漠砂用于室内回填、建筑施工中，降低材料成本。如图5所示，将沙漠砂用于裙房混凝土配筋地面下的大面积回填中。

图5 沙漠砂用于室内回填

2.8 沙漠地区除尘降温技术

针对沙漠地区沙尘大、温度高的气候特点，在现场设置雾炮，充分利用雾炮作用，每天根据现场情况定时开启雾炮：①提高现场湿度，达到降尘效果；②利用水汽，达到局部降温效果，调节施工现场局部范围内的温度和湿度，改善作业条件，如图6所示。

图6 雾炮除尘降温

2.9 核心筒与外框竖向变形差层高补偿技术

超高层建筑混凝土核心筒与外框钢结构间普遍存在竖向变形差，核心筒混凝土竖向变形主要由弹性变形、收缩变形和徐变变形构成[6]。由于沙漠地区干燥的气候条件，收缩变形的影响更大，为控制竖向变形差的不利影响，研发了混凝土核心筒标高补偿技术，通过调整楼层设计标高，提前补偿核心筒变形，在结构封顶阶段，实现混凝土核心筒与外框钢结构间变形差的最小化。如图7所示，计算得到某项目竣工时核心筒和外框钢结构的变形差约为25mm，通过核心筒标高补偿技术，从25层到59层，每层标高比设计标高高12mm；从60层到69层，每层标高比设计标高高20mm；从70层到屋顶，每层标高比设计标高高28mm。通过核心筒标高补偿技术，可将核心筒和外框的变形差控制在5mm以内，屋顶的变形差接近0。

图7 楼层标高补偿

该技术仅以数方混凝土成本，达到减小核心筒与外框间竖向变形差的良好效果，控制了变形差引起的附加应力，保证了结构安全，同时也保证了楼层净高。

2.10 施工用水循环利用

沙漠地区水资源匮乏，施工用水的高效利用是绿色建造的重要内容。通过对施工现场施工用水，特别是洗泵用水的收集、沉淀、处理和重复利用，达到水资源的高效利用(见图8)。

图8 施工用水循环利用

2.11 钢结构节点焊接防晒技术

在钢柱施工过程中，焊接工作量大，工作时间长，属于高空作业，为此设计制作了钢柱焊接平台(见图9)，为工人提供安全可靠的作业平面，同时考虑到沙漠地区日照强烈，设置了可拆卸帆布顶棚，为工人提供遮蔽阳光设施，同时可减少高空大风对焊接作业的影响。

图9 钢柱焊接作业防晒平台

2.12 高温差下钢结构合龙控制技术

沙漠地区白天日照强烈，温度高，夜晚温度低，昼夜温差大。钢结构完全暴露于太阳辐射下，且钢结构对温度作用较敏感，给安装带来巨大挑战。伸臂桁架的合龙方案是超高层建筑施工阶段的关键。在昼夜温差较大的沙漠地区，选择一个合理的合龙方案便显得尤为重要。伸臂桁架合龙的关键技术包括：①合龙线选择；②合龙温度确定；③温度监测技术；④物理降温技术；⑤合龙段长度和合龙口间隙；⑥合龙段安装工艺；⑦合龙焊接技术；⑧合龙时间控制。

通过对温度差异引起结构的内力效应、太阳辐射吸收系数的影响因素及降低太阳辐射温升的措施进行分析，统计得到结构各区域构件的太阳辐射照度，合理确定温度场技术采用的各种参数及室内外风速和相应的热传导技术边界条件，采用有限元法计算各构件表面的辐射温度与构件的平均辐射温升。根据项目地点历史气象温度记录与变化趋势、太阳辐射温升、结构设计的合理性及结构施工的实际进程，综合确定合理温度与最大正、负温差。合龙施工技术措施主要为：合龙前测量，矫正施工(标高调整、水平误差调整)，矫正后测量，合龙施工(在设计温度下，安排多名焊接工人在规定时间和温度下同时施工，使整个钢结构在整条合龙线上同时合龙)。

3 沙漠地区绿色建造技术发展方向

1)“一体化”强调设计施工的深度融合，总承包单位通过自身的设计管理能力，优化、深化设计，将施工的可操作性和便利性作为重要因素融入设计，实现设计施工的一体化，最大限度地节约资源、提高效率和保护环境。

2)“精益化”强调建造过程统筹考虑、精细管理，提高质量、减少浪费、节约资源、防止污染，提升经济效益和环境效益。

3)“信息化”强调通过信息技术在建造过程中的应用实现节材、节能及提高工效等目的，信息技术的应用体现在施工作业层面与工程管理层面。

4)“机械化”强调在工程建设中利用工程机械替代人的体力劳动，特别是智能化工程机械，实现信息传输、智能处理及实际操作于一体，提高施工效率，降低人力成本，保障工程品质。

5)“装配化”强调将施工现场大量的高强度作业转向工作环境可实现人为控制的厂房内，在厂房内进行现代化生产，减少现场作业量，减少扬尘、噪声和废弃物排放，改善工人作业条件，降低劳动强度，减少污染，保护环境，提高工效，缩短工期，减少施工安全隐患，保证建筑品质。

4 结语

针对北非地区以沙漠气候为主，终年炎热干燥、高温少雨的气候特点和资源现状，研发了适合北非沙漠地区的一系列绿色建造技术，这些沙漠地区绿色建造技术的研发和应用展现了中国建筑企业从设计、施工到管理的强大综合建造能力，为中国建筑企业树立了良好形象，为中国建筑企业走出去奠定了扎实基础。