科威特6-9月气温常超过50℃,这让混凝土的凝结硬化大大加快,增加了堵管可能性;此外,混凝土的凝结硬化本身会放出大量的热,让混凝土很容易产生裂缝。而银行的金库必须保证在各种极端恶劣条件下都不会被破坏,技术含量相当高。
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作者 | 须臾千秋,清华大学土木工程博士
近年来,中国的建设企业已经将中国制造的高楼大厦插满了世界的每一处角落,也积累了相当多的工程经验。不过,中国人盖的建筑被印在外国货币上,仍然是一项极高的荣誉。
如今,继泰国拉玛八世皇大桥被印在泰国货币上之后,由中国承建的科威特中央银行新总部大楼又登上了科威特5第纳尔的货币上(约合人民币105元)。
这座大楼究竟有何独特之处,在科威特会赢得如此高的荣誉呢?
(一)在中东盖房子,首先要面对高温
科威特中央银行新总部大楼工程地处科威特城中心,同科威特王宫咫尺为邻。它不仅是科威特央行的新办公楼,同时也是阿拉伯基金会的总部办公楼。
它占地面积2.6万平方米,地下3层,地上44层,总建筑面积16万多平方米,总高度超过240米,是科威特的标志性建筑。
大楼的设计采用了阿拉伯建筑风格中常用的几何形状作为主要特征,整座大楼像是削去了尖顶的金字塔,顶端是一座全部用玻璃建造的观景平台。晚上亮灯后,整座大楼宛如一座灯塔。大楼向阳的两面墙体用石头砌成,朝北的那一面则采用玻璃,面向大海,向世界展示科威特的进步与繁荣。
科威特位于阿拉伯半岛东北部,属沙漠性气候,夏季炎热干燥,而且极其漫长。6-9月的气温经常超过50℃,春秋季则沙尘暴频繁。严苛的自然环境给施工带来了严峻挑战。
这种极端气候一方面给施工人员带来了极大的麻烦,必须带护目镜和口罩进行工作,呼吸受到严重影响;另一方面,高温对建筑材料也有极大的影响。
(科威特位于波斯湾的顶端,典型沙漠气候区)
像本工程这样的超高层建筑,在进行上层结构施工的时候,不可能将混凝土一斗一斗地吊到楼上去,必须采用泵送混凝土。也就是说,通过改变混凝土的组分和外加剂含量,将混凝土在地面上预拌成流动性非常高的状态,再用强力混凝土泵将混凝土通过泵管运送到几百米高的楼上。
这要求混凝土有很高的流动性,但浇筑后也不能迟迟不成型,成型后的强度还必须足够高,同时凝结时间还必须适当。万一要是堵在了管里,在强大的泵压作用下,泵管很容易发生爆炸,极其危险。
(泵送混凝土的浇筑)
然而在高温条件下,混凝土的凝结硬化被大大加快,原本稳定性很好的水泥在科威特50℃的高温下也会迅速凝结,这大大增加了堵管的可能性。
此外,混凝土的凝结硬化本身就会放出大量的热。如果入模温度本来就非常高,再加上混凝土自身的温升,不仅会对混凝土的内部结构造成严重破坏,而且体积变化太大,很容易产生裂缝。
为了缓解高温带来的不良影响,工程中首先采用了物理降温的方法。在配置混凝土的过程中,用冰来代替一部分水,这样配出的混凝土入模温度可以控制在30℃以下。
此外,工程部门对于混凝土外加剂的配方也进行了有针对性的改良。混凝土采用了多种高性能聚羧酸减水剂复配,使得混凝土既能在流动时保证很好的流动性,不凝结;凝结之后又可以很快产生强度,提高模板的周转效率。
此外,这种新研制的减水剂配方尤其适用于炎热天气,可以降低硬化过程中的收缩性。
(二)金库的修建是银行的核心科技
银行建筑相比起一般的摩天大楼而言最大的难点,就是其往往配备有金库这一特殊建筑单元。
金库必须保证在各种极端恶劣条件下都不会破坏,无论是地震、洪水、核打击还是有针对性的攻击。因此,金库的修建有很高的技术难度。
这种难度最直观地体现在墙体的厚度上。
金库的墙体分为内外两层,内墙厚975毫米,外墙厚400毫米。在墙体的内部配备着密密麻麻的钢筋,除了支撑结构的钢筋外,还密布着螺旋钢筋。
这些钢筋的设置不仅是为了提升结构强度,而且也防止有人对金库的墙体进行钻孔。在浇筑过程中,墙体之间的衔接处还要进行额外的加强。
(金库墙体的配筋)
如此密集的配筋,带来的直接难点就是混凝土的浇筑问题。未凝结的混凝土通常也具备一定的直立性,因此混凝土之间很容易形成孔隙,影响混凝土成型后的强度。
在一般的施工过程中,工人们会对混凝土进行振捣作业,破坏混凝土中间的气孔,让混凝土相互接触并密实。
(混凝土的振捣密实)
然而,由于金库墙体的配筋实在太密集,混凝土振捣棒也无法插入墙体中。使用普通混凝土进行浇筑会产生许多蜂窝麻面,影响强度。
为了解决这个问题,整个金库全部采用了自密实混凝土进行浇筑。
自密实混凝土是一种比泵送混凝土流动度更高的混凝土。将一桶自密实混凝土浇在地上,它会像水一样几乎完全摊平,但这丝毫不影响它成型以后的力学强度。
此外,工程采用的这种自密实混凝土还有一定的微膨胀性,可以确保钢筋与混凝土能联合成一个整体。正是借助这种混凝土,银行的金库,以及塔楼的核心筒、劲性结构构件都以极高的效率施工完成,而且质量过硬。
(自密实混凝土)
除了建筑结构本身,项目部还有专门的安防高级工程师,为银行安装了各种安防系统,设置了多种探测和监控设备围绕着金库,以抵抗各个方向、各种形式的攻击。
此外,金库还配备了12吨重的最高等级金库门。
(三)玻璃幕墙上,光玻璃就用了15种
科威特中央银行大楼的玻璃幕墙设计独具一格。
它并非传统的整体式幕墙,而是让竖向钢结构的支撑穿过幕墙单元体,让规则的幕墙单元被分割成半月形的两部分。这样一来,节点处的玻璃、铝材和单元体挂件都需要进行单独设计。
此外,由于大楼的金字塔形状,外立面的倾斜处也有很多异形单元需要单独设计。
中央银行的安全防护等级远高于一般的摩天大楼,因此在塔楼有玻璃幕墙的北立面,设计要求考虑爆炸荷载。这要求玻璃不仅能够承受外界突发压力,还要将荷载传递到结构主体上。
这使得单元体的挂件和挂钩设计种类繁多,超过70种。
在大楼幕墙的建设中,一共采用了15种玻璃,包括不同厚度的夹层玻璃、遮光玻璃、防火玻璃和防弹玻璃等。以透明钢化玻璃为原材,综合考虑遮阳系数、隔热系数、透光系数以及爆炸荷载的冲击。
在玻璃成型的过程中,生产商负责玻璃原材的生产,加工商负责玻璃的切割和夹层玻璃的装配,防火玻璃和防弹玻璃需要生产商特殊处理,内外贴膜,并充以干燥空气进行密封。