高度突破385.8米！在沙漠里建高楼都有哪些挑战？

　　出品 | 网易新闻

　　作者 | 须臾千秋，清华大学土木工程博士

　　在如今的世界，建造摩天大楼已经是一件稀松平常的事情。不过，在沙漠地区建设超高层建筑，仍旧是一个巨大的挑战。中国在埃及承建的非洲第一高楼——埃及新首都核心项目中央商务区“标志塔”，正是这样一座高难度的建筑。

　　（一）建在沙漠里的非洲第一高楼，高度超出原有建筑一倍

　　埃及是一个人口接近一亿的大国，它的总国土面积超过100万平方公里，但绝大多数土地都是不适宜人类生存的沙漠。埃及的绝大多数人口都集中在尼罗河两岸不足10万平方公里的土地上，一亿人口的工农业生产、商业运行都要依赖这狭长的小小绿洲。

　　（埃及适宜居住的土地分布）

　　为了应对日益膨胀的人口，埃及决定向沙漠要土地来安置新增的人员。在开罗以东60公里、苏伊士以西60公里处的沙漠中，正在建设一个可容纳500万人口的新行政首都。

　　新首都不仅承担政治智能，与行政相配套的商务功能也必须要带进新开罗城中。因此除政府部门外，新行政首都还将建设110万套住房、2000所学校和600家医疗机构。

　　新首都的核心项目中央商务区由中建埃及分公司承建，而其中最大的亮点就是高度达385.8米的“标志塔”。标志塔总建筑面积26.7万平方米，地下2层，地上78层，建成后将成为非洲第一高楼。

　　（新开罗的CBD效果图）

　　（二）像金字塔一样的标志性建筑，技术和艺术的结晶

　　埃及工业化的历史悠久，在建设高层建筑方面并非完全没有经验。

　　由于埃及人口稠密，土地稀缺，开罗城内事实上遍布着密集的高层建筑。但这些高层建筑主要是住宅和写字楼，意义仅在于解决开罗人的居住和使用需求，大都为低水平的量产型建筑，在建筑艺术和技术层面乏善可陈，高水平的建筑并不多。

　　埃及目前的高层建筑没有超过200米的，而新首都标志塔则将这一高度一下子突破到了385.5米，比原来高出一倍。埃及总理将标志塔评价为埃及的新金字塔。

　　标志塔于2018年5月2日动工建设，是一个多功能、多用途的高层建筑体。29层以下是办公区，再上面有酒店、住宅，最顶层是一个观光平台，上去后可以俯瞰整个开罗。

　　标志塔项目融入了许多世界上最先进的绿色环保的建筑理念，也采用了许多新技术，比如保温系统和幕墙，显著降低了建筑的能耗。

　　标志塔的主体结构由钢结构外框和钢筋混凝土核心筒组成。这是一种高层建筑中比较常用的结构形式，坚固的钢筋混凝土核心筒可以承担风力、地震力等横向力的作用，而钢结构外框自重较轻，且预制化程度高，可以在施工现场外的工厂中预制成型，在施工现场迅速进行安装。

　　标志塔大楼的总用钢量达18000吨，钢结构单件的最大重量达28吨。在施工中，这样庞大的钢结构单件都是进行整体安装，施工效率极高。钢结构的承重主体钢管柱是以内倾1.5°的形式安装在标志塔核心筒周围的。随着高度增加，钢管柱的设计承重量逐渐降低，钢管柱截面变小、壁厚变薄。

　　采用这种高度预制化的安装工艺，一根重达26.8吨的钢管柱被动臂式塔吊缓缓吊起，最终稳稳地嵌入混凝土基座上，整个过程不足十分钟。随着施工的全速开动，在绝对保障安全和施工质量的基础上，施工速度可以达到五天一层楼，局部楼层可以达到三天一层楼。这种惊人速度的背后并不是靠着牺牲工程质量和员工的休息，而是靠着高超的建筑科技。

　　（标志塔钢结构首吊）

　　（三）夏季温度40、50℃，对混凝土是巨大考验

　　埃及新首都标志塔工程地处撒哈拉沙漠深处，到了夏天，温度高达40、50℃是一件稀松平常的事情。在这样的环境中，大楼的设计理念、施工工艺等都与正常环境中有许多差异。

　　在极端高温的环境中，混凝土的硬化速度被急剧加快了，同时硬化后的强度和质量也会被显著削弱。

　　如果放任在这样的高温下进行一般的混凝土浇筑工作，混凝土内部的温度会迅速升高到80℃以上，它的性质会发生改变，强度严重丧失，混凝土体大量开裂，从而彻底失效。因此，高温环境的混凝土施工必须采用许多措施来避免这一现象的发生。

　　首先，人们要控制混凝土的浇筑温度。在炎热的天气下，混凝土的原材料，如砂子、石子等原本的温度就很高。为了降低混凝土刚开始浇筑时的温度，工程师们通常会使用“冰镇”的拌合水。有时，甚至会直接用碎冰来代替拌合水，最终将混凝土的入模温度控制在20℃上下。这样，即使混凝土在浇筑中升温，峰值温度也不会过高，以至于影响混凝土强度。

　　此外，工程师们还会改变混凝土的原材料配比，向其中加入一些粉煤灰等矿物掺合料。在混凝土中，水泥和水拌和后发生反应，会放出大量的热；而引入了一些矿物掺合料之后，混凝土的温升速度降低，虽然短期中强度较低，但在长期中强度反而更高。此外，一些水化热抑制剂、缓凝剂等也可以降低温升。

　　建筑中用的钢材也会受到环境高温的影响。在阳光的直晒下，钢材会发生温度变形，影响构件定位和连接的精准。这些都需要经过工程师精确的计算来修正。

　　标志塔建成后，它的运行环境同样也是四五十度的高温。要让人们在大楼中工作和生活，意味着大楼的空调系统必须昼夜不停地运转，能源的消耗是极为惊人的。

　　标志塔大楼的玻璃幕墙设计与建筑的能耗息息相关。一个好的玻璃幕墙体系，能够有效地反射日光，既能满足大楼内的照明需求，又能尽可能地降低大楼内的温室效应，降低空调系统的能耗。

　　（四）形式复杂多样的幕墙，采用了许多新技术

　　标志塔大楼幕墙形式复杂多样，整个建筑外表皮主要由玻璃幕墙、GRC遮阳线条组成，总展开面积约13万平方米。

　　幕墙系统的样式十分丰富，采用隐框单元幕墙形式，幕墙面材全部为中空LOW-E透明弯弧玻璃，铝型材单元框架拉弯竖向安装悬挑装饰线条，都是比较新的幕墙工艺，结构相当复杂。

　　由于工期紧迫，设计图与深化设计同步进行，后期工作量很大。幕墙设计为双曲面造型，因此对施工精度要求很高，安全施工难度也就变大。由于幕墙形式的多样性和复杂性，若使用传统的技术方法，难以达到预期的效果。

　　由于设计造型复杂，材料品种繁多，加上本项目又是在海外，而很多幕墙构件的加工生产都需要在国内完成，导致采购时间紧，加工运输周期长。在材料运输方面需从国内厂家先运送至上海洋山港，然后途经台湾海峡到南海领域，穿越马六甲海峡，横渡印度洋，进入红海抵达苏哈纳港到达埃及，再通过陆运送至项目现场，运送环节较多，存在诸多不确定因素，给项目带来许多不可预测的风险。

　　面对这些难点，幕墙项目团队在工程中应用了大量的BIM技术。BIM技术不仅可以对幕墙安装结构进行全方位的模拟，还可以对幕墙面板的曲率进行分析，进行面板优化。将部分双曲面幕墙面板优化为平板单元幕墙，为施工创造便利条件。将所有典型的节点大样，通过搭建 BIM 模型来实现可视化操作，并用颜色区分不同的构件节点，使系统构件更加直观形象。

　　（曲面优化图（周肖飞埃及新首都CBD标志塔外幕墙工程BIM技术研究））

　　BIM还可以对施工乃至构件工厂加工的整个过程进行模拟和指导。BIM模型可以精确地导出幕墙系统的面板等相关的加工、定位数据。运用BIM软件对幕墙标准板块进行模拟组装，通过模拟演示为工厂预制化加工生产提供高效的技术支持。通过BIM参数化设计，辅助实现构件批量材料下单与指导不规则放置的材料空间定位。

　　此外，幕墙的设计还采用了BIM+VR的创新应用，利用VR技术，对视觉效果进行展示，沉浸式体验工程完工后的观感效果，互动体验各功能，深化设计师对照虚拟现实文件查看装饰完成后的真实效果，针对不符合设计意图或效果欠佳的部位，进行记录调整。做到在施工前就对项目完成后的效果有所管控，提前规避设计缺陷，最大程度地还原设计理念。

　　（幕墙预拼装图）

　　通过幕墙BIM技术的应用，不仅加快了工程进度，而且节约了大量的物料和人工成本。根据BIM的模拟，工程缩减了许多完全不必要的支出，总节约成本超过700万元。

　　结语

　　埃及新首都中央商务区作为中国企业在埃及最大金额的在建项目，不仅是中埃合作的“地标塔”，而且还是中国与“一带一路”共建国家取得的重大成果，中国企业以此作为一个样板工程，争取在埃及和非洲打造出“中国楼”的名片。

　　标志塔项目预计在2022年7月完工。它的建设对于埃及和非洲都具有重要意义，它不仅提升了埃及的城市现代化水平，还有助于提升当地的建筑业水平。在建设过程中，埃及当地的工人和工程师学习到了最前沿的超高层建筑施工的工艺与技术，为未来埃及的建筑业升级打下了基础。

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　　编辑| 史文慧