世界最高建筑的混凝土施工方案

　　2007年11月初，一個(gè)世界最新的混凝土泵泵送高度誕生了——601m！該記錄是由普茨邁斯特超高壓混凝土泵在目前世界最高的建筑——阿聯(lián)酋迪拜塔(Burj Dubai Tower)的施工中創(chuàng)造的。這個(gè)601m的泵送高度包括了管形柱和固定式布料桿，是從固定在建筑結(jié)構(gòu)中豎管的長(zhǎng)度和垂直輸送管道的長(zhǎng)度計(jì)算得出的，實(shí)際的混凝土澆注是在585m的高度進(jìn)行的，理想的泵送高度已經(jīng)上移到611m！

　　阿聯(lián)酋迪拜塔高度將超過800m，該塔的核心筒于2005年年初開始施工，安裝3臺(tái)普茨邁斯特混凝土泵、1套復(fù)雜的輸送管道系統(tǒng)和4個(gè)固定布料桿和性能特殊的混凝土。由于施工的快速進(jìn)展，大廈越高建筑結(jié)構(gòu)越窄，4個(gè)固定式布料桿中的3個(gè)和1臺(tái)拖泵被拆除。普茨邁斯特的這些設(shè)備在工程建設(shè)中經(jīng)受住了考驗(yàn)，并發(fā)揮了巨大的作用。

1  準(zhǔn)備測(cè)試

　　阿聯(lián)酋迪拜塔的混凝土供應(yīng)商和泵送的服務(wù)商Unimix公司基于對(duì)普茨邁斯特公司技術(shù)水平和可靠性的充分信任，決定委托普茨邁斯特公司供應(yīng)和安裝拖泵和布料桿系統(tǒng)。通過早期的拖泵測(cè)試，普茨邁斯特公司已經(jīng)確定用泵送高度超過600m的混凝土拖泵和混凝土輸送管，其出口排量為30m3/h。為了穩(wěn)定，該大廈的頂部將從156層開始使用輕型鋼結(jié)構(gòu)，混凝土樓板將澆注到高度在611m的第160層。

　　1.1  超高層建筑的拖泵輸送模擬

　　2005年年初，普茨邁斯特在德國(guó)總部和迪拜的施工現(xiàn)場(chǎng)作了充分的準(zhǔn)備并配備相應(yīng)的人員，對(duì)拖泵和輸送管線進(jìn)行了一系列全面的測(cè)試。測(cè)試的目的是根據(jù)混凝土在輸送管線中模擬的壓力以及混凝土的摩擦并將其轉(zhuǎn)化為超高層建筑的泵送系統(tǒng)。測(cè)試使用的拖泵型號(hào)為BSA14000 HP-D超高層建筑用拖泵和DN125 ZX輸送管線。同時(shí)，核心筒和3個(gè)裙樓的基礎(chǔ)底板是由不同長(zhǎng)度臂架的泵車施工的。7000m3的核心筒基礎(chǔ)是由200根?.5m的混凝土樁，裙樓是由?.9m的650根樁支撐的。樁的深度達(dá)到55m，大廈的底板混凝土為45000m3。

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　　1.2  超高壓混凝土泵

　　普茨邁斯特公司初期已經(jīng)確定了要開發(fā)的新超高壓混凝土泵的細(xì)節(jié)。該泵機(jī)必須在2005年夏天制造完成并交付，用于即將開始的超高層建筑混凝土輸送。BSA 14000 SHP-D超高壓混凝土泵，包括在框架和料斗在內(nèi)的組件都得到了加強(qiáng)以承受巨大的壓力。普茨邁斯特還調(diào)整了S閥和S閥軸承的預(yù)期壓強(qiáng)。BSA 14000 SHP-D本身既具備特別高效的過濾系統(tǒng)，普茨邁斯特的工程師又改進(jìn)了混凝土泵的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，無(wú)桿腔運(yùn)行時(shí)混凝土壓強(qiáng)和液壓系統(tǒng)的油壓比小于i=1。此傳動(dòng)比例使高性能的泵機(jī)可實(shí)現(xiàn)超過40MPa的混凝土壓強(qiáng)。 

2  混凝土強(qiáng)度等級(jí)與碎石最大粒徑

　　2.1  要求

　　為了盡量降低樓板和承重墻的尺寸，承受隨著高度的增加而上升的荷載，這個(gè)超高層建筑的施工現(xiàn)場(chǎng)只使用高強(qiáng)度的混凝土。根據(jù)原來(lái)的計(jì)劃，各高度的混凝土強(qiáng)度級(jí)別如下: 基礎(chǔ)墻壁C80A，碎石最大粒徑為20mm; 高度為95m的第26層以下墻壁C80A碎石最大粒徑為20mm; 高度為452m的第126層以下墻壁C80，碎石最大粒徑14mm; 高度為570m的第154層以下墻壁C60，所有樓層的樓板混凝土均為C50。盡管碎石最大粒徑為20mm的C80A級(jí)混凝土原來(lái)僅用于高度在95m的第26層以下的結(jié)構(gòu)，但該混凝土被泵送到352m的高度第100層(坍落度為50cm，水灰比0.3)，此高度使用此材料的情況下，有桿腔運(yùn)行時(shí)，當(dāng)混凝土的排量為30m3/h，混凝土壓強(qiáng)僅為15MPa。

　　2.2  成本節(jié)省

　　對(duì)不同高度的混凝土等級(jí)設(shè)計(jì)中，根據(jù)高度確定不同的碎石粒徑，一方面可以滿足混凝土泵送到300m以上，另一方面，則降低了成本。因?yàn)橄鄬?duì)于最大顆粒尺寸14mm的混凝土來(lái)說，最大顆粒尺寸20mm的混凝土需要的水泥和細(xì)沙要少的多。

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3  混凝土質(zhì)量的保證

　　在混凝土攪拌廠中每一批混凝土的生產(chǎn)都接受監(jiān)控并做有記錄。在混凝土運(yùn)輸和泵送前，定期檢查混凝土的溫度和流動(dòng)性，并制作試塊檢查混凝土強(qiáng)度。此外，現(xiàn)場(chǎng)的管理者為確定混凝土凝固和收縮指標(biāo)進(jìn)行取芯。每次泵送時(shí)每根輸送管中都泵送有2m3的泵送輔助劑，輔助劑是在大廈上的一個(gè)容器中收集，然后用塔機(jī)吊到地面上。模板的精確定位是通過衛(wèi)星定位系統(tǒng)完成的，這意味著垂直偏差只有幾毫米。在10～12h后，模板打開; 24h后，拆除模板。每3～4天完成一層大廈核心筒和樓板。

　　由于外界溫度高，混凝土一般是在傍晚或晚上澆注的，但溫度計(jì)常常還是顯示將近40℃。因?yàn)榛炷翝沧r(shí)的溫度最高只能是35℃，骨料在配置成混凝土之前在混凝土廠中經(jīng)過了冷卻，且一部分的水換成了冰(碎冰片)。這意味著混凝土供應(yīng)商Unimix即使在夏天也能夠以27～28℃左右的溫度將混凝土運(yùn)輸?shù)桨⒙?lián)酋迪拜塔施工現(xiàn)場(chǎng)。

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4  混凝土輸送管線系統(tǒng)

　　為阿聯(lián)酋迪拜塔設(shè)計(jì)泵送高度很高的混凝土泵僅僅是普茨邁斯特公司的任務(wù)之一，另一個(gè)特別的挑戰(zhàn)是輸送管線系統(tǒng)的耐磨性能、耐高壓以及管線的走向和在建筑結(jié)構(gòu)中的固定。對(duì)于樓板的混凝土澆注，Unimix運(yùn)用普茨邁斯特標(biāo)準(zhǔn)的固定式混凝土泵和標(biāo)準(zhǔn)的ZX輸送管DN 125。該設(shè)備將大部分強(qiáng)度C50的混凝土泵送至452m的高度。同樣的BSA 14000 HP D混凝土泵，曾在系列泵送測(cè)試中使用。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況，幾乎在整個(gè)泵送高度上都裝配了內(nèi)徑150mm的泵管，用于泵送特別高強(qiáng)度的混凝土。只有在最高的10層樓安裝了普茨邁斯特ZX輸送管DN 125，此管道可以承受13MPa的壓強(qiáng)。

　　4.1  粗管道的特點(diǎn)

　　在每小時(shí)輸出相同的情況下，改變管道的橫截面對(duì)流量、耐磨性、壓強(qiáng)和混凝土在管道中停留的時(shí)間有直接影響。與?25mm的輸出管道相比，?50mm管道的截面積增大了約44%。這會(huì)造成壓強(qiáng)下降近25%，磨損也會(huì)相應(yīng)下降。但隨著流量下降，混凝土停留在管道中的時(shí)間會(huì)增加。當(dāng)設(shè)計(jì)具體的混凝土規(guī)劃時(shí)必須考慮更長(zhǎng)的流動(dòng)時(shí)間。當(dāng)預(yù)期泵送高度為611m時(shí)，混凝土在150mm輸送管中停留的時(shí)間大約為40min。除了鉆孔樁和基礎(chǔ)底板的45000m3混凝土外，還為平臺(tái)、3個(gè)翼樓和塔樓的建設(shè)計(jì)算了大約26萬(wàn)m3的混凝土。鑒于大量的混凝土需求，為了盡量減小輸送管道在自然摩擦下的磨損，普茨邁斯特提供特長(zhǎng)壽命的混凝土輸送管，管壁厚度11mm，并通過超聲測(cè)量定期監(jiān)測(cè)管道的壁厚。

　　4.2  混凝土輸送管的支撐

　　在進(jìn)行混凝土澆注過程中，管道是滿的，要支持垂直輸送管的重量，每根輸送管在轉(zhuǎn)向垂直輸送管后必須由大型支座支撐。這些U形的安裝支撐被焊在重型鋼板上，鋼板被澆注在墻中，支撐各豎管的重量。在泵送高度為611m的情況下，管道的重量是非常大的。主管道加上混凝土的重量超過55t，每節(jié)3m管道由兩層樓之間的樓板固定裝置固定，在垂直方向上自由移動(dòng)而不能在水平方向移動(dòng)。

　　4.3  混凝土輸送管的更換

　　要更換個(gè)別的輸送管可用普茨邁斯特開發(fā)的專用起重設(shè)備，該起重設(shè)備包括一個(gè)特制套管和頂升裝置。兩個(gè)地腳螺栓穿過樓板并受到樓板的支撐，整個(gè)上部的管道由液壓缸提升，下部的泵管就可以更換了。

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　　4.4  無(wú)配重的固定式布料桿

　　混凝土輸送管最初連接到4個(gè)固定的普茨邁斯特布料桿。其中3條輸送管連接到進(jìn)行塔樓翼混凝土澆注的MX 28-4型布料桿。MX 28-4 T布料桿固定在自升式滑模的平臺(tái)(Doka)上，并安裝在16m高的管狀柱上。這3個(gè)布料桿在單個(gè)塔樓翼的墻壁完成后陸續(xù)拆除并分3個(gè)部分，包括布料臂、帶有分離的A臂的吊臂平臺(tái)和管狀支柱，通過起重機(jī)放在0號(hào)層。

　　到高度在585m的第155層的中央大廈核心的混凝土澆注由第4個(gè)32m伸展范圍的MX固定布料桿施工。MX 32-4 T設(shè)置在20m高的管狀柱上并安裝在軸中Doka墻模工程上。每層的爬升流程都是分幾步液壓完成的。在客戶的要求下，4個(gè)無(wú)配重MX布料桿都由普茨邁斯特公司提供?，F(xiàn)場(chǎng)管理者已經(jīng)對(duì)此做出要求，固定式布料桿不能帶配重，否則影響起重機(jī)的工作。建筑核心的頂部156層是鋼結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在滑模工程和最后的固定式布料桿已經(jīng)拆除。剩下樓板的混凝土澆注由水平鋪設(shè)的管道和軟管完成。

　　4.5  清洗

　　每層的核心墻體都會(huì)澆注100m3的混凝土，每層樓分3次灌注。塔樓翼樓樓板的混凝土從低層的每層150m3遞減到高層的每層50m3。在單獨(dú)的混凝土工程結(jié)束時(shí)，會(huì)對(duì)管道和混凝土泵進(jìn)行徹底的清洗。

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為了進(jìn)行清洗，Unimix在普茨邁斯特公司工程師的建議下，在每臺(tái)BSA泵機(jī)旁安裝了所謂的清洗吊架，包括一個(gè)短的水平輸送管和大約4m長(zhǎng)的豎管，開放端彎折2次。在清洗前，BSA泵后的混凝土管由一個(gè)液壓截止閥關(guān)閉，清洗吊架的連接是通過彎折90°角實(shí)現(xiàn)的。在吊架下方，一輛空的攪拌運(yùn)輸車等待關(guān)閉閥打開，讓混凝土由于重力流到攪拌運(yùn)輸車中。這樣機(jī)器操作員就能夠清洗BSA 14000泵機(jī)了。由于泵管不是真空，最后使用海綿球和壓縮空氣將最后剩余的混凝土從輸送管的頂端推出?；炷翝沧⒌?個(gè)人拆下固定布料桿頂部的軟管，將一個(gè)濕的海綿球放入管道，連接一個(gè)清洗接合器，然后通壓縮空氣。通過此方法，濕的海綿球在豎管中被往下推，于是混凝土殘余被清除。然后以更簡(jiǎn)單的方法進(jìn)行徹底的最終清洗，不同的是這次用的是由海綿球、水和第2個(gè)海綿球組成的塞子，強(qiáng)行使塞子通過混凝土管，整個(gè)過程不超過20min。在高層建筑混凝土泵送結(jié)束時(shí)，管道中大約含有15m3的混凝土。

5  工程現(xiàn)狀

　　到2007年11月初，阿聯(lián)酋迪拜塔的混凝土澆注工程已經(jīng)達(dá)到了585m的高度，位于155層的中央核心、墻壁和樓板已經(jīng)完成。使用的BSA 14000 SHP-D混凝土泵克服了這個(gè)高度上的管道中18.9～20.4MPa的混凝土壓強(qiáng)，實(shí)際的輸送速率在23～32m/h之間。

　　在開始超高層泵送前，混凝土泵使用方Unimix和制造商普茨邁斯特公司確認(rèn)了從全面的測(cè)試中得出的結(jié)果。通過在混凝土澆注過程中對(duì)全面數(shù)據(jù)和系統(tǒng)信息的記錄，普茨邁斯特的工程師為將來(lái)的超高層建筑工程積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。管理方曾提及并建議在400m左右的高度安裝一個(gè)中繼泵作為預(yù)防措施支持超高層混凝土泵送，但該建議沒有實(shí)施。所有的專家都認(rèn)為BSA 14000 SHP-D固定式混凝土泵可以輕松達(dá)到最終611m的泵送高度。由于從586m的第156層開始由鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為鋼結(jié)構(gòu)，剩余的樓板混凝土澆注工作將在2008年2月完成。