肖建莊，張文澤，劉堡嘉，夏 冰，曾 亮

(1. 同濟大學土木工程學院，上海 200092； 2. 成都興城人居地產(chǎn)投資集團有限公司，四川成都 610095)

0 引 言

隨著城鎮(zhèn)化進程推進，過去10年中國城鎮(zhèn)化率由48.32%增長到60.60%，建筑產(chǎn)業(yè)增加值由22 333億元增長為70 904億元[1]。建筑業(yè)的飛速發(fā)展，導致建筑更新?lián)Q代周期縮短，目前中國建筑平均壽命不足30年，遠低于歐美發(fā)達國家[2]，這使得中國建筑拆除工作量巨大，產(chǎn)生大量建筑固廢。資源化是消納建筑固廢的重要方法，可使建筑產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、使用、拆除全過程形成的建筑物生命周期[3]從簡單的單鏈過程發(fā)展為循環(huán)過程。建筑廢棄物資源化課題中，以再生混凝土為代表的相關(guān)研究越發(fā)成熟[4]，再生混凝土逐步運用到實際工程中并發(fā)揮其可持續(xù)方面的優(yōu)勢[5]。

建筑拆除是固廢資源化的前序過程，拆除環(huán)節(jié)的有序、綠色可為建筑固廢資源化高效進行提供先行保障，將成為土木工程可持續(xù)發(fā)展研究的重點方向。傳統(tǒng)的建筑拆除工程多關(guān)注拆除過程中倒塌預判，通過對建筑構(gòu)件或整體結(jié)構(gòu)評估，在保證施工安全的同時確保結(jié)構(gòu)倒塌的順利實現(xiàn)[6]。工程全壽命周期的綠色管理研究中較早地關(guān)注了綠色拆除[7]，提出需采用綠色拆除技術(shù)和施工保障措施實現(xiàn)建筑綠色拆除，而且其相關(guān)的理論研究工作[8-10]、施工設(shè)備與施工技術(shù)[11]也在不斷發(fā)展。新階段綠色拆除理念以考慮建筑固廢資源化為導向，通過損傷可控的有序拆解和對舊材料、舊構(gòu)件的分類分級處理，促進構(gòu)件再利用和材料再循環(huán)[12]，提高建筑資源的再利用效率，推動建筑材料再利用市場的發(fā)展[13]。

然而目前綠色拆除相關(guān)研究大多停留在試驗與理論分析層面，多聚焦假想特定情況下的拆除問題，缺乏對實際工程場景多樣性的關(guān)注。在大型城市建筑更新需求日益迫切的背景下，城市中心區(qū)建筑的拆除工程受場地條件制約嚴重，亟待開展有針對性的綠色拆除方法研究。

本文通過探究城市中心區(qū)高層建筑的綠色拆除方法，結(jié)合案例佐證，闡明高層建筑拆除工作需因地制宜地融合拆解與綠色拆除方法，采用多樣化施工策略與流程設(shè)計，實現(xiàn)多技術(shù)的聯(lián)合應用，在保證工程安全的基礎(chǔ)上降低環(huán)境影響，并推動后續(xù)資源化過程的高效進行。

1 城市中心區(qū)高層建筑綠色拆除方法

1.1 拆除方法研究背景

隨著城鎮(zhèn)化的演進，工程建設(shè)的重點將從新建逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄖ?，其中城市中心區(qū)高層建筑更新需求多，施工難度大，將成為土木工程領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。城市中心區(qū)高層建筑拆除工程具備以下共性特點：地處繁華鬧市區(qū)，城市居民對噪聲、揚塵、垃圾污染敏感；施工場地狹小，場地設(shè)備的引入與架設(shè)較為困難；拆除區(qū)域地下管網(wǎng)及井蓋、電纜等市政設(shè)施需要保護；建筑可能臨近市政主干道，材料運輸和渣土清運難度較高。

傳統(tǒng)的高層建筑拆除大多采用爆破拆除，因其利用整體倒塌模式且爆炸工作時間較短，可結(jié)合多種綠色爆破方法，被認為是高層建筑最高效的拆除方法之一，但該方法將產(chǎn)生較大的噪聲、振動與揚塵，且對場地施工條件要求較高，在城市中心區(qū)高層建筑的拆除中適用性較差。

另一方面，考慮到城市生態(tài)文明的需求，除了施工方法綠色環(huán)保外，高層建筑的巨大體量對建筑拆除后的固廢資源化處理提出了更高要求。結(jié)構(gòu)生命周期評價結(jié)果表明，建筑固廢循環(huán)利用可有效節(jié)約資源，減少排放[14]，而構(gòu)件再利用相較于材料再循環(huán)具有更顯著的環(huán)境效益[15]。因此，在保障安全、控制損傷的條件下，將原有結(jié)構(gòu)構(gòu)件分對象拆卸，使獲取的舊構(gòu)件可整體再利用的結(jié)構(gòu)拆解[12]成為綠色拆除的重點研究方向。對于節(jié)點連接便于拆裝的構(gòu)件，如可拆裝木結(jié)構(gòu)[16]、全螺栓連接鋼結(jié)構(gòu)[17]、可拆裝混凝土框架結(jié)構(gòu)[18]、可拆裝剪力墻[19]等，需采用構(gòu)件整體拆解與再利用策略，以提升建筑廢棄物的再利用層級，通過綠色理念促進固廢資源化的高效進行。

1.2 拆除前結(jié)構(gòu)檢測

待拆建筑一般為已服役時間較長、建筑剩余功能不符合當前使用需求的既有建筑，因此對待拆建筑要進行大量前期檢測工作以保證拆除過程的安全，同時對建筑材料和構(gòu)件信息的把握可為后續(xù)材料分類整理與資源化處理方案設(shè)計提供可靠的前期依據(jù)。

拆除前的檢測需反映結(jié)構(gòu)整體變形情況與力學性能退化狀況，主要檢測內(nèi)容包括但不限于建筑傾斜、地面變形、構(gòu)件實際尺寸、撓度及裂縫、節(jié)點形式與連接狀況、材料強度、耐久性侵蝕狀況等。借助檢測結(jié)果，判斷結(jié)構(gòu)各部分的資源化利用潛能，對各構(gòu)件進行分類分級，分別規(guī)劃子結(jié)構(gòu)、構(gòu)件、材料層面的再利用策略；同時，可由此建立反映結(jié)構(gòu)當前狀況的力學模型，為后續(xù)的拆除全流程力學分析提供參數(shù)依據(jù)。

1.3 拆除策略制定

城市中心區(qū)建筑周邊環(huán)境制約了場地空間，傳統(tǒng)的單一拆除模式很難保證其適用性?？赏ㄟ^拆除策略組合的方式，將高層建筑根據(jù)不同高度的特點分層次拆除，采用切割吊裝方式對高層部分實施拆解，再使剩余低層結(jié)構(gòu)整體倒塌，從而控制結(jié)構(gòu)倒塌范圍，減小影響區(qū)域、振動與揚塵。

結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌理論為不同拆除策略的分析提供了重要理論基礎(chǔ)。在拆解作業(yè)中需驗算結(jié)構(gòu)魯棒性，防止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)連續(xù)倒塌，保障施工安全性；在剩余結(jié)構(gòu)整體拆除中，需根據(jù)構(gòu)件的移除次序，預測建筑結(jié)構(gòu)倒塌過程中構(gòu)件的破壞情況，控制結(jié)構(gòu)倒塌方向和范圍，實現(xiàn)精準高效拆除。

1.4 拆除流程設(shè)計

拆除流程的總體原則是，先拆除附屬結(jié)構(gòu)和非承重構(gòu)件，依據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的傳力機制及其與臨時支撐的協(xié)同受力機理，合理設(shè)計拆除流程。先拆除樓板，再依次拆除次梁、主梁、外墻、立柱、剪力墻、樓梯等構(gòu)件。為進一步促進建筑拆除固廢資源化，提高拆除物的再利用率，將建筑拆除與可拆裝、減損研究進行結(jié)合，使待拆結(jié)構(gòu)能夠在低損傷狀況下得到安全解體。采用基于材料性能退化與構(gòu)件損傷的力學分析模型，預先開展拆除全流程受力分析，研究結(jié)構(gòu)響應與損傷演化狀況。結(jié)合概念分析、解析分析與數(shù)值模擬等多種方法，評估結(jié)構(gòu)失效風險，并指導拆除方案優(yōu)化。在滿足安全性的前提下，優(yōu)化思路如式(1)所示

(1)

式中：Q為構(gòu)件拆除順序；K(Q)為當前設(shè)計拆除順序下典型危險狀態(tài)時結(jié)構(gòu)的剛度矩陣；u為所分析結(jié)構(gòu)狀態(tài)下的節(jié)點位移響應；F(Q)為設(shè)計拆除順序下的節(jié)點荷載；S為控制性荷載效應；R為對應抗力；G(u)為結(jié)構(gòu)損傷計算函數(shù)；Φ(·)為標準正態(tài)分布函數(shù)；βT為目標可靠指標；P[·]為括號內(nèi)事件的概率。

此外，為提升綠色拆除工效，常對建筑平面分區(qū)，根據(jù)不同區(qū)域拆除過程對周邊影響的特點，規(guī)劃作業(yè)優(yōu)先級和施工方法。合理的拆除工藝流程可以提高場地利用率，有利于實現(xiàn)標準化拆除施工，對構(gòu)件進行有序、分類拆除，從而為再生資源的標準化利用做鋪墊，建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)技術(shù)的數(shù)字化信息模型為構(gòu)件移除順序與施工流程的優(yōu)化提供了支撐[20]。

1.5 拆除施工技術(shù)

城市中心區(qū)高層建筑的綠色拆除還依托機械裝備的優(yōu)化，在施工過程中應用智能化設(shè)備，從準備、安裝、作業(yè)、拆卸到運輸，各階段實施全流程的噪聲控制、揚塵控制以及能量消耗控制，最終實現(xiàn)綠色化管控。

通過更好的信息化檢測與控制技術(shù)，對數(shù)據(jù)進行自動采集、分析和預警，以結(jié)構(gòu)安全、環(huán)境安全、設(shè)備安全、人員安全和綠色施工為主要控制要素，對拆除過程進行智能化監(jiān)控，提升拆除工程的安全性；同時，充分發(fā)揮不同設(shè)備與拆除方法的組合優(yōu)勢，提高拆除效率。

2 城市中心區(qū)高層結(jié)構(gòu)綠色拆除案例

2.1 工程案例背景

圖1為某城市中心區(qū)待拆高層建筑，長66.18 m，寬13.8 m，高45 m；主樓12層，局部13層，標準層高為3.3 m；裙樓長22 m，寬13 m，高33 m；建筑標高從-4.500 m到48.410 m，典型框架柱距為5.4/6.6 m×7.2 m，現(xiàn)澆剪力墻電梯井2部(標準層見圖2)，總建筑面積達11 244 m2。該建筑為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，樓層以預制樓板為主、現(xiàn)澆樓板為輔，主筋為熱軋Ⅰ級鋼，樓面為C18的細石混凝土內(nèi)配4@200鋼筋網(wǎng)。主梁最大截面高度為700 mm，框架柱的最大截面寬度為600 mm，10 mm厚1∶2水泥砂漿作為框架節(jié)點的堵頭。

2.2 拆除策略與拆除流程

受限于環(huán)境條件及施工范圍，排除爆破拆除方案，組合利用機械切割吊裝拆解方法和機械破碎連續(xù)倒塌方法進行拆除。為控制建筑高層施工對周圍環(huán)境的影響，對吊車等機械進行合理布置(圖2)，對6層以上的結(jié)構(gòu)采用機械切割進行拆解，最大化實現(xiàn)拆除后材料的標準化控制和分類處理，提高建筑舊構(gòu)件的完整度，利于材料甚至構(gòu)件的回收利用。對6層以下的結(jié)構(gòu)利用連續(xù)倒塌機理，對部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行局部破壞，使其失去原有承載功能，剩余的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)無法通過其他替代傳力路徑建立新的平衡狀態(tài)，最終實現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體性或大范圍的倒塌[21]。

為實現(xiàn)建筑固廢分類處理與再利用，對非承重構(gòu)件按照裝飾部分、吊頂、消防管網(wǎng)、可回收鋼制材料以及磚砌上墻進行分類拆除，在自西向東第3跨、第6跨樓板中部以及電梯井道分別專設(shè)“可回收利用金屬”、“二次結(jié)構(gòu)”、“鋼管架”專用運輸通道，實現(xiàn)建筑固廢分類處置及再利用。

因建筑固廢的堆放和運輸較為困難，且為了與東側(cè)拆除項目共同施工，對6層以上標準層以優(yōu)先拆除一側(cè)的原則進行拆除順序調(diào)整，采用圖3“臺階式”切割吊裝拆除方法按照1’～9’的順序分段切割，使得擬拆除建筑在拆除過程中呈“臺階式”形狀。構(gòu)件按主梁與樓板、次梁與樓板、主梁與框架柱、主梁與構(gòu)造柱等組合進行切割與吊運，提高整體工程效率。構(gòu)件切割按照先板后梁柱進行設(shè)計，吊車吊點布置于主樓南側(cè)中心位置，并根據(jù)履帶式吊車起重半徑和起吊質(zhì)量設(shè)計標準層的起吊構(gòu)件。選用SCC1800型固定式履帶吊車，最大額定起重量為180 t，吊車大臂長度為46 m，作業(yè)半徑為9～40 m，吊車工況完全滿足擬切割構(gòu)件的吊運。

圖4中6層以下部分同樣事先分類拆除非承重構(gòu)件，通過對承重構(gòu)件的有序削弱，控制結(jié)構(gòu)倒塌方向和倒塌模式?？紤]到該待拆建筑是較為規(guī)則的混凝土框架結(jié)構(gòu)，結(jié)合柱反彎點的特性，底層結(jié)構(gòu)柱在距柱底2/3高位置的設(shè)計縱筋量較小，同時該位置避開了上方梁柱節(jié)點處的鋼筋加密區(qū)，因而在該處實施作業(yè)進行削弱所需工作量較小。此外，在距柱底2/3高度處實施削弱，還可使結(jié)構(gòu)在向一側(cè)整體傾覆時的轉(zhuǎn)動點較高，從而將整體結(jié)構(gòu)倒塌的水平影響控制在相對較小范圍。

根據(jù)現(xiàn)場實測，東半跨結(jié)構(gòu)任意向的倒塌影響范圍內(nèi)有需保護建(構(gòu))筑物，不具備任意向單向倒塌條件。結(jié)合待拆建筑東西向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)特征，將剩余6層以下結(jié)構(gòu)分解為東側(cè)結(jié)構(gòu)和西側(cè)結(jié)構(gòu)，設(shè)計東側(cè)結(jié)構(gòu)為原位下墜倒塌，西側(cè)為向南連續(xù)倒塌。為確保倒塌安全，在施工前對設(shè)計方案進行細化和模擬分析，圖5給出了受力構(gòu)件的拆除順序。

首先，長臂液壓鉆機(帶液壓剪)位于待拆房屋一側(cè)，將臨近設(shè)備一側(cè)的外墻從上至下逐步破碎拆除，逐層暴露出樓板與承重墻體，然后從下至上將中心跨①第2～6層樓板、主次梁完全肢解，形成獨立的東側(cè)結(jié)構(gòu)體系和西側(cè)結(jié)構(gòu)體系2個拆除作業(yè)面。

對東側(cè)結(jié)構(gòu)(圖6)的拆除：采用長臂液壓鉆機自西向東對東側(cè)結(jié)構(gòu)底層②號柱2/3柱高截面混凝土進行削弱，柱最大截面為700 mm×500 mm；然后削弱③號電梯井底層核心筒，使其完成失去承載力，東側(cè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閱慰缃Y(jié)構(gòu)。接著對結(jié)構(gòu)柱進行“對稱削弱”，依次削弱底層④號柱、⑤號柱、⑥號柱，在⑥號柱尚未完全失去承載力時，東側(cè)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)原位下墜倒塌。為確保安全，將拆除機械作業(yè)點位置設(shè)置于建筑倒塌范圍外，其中，④號柱、⑤號柱、⑥號柱拆除機械分別位于建筑物兩側(cè)，通過長臂液壓機伸長進行破碎，建筑物中間柱子先失效，南北兩側(cè)柱子按序逐一對稱失效，剩余結(jié)構(gòu)受自重作用發(fā)生原位倒塌。

對西側(cè)結(jié)構(gòu)(圖7)的拆除：采用長臂液壓鉆機同向?qū)ξ鱾?cè)結(jié)構(gòu)底層⑦號中柱2/3柱高截面混凝土進行削弱，直至中柱完全失去承載力；在“隔一打一”原則下，使底層⑧號柱失去承載力；然后依次破拆底層⑨號柱、⑩號柱，在⑩號柱承載力尚未完全喪失時，西側(cè)結(jié)構(gòu)向東南傾倒連續(xù)失穩(wěn)倒塌。⑩號柱破碎時，機械作業(yè)位置為東側(cè)結(jié)構(gòu)外側(cè)，距離建筑物超過16 m，遠離建筑物倒塌范圍。通過長臂液壓機伸長進行破碎，在發(fā)生倒塌前，建筑物表現(xiàn)出明顯連續(xù)失穩(wěn)的特征，間隔時間長于長臂液壓剪收臂時間，可確保機械和人員安全。

結(jié)構(gòu)拆除過程伴隨著構(gòu)件承載機制的變化，框架梁在小變形范圍內(nèi)可通過梁機制受彎承載力提供抗力，隨著被拆除柱的增加，大變形范圍內(nèi)梁的荷載傳遞可能轉(zhuǎn)變?yōu)閼益溇€機制。以西側(cè)結(jié)構(gòu)為例，當?shù)讓英咛栔兄幌魅鯐r，部分橫向框架梁端出現(xiàn)塑性鉸，隨著⑧號和⑨號邊柱失去承載力，縱向框架梁受壓區(qū)邊緣混凝土達到極限壓應變，受拉屈服鋼筋進入強化，受壓鋼筋轉(zhuǎn)為受拉，表現(xiàn)為懸鏈線機制承載。最后隨著⑩號角柱失效，西側(cè)結(jié)構(gòu)整體可按照預定方向倒塌。

2.3 綠色施工方法

合理的施工組織設(shè)計和應急預案可保障施工安全進行，6層以上結(jié)構(gòu)部分的切割吊裝施工前期準備包括施工設(shè)備進場、現(xiàn)場清理、腳手架搭設(shè)、切割線測放等一系列標準措施。采用繩鋸切割工藝對梁、柱、墻體、樓梯進行切割，采用碟式切割工藝對樓板進行切割。切割環(huán)節(jié)利用吊車吊繩輔助牽引構(gòu)件(圖8)，從而減少支撐搭設(shè)工序及安全風險。

結(jié)構(gòu)體系的傾倒設(shè)計方向與對構(gòu)件關(guān)鍵部位的削弱處理相關(guān)，在確定傾倒方向后，通常在切割點高度范圍200 mm內(nèi)裸露出結(jié)構(gòu)鋼筋后，暫時保留遠離倒塌側(cè)的主筋，切斷箍筋與其余主筋，使構(gòu)件失去承載能力。作為垂直通道的電梯井剪力墻的拆除，原則上將該墻體以每3.0 m×3.0 m作為一個單元拆除。

根據(jù)6～12層為標準層的定義，在拆除方案中事先明確構(gòu)件切割線位置，拆除過程中對結(jié)構(gòu)變形進行頻率1次·d-1的監(jiān)測，如有環(huán)境條件異常，或出現(xiàn)結(jié)構(gòu)梁的應變和位移超過控制值等情況，應對結(jié)構(gòu)臨時加固，可在框架柱與框架柱或剪力墻之間增加1道鋼梁臨時固定，必要時先在框架柱或剪力墻上預埋螺栓。

通過在待拆建筑周圍搭設(shè)霧化噴淋裝置、設(shè)立進出車輛沖洗區(qū)、高壓水槍等措施進行粉塵控制；通過減少清鑿工作量，減少空壓機噪聲，對運輸車輛、液壓鉆機安裝消聲器，采用液壓靜力設(shè)備，提高場地利用率以減少運輸車輛的使用頻率等措施實現(xiàn)噪聲控制；通過合理的施工現(xiàn)場文明建設(shè)及高效的污水處理方法保持現(xiàn)場周邊環(huán)境的良好。由于振動和噪聲具有瞬時性，在倒塌前對臨近道路進行臨時交通疏散，臨街商鋪臨時協(xié)調(diào)關(guān)閉，倒塌后采用消防高壓水槍進行灑水消塵。采用水鋸切割與機械破碎相結(jié)合，較大限度地降低了振動、噪聲和揚塵對環(huán)境的影響。

2.4 拆除案例局限性

本工程案例采用綠色拆除技術(shù)，高效利用有限的場地條件，完成了高層結(jié)構(gòu)的拆解與底層結(jié)構(gòu)的倒塌拆除，緩解了城市中心區(qū)高層建筑拆除的環(huán)境影響問題。分析拆除過程可以發(fā)現(xiàn)，施工順序復雜化使不同機具產(chǎn)生相互干擾，增加大量的組織協(xié)調(diào)工作。此外，拆除過程對人工作業(yè)的依賴程度較大，監(jiān)測系統(tǒng)對環(huán)境與工程細節(jié)監(jiān)控不足，對待拆建筑相關(guān)參數(shù)的獲取有限，智能化設(shè)備及BIM管理技術(shù)的應用仍存在困難。此外，本工程案例多依賴安全文明施工措施控制其對周邊區(qū)域的環(huán)境影響，未實現(xiàn)拆除技術(shù)的綠色化，環(huán)境影響控制能力有限。上述難點均對綠色拆除技術(shù)與設(shè)備的進一步發(fā)展提出要求。

本工程案例作為典型框剪結(jié)構(gòu)，建筑構(gòu)件的拆除切割可按照先樓板后梁柱的工藝流程實施綠色化拆除，但對于其他非典型結(jié)構(gòu)類型，還需針對結(jié)構(gòu)體系變化、豎向荷載傳遞不連續(xù)、跨度變化差異大、平面不規(guī)則等可能的情況，研判更科學的綠色拆除策略。

3 結(jié) 語

(1)建筑拆除在以工程安全性和可行性為核心的傳統(tǒng)理念基礎(chǔ)上，逐步向以清潔化施工為主的綠色拆除發(fā)展，進一步還將與資源化進程結(jié)合，融合結(jié)構(gòu)拆解與建筑固廢再生技術(shù)，形成建筑閉環(huán)生命周期。

(2)城市中心區(qū)高層建筑拆除工程場地條件局限性大，對綠色施工及固廢資源化要求高，傳統(tǒng)高層建筑拆除方案難適用，需重視和開展綠色拆除設(shè)計。

(3)城市中心區(qū)高層建筑綠色拆除需要進行結(jié)構(gòu)檢測，保證施工的安全性與資源化的可行性，采用組合拆除策略，依據(jù)具體場地條件合理制定拆除流程，施工過程中引入BIM技術(shù)與智能化技術(shù)，開展拆除全過程模擬與結(jié)構(gòu)分析，完善風險控制體系。

(4)作為典型案例，完成了高度48.4 m、建筑面積11 244 m2的高層建筑拆除施工，結(jié)合結(jié)構(gòu)拆解與控制倒塌2種策略，分別采用切割吊裝與機械破碎施工技術(shù)，實現(xiàn)拆除安全、工程效率提升以及分類拆除與運輸，保護城市環(huán)境，提高后續(xù)固廢資源化利用率。