夏涼風(fēng)

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

1 工程概況

某高層辦公樓位于市中心鬧市區(qū)，建筑地下2層，地上24層，總高度為97 m，主體為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基本柱網(wǎng)為8.2 m×8.2 m?，F(xiàn)根據(jù)使用功能調(diào)整，需要對頂部原大會議室區(qū)域進行改造。改造方案如下：拆除原有大樓頂部部分混凝土屋面，內(nèi)部新增2層辦公空間，并在原屋面標(biāo)高以上1.6 m新建屋面。新增結(jié)構(gòu)采用鋼框架結(jié)構(gòu)，新增鋼柱和鋼梁與既有混凝土柱之間采用后置埋件連接，樓面及屋面采用壓型鋼板組合樓板形式。改建范圍及改建前后的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 屋面結(jié)構(gòu)改建示意

辦公樓南側(cè)和西側(cè)緊鄰市政道路，東側(cè)緊鄰高層住宅，北側(cè)為高層辦公樓。地面可利用的施工場地僅為東側(cè)與住宅小區(qū)之間的狹小通道（圖2）。辦公樓頂部改建區(qū)域南側(cè)有結(jié)構(gòu)高出屋面，改建區(qū)域北側(cè)屋面設(shè)置有冷卻塔，改建區(qū)域屋面現(xiàn)狀為屋頂綠化花園，周邊存在冷卻塔管道及部分空調(diào)外機。為確保改建過程不影響辦公樓的正常使用，空調(diào)外機可以拆除，但不能影響冷卻塔，連接冷卻塔的管道必須保留，直至新屋面建成后啟用新的管道。

圖2 周邊環(huán)境示意

2 改建實施難點

2.1 材料垂直運輸難度大

除施工人員和小型施工機具可以借助大樓貨梯到達屋頂外，結(jié)構(gòu)構(gòu)件等大宗材料均無法利用貨梯運輸。大樓屋頂高度達97 m，離地高度高，地面可用場地極為狹小，無法利用在地面布置的大型起重機直接完成吊運工作，材料垂直運輸難度很大。

2.2 防水和環(huán)境保護要求高

由于屋頂需要拆除改建，而下部的辦公樓仍需正常運營，因此需要做好可靠的防雨水措施。為減少對大樓及周邊環(huán)境，尤其是緊鄰的高層住宅的影響，要求屋頂結(jié)構(gòu)改建過程中采取有效的防塵、隔聲以及光污染控制措施。

3 改建方案研究

3.1 垂直運輸方案

屋頂結(jié)構(gòu)拆除和改建的一大技術(shù)難點在于材料的垂直和水平運輸。根據(jù)測算，需要拆除的屋面混凝土梁質(zhì)量約1.6 t/m，按分段長度3 m考慮，質(zhì)量小于5 t。新建鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件質(zhì)量不超過3 t。由于施工作業(yè)面位于樓頂，離地高度近百米，地面起重機很難到達此高度，且成本高昂?？紤]在屋頂角部安裝1臺QW6型小型屋面吊進行物料的垂直運輸。QW6型屋面吊最大起重量為6 t（對應(yīng)工作半徑為9 m），但最大幅度僅22 m（對應(yīng)起重量1.5 t），無法覆蓋整個改建區(qū)域。因此，在改建區(qū)域另布置1臺額定起重量5 t、跨度16 m的電動葫蘆單梁梁式起重機，通過小型屋面吊結(jié)合梁式起重機接力吊裝實現(xiàn)全覆蓋作業(yè)（圖3）。

圖3 垂直運輸設(shè)備布置

QW6型屋面吊部件質(zhì)量比較輕，最大部件質(zhì)量1.8 t。屋面吊安裝在改建區(qū)域外側(cè)角部，底座4個支座間距為4 m×4 m，通過設(shè)置型鋼轉(zhuǎn)換梁將屋面吊荷載轉(zhuǎn)換至4個混凝土結(jié)構(gòu)柱頂部，轉(zhuǎn)換鋼梁與混凝土柱頂之間采用后置錨栓連接。屋面吊每個支座最大壓力為170 kN，最大拉力為90 kN。經(jīng)復(fù)核，既有結(jié)構(gòu)柱承載力滿足要求。轉(zhuǎn)換鋼梁及屋面吊部件采用設(shè)置在屋頂上的2 t起重桅桿吊運、組裝。起重桅桿根據(jù)大樓貨梯尺寸設(shè)計，通過貨梯運輸至屋面后法蘭對接接長[1]。

5 t電動葫蘆梁式起重機大車開行軌道及軌道梁沿改建區(qū)域兩側(cè)布置在女兒墻結(jié)構(gòu)頂部，本工程女兒墻為混凝土梁柱結(jié)構(gòu)，由下部結(jié)構(gòu)框架柱向上延伸，改建方案中予以保留。單根軌道梁長度8.2 m，軌道采用QW6型屋面吊吊運至女兒墻頂部，然后采用卷揚機沿女兒墻頂面水平拖運至安裝位置安裝，軌道梁兩側(cè)每隔3 m設(shè)置1道側(cè)向限位，避免拖運過程中軌道梁從女兒墻頂部滑落造成安全事故。軌道梁及軌道安裝完成后，采用QW6型屋面吊安裝梁式起重機，梁式起重機整機質(zhì)量為4.2 t。

3.2 全天候施工防護棚設(shè)計應(yīng)用

既有建筑屋頂拆除改建過程中，在老屋頂拆除、新屋頂尚未建成期間的防雨水問題同樣是一個難題。常規(guī)做法是靠“疏導(dǎo)”，即在需要拆除的區(qū)域下方四周設(shè)置擋水坎和排水設(shè)施，以避免雨水流入下部空間，但遇到暴雨時，疏導(dǎo)壓力極大，雨水容易倒灌樓內(nèi)。此外，屋頂結(jié)構(gòu)改建往往采用敞開式作業(yè)，施工過程中的灰塵、噪聲、夜間施工光污染等影響環(huán)境的問題很難得到控制。為解決上述問題，通過設(shè)計采用可開啟的施工防護棚，覆蓋整個改建區(qū)域及屋面臨時堆場，創(chuàng)造全天候施工環(huán)境。防護棚采用鍍鋅方管制作，螺栓裝配式連接，四周設(shè)輕質(zhì)圍護板封閉，方便安裝和拆除。防護棚分為固定段和移動段，移動段可平移開啟，方便屋面吊吊運材料；屋面吊不吊裝時，移動段封閉，保證全封閉施工。防護棚內(nèi)部設(shè)置照明設(shè)施，方便夜間施工，同時避免擾民。

全天候防護棚采用QW6型屋面吊裝拆。由于屋面吊不能全部覆蓋，固定段防護棚通過設(shè)置平移軌道移動到屋面吊覆蓋范圍后裝拆，平移動力采用卷揚機牽引。固定段防護棚平移軌道平行設(shè)置在梁式起重機軌道外側(cè)。防護棚柱腳內(nèi)側(cè)設(shè)置滑移腳，滑移腳與柱腳之間采用螺栓連接，便于裝拆。固定段防護棚平移到位后，柱腳與軌道下橫梁固定連接，并拆除側(cè)面的滑移腳，騰出空間，軌道用于移動段防護棚的安裝和平移（圖4）。

圖4 防護棚、梁式起重機軌道節(jié)點處理

防護棚安裝高度位于百米高空，設(shè)計時考慮相應(yīng)高度的風(fēng)荷載作用。梁式起重機和防護棚安裝在女兒墻柱上，對其產(chǎn)生的額外荷載如起重機自重、吊重、防護棚自重、軌道自重等豎向荷載以及作用在防護棚上的風(fēng)荷載、梁式起重機小車制動荷載等水平荷載，考慮荷載疊加作用，對改建過程中女兒墻結(jié)構(gòu)最不利工況下的承載力進行復(fù)核，經(jīng)計算滿足要求[2-4]。為安全起見，在女兒墻柱內(nèi)側(cè)設(shè)置型鋼臨時側(cè)向支撐，進一步增加平面外穩(wěn)定性。側(cè)向支撐先期支承在既有屋面混凝土主梁上，后隨新增鋼結(jié)構(gòu)施工逐根轉(zhuǎn)換至新增鋼結(jié)構(gòu)主梁上。

3.3 既有混凝土結(jié)構(gòu)拆除與新建鋼結(jié)構(gòu)施工

屋面混凝土結(jié)構(gòu)拆除后，兩側(cè)混凝土柱及墻體側(cè)向無約束，懸臂高度較高，而且上部還有防護棚和梁式起重機荷載作用，為確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，按如下施工順序?qū)嵤?/p>

1）拆除屋面混凝土樓板及次梁，保留框架主梁。

2）安裝新增的下層鋼柱及鋼梁，并與兩側(cè)保留的混凝土柱連接，形成框架結(jié)構(gòu)。

3）拆除一個軸線的屋面混凝土主梁，并安裝該軸線節(jié)間的屋面層新增鋼柱及屋面鋼梁，女兒墻柱側(cè)向支撐相應(yīng)地置換至新增主梁上。

4）按步驟3依次拆除其余屋面混凝土主梁，安裝屋面層新增鋼結(jié)構(gòu)。

5）屋面層鋼結(jié)構(gòu)安裝完成后，逐層施工壓型鋼板組合樓板，完成改建結(jié)構(gòu)工程。圖5為屋面樓板拆除、框架梁保留工況下安裝新增鋼結(jié)構(gòu)示意。

圖5 新增鋼結(jié)構(gòu)安裝示意

為減小混凝土結(jié)構(gòu)拆除產(chǎn)生的振動、噪聲以及粉塵影響，采用金剛石鏈鋸靜力切割技術(shù)拆除。拆除前，在梁板結(jié)構(gòu)下方搭設(shè)腳手架臨時支撐，確保切割安全[5]。混凝土梁、板切割尺寸按起重設(shè)備能力以及運輸限制予以控制。混凝土構(gòu)件切割后采用梁式起重機駁運至屋面臨時堆場，再由屋面吊吊運至地面運走，在場外破碎。

既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不可避免地存在施工誤差，為確保新增鋼結(jié)構(gòu)安裝精度，在拆除既有結(jié)構(gòu)裝飾層后采用三維激光掃描儀掃描，獲取既有結(jié)構(gòu)點云模型。再與新增結(jié)構(gòu)合模確定新增鋼結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確尺寸，鋼結(jié)構(gòu)依據(jù)實測尺寸繪制詳圖、加工制作。新增鋼結(jié)構(gòu)運至地面堆場后，采用屋頂?shù)奈菝娴醮怪边\輸至屋面鋼結(jié)構(gòu)堆場，然后采用梁式起重機水平吊運、安裝到位。

由于屋面高度接近100 m，新增樓層的混凝土無法采用混凝土泵車直接泵送澆筑。如設(shè)置固定泵澆筑，需要沿建筑高度方向設(shè)置垂直泵管，影響建筑幕墻且泵管安裝和拆除難度大，施工成本高。改建結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)，混凝土量不大（僅用于樓板），因此采用料斗由屋面吊、梁式起重機接力吊運至樓板位置澆筑。

3.4 冷卻塔管道的保護和替換

改建區(qū)域兩側(cè)的女兒墻內(nèi)側(cè)設(shè)有冷卻塔管道，在改建過程中不能拆除管道，以確保大樓正常運營使用。通過在管道外側(cè)設(shè)置角鋼支架和鍍鋅鋼板對管道進行隔離保護，并設(shè)置醒目的警示標(biāo)記，避免施工工程中直接碰撞管道。改建施工完成后，在新的屋面上安裝管道并完成接頭改造后，再拆除舊的管道。

4 結(jié)語

針對既有高層建筑屋頂結(jié)構(gòu)拆除和改建工程中遇到的垂直運輸、防風(fēng)雨以及環(huán)境保護等難題，分別采用屋面吊結(jié)合梁式起重機的組合吊運和全天候開啟式防護棚應(yīng)用方案，有效解決了百米高空結(jié)構(gòu)改建施工技術(shù)問題，提升了改建工程機械化施工水平。當(dāng)遇夏季高溫季節(jié)施工時，可在全天候防護棚內(nèi)部設(shè)置霧化降溫裝置，提升作業(yè)環(huán)境舒適度。