國家會展中心（上海）能源中心外立面改造施工技術(shù)

閔溯洋

上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072

隨著城市發(fā)展，大規(guī)模新建開發(fā)項(xiàng)目逐漸減少，對城市既有建筑物的改造升級項(xiàng)目逐漸成為趨勢。與此同時(shí)，針對該類項(xiàng)目施工技術(shù)的研究尚不如新建類施工技術(shù)研究普遍[1-4]。本文基于國家會展中心（上海）能源中心外立面改造，對既有建筑外立面改造技術(shù)進(jìn)行一些探討。本文內(nèi)容涉及原有結(jié)構(gòu)三維掃描技術(shù)、既有建筑逆向設(shè)計(jì)以及外立面改造的具體施工實(shí)施，覆蓋整個外立面改造工程的設(shè)計(jì)與施工全過程。

1 工程概況

為配合中國國際進(jìn)口博覽會舉辦，國家會展中心（上海）東南角的能源中心需進(jìn)行外立面改造。能源中心既有建筑包括主站房（最高28.1 m）、變電站（最高16.28 m）和蓄水罐（最高30.39 m），主站房、變電站為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，蓄水罐包括2個特制的鋼制罐體。外立面改造方式為：在既有建筑周邊安裝鋼結(jié)構(gòu)受力體系，在鋼結(jié)構(gòu)上安裝外裝飾龍骨，最后安裝外裝飾鋁板。施工期間，能源中心需保障國家會展中心的正常開展運(yùn)營，包括4臺大型天然氣發(fā)電機(jī)組、變電站、2個蓄水塔及周邊天然氣、電氣、冷卻管線在內(nèi)的能源供應(yīng)設(shè)施均需正常運(yùn)轉(zhuǎn)。圖1為能源中心外裝飾設(shè)計(jì)效果，圖2為能源中心原有結(jié)構(gòu)實(shí)景。

圖1 能源中心外裝飾設(shè)計(jì)效果

圖2 能源中心原有結(jié)構(gòu)

2 研究難點(diǎn)

2.1 新舊結(jié)構(gòu)連接

需要為既有建筑物新增外立面，必然需要解決新舊結(jié)構(gòu)連接問題。采用何種形式，連接節(jié)點(diǎn)如何滿足耐久要求是一個難題。此外，既有建筑物為獨(dú)立沉降的3個單體，而新增外立面需聯(lián)系為一個整體，是否會造成既有建筑物的新一輪沉降開裂，在施工前均需要解決。

2.2 既有建筑物測量

經(jīng)測量，能源中心既有建筑物與舊有設(shè)計(jì)圖紙基本符合。但同時(shí)地下、地上均密布天然氣、電氣、冷卻管線，經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際勘察，實(shí)際管線與舊有設(shè)計(jì)圖紙偏差較大，舊有圖紙基本沒有參考價(jià)值。現(xiàn)場管線錯綜復(fù)雜，如何測繪、判斷與新增外立面結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，亟需解決。

2.3 施工環(huán)境復(fù)雜

該項(xiàng)目位于國家會展中心的能源中心，且施工期間必須保障國家會展中心的正常開展和運(yùn)營。能源中心內(nèi)部包括4臺大型天然氣發(fā)電機(jī)組、變電站、2個大型蓄水塔、2個天然氣調(diào)壓站，周邊地上及地下天然氣、電氣、冷卻管線密布，場內(nèi)空間狹小，如何做好既有建筑物及設(shè)備、管線保護(hù)，防火、防觸電等安全防護(hù)措施，值得研究探討。

3 解決方案

3.1 新舊結(jié)構(gòu)連接難點(diǎn)的解決措施

主站房原為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，新增外裝飾鋼結(jié)構(gòu)通過后植埋件連接至原結(jié)構(gòu)的混凝土柱和圈梁上。由于所處能源中心地面以下管線錯綜復(fù)雜，故將鋼結(jié)構(gòu)外附于原有結(jié)構(gòu)且不落地，避免對管線造成損傷。圖3為主站房外立面鋼結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)的連接形式。

配電站原為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，新增外裝飾鋼結(jié)構(gòu)通過后植埋件連接至原結(jié)構(gòu)的混凝土柱和圈梁上。由于地面以下管線錯綜復(fù)雜，故也將鋼結(jié)構(gòu)外附于原有結(jié)構(gòu)且不落地。圖4為配電站外立面鋼結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)的連接形式。

圖3 主站房外立面鋼結(jié)構(gòu)與 原結(jié)構(gòu)連接形式

圖4 配電站外立面鋼結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)連接形式

蓄水罐原為專業(yè)廠家生產(chǎn)，結(jié)構(gòu)最薄處鋼板僅6 mm。為防對蓄水罐產(chǎn)生不利影響，新增外裝飾鋼結(jié)構(gòu)不與蓄水罐罐體接觸。2個蓄水罐各裝有10 000 m3蓄能水，有可靠的下臥樁基礎(chǔ)。施工前，緊貼原有混凝土基礎(chǔ)外圈，施工新的混凝土基礎(chǔ)。新增鋼結(jié)構(gòu)的豎向桁架，通過埋件作用到本次新施工的基礎(chǔ)上。圖5為蓄水罐鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)形式。

圖5 蓄水罐鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)形式

主站房與變電站之間的外立面鋼結(jié)構(gòu)，采用滑動支座連接，避免新增結(jié)構(gòu)將2個獨(dú)立沉降的單體連為一體。主站房與蓄水罐相連的兩處，鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際為懸挑在主站房上，避免將荷載傳遞到蓄水罐上，由此，主站房與蓄水罐也保持獨(dú)立沉降，圖6為采用的滑動支座3D示意。

圖6 采用滑動支座使各單體保持獨(dú)立

上述節(jié)點(diǎn)中提到的新增牛腿、埋件等，均需后植施工，考慮到耐久性、安全性，經(jīng)過研究比選，后植施工中采用了喜利得HDA重型機(jī)械錨栓的連接形式，在達(dá)到所需強(qiáng)度的同時(shí)，避免了常規(guī)化學(xué)錨栓經(jīng)過日曬雨淋后，可靠性下降的問題。圖7為采用重型機(jī)械錨栓的埋板實(shí)景，圖8為鋼桁架通過重型機(jī)械錨栓埋板與原有混凝土框架柱相連實(shí)景。

3.2 既有建筑物測量難點(diǎn)的解決措施

由于能源中心為既有建筑物，且經(jīng)過數(shù)年的沉降變形，現(xiàn)有建筑的定位、尺寸均與原有設(shè)計(jì)圖存在一定出入，同時(shí)，地下、地上均密布天然氣、電氣、冷卻管線，經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際勘察，實(shí)際管線與舊有設(shè)計(jì)圖紙偏差較大，舊有管線圖紙基本沒有參考價(jià)值。新增結(jié)構(gòu)很難按原設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行設(shè)計(jì)，而傳統(tǒng)的測量手段也很難為后續(xù)外裝飾鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供有力的數(shù)據(jù)支撐。經(jīng)過研究，采用了三維掃描逆向設(shè)計(jì)技術(shù)，為后續(xù)的鋼結(jié)構(gòu)、幕墻設(shè)計(jì)提供了有力的技術(shù)手段。

圖7 重型機(jī)械錨栓埋板實(shí)景

圖8 鋼桁架與原有混凝土框架柱相連實(shí)景

通過三維掃描技術(shù)，將現(xiàn)場建筑、管線、道路等識別為點(diǎn)云模型，導(dǎo)入計(jì)算機(jī)后，可以在BIM軟件中進(jìn)行測量，并與基于原設(shè)計(jì)圖建立的原結(jié)構(gòu)理論模型進(jìn)行疊加比對。比對過程中，進(jìn)行了碰撞檢查，與常規(guī)碰撞檢查不同的是，常規(guī)新建工程中的碰撞檢查，是為了對諸如管線與管線間的碰撞、管線與結(jié)構(gòu)間的碰撞進(jìn)行報(bào)錯，而該工程的碰撞檢查，是將實(shí)測模型與理論模型進(jìn)行疊加，碰撞程度越高的區(qū)域，說明理論模型越符合實(shí)際情況，而碰撞程度低的地方，表示理論模型與實(shí)際情況相差較大，需根據(jù)對實(shí)測模型的測量進(jìn)行調(diào)整?；谝陨夏嫦蛟O(shè)計(jì)方法，在對理論模型進(jìn)行多次調(diào)整后，最終得到了較為符合實(shí)際情況的既有結(jié)構(gòu)及管線的理論模型，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行新增外立面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，從而確保了新舊建筑物、管線不發(fā)生碰撞。圖9為三維掃描點(diǎn)云模型，圖10為根據(jù)點(diǎn)云模型逆向設(shè)計(jì)的理論模型。

圖9 三維掃描點(diǎn)云模型

圖10 根據(jù)點(diǎn)云模型逆向設(shè)計(jì)的理論模型

3.3 施工環(huán)境復(fù)雜難點(diǎn)的解決措施

能源中心周邊施工環(huán)境狹小，危險(xiǎn)源眾多。經(jīng)研究，采用汽車吊與塔吊配合施工。在危險(xiǎn)源相對較少的區(qū)域，汽車吊開行及停機(jī)在既有建筑物周圍道路上進(jìn)行施工；在危險(xiǎn)源集中的區(qū)域，即蓄水罐周邊區(qū)域，為避免汽車吊施工對道路下埋設(shè)的管線造成破壞，特意在能源中心圍墻外、東側(cè)市政道路上，安裝1臺70 m工作半徑的平臂塔吊，在滿足對危險(xiǎn)區(qū)域全覆蓋的同時(shí)，盡可能減小吊裝荷載對能源中心的影響。

此外，該塔吊采用堆載式后置基礎(chǔ)形式，利用作用在塔吊下方的堆載配重提供反力，不在市政道路上設(shè)置任何埋件或永久基礎(chǔ)，從而在改造施工結(jié)束后，拆除塔吊及其底部配重，市政道路當(dāng)即恢復(fù)原貌，未遭受任何破壞。圖11為市政道路上設(shè)置的塔吊后置基礎(chǔ)。

圖11 在市政道路上設(shè)置塔吊堆載式后置基礎(chǔ)

針對蓄水罐周邊危險(xiǎn)源眾多的情況，設(shè)置了諸多安全措施。在天然氣調(diào)壓站上方及側(cè)面，搭設(shè)雙層防護(hù)棚。涉及焊接作業(yè)下方的所有管線，均使用防火布層層包裹。同時(shí)，在有焊接作業(yè)時(shí)，均將焊接作業(yè)點(diǎn)下方淋濕，防止火星引起火情。由于2個蓄水罐外層均包裹著易燃的保溫棉，故在施工前，使用防火布將蓄水罐完全包裹，確保萬無 一失。

4 結(jié)語

本文對既有建筑的改造升級施工技術(shù)進(jìn)行了研究，通過合理的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及后植機(jī)械錨栓的應(yīng)用，解決了新舊結(jié)構(gòu)連接問題；通過三維掃描逆向設(shè)計(jì)，建立了準(zhǔn)確的既有建筑及管線的理論模型，成為新增結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)；在既有建筑及周邊環(huán)境保護(hù)方面，針對既有結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、施工環(huán)境實(shí)際情況，確定了施工及保護(hù)方法，保證了施工過程的安全性、合理性、可行性、經(jīng)濟(jì)性。

本次研究使國家會展中心（上海）能源中心外立面升級工程在短短3個月內(nèi)得以順利實(shí)施，同時(shí)也為類似工程提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。

[1] 連珍.數(shù)字化建造技術(shù)在既有建筑改造過程中的應(yīng)用[J].建筑施工, 2019,41(11):2048-2050.

[2] 王華陽.BIM技術(shù)在既有建筑項(xiàng)目改造中的應(yīng)用分析[J].鄭州鐵路 職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2017,29(4):20-22.

[3] 李亞東,郎灝川,吳天華.現(xiàn)場掃描結(jié)合BIM技術(shù)在工程實(shí)施中的應(yīng) 用[J].施工技術(shù),2012,41(18):19-22.

[4] 蔣璐,鄭昊.BIM技術(shù)在既有建筑檢測加固中的應(yīng)用探索[J].土木建 筑工程信息技術(shù),2016,8(5):26-29.