既有空間屋蓋結(jié)構(gòu)拆除改造技術(shù)研究及應(yīng)用

陳振明，高 飛，徐 斌，隋小東，黃世濤，石宇顥

(1. 中建科工集團(tuán)有限公司， 廣東 深圳 518054； 2. 中建鋼構(gòu)工程有限公司， 廣東 深圳 518118；3. 華中科技大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

改革開放40余年來，我國建筑業(yè)取得了舉世矚目的成就，建造技術(shù)越來越成熟，建造出了多個(gè)“世紀(jì)”工程[1]。然而，隨著大量工程因服役期屆滿或者受到外界因素影響導(dǎo)致建筑物正常使用功能受損或承載力難以滿足規(guī)范要求而無法繼續(xù)服役，尤其在惡劣臺(tái)風(fēng)區(qū)，大跨空間屋蓋結(jié)構(gòu)極易發(fā)生損壞。若將既有損壞建筑拆除重建，必將造成大量的人力、物力浪費(fèi)，且成本高。近年來，各國學(xué)者開展了系列的既有屋蓋結(jié)構(gòu)改造研究，下面重點(diǎn)從屋蓋改造設(shè)計(jì)、屋蓋拆除方式以及金屬屋面設(shè)計(jì)三個(gè)方面進(jìn)行闡述。

(1)屋蓋改造設(shè)計(jì)

鄭彪[2]針對(duì)城市的發(fā)展超過規(guī)劃預(yù)期，加之老城區(qū)拆遷困難，提出了“提升建筑外觀形象、城市街區(qū)環(huán)境品質(zhì)”為主的風(fēng)貌改造設(shè)計(jì)方法，從前期策略和建筑設(shè)計(jì)策略2個(gè)不同的角度出發(fā)，圍繞舊城改造中的平屋面設(shè)計(jì)策略進(jìn)行分析，為老舊建筑屋面改造工作提供了大量可行性的方法。

佳木斯鐵路客車車庫鋼屋架長期使用、年久失修，鋼屋架銹蝕嚴(yán)重，達(dá)到E級(jí)銹蝕程度，存在較大的安全隱患；車輛庫內(nèi)煙、霧、塵埃濃度較大，造成嚴(yán)重的空氣污染。楊躍[3]提出了將原有屋面“拆除重建+增加懸掛排煙系統(tǒng)”的方法，延長了屋架結(jié)構(gòu)的使用壽命。

某舊網(wǎng)架由于屋面經(jīng)多次防水處理造成恒荷載過大，加之桿件表面銹蝕致使有效截面減少，造成網(wǎng)架承載力不足，劉澤祺[4]利用MSTCAD空間結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)軟件建立該網(wǎng)架頂模型，并進(jìn)行動(dòng)力分析，分析認(rèn)為換用新型輕鋼結(jié)構(gòu)屋面可以減輕恒荷載，從而使結(jié)構(gòu)滿足承載力要求。

(2)屋蓋拆除方式

甘蓓曄[5]針對(duì)保障性安居工程對(duì)既有老舊住宅的功能要求，提出了“平改坡”的房屋修繕、綜合改造方案，并結(jié)合工程實(shí)例，總結(jié)了屋面及相關(guān)設(shè)施綜合改造工程中的局部拆除施工關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)和項(xiàng)目管理、協(xié)調(diào)中的一些經(jīng)驗(yàn)。

秦成龍[6]針對(duì)某廣場鋼結(jié)構(gòu)采光頂工程，采光頂高度為23.75 m，由一個(gè)直徑為22.6 m×32 m橢圓構(gòu)成，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，在采光頂桁架上安裝小型吊機(jī)進(jìn)行拆除，經(jīng)設(shè)計(jì)院計(jì)算、專家論證后，認(rèn)為該方案可行，因此施工時(shí)按照該方法拆除架體，在拆除施工過程中并未發(fā)現(xiàn)采光頂發(fā)生異樣。

雷元新等[7]依據(jù)對(duì)展覽中心的結(jié)構(gòu)特征分析，有針對(duì)性地制定了大廳飄蓬分跨拆解拆除法、網(wǎng)架拱3機(jī)抬吊整體拆除法、門式剛架“掛籃人工分割+吊車吊掛”吊拆法，通過層級(jí)協(xié)同管理制度的執(zhí)行，按時(shí)、安全地完成了拆除任務(wù)，其技術(shù)和方法有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。

(3)金屬屋面設(shè)計(jì)

劉林[8]針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)廠房、大跨鋼結(jié)構(gòu)等舊樓改造中彩鋼板屋面易發(fā)生損壞、且維修難度高的問題，創(chuàng)造性地使用了鋁鎂錳金屬板材與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合的施工方法，運(yùn)用工廠化加工制作板材及支座、運(yùn)用特殊的鎖邊咬口技術(shù)對(duì)板材進(jìn)行連接，使屋面的結(jié)構(gòu)性、防水性、整體性和使用壽命更長，外觀更美觀。

施林杰[9]結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)泡沫玻璃直立鎖邊金屬屋面系統(tǒng)在臺(tái)風(fēng)地區(qū)的固定加強(qiáng)做法進(jìn)行了研究，通過金屬盤增加螺絲直接固定至建筑結(jié)構(gòu)、檐口金屬盤固定點(diǎn)加密、檐口增加折邊處理以防止強(qiáng)風(fēng)倒灌入金屬屋面間隙等方式，從各方面增強(qiáng)屋面抵抗風(fēng)荷載的能力。經(jīng)工程實(shí)踐驗(yàn)證，雖遭遇多次臺(tái)風(fēng)沖擊，但屋面系統(tǒng)未發(fā)生明顯損壞，為類似工程積累了經(jīng)驗(yàn)。

張耕[10]主要通過分析北京首都國際機(jī)場T3航站樓金屬屋面等較典型的被風(fēng)揭案例，闡述了直立鎖邊屋面板及其零配件受負(fù)風(fēng)壓破壞的主要原因，并給出了一整套的抗風(fēng)揭加固方法，對(duì)既有大型公共建筑直立鎖邊金屬屋面的抗風(fēng)揭加固具有重要的借鑒意義。

景曉昆等[11]針對(duì)強(qiáng)風(fēng)作用下直立鎖縫屋面體系多發(fā)生固定支座脫扣破壞現(xiàn)象，綜合考慮固定支座受力的實(shí)際影響范圍和屋面脈動(dòng)風(fēng)力的空間相關(guān)性，提出了固定支座有效受風(fēng)承載面積的計(jì)算方法。研究結(jié)果表明，采用建議修正方法得到的固定支座所受風(fēng)荷載值可以包絡(luò)實(shí)際風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)的極值，且表達(dá)形式簡潔，方便工程設(shè)計(jì)使用。

上述研究表明：大多數(shù)學(xué)者僅僅針對(duì)既有住宅屋蓋結(jié)構(gòu)改造的某方面開展了相關(guān)研究，但系統(tǒng)性不強(qiáng)，尤其是大跨空間屋面結(jié)構(gòu)。

1 屋蓋結(jié)構(gòu)改造技術(shù)創(chuàng)新

1.1 屋蓋改造設(shè)計(jì)研究

針對(duì)傳統(tǒng)屋蓋改造設(shè)計(jì)主要圍繞住宅建筑[2]，對(duì)既有空間屋蓋結(jié)構(gòu)研究系統(tǒng)性不強(qiáng)的問題，本文對(duì)既有空間屋蓋結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)開展了系統(tǒng)性的研究，從前期規(guī)劃及建筑設(shè)計(jì)兩個(gè)方面形成研究成果如下：

(1)前期規(guī)劃

需要在對(duì)所有待改造的屋面形式進(jìn)行調(diào)查、歸類及分析的基礎(chǔ)上，研究一個(gè)整體可行的改造手法，并將這種手法向屋面風(fēng)貌性美化及滿足既有空間新功能需求的方向延伸，從而與當(dāng)?shù)亟ㄖ娜宋沫h(huán)境更好的融合，且達(dá)到改造的目的。

(2)建筑設(shè)計(jì)

1)“平面改單坡或多坡屋面”，改造后坡屋面尺度高，內(nèi)部空間大。一方面可以提升屋蓋在臺(tái)風(fēng)荷載等極端外力作用下結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，另一方面適應(yīng)空間可以容納更多的設(shè)備等功能需求。

2)改造后坡屋面形式復(fù)雜，屋面風(fēng)貌特征性強(qiáng)?？梢詽M足不同建筑風(fēng)格的變換策略，如仿古、歐式、現(xiàn)代等，且還可以根據(jù)不同需求，提供不同造價(jià)形式，按照經(jīng)濟(jì)、安全、使用、可靠的原則，因地制宜，達(dá)到最佳效果。

3)改造后坡屋面運(yùn)用新科技，使建筑適應(yīng)新時(shí)代發(fā)展。結(jié)合被動(dòng)節(jié)能技術(shù)，如采用安裝光伏節(jié)能板、屋面雨水再利用等新技術(shù)，賦予建筑新時(shí)代特色。

4)改造后坡屋面實(shí)現(xiàn)裝配式概念、形成擴(kuò)大化生產(chǎn)。大力推廣從設(shè)計(jì)、制造及安裝全產(chǎn)業(yè)鏈考慮最有效、經(jīng)濟(jì)的屋蓋結(jié)構(gòu)。

1.2 屋蓋拆除技術(shù)研究

針對(duì)鋼網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)跨度大、拆除過程中不能損壞原主體結(jié)構(gòu)，及整體拆除需投入大量支撐措施和起重吊裝機(jī)械不經(jīng)濟(jì)的問題，提出了“高空分片拆除、地面人工解體”的拆除方法。首先通過分析結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，及開展拆除施工模擬，確定鋼網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)拆除單元?jiǎng)澐?。其次，考慮到拆除過程中桁架分片解體后剩余部分的穩(wěn)定性，施工時(shí)在拆除節(jié)點(diǎn)部位處搭設(shè)臨時(shí)支承措施。然后，用位于建筑外側(cè)的大型設(shè)備吊裝拆除逐榀逐片的鋼網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)，最后在地面進(jìn)行人工解體。

拆除每榀網(wǎng)架時(shí)，為防止拆除的網(wǎng)架對(duì)腳手架、汽車吊產(chǎn)生突施荷載，即能夠使拆除的網(wǎng)架荷載由原結(jié)構(gòu)連接處逐級(jí)向吊機(jī)及支承腳手架轉(zhuǎn)換，提出了“所有吊裝網(wǎng)架在切割前需由汽車吊預(yù)加40%～60%的結(jié)構(gòu)自重荷載+切割網(wǎng)架的上下弦桿前應(yīng)拉緊對(duì)應(yīng)的倒鏈(以人力拉動(dòng)產(chǎn)生明顯用力為界)”的方法，以保證所有網(wǎng)架的向上提升力與自重力基本持平。切除方向應(yīng)以先撐后拆、先拆次后拆主、先拉緊后切割的方式，整體順序以達(dá)到網(wǎng)架自承重為目標(biāo)。

網(wǎng)架拆除至地面后，在地面使用火焰進(jìn)行切割解體，解體順序由一端向另一端進(jìn)行，如圖1所示，首先切割端頭腹桿及螺栓球節(jié)點(diǎn)懸挑圓管2/5/1/6/3/4，其次切割上弦桿7/8，最后切割另外一組腹桿及螺栓球節(jié)點(diǎn)9/10/11/12，依次循環(huán)直至拆除分片解體完成。現(xiàn)場切割時(shí)注意防止局部變形，切割后的單根桿件按要求碼放整齊，分解完成后統(tǒng)一運(yùn)至場外處理。

圖1 地面解體示意

1.3 金屬屋面設(shè)計(jì)研究

傳統(tǒng)固定支座與屋面板連接方式均存在一定使用或改造缺點(diǎn)，本文發(fā)明了一種新型金屬屋面固定支座與屋面板的連接方式。新型固定支座(圖2)由鍍鋅鋼板底座和不銹鋼鎖合片組成，鍍鋅鋼板底座是對(duì)稱分開的，可用自攻釘將底座固定在檁條上，鎖合片與底座通過不銹鋼螺栓連接，兩者可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，鎖合片與屋面板鎖合式連接(圖3)。使用該金屬屋面板固定支座對(duì)金屬屋面板進(jìn)行固定時(shí)，金屬屋面板與底座間具有間隙，二者不接觸，避免了金屬屋面板在產(chǎn)生變形時(shí)與底座間的摩擦，從而防止對(duì)金屬屋面板的涂層產(chǎn)生損壞，且該固定支座的結(jié)構(gòu)簡單，無過多復(fù)雜形狀，易于制造，一定程度上能夠降低成本。

圖2 固定支座軸測(cè)圖

圖3 固定支座與屋面板咬合成型示意

金屬屋面新型固定支座與屋面板連接方式具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)固定支座構(gòu)造簡單，加工效率高，節(jié)約制作成本；(2)固定支座相對(duì)復(fù)雜異形支座，運(yùn)輸空間利用率高，可節(jié)約運(yùn)輸費(fèi)用；(3)固定支座與屋面板不接觸，避免屋面板變形時(shí)與固定支座相對(duì)滑動(dòng)摩擦，破壞屋面板涂層，形成滲漏點(diǎn)；(4)固定支座的連接緊固件現(xiàn)場安裝便利，不受固定支座構(gòu)造的空間限制，提高安裝效率和質(zhì)量。

2 工程實(shí)例應(yīng)用

2.1 工程概況

大鵬新區(qū)，作為“中國最美的八大海岸”之一，三面環(huán)海。由于處于亞熱帶氣候的最南邊，一年四季多雨霧，常受臺(tái)風(fēng)侵襲，海風(fēng)風(fēng)口位于東南面，風(fēng)速較大。

大鵬文體中心位于深圳市龍崗區(qū)大鵬街道人民路和鵬飛路交匯處，為體育建筑及配套辦公工程，總建筑面積8063.01 m2，原主體結(jié)構(gòu)為混凝土框架結(jié)構(gòu)，屋頂采用弧形曲面彩鋼板屋面，屋蓋結(jié)構(gòu)為鋼網(wǎng)架。屋蓋結(jié)構(gòu)分為南北兩部分，東西向4榀鋼網(wǎng)架最大跨度43 m，南北向6榀鋼網(wǎng)架跨度42 m，南側(cè)懸挑最高約為29 m，北側(cè)最低16 m，上下層鋼網(wǎng)架高度為2.0 m。屋面板(圖4)厚度為150 mm，其中，金屬屋面為0.6 mm鋁鍍鋅屋面板。

圖4 原有屋蓋結(jié)構(gòu)示意

受2018年臺(tái)風(fēng)“山竹”侵襲，大鵬文體中心屋頂部分損毀嚴(yán)重(圖5)，現(xiàn)狀屋頂迎風(fēng)面處大量鋁塑板脫落，屋頂中部采光膜也因老化問題亟需維修更換。整個(gè)文體中心的建筑功能已受嚴(yán)重影響，屋頂改造工作急需展開。

圖5 大鵬文體中心改造前實(shí)景

2.2 改造設(shè)計(jì)方案

(1)改造設(shè)計(jì)理念

既有空間屋蓋結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)時(shí)需保證其安全可靠，避免再次出現(xiàn)屋頂受損的情況，在改造設(shè)計(jì)時(shí)需要兼顧：1)屋頂改造部分必須具有能夠抵御惡劣極端天氣的能力；2)體現(xiàn)整潔、美觀、智慧、現(xiàn)代化的特點(diǎn)；3)體現(xiàn)與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)性的特點(diǎn)；4)體現(xiàn)科學(xué)、節(jié)能、環(huán)保的特點(diǎn)；5)考慮屋頂改造的經(jīng)濟(jì)性與效益性，提高性價(jià)比。

(2)改造設(shè)計(jì)方案

由于大鵬文體中心地處海邊，常年遭受各類暴雨臺(tái)風(fēng)侵襲，且原屋蓋結(jié)構(gòu)為單坡面結(jié)構(gòu)，迎風(fēng)面面積大，導(dǎo)致屋面結(jié)構(gòu)在惡劣臺(tái)風(fēng)作用下所受風(fēng)壓大，易造成金屬屋面板撕裂。屋蓋結(jié)構(gòu)懸挑部分也大大增強(qiáng)了惡劣臺(tái)風(fēng)帶來的風(fēng)力作用，對(duì)金屬屋面板破壞性強(qiáng)。因此，通過多方案對(duì)比分析，最終確定由“單坡屋蓋結(jié)構(gòu)”改為“雙重坡屋蓋結(jié)構(gòu)”， 屋面系統(tǒng)采用鍍鋁鋅金屬屋面系統(tǒng)的拆除重建方案(圖6)，該方案優(yōu)點(diǎn)如下：1)坡屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)可有效降低建筑迎風(fēng)面面積，增強(qiáng)建筑抵御惡劣臺(tái)風(fēng)天氣的能力；2)采用同深圳國際會(huì)展相同的鍍鋁鋅金屬屋面體系，經(jīng)臺(tái)風(fēng)“山竹”驗(yàn)證，該屋面體系抗風(fēng)性能優(yōu)越；3)用“桁架結(jié)構(gòu)”與“雙重坡屋頂屋面”相結(jié)合、對(duì)現(xiàn)有外側(cè)排柱進(jìn)行改造的設(shè)計(jì)手法，讓“現(xiàn)代”與“傳統(tǒng)”相融合，從而體現(xiàn)出深圳“活力之城”與大鵬古城的“古典之美”的特質(zhì)；4)體育館活動(dòng)場地部分與配套功能部分巧妙設(shè)計(jì)成雙坡屋頂，從而讓建筑立面上形成中國傳統(tǒng)民居建筑山墻的形式，使其與不遠(yuǎn)處的大鵬古城遙相呼應(yīng)；5)因?yàn)槭歉脑旃こ蹋驹O(shè)計(jì)盡量少改變現(xiàn)有建筑結(jié)構(gòu)，保持了現(xiàn)有建筑風(fēng)格與改造部分元素的融合，同時(shí)具有便于快速施工、經(jīng)濟(jì)效益好等特點(diǎn)。

圖6 大鵬文體中心改造后效果

2.3 拆除安全控制技術(shù)

(1)拆除單元?jiǎng)澐衷瓌t包括：1)分片網(wǎng)架重量不應(yīng)超過車吊性能的80%；2)切割點(diǎn)應(yīng)盡量避免設(shè)置在網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)處；3)分片方向應(yīng)盡量平行于網(wǎng)架方向；4)分片大小不宜過大，方便吊運(yùn)；5)分片位置宜有利于施工操作。

(2)拆除安全控制技術(shù)研究

每榀桁架高空拆除時(shí)，按照分片順序，兩端同時(shí)切割，切割時(shí)作業(yè)人員將安全帶懸掛在拉設(shè)于剩余固定桁架部分的鋼絲繩上，利用鋪設(shè)于網(wǎng)架上下弦桿上的跳板進(jìn)行靈活站位。為防止當(dāng)切割最后一根圓管時(shí)，已切割分片與剩余分片之間發(fā)生應(yīng)力集中釋放產(chǎn)生擺動(dòng)，導(dǎo)致作業(yè)人員滑跌，并結(jié)合桁架結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和切割人員站位，制定的切除順序?yàn)椋荷舷?、下弦、腹桿。上下弦桿圓管直徑較大，壁厚較厚，切除后可利用腹桿變形釋放一部分應(yīng)力，有利于拆除穩(wěn)定。

鋼網(wǎng)架屋蓋拆除是一項(xiàng)安全風(fēng)險(xiǎn)性較大的施工活動(dòng)。本文結(jié)合安全性及可操作性，創(chuàng)新性提出了一套適用于鋼網(wǎng)架拆除的安全操作平臺(tái)及個(gè)人安全防護(hù)措施(圖7，8)。

圖7 安防措施示意

圖8 個(gè)人安全防護(hù)措施(分別在上、下弦位置)

2.4 金屬屋面施工方法

新型連接方式的裝配方法具體如下：

(1)首先將固定支座所包含的零件進(jìn)行組裝，用緊固件將底座和鎖合片連接在一起，然后擰緊緊固件.

(2)固定支座安裝前用經(jīng)緯儀對(duì)屋面進(jìn)行測(cè)量放線，然后用自攻釘將組裝完的固定支座固定在屋面檁條上.

(3)固定支座安裝且復(fù)核無誤后，先安裝屋面板公肋，屋面板公肋安裝時(shí)因自重板寬方向有一定程度下?lián)?，可利用下?lián)虾蟮膶挾葴p小，同時(shí)人工搬動(dòng)屋面板公肋，將屋面板公肋鎖合部傾斜裝入固定支座鎖合片中.

(4)安裝完屋面板公肋后，再安裝屋面板母肋，屋面板母肋可直接放在鎖合片頂部。屋面板母肋安裝完畢后，用金屬屋面鎖邊機(jī)(電動(dòng))對(duì)鎖合片、屋面板公肋及屋面板母肋進(jìn)行360°咬合，咬合完成后，鎖合片與屋面板緊密連接，抗風(fēng)和防水性能較好，同時(shí)鎖合片與屋面板不產(chǎn)生滑動(dòng)，可同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 結(jié) 語

通過提出由“單坡屋蓋結(jié)構(gòu)”改為“雙重坡屋蓋結(jié)構(gòu)”的拆除重建方案，解決了原屋蓋結(jié)構(gòu)在惡劣臺(tái)風(fēng)區(qū)受力不合理的問題。提出的“高空分片拆除、地面人工解體”鋼網(wǎng)架拆除施工方法對(duì)于場地較為開闊、場內(nèi)無法布設(shè)吊裝設(shè)備、拆除后需新建工程施工十分有利，解決了在主體結(jié)構(gòu)保留前提下對(duì)既有空間屋蓋結(jié)構(gòu)的拆除難題。同時(shí)發(fā)明了一種金屬屋面系統(tǒng)固定支座及連接技術(shù)，解決了傳統(tǒng)金屬屋面易撕裂的問題。

本技術(shù)對(duì)同類既有空間屋蓋結(jié)構(gòu)改造提供了完整的解決方案，為我國既有空間屋蓋改造提供了良好的技術(shù)支撐，助力既有城市工業(yè)區(qū)升級(jí)改造、城市更新。