優(yōu)秀歷史建筑外立面保護(hù)修繕工程中的超高腳手架數(shù)字化設(shè)計(jì)及智能化監(jiān)測

歸豪域

上海市建筑裝飾工程集團(tuán)有限公司 上海 200072

1 工程概況

上海展覽中心（圖1），原名中蘇友好大廈，1955年于愛儷園舊址建成完工。2001年公示為上海市第四批優(yōu)秀歷史建筑（保護(hù)類別一類），靜安區(qū)文物保護(hù)點(diǎn)；2016年公示為首批中國20世紀(jì)建筑遺產(chǎn)，所處地段繁華、人流密集，是上海市最為重要和核心的城市公共空間節(jié)點(diǎn)之一。

項(xiàng)目總建筑面積9萬 m2，由14幢建筑單體組成，建筑高度110.4 m（鎏金塔頂），其中外墻修繕和序館鋼塔修繕是本工程的重中之重，是還原建筑歷史風(fēng)貌的關(guān)鍵。

2 工程重難點(diǎn)分析

本工程體量大、工期緊，地處上海市中心，毗鄰核心商業(yè)圈，人流量大，全程不停業(yè)施工，對(duì)整體施工措施有著極其嚴(yán)格的安全性要求。所有外立面的修繕工作都需借助腳手架方可實(shí)施，其中序館110.4 m高鋼塔的腳手架為本大，搭設(shè)總高度超過50 m，屬于超過一定規(guī)模的危險(xiǎn)性較大的分部分項(xiàng)工程[1-6]。

3 基于數(shù)字化建造的歷史保護(hù)建筑外立面超高腳手架設(shè)計(jì)技術(shù)

由于上海展覽中心地處繁華鬧市，人流量大、關(guān)注度高，對(duì)項(xiàng)目腳手架的搭設(shè)在安全性、美觀性、功能性方面要求極高。由于傳統(tǒng)腳手架不符合防火規(guī)范要求，且搭設(shè)及拆卸過程具有不可逆性和不可復(fù)制性，因而在選擇腳手架搭設(shè)方案的時(shí)候選用承插型盤扣式腳手架，其相較傳統(tǒng)腳手架具有承載力強(qiáng)（為傳統(tǒng)腳手架的2～3倍）、質(zhì)量輕、基本構(gòu)件少、架設(shè)及拆卸作業(yè)方便、施工工效高、對(duì)建筑適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)勢，且搭設(shè)與拆卸部分采用可逆性連接，體現(xiàn)模塊化裝配的理念，安全水平高、文明施工水平高、配套功能齊全。

因盤扣架連接盤限制，無法搭設(shè)斜向水平桿，且盤扣架各構(gòu)配件需提前在工廠加工，立桿、水平桿、斜桿長度須符合模數(shù)要求，支架布置尺寸受到一定限制。在現(xiàn)場實(shí)踐過程中，發(fā)現(xiàn)有部分難點(diǎn)部位的架體搭設(shè)形式在規(guī)范中未注明，有些部位甚至需采用扣件式鋼管架混搭才能滿足架體的穩(wěn)定性要求，故本工程采用基于BIM模型的超高腳手架數(shù)字化設(shè)計(jì)模式，以保證承插型盤扣式鋼管腳手架的安全使用。

3.1 腳手架搭設(shè)前建筑結(jié)構(gòu)安全性檢測與腳手架強(qiáng)度復(fù)核驗(yàn)算

本項(xiàng)目序館鋼塔建筑總高度為110.4 m，在腳手架搭設(shè)前的結(jié)構(gòu)依據(jù)是根據(jù)上房院對(duì)整體建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行的安全性檢測。最初于1954年開工建造的上海展覽中心房屋設(shè)計(jì)混凝土材料為C12，經(jīng)現(xiàn)場實(shí)測及模型計(jì)算后推定實(shí)際混凝土抗壓強(qiáng)度值為17.2 MPa，等級(jí)為C15，經(jīng)綜合評(píng)定可達(dá)到原設(shè)計(jì)C12混凝土強(qiáng)度的等級(jí)要求。因此，在不考慮地震的作用下，采用C15混凝土等級(jí)取值作為承載力復(fù)核依據(jù)并進(jìn)行腳手架搭設(shè)方案設(shè)計(jì)及計(jì)算工作（圖1）。

圖1 房屋驗(yàn)算模型

結(jié)合安全性檢測結(jié)果及麥達(dá)斯模型計(jì)算結(jié)果，綜合考慮風(fēng)荷載對(duì)高度達(dá)110 m的鋼塔的影響。按常規(guī)腳手架滿掛密目網(wǎng)并按6級(jí)風(fēng)計(jì)算，其頂端位移達(dá)到了32 mm，超過鋼塔傾斜度極限。經(jīng)優(yōu)化后，決定只在10層及以下部位使用密目網(wǎng)，10層以上改為使用空隙較大的安全網(wǎng)，將風(fēng)荷載影響控制在可接受范圍內(nèi)。

此外，還對(duì)腳手架的立桿穩(wěn)定承載力、水平桿強(qiáng)度、節(jié)點(diǎn)最大拉力和壓力進(jìn)行計(jì)算和優(yōu)化，確保計(jì)算結(jié)果不超過桿件強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

為進(jìn)一步加強(qiáng)其穩(wěn)定性，結(jié)合腳手架穩(wěn)定性、組合風(fēng)載等要素，對(duì)原結(jié)構(gòu)承載力進(jìn)行疊加復(fù)核驗(yàn)算，從而保證其結(jié)構(gòu)的安全性。相關(guān)區(qū)域按照實(shí)際情況建模，按現(xiàn)行國家規(guī)范，通過計(jì)算模型對(duì)比，結(jié)合荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合形式，遞進(jìn)式分析比較梁柱配筋、軸壓比情況。最終決定在11、14層增加格構(gòu)柱支撐，以分散腳手架作用在樓板主梁上的力（圖2）。

圖2 建筑本體結(jié)構(gòu)安全建模復(fù)核

3.2 基于數(shù)字化模型的外墻不停業(yè)修繕腳手架模擬搭設(shè)技術(shù)

為使腳手架工程滿足本項(xiàng)目保護(hù)性修繕和不停業(yè)施工的要求，項(xiàng)目數(shù)字化團(tuán)隊(duì)基于數(shù)字三維模型對(duì)腳手架搭設(shè)方案進(jìn)行分析模擬，驗(yàn)證方案的合理性并不斷調(diào)整優(yōu)化。通過三維模型與業(yè)主溝通搭設(shè)方案，使其對(duì)本項(xiàng)目外墻腳手架的設(shè)計(jì)思路和最終效果有直觀、清晰的認(rèn)識(shí)，有效提高溝通效率（圖3）。

圖3 腳手架策劃方案

本項(xiàng)目腳手架搭設(shè)采用雙排盤扣形式，序館搭設(shè)總建筑高度為76.9 m，根據(jù)現(xiàn)場條件，分為2段搭設(shè)。第1段搭設(shè)的落腳點(diǎn)在第7層，搭設(shè)高度為7～11層，腳手架高度為14.3 m，共搭設(shè)7步，高度2 m×7步＝14 m，操作面上加2.0 m高護(hù)欄，護(hù)欄立桿采用1根2 m立柱連接。盤扣式雙排腳手架橫距900 mm，縱距600～1 800 mm；第2段搭設(shè)落腳點(diǎn)在第12層，搭設(shè)高度為12層到塔頂，腳手架搭設(shè)高度為58.3 m（另加2.0 m高護(hù)欄），共搭設(shè)29步，高度2 m×29步＝58 m，操作面上加2.0 m高護(hù)欄。盤扣式雙排腳手架橫距900 mm，縱距600～1 500 mm。

3.3 基于數(shù)字化模型的腳手架與外墻拉結(jié)點(diǎn)模擬優(yōu)化

外立面施工腳手架與建筑進(jìn)行拉結(jié)時(shí)，一般采用鋼管扣件作為連墻件，使用膨脹螺栓等與墻體進(jìn)行固定，不可避免地會(huì)對(duì)墻體造成一定破壞。但保護(hù)性修繕項(xiàng)目必須遵守可逆性原則，即“修繕工作以不直接損害歷史建筑本身為前提，可滿足日后必需時(shí)的拆除復(fù)原，以便今后更科學(xué)和更完整地修繕。盡量選擇可逆技術(shù)與可再處理的施工措施，避免對(duì)歷史建筑造成不可逆的干預(yù)。”因此，不可在外墻上打孔使用膨脹螺栓。

為解決此問題，項(xiàng)目數(shù)字化團(tuán)隊(duì)基于數(shù)字模型進(jìn)行前期全場館分析，編制裙樓外墻腳手架不停業(yè)修繕方案。通過數(shù)字模型分析，發(fā)現(xiàn)建筑外窗橫向間距為2 780 mm、豎向間距為1 830 mm，而腳手架步距2 000 mm、縱距1 800 mm，窗間距離小于腳手架連墻件三步三跨的設(shè)置距離。為解決此問題，提出室內(nèi)拉結(jié)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化方案，通過外窗連接腳手架與建筑結(jié)構(gòu)，避免腳手架搭設(shè)對(duì)外墻體的破壞，腳手架拆除后場館即可恢復(fù)正常使用，無需對(duì)拉結(jié)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行修補(bǔ)，最大程度減少了對(duì)場館運(yùn)營的影響。

為保證腳手架的穩(wěn)定性，腳手架與原結(jié)構(gòu)之間需增設(shè)多處拉結(jié)節(jié)點(diǎn)，每隔2層設(shè)置剪刀撐，以及用鋼管扣件夾拉的方式將架體與塔身鋼結(jié)構(gòu)連接起來以保證整個(gè)架體的穩(wěn)定性。腳手架體系與鋼塔結(jié)構(gòu)的拉結(jié)會(huì)影響鋼塔結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，兩者在外界荷載作用下會(huì)產(chǎn)生一定的耦合效應(yīng)，導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)體系受力狀態(tài)相對(duì)復(fù)雜。

針對(duì)項(xiàng)目腳手架搭設(shè)高度大、腳手架體系的自身剛度相對(duì)較小、對(duì)風(fēng)荷載作用較為敏感的特點(diǎn)，為保證修繕施工期間的人員安全，在腳手架施工操作面外側(cè)掛安全平網(wǎng)，增大了腳手架的擋風(fēng)系數(shù)，減少了風(fēng)荷載作用對(duì)腳手架體系的安全性能影響（圖4）。

腳手架外部滿掛阻燃密目網(wǎng)，遮擋腳手架保持建筑外立面整潔美觀。腳手架外1 m處設(shè)置隔離欄桿，并設(shè)置“禁止通行”標(biāo)識(shí)，提醒游客勿進(jìn)入施工區(qū)域，隔離欄桿上設(shè)置水噴霧設(shè)備阻止施工時(shí)產(chǎn)生的揚(yáng)塵外泄，保證場館內(nèi)道路及營業(yè)狀態(tài)不受施工影響。通過窗戶實(shí)現(xiàn)腳手架拉結(jié)，不破壞外立面，拆架后即可恢復(fù)正常使用，無需修補(bǔ)連墻件孔洞，最大程度地減少了對(duì)場館運(yùn)營的影響。

4 基于物聯(lián)網(wǎng)的盤扣式腳手架智能化安全監(jiān)測技術(shù)

本工程腳手架搭設(shè)形式為空間桁架體系，腳手架搭設(shè)高度高，與原建筑結(jié)構(gòu)拉結(jié)點(diǎn)較多，會(huì)影響原建筑結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)；安全網(wǎng)布置面積大，對(duì)風(fēng)荷載作用較為敏感。以往研究過程中，通常以四類監(jiān)測值（應(yīng)力應(yīng)變、傾斜、沉降、位移）反映腳手架立桿受力情況、架體整體側(cè)移量、豎向偏移量，傳統(tǒng)腳手架監(jiān)測大多依靠人工監(jiān)測完成，監(jiān)測效率低、范圍小。

為確保本工程施工期間腳手架＋建筑結(jié)構(gòu)體系的整體安全性，數(shù)字化團(tuán)隊(duì)引入智能化監(jiān)測技術(shù)，對(duì)腳手架＋建筑主體結(jié)構(gòu)體系施工全過程的受力狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測及預(yù)警，評(píng)估整個(gè)結(jié)構(gòu)體系施工期間的安全性。采用基于物聯(lián)網(wǎng)的盤扣式腳手架智能化監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率30 s/次的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測，開展腳手架與原結(jié)構(gòu)的相對(duì)位移監(jiān)測、與建筑拉結(jié)點(diǎn)受力監(jiān)測、建筑振動(dòng)頻率監(jiān)測等腳手架信息化檢測配套工作，并可通過無線傳輸和數(shù)值分析對(duì)腳手架＋建筑結(jié)構(gòu)體系安全進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的不足，及時(shí)發(fā)現(xiàn)腳手架安全隱患并實(shí)現(xiàn)即時(shí)預(yù)警，實(shí)現(xiàn)基于信息化手段的不停運(yùn)狀態(tài)下歷史保護(hù)建筑修繕復(fù)原工藝的可追溯式提升。

4.1 重點(diǎn)監(jiān)測內(nèi)容

針對(duì)本工程腳手架＋建筑結(jié)構(gòu)體系的特殊性，以腳手架、建筑結(jié)構(gòu)兩者各自受力狀態(tài)和兩者耦合作用效應(yīng)作為本次施工監(jiān)測的重點(diǎn)，監(jiān)測內(nèi)容如下。

4.1.1 腳手架監(jiān)測

1）腳手架底托反力監(jiān)測可反映腳手架在風(fēng)荷載作用下底座的拉、壓情況，同時(shí)可獲取腳手架體系傳遞給建筑結(jié)構(gòu)的荷載作用。

2）腳手架整體傾斜監(jiān)測可反映腳手架體系在施工期間不同高度的傾角變化，通過有限的點(diǎn)位傾角變化可大致推測腳手架體系的水平變形狀態(tài)。

3）腳手架與鋼塔拉結(jié)點(diǎn)應(yīng)力監(jiān)測可反映拉結(jié)點(diǎn)位置腳手架構(gòu)件的局部應(yīng)力狀態(tài)，可判斷腳手架構(gòu)件是否會(huì)因拉結(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中而出現(xiàn)破壞。

4.1.2 建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測

1）11層頂主梁應(yīng)力監(jiān)測（標(biāo)高44.39 m）。11層頂為第2段腳手架的支承平面，該平面承受腳手架所傳遞的大部分荷載。通過11層頂主梁應(yīng)力的監(jiān)測，可了解建筑結(jié)構(gòu)在腳手架體系作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力大小，掌握建筑結(jié)構(gòu)在施工期間的受力狀態(tài)。

2）11層頂樓板不均勻沉降監(jiān)測（標(biāo)高44.39 m）。11層頂為第2段腳手架的支承平面，在承受上部腳手架的荷載作用下，11層頂樓板會(huì)發(fā)生一定的豎向變形，且依據(jù)不同落腳點(diǎn)所傳遞的作用不同，樓邊產(chǎn)生的變形也不一致。因此，通過11層頂樓板多點(diǎn)位的不均勻沉降監(jiān)測，可掌握建筑結(jié)構(gòu)在施工期間的相對(duì)豎向變形狀態(tài)。

3）7層樓板不均勻沉降（標(biāo)高30.84 m）。7層頂為第1段腳手架的支承平面，在承受上部腳手架的荷載作用下，7層樓板會(huì)發(fā)生一定的豎向變形，且依據(jù)不同落腳點(diǎn)所傳遞的作用不同，樓邊產(chǎn)生的變形也不一致。因此，通過7層頂樓板多點(diǎn)位的不均勻沉降監(jiān)測，可掌握建筑結(jié)構(gòu)在施工期間的相對(duì)豎向變形狀態(tài)。

4.1.3 腳手架＋建筑結(jié)構(gòu)體系風(fēng)環(huán)境監(jiān)測

風(fēng)荷載是本工程腳手架＋建筑結(jié)構(gòu)體系的主要活荷載，且腳手架對(duì)風(fēng)荷載作用的敏感性較高。因此，依據(jù)風(fēng)環(huán)境監(jiān)測可實(shí)時(shí)獲取施工環(huán)境下的風(fēng)速、風(fēng)向，可大致推算結(jié)構(gòu)所承受的風(fēng)荷載大小及分布情況（圖5）。

圖5 腳手架底托反力監(jiān)測點(diǎn)布置示意

4.2 腳手架物理性能監(jiān)測平臺(tái)

序館鋼塔腳手架高度達(dá)到110 m，風(fēng)荷載成為影響腳手架安全性的主要因素。將智能化監(jiān)測技術(shù)收集的數(shù)據(jù)建立氣候?qū)ν饬⒚婺_手架各物理性能指標(biāo)同步影響的在線監(jiān)測平臺(tái)，項(xiàng)目部可以將任意時(shí)刻的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)與腳手架及建筑本體的位移、傾角、應(yīng)力、應(yīng)變等物理性能指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析（圖6）。

圖6 腳手架物理性能監(jiān)測平臺(tái)

以2021年4月30日上海遇到的突發(fā)大風(fēng)天氣為例，通過查閱歷史數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)：當(dāng)天22點(diǎn)左右風(fēng)力開始加大，在22點(diǎn)半收集到的最大風(fēng)力瞬時(shí)值為11.28 m/s，同時(shí)檢測到最大傾角測點(diǎn)3為x軸0.260°，測點(diǎn)1為y軸－0.275°；腳手架應(yīng)力及底托反力在22點(diǎn)發(fā)生明顯變化。但數(shù)據(jù)最大值未達(dá)到報(bào)警閾值，腳手架能夠保持其安全性（圖7）。

圖7 上海突發(fā)大風(fēng)的歷史數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2021年統(tǒng)計(jì)，全國歷史保護(hù)建筑已達(dá)4.27萬處，建筑形式多樣、種類繁雜，使用和維護(hù)現(xiàn)狀也千差萬別，其中很多建筑地處城市公共空間的重要節(jié)點(diǎn)和核心地段。尤其對(duì)于處于運(yùn)營狀態(tài)的大型優(yōu)秀歷史建筑公共場館的外立面修繕工程，因其具有外立面露天施工、工程量大且分散、全過程不停業(yè)等特點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)場勘察、前期策劃、修繕設(shè)計(jì)、方案編制、現(xiàn)場施工、安全管理等各個(gè)環(huán)節(jié)提出了更高的要求。本項(xiàng)目中序館鋼塔腳手架作為超高變截面復(fù)雜腳手架形式，在一般工程項(xiàng)目中很少能夠涉及，通過基于數(shù)字化建造的優(yōu)秀歷史建筑外立面超高腳手架設(shè)計(jì)技術(shù)以及基于物聯(lián)網(wǎng)的盤扣式腳手架智能化安全監(jiān)測技術(shù)的落地應(yīng)用，能合理優(yōu)化施工方案，有效提升修繕施工效率和工程管理水平，確保序館鋼塔修繕工作的安全實(shí)施，經(jīng)濟(jì)效益顯著，可為今后類似工程提質(zhì)增效提供寶貴的借鑒價(jià)值和重要的示范作用。