歷史保護建筑改造施工全過程自動化監控分析

李 兵

上海建工集團股份有限公司 上海 200080

1 工程概況

背景工程為上海南京東路179號街坊項目新康大樓外墻保護工程，位于上海黃浦區江西中路264號，該大樓建造于1916—1921年，原設計單位為英籍建筑師事務所馬海洋行，原建設單位為英商新康洋行，結構類型為鋼筋混凝土框架（含部分混凝土墻），原建筑房屋占地面積1 154 m2，總建筑面積10 433.38 m2，現為重要歷史保護建筑。原設計為6層混凝土結構，目前加建為9層，其中2層為早期加建，后期在屋面（9層）搭建1層磚混結構房屋。為滿足日后功能需求，在保護外墻的要求下對該歷史保護建筑結構進行改造，拆除原建筑內部所有梁、板、柱結構，并開挖5層地下室。為達到既保留外墻立面的歷史風貌，又不影響內部結構施工的目的，在拆除內部結構的同時對保留外墻進行臨時支撐，形成鋼桁架支撐體系結構（圖1）。為增加外墻側向剛度，保證其整體穩定性，在距三面保留墻體內外側各一定距離（750～1 400 mm）設置與保留外墻走向一致的一排H400型鋼柱，內外鋼柱之間及與保留外墻，通過鋼連梁以及水平、豎向和側向支撐進行拉結，局部設置鋼支撐進行加強，同時在結構開口一面（東側）設置2個大型格構柱式核心筒，2個核心筒之間設置交叉支撐形成整體，由核心筒出發增設水平空間伸臂桁架支撐，頂部同時加若干平面桁架式角撐增強頂部剛度，最終形成臨時鋼結構支撐整體結構體系，提高保留外墻的整體穩定性。

圖1 新康大樓改造前及改造中的實景

2 自動化監控

由于本建筑為歷史保護建筑，墻體的安全和穩定是施工過程中首先要解決的問題，而鋼桁架圍護結構是為了保護墻體穩定性和結構安全而設置的臨時鋼結構支撐體系，而對鋼桁架結構進行實時監測是確保安全的一個有效手段。在保留外部墻體的基礎上拆除內部結構，然后進行基坑開挖。通過跟蹤監測全過程施工階段墻體圍護結構變形（反饋墻體平面外傾覆及豎向位移）、外墻圍護結構的應力與變形，實時將墻體及圍護結構的狀態反映給施工管理人員，能夠有效確保保留外墻及周邊環境的安全，從而使得整個項目施工過程安全可控[1-3]。

針對該項目施工過程中鋼桁架結構的自動化監測內容，主要包含面內面外傾斜變形、結構應力、豎向沉降變形等。傾斜變形監控主要用于控制外立面保留墻體圍護結構在施工過程中因基坑開挖和內部結構拆除導致的平面外傾覆及基礎沉降引起的豎向位移。結構應力與豎向沉降變形控制主要是為了在施工過程中監測鋼桁架應力、鋼柱應變，格構柱底部應力及相鄰沉降差變形。根據施工監測方案布置：現場設有11套靜力水準儀（CJ1～CJ11），用以監測鋼桁架沉降變形；鋼桁架設有應變傳感器34支（YB01～YB34），用以監測鋼桁架內力；設有18套高精度傾角儀（QX01～QX18，共3層，每層布置6套），用以監測鋼桁架的面內與面外的傾斜變形（圖2）。

圖2 傾斜、應力、沉降現場測點布置示意

通過現場自動化設備采集、傳輸傾斜、應力、沉降等數據至云端服務器，由后臺遠程無線數據分析系統實時全天候查看數據變化情況。將采集到的隨著時間變化的結構變形數據，通過自動化擬合傾斜變形的時程線來反饋和評估建筑結構的安全性，尤其在重要危險工況施工過程對建筑結構變形影響較大，通過實時監控的手段，一旦出現預警或報警，就及時反饋給項目相關技術管理人員，以便于及時采取保護措施，以免發生重大事故。

3 有限元仿真

對鋼桁架結構在考慮結構自重、施工荷載、溫度影響、TRD施工時支座位移等因素下，采用有限元方法對鋼桁架整體變形與結構應力進行施工全過程仿真模擬分析。本鋼桁架臨時支護結構橫向約25 m，縱向約60 m，根據GB 50017—2003《鋼結構設計規范》8.1.5條規定可不考慮溫度作用，但考慮到該結構鋼構件布置較密，且該項目復雜重要性和專家咨詢意見考慮溫度作用影響，結合上海地區情況，綜合考慮溫差取30 K。根據施工方提供的項目資料，依據TRD施工流程，分5段來考慮支座位移影響，同時考慮側向水平位移以及支座沉降的影響，最大值分別控制在20 mm和10 mm，采用線性變化的方式加于結構支座上。經過有限元分析，得出鋼桁架結構整體變形云圖及結構應力比數據（圖3）。

圖3 鋼桁架結構有限元受力結果

考慮分段支座位移影響后，結構的最大位移為26.6 mm，發生在頂部桁架支撐位置，該位置非關鍵位置，關鍵位置最大位移發生在西側中部鋼框架頂部，為24.4 mm，位移角為1/1 312，較初始狀態略有增大。鋼結構構件驗算均滿足，應力比最大為0.75，且絕大部分構件應力比均在0.5以下，鋼構件應力比較初始狀態增大較多。可見支座位移對鋼構件影響較大，對結構整體穩定性影響并不是很大。

根據有限元分析的理論數據最值，配合設計院提供的監測報警控制值，綜合無線自動化實時監測的數據，較為系統、全面地對鋼桁架面內、面外傾斜變形、結構應力、豎向變形進行監控，一旦發現數據異常或者超過報警值，就及時反饋給項目相關技術管理人員，以便采取應急或加固措施，確保結構安全和項目的順利進行。

4 結語

通過對比鋼桁架結構有限元分析的理論最值及設計院提供的監測報警控制值，采用無線自動化手段對上海南京東路歷史保護建筑新康大樓施工改造過程進行傾斜變形、結構應力、豎向沉降變形監控，理論結合實際監測，確保了工程項目結構安全和工期進展。在施工過程中，采用無線自動實時監測、遠程實時顯示數據發展趨勢，使用高精度監測傳感器，提高了監測數據的精準性和全面性，能有效節約項目監測的成本，可及時觀測鋼桁架結構的振動變化規律。一旦發現問題，就及時通知項目相關人員采取必要的保護措施，確保了施工過程的結構安全，降低安全事故帶來的不必要的損失，進一步確保了歷史保護建筑外圍鋼結構穩定性和安全性，提高了施工監控的工作效率。