高層建筑屋頂結構改建施工關鍵技術

夏涼風

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，建筑地下2層，地上24層，總高度為97 m，主體為現澆鋼筋混凝土框架結構，基本柱網為8.2 m×8.2 m。現根據使用功能調整，需要對頂部原大會議室區域進行改造。改造方案如下：拆除原有大樓頂部部分混凝土屋面，內部新增2層辦公空間，并在原屋面標高以上1.6 m新建屋面。新增結構采用鋼框架結構，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構如圖1所示。

圖1 屋面結構改建示意

辦公樓南側和西側緊鄰市政道路，東側緊鄰高層住宅，北側為高層辦公樓。地面可利用的施工場地僅為東側與住宅小區之間的狹小通道（圖2）。辦公樓頂部改建區域南側有結構高出屋面，改建區域北側屋面設置有冷卻塔，改建區域屋面現狀為屋頂綠化花園，周邊存在冷卻塔管道及部分空調外機。為確保改建過程不影響辦公樓的正常使用，空調外機可以拆除，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，結構構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境，尤其是緊鄰的高層住宅的影響，要求屋頂結構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

屋頂結構拆除和改建的一大技術難點在于材料的垂直和水平運輸。根據測算，需要拆除的屋面混凝土梁質量約1.6 t/m，按分段長度3 m考慮，質量小于5 t。新建鋼結構構件質量不超過3 t。由于施工作業面位于樓頂，離地高度近百米，地面起重機很難到達此高度，且成本高昂。考慮在屋頂角部安裝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（對應工作半徑為9 m），但最大幅度僅22 m（對應起重量1.5 t），無法覆蓋整個改建區域。因此，在改建區域另布置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，通過小型屋面吊結合梁式起重機接力吊裝實現全覆蓋作業（圖3）。

圖3 垂直運輸設備布置

QW6型屋面吊部件質量比較輕，最大部件質量1.8 t。屋面吊安裝在改建區域外側角部，底座4個支座間距為4 m×4 m，通過設置型鋼轉換梁將屋面吊荷載轉換至4個混凝土結構柱頂部，轉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。經復核，既有結構柱承載力滿足要求。轉換鋼梁及屋面吊部件采用設置在屋頂上的2 t起重桅桿吊運、組裝。起重桅桿根據大樓貨梯尺寸設計，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域兩側布置在女兒墻結構頂部，本工程女兒墻為混凝土梁柱結構，由下部結構框架柱向上延伸，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，軌道梁兩側每隔3 m設置1道側向限位，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，梁式起重機整機質量為4.2 t。

3.2 全天候施工防護棚設計應用

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。常規做法是靠“疏導”，即在需要拆除的區域下方四周設置擋水坎和排水設施，以避免雨水流入下部空間，但遇到暴雨時，疏導壓力極大，雨水容易倒灌樓內。此外，屋頂結構改建往往采用敞開式作業，施工過程中的灰塵、噪聲、夜間施工光污染等影響環境的問題很難得到控制。為解決上述問題，通過設計采用可開啟的施工防護棚，覆蓋整個改建區域及屋面臨時堆場，創造全天候施工環境。防護棚采用鍍鋅方管制作，螺栓裝配式連接，四周設輕質圍護板封閉，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。防護棚內部設置照明設施，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置在梁式起重機軌道外側。防護棚柱腳內側設置滑移腳，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、梁式起重機軌道節點處理

防護棚安裝高度位于百米高空，設計時考慮相應高度的風荷載作用。梁式起重機和防護棚安裝在女兒墻柱上，對其產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構最不利工況下的承載力進行復核，經計算滿足要求[2-4]。為安全起見，在女兒墻柱內側設置型鋼臨時側向支撐，進一步增加平面外穩定性。側向支撐先期支承在既有屋面混凝土主梁上，后隨新增鋼結構施工逐根轉換至新增鋼結構主梁上。

3.3 既有混凝土結構拆除與新建鋼結構施工

屋面混凝土結構拆除后，兩側混凝土柱及墻體側向無約束，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，為確保結構穩定，按如下施工順序實施：

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，并與兩側保留的混凝土柱連接，形成框架結構。

3）拆除一個軸線的屋面混凝土主梁，并安裝該軸線節間的屋面層新增鋼柱及屋面鋼梁，女兒墻柱側向支撐相應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構。

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

圖5 新增鋼結構安裝示意

為減小混凝土結構拆除產生的振動、噪聲以及粉塵影響，采用金剛石鏈鋸靜力切割技術拆除。拆除前，在梁板結構下方搭設腳手架臨時支撐，確保切割安全[5]。混凝土梁、板切割尺寸按起重設備能力以及運輸限制予以控制。混凝土構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。

既有鋼筋混凝土結構不可避免地存在施工誤差，為確保新增鋼結構安裝精度，在拆除既有結構裝飾層后采用三維激光掃描儀掃描，獲取既有結構點云模型。再與新增結構合模確定新增鋼結構的準確尺寸，鋼結構依據實測尺寸繪制詳圖、加工制作。新增鋼結構運至地面堆場后，采用屋頂的屋面吊垂直運輸至屋面鋼結構堆場，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。如設置固定泵澆筑，需要沿建筑高度方向設置垂直泵管，影響建筑幕墻且泵管安裝和拆除難度大，施工成本高。改建結構為鋼結構，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

改建區域兩側的女兒墻內側設有冷卻塔管道，在改建過程中不能拆除管道，以確保大樓正常運營使用。通過在管道外側設置角鋼支架和鍍鋅鋼板對管道進行隔離保護，并設置醒目的警示標記，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 結語

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