優秀歷史建筑外立面保護修繕工程中的超高腳手架數字化設計及智能化監測

歸豪域

上海市建筑裝飾工程集團有限公司 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秀歷史建筑（保護類別一類），靜安區文物保護點；2016年公示為首批中國20世紀建筑遺產，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點之一。

項目總建筑面積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，是還原建筑歷史風貌的關鍵。

2 工程重難點分析

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

3 基于數字化建造的歷史保護建筑外立面超高腳手架設計技術

由于上海展覽中心地處繁華鬧市，人流量大、關注度高，對項目腳手架的搭設在安全性、美觀性、功能性方面要求極高。由于傳統腳手架不符合防火規范要求，且搭設及拆卸過程具有不可逆性和不可復制性，因而在選擇腳手架搭設方案的時候選用承插型盤扣式腳手架，其相較傳統腳手架具有承載力強（為傳統腳手架的2～3倍）、質量輕、基本構件少、架設及拆卸作業方便、施工工效高、對建筑適應性強、穩定性強等優勢，且搭設與拆卸部分采用可逆性連接，體現模塊化裝配的理念，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，無法搭設斜向水平桿，且盤扣架各構配件需提前在工廠加工，立桿、水平桿、斜桿長度須符合模數要求，支架布置尺寸受到一定限制。在現場實踐過程中，發現有部分難點部位的架體搭設形式在規范中未注明，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定性要求，故本工程采用基于BIM模型的超高腳手架數字化設計模式，以保證承插型盤扣式鋼管腳手架的安全使用。

3.1 腳手架搭設前建筑結構安全性檢測與腳手架強度復核驗算

本項目序館鋼塔建筑總高度為110.4 m，在腳手架搭設前的結構依據是根據上房院對整體建筑結構進行的安全性檢測。最初于1954年開工建造的上海展覽中心房屋設計混凝土材料為C12，經現場實測及模型計算后推定實際混凝土抗壓強度值為17.2 MPa，等級為C15，經綜合評定可達到原設計C12混凝土強度的等級要求。因此，在不考慮地震的作用下，采用C15混凝土等級取值作為承載力復核依據并進行腳手架搭設方案設計及計算工作（圖1）。

圖1 房屋驗算模型

結合安全性檢測結果及麥達斯模型計算結果，綜合考慮風荷載對高度達110 m的鋼塔的影響。按常規腳手架滿掛密目網并按6級風計算，其頂端位移達到了32 mm，超過鋼塔傾斜度極限。經優化后，決定只在10層及以下部位使用密目網，10層以上改為使用空隙較大的安全網，將風荷載影響控制在可接受范圍內。

此外，還對腳手架的立桿穩定承載力、水平桿強度、節點最大拉力和壓力進行計算和優化，確保計算結果不超過桿件強度設計值。

為進一步加強其穩定性，結合腳手架穩定性、組合風載等要素，對原結構承載力進行疊加復核驗算，從而保證其結構的安全性。相關區域按照實際情況建模，按現行國家規范，通過計算模型對比，結合荷載的標準組合形式，遞進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 建筑本體結構安全建模復核

3.2 基于數字化模型的外墻不停業修繕腳手架模擬搭設技術

為使腳手架工程滿足本項目保護性修繕和不停業施工的要求，項目數字化團隊基于數字三維模型對腳手架搭設方案進行分析模擬，驗證方案的合理性并不斷調整優化。通過三維模型與業主溝通搭設方案，使其對本項目外墻腳手架的設計思路和最終效果有直觀、清晰的認識，有效提高溝通效率（圖3）。

圖3 腳手架策劃方案

本項目腳手架搭設采用雙排盤扣形式，序館搭設總建筑高度為76.9 m，根據現場條件，分為2段搭設。第1段搭設的落腳點在第7層，搭設高度為7～11層，腳手架高度為14.3 m，共搭設7步，高度2 m×7步＝14 m，操作面上加2.0 m高護欄，護欄立桿采用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段搭設落腳點在第12層，搭設高度為12層到塔頂，腳手架搭設高度為58.3 m（另加2.0 m高護欄），共搭設29步，高度2 m×29步＝58 m，操作面上加2.0 m高護欄。盤扣式雙排腳手架橫距900 mm，縱距600～1 500 mm。

3.3 基于數字化模型的腳手架與外墻拉結點模擬優化

外立面施工腳手架與建筑進行拉結時，一般采用鋼管扣件作為連墻件，使用膨脹螺栓等與墻體進行固定，不可避免地會對墻體造成一定破壞。但保護性修繕項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，可滿足日后必需時的拆除復原，以便今后更科學和更完整地修繕。盡量選擇可逆技術與可再處理的施工措施，避免對歷史建筑造成不可逆的干預。”因此，不可在外墻上打孔使用膨脹螺栓。

為解決此問題，項目數字化團隊基于數字模型進行前期全場館分析，編制裙樓外墻腳手架不停業修繕方案。通過數字模型分析，發現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置距離。為解決此問題，提出室內拉結節點優化方案，通過外窗連接腳手架與建筑結構，避免腳手架搭設對外墻體的破壞，腳手架拆除后場館即可恢復正常使用，無需對拉結節點進行修補，最大程度減少了對場館運營的影響。

為保證腳手架的穩定性，腳手架與原結構之間需增設多處拉結節點，每隔2層設置剪刀撐，以及用鋼管扣件夾拉的方式將架體與塔身鋼結構連接起來以保證整個架體的穩定性。腳手架體系與鋼塔結構的拉結會影響鋼塔結構的受力狀態，兩者在外界荷載作用下會產生一定的耦合效應，導致整個結構體系受力狀態相對復雜。

針對項目腳手架搭設高度大、腳手架體系的自身剛度相對較小、對風荷載作用較為敏感的特點，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掛安全平網，增大了腳手架的擋風系數，減少了風荷載作用對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，遮擋腳手架保持建筑外立面整潔美觀。腳手架外1 m處設置隔離欄桿，并設置“禁止通行”標識，提醒游客勿進入施工區域，隔離欄桿上設置水噴霧設備阻止施工時產生的揚塵外泄，保證場館內道路及營業狀態不受施工影響。通過窗戶實現腳手架拉結，不破壞外立面，拆架后即可恢復正常使用，無需修補連墻件孔洞，最大程度地減少了對場館運營的影響。

4 基于物聯網的盤扣式腳手架智能化安全監測技術

本工程腳手架搭設形式為空間桁架體系，腳手架搭設高度高，與原建筑結構拉結點較多，會影響原建筑結構的受力狀態；安全網布置面積大，對風荷載作用較為敏感。以往研究過程中，通常以四類監測值（應力應變、傾斜、沉降、位移）反映腳手架立桿受力情況、架體整體側移量、豎向偏移量，傳統腳手架監測大多依靠人工監測完成，監測效率低、范圍小。

為確保本工程施工期間腳手架＋建筑結構體系的整體安全性，數字化團隊引入智能化監測技術，對腳手架＋建筑主體結構體系施工全過程的受力狀態進行實時監測及預警，評估整個結構體系施工期間的安全性。采用基于物聯網的盤扣式腳手架智能化監測系統對現場數據進行頻率30 s/次的在線實時監測，開展腳手架與原結構的相對位移監測、與建筑拉結點受力監測、建筑振動頻率監測等腳手架信息化檢測配套工作，并可通過無線傳輸和數值分析對腳手架＋建筑結構體系安全進行風險評估，彌補傳統方法的不足，及時發現腳手架安全隱患并實現即時預警，實現基于信息化手段的不停運狀態下歷史保護建筑修繕復原工藝的可追溯式提升。

4.1 重點監測內容

針對本工程腳手架＋建筑結構體系的特殊性，以腳手架、建筑結構兩者各自受力狀態和兩者耦合作用效應作為本次施工監測的重點，監測內容如下。

4.1.1 腳手架監測

1）腳手架底托反力監測可反映腳手架在風荷載作用下底座的拉、壓情況，同時可獲取腳手架體系傳遞給建筑結構的荷載作用。

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

3）腳手架與鋼塔拉結點應力監測可反映拉結點位置腳手架構件的局部應力狀態，可判斷腳手架構件是否會因拉結點應力集中而出現破壞。

4.1.2 建筑結構監測

1）11層頂主梁應力監測（標高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層頂主梁應力的監測，可了解建筑結構在腳手架體系作用下所產生的應力大小，掌握建筑結構在施工期間的受力狀態。

2）11層頂樓板不均勻沉降監測（標高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層頂樓板會發生一定的豎向變形，且依據不同落腳點所傳遞的作用不同，樓邊產生的變形也不一致。因此，通過11層頂樓板多點位的不均勻沉降監測，可掌握建筑結構在施工期間的相對豎向變形狀態。

3）7層樓板不均勻沉降（標高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層樓板會發生一定的豎向變形，且依據不同落腳點所傳遞的作用不同，樓邊產生的變形也不一致。因此，通過7層頂樓板多點位的不均勻沉降監測，可掌握建筑結構在施工期間的相對豎向變形狀態。

4.1.3 腳手架＋建筑結構體系風環境監測

風荷載是本工程腳手架＋建筑結構體系的主要活荷載，且腳手架對風荷載作用的敏感性較高。因此，依據風環境監測可實時獲取施工環境下的風速、風向，可大致推算結構所承受的風荷載大小及分布情況（圖5）。

圖5 腳手架底托反力監測點布置示意

4.2 腳手架物理性能監測平臺

序館鋼塔腳手架高度達到110 m，風荷載成為影響腳手架安全性的主要因素。將智能化監測技術收集的數據建立氣候對外立面腳手架各物理性能指標同步影響的在線監測平臺，項目部可以將任意時刻的風速風向數據與腳手架及建筑本體的位移、傾角、應力、應變等物理性能指標進行對比分析（圖6）。

圖6 腳手架物理性能監測平臺

以2021年4月30日上海遇到的突發大風天氣為例，通過查閱歷史數據可發現：當天22點左右風力開始加大，在22點半收集到的最大風力瞬時值為11.28 m/s，同時檢測到最大傾角測點3為x軸0.260°，測點1為y軸－0.275°；腳手架應力及底托反力在22點發生明顯變化。但數據最大值未達到報警閾值，腳手架能夠保持其安全性（圖7）。

圖7 上海突發大風的歷史數據

5 結語

根據住房和城鄉建設部2021年統計，全國歷史保護建筑已達4.27萬處，建筑形式多樣、種類繁雜，使用和維護現狀也千差萬別，其中很多建筑地處城市公共空間的重要節點和核心地段。尤其對于處于運營狀態的大型優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、全過程不停業等特點，對現場勘察、前期策劃、修繕設計、方案編制、現場施工、安全管理等各個環節提出了更高的要求。本項目中序館鋼塔腳手架作為超高變截面復雜腳手架形式，在一般工程項目中很少能夠涉及，通過基于數字化建造的優秀歷史建筑外立面超高腳手架設計技術以及基于物聯網的盤扣式腳手架智能化安全監測技術的落地應用，能合理優化施工方案，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施，經濟效益顯著，可為今后類似工程提質增效提供寶貴的借鑒價值和重要的示范作用。