通過垂直井道實現(xiàn)建筑垃圾快速清運研究

孫云飛 徐佩華 陳佳豪 潘宏斌

上海建工一建集團有限公司 上海 200120

城市更新是指生活在城市中的居民通過現(xiàn)代化的科技手段，利用城市可持續(xù)發(fā)展的理念，有組織、有目的地對城市中已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代化城市生活的地區(qū)進行必要的改建活動[1]。

城市更新改建項目的一大特點是所有結(jié)構(gòu)均是已完成的老結(jié)構(gòu)，在原有結(jié)構(gòu)中進行改造施工，較新建項目有優(yōu)勢也有劣勢。而改建工程共有的特點是改建的建筑垃圾需清運出樓層，建筑垃圾清運和堆放管理不當(dāng)產(chǎn)生的遺撒和粉塵、灰沙飛揚等問題又會造成環(huán)境污染[2-3]。

目前，施工現(xiàn)場的建筑垃圾清運普遍是利用施工電梯進行垂直運輸?shù)模摲椒ㄐ实拖拢踩菀自斐呻娞輧?nèi)的擁擠和部分人員窩工的問題[4]。大量的建筑垃圾如何快速清運出場，成為工期甚至施工成本中一大可優(yōu)化的重點。

本文以華潤時代廣場商業(yè)裙樓裝修工程利用電扶梯井道快速清運建筑垃圾為研究背景，著重介紹鋼結(jié)構(gòu)卸料通道的設(shè)計及施工管理要點。

1 工程概況

華潤時代廣場商業(yè)裙房裝修工程主要功能定位為購物中心（含零售商業(yè)、餐飲），持有業(yè)態(tài)。改造工程高度為地下2層（局部3層）、地上11層，高度43.5 m（與原商業(yè)裙樓高度一致），工程建筑面積為60 286.3 m2，其中地上部分建筑面積51 190.15 m2，地下面積9 106.15 m2。為實現(xiàn)建筑布局及部分區(qū)域使用功能的改變，對原結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)加固改造，改造主要涉及裝飾及隔墻拆除、樓板拆除、剪力墻拆除，新增框架柱、剪力墻、框架梁，部分樓梯拆除、新增設(shè)扶梯、電梯、樓梯，封堵洞口等內(nèi)容。

2 研究背景

本工程拆除內(nèi)容為建筑裝飾層拆除、砌塊隔墻拆除、機電管線及設(shè)備拆除、大量結(jié)構(gòu)改造拆除等，含合同內(nèi)拆除內(nèi)容及大量后期改造的額外拆除內(nèi)容，拆除體量巨大。

原計劃采用1臺SC200/200施工升降機用于建筑垃圾的垂直運輸，但由于施工場地限制及施工材料運輸問題，施工升降機完全不能承擔(dān)建筑垃圾的樓層清運工作，造成樓層內(nèi)垃圾大量堆積，后續(xù)施工難以展開。

就現(xiàn)場實際困難，考慮利用舊樓改造背景下各垂直井道已經(jīng)形成的天然優(yōu)勢，有快速清運建筑垃圾的條件，以此緩解人貨梯的使用壓力，并且其成為改造類項目在今后建筑工程施工中可借鑒的一種清運方式。

3 井道選擇及優(yōu)勢

建筑垃圾快速、高效、綠色清運，先需選擇合適的部位，所選部位需滿足以下施工要求。

1）盡量貫通所有施工樓層，避免改造結(jié)構(gòu)。

2）盡量減少人工駁運，使用機械代替。

3）具有良好的承載能力和抗沖擊能力。

結(jié)合這幾個特點，唯一適合的部位就是幾處垂直井道，如電梯井道、扶梯井道、管井井道。其中電梯井道的主要特點是可以到達每一個樓層，且井道周邊大多數(shù)都是受力結(jié)構(gòu)（如電梯剪力墻），能較好地承受傾倒產(chǎn)生的沖擊力，擁有較好的堆載能力。

所以，本次研究的目標(biāo)集中在通過電梯井道，實現(xiàn)樓層內(nèi)建筑垃圾快速清運轉(zhuǎn)移，集中堆載后快速出場的施工目標(biāo)。

根據(jù)以上分析選定，本工程15#貨梯井道為單部電梯，貫穿地下2層至地上10層，井道四面為剪力墻所圍，長2.35 m、寬2.4 m，位于裙房西南角，近3#施工大門，距離現(xiàn)場垃圾堆場較近，具有作為快速清運通道的良好條件。

4 卸料通道設(shè)計

4.1 總體思路

電梯井道的特點是四面均為剪力墻，且有天然的電梯門洞作為卸料及出料口，井道尺寸適中，很適合作為建筑垃圾的傾倒通道。

但電梯井道有一個特點，井道底部往往有電梯基坑，直接通過井道無法將建筑垃圾順利轉(zhuǎn)運出去，需要在首層位置設(shè)置1道攔截，否則需從電梯基坑底將垃圾二次轉(zhuǎn)運，得不償失。

首層出運垃圾，還有一個好處，就是可以使用機械代替工人。首層結(jié)構(gòu)一般承載能力較好，可以使用小型鏟車代替人工，大大提高清運效率。

要實現(xiàn)在井道內(nèi)首層出料，本工程選擇搭設(shè)鋼結(jié)構(gòu)斜平臺，可利用井道的豎向受力結(jié)構(gòu)，在首層井道內(nèi)布置若干根斜鋼梁，斜鋼梁上滿鋪厚鋼板，作為鋼結(jié)構(gòu)平臺，起到首層攔截及堆載的作用。其設(shè)計模型如圖1、圖2所示。

圖1 井道卸料通道設(shè)想

圖2 卸料通道首層鋼平臺示意

4.2 鋼結(jié)構(gòu)計算

利用已有電梯井道作為垃圾通道，鋼結(jié)構(gòu)平臺作為底部坡道，承受建筑垃圾從高處掉落的沖擊力，主要考慮計算底部斜坡鋼梁的承載力（包括抗沖擊力、堆載能力、抗滑移能力），后置埋件的抗剪切能力，還需考慮坡道鋼板的厚度，此些均組成了鋼結(jié)構(gòu)平臺是否安全可靠的重要因素。其中，掉落的沖擊力難以確定，本文以能量轉(zhuǎn)換原理量化沖擊力。

4.2.1 鋼結(jié)構(gòu)平臺計算

根據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，本結(jié)構(gòu)鋼梁采用Q235B級鋼材。當(dāng)下落重物質(zhì)量為2 000 kg時，假定下落碰撞接觸時間為0.5 s，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，沖擊力為194 kN。考慮動、靜荷載轉(zhuǎn)換系數(shù)為2，則靜荷載壓強為16.2 kPa，等效靜荷載質(zhì)量約為19 t。鋼結(jié)構(gòu)有限元模型及響應(yīng)圖（圖3～圖6）如下，結(jié)果滿足設(shè)計規(guī)范要求。

圖3 垂直于板面的豎向變形（最大位移值23.6 mm＜26 mm，滿足設(shè)計要求）

圖4 鋼板應(yīng)力圖（最大應(yīng)力值182 MPa＜215 MPa，滿足設(shè)計要求）

圖5 鋼梁應(yīng)力圖（最大應(yīng)力值為202 MPa＜215 MPa，滿足設(shè)計要求）

圖6 支座反力圖（最大豎向反力為76.2 kN）

4.2.2 單根鋼梁結(jié)構(gòu)分析

取單根鋼梁進行計算，模擬單根鋼梁受到下落廢料沖擊作用下的響應(yīng)情況。鋼梁傾斜放置，長度為5.2 m，梁兩端為鉸接，取下落廢料質(zhì)量為500 kg，下落沖擊力為24.25 kN，等效靜力荷載為48.5 kN，集中荷載作用在梁跨中。鋼梁計算模型及響應(yīng)結(jié)果如圖7～圖9所示，結(jié)果滿足設(shè)計規(guī)范要求。

圖7 單根鋼梁模型

圖8 單根鋼梁位移圖（最大位移值為18.5 mm＜26 mm，滿足設(shè)計要求）

圖9 單根鋼梁應(yīng)力圖（最大應(yīng)力值為207.6 MPa＜215 MPa，滿足設(shè)計要求）

4.2.3 計算結(jié)論

本結(jié)構(gòu)設(shè)計，各構(gòu)件應(yīng)力及位移均滿足規(guī)范要求。根據(jù)整體鋼結(jié)構(gòu)和單根鋼梁計算結(jié)果，取下落高度30 m，單個構(gòu)件最大容許質(zhì)量為500 kg，斜鋼板上最大容許靜堆載質(zhì)量為19 t。此外，驗算了質(zhì)量為500 kg的廢料下落時斜鋼板上部和底部鋼梁的埋件強度，計算結(jié)果均滿足規(guī)范 要求。

施工時，應(yīng)注意控制單個下落構(gòu)件質(zhì)量，同時在廢料落地后應(yīng)及時進行搬運和清理，避免因堆載質(zhì)量過大而對鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。

按此設(shè)想及計算結(jié)果，15#梯井道鋼結(jié)構(gòu)平臺建成如圖10所示。

圖10 15#梯井道鋼結(jié)構(gòu)平臺

5 措施及管理

5.1 樓層間卸料口防護及使用管理要求

卸料通道使用過程中，除底部設(shè)置卸料口，每一層還需設(shè)置喂料口，每一樓層的建筑垃圾均通過喂料口傾倒，沿通道至首層后清運。

喂料口在實際施工過程中，是比較難管控的，其表現(xiàn)在：喂料口實則為一個臨邊洞口，由于需頻繁傾倒垃圾，無法完全封閉，需要預(yù)留喂料口，喂料口的臨邊措施需考慮防止工人墜落及頻繁開啟使用，故按活動式翻蓋考慮，如圖11所示。

圖11 卸料通道喂料口設(shè)置示意

而使用過程中，上下樓層同時傾倒的問題也會產(chǎn)生較大的安全隱患，質(zhì)量大的混凝土塊若同時傾倒，則垂直交叉工作面會互相影響，且首層鋼平臺受到較大沖擊力會與設(shè)計計算結(jié)果有偏差，造成安全隱患。針對以上情況，每日按作業(yè)樓層配置專職看護人員，以對講機傳達信號，告知其余樓層傾倒指令，防止交叉作業(yè)的情況產(chǎn)生，而樓層當(dāng)日如無施工內(nèi)容，喂料口則采取可靠封閉，防止偷倒。

5.2 堆載及首層清運管理

樓層間建筑垃圾傾倒和底部堆載的垃圾清理不可同時進行（考慮到交叉作業(yè)面），故垃圾轉(zhuǎn)運至首層后會有一定的堆載時間，若堆載量太大，會對鋼結(jié)構(gòu)平臺產(chǎn)生安全隱患。

項目部在使用卸料通道的過程中，應(yīng)按垃圾清運效率制定符合工況的底層清運時間段，在堆載的垃圾質(zhì)量接近計算飽和值之后，及時停止上部的傾倒，進行堆載垃圾的清理清運，保證鋼結(jié)構(gòu)平臺的穩(wěn)定性，必要時底部堆載位置也配備1名看護人員，隨時隨地進行監(jiān)護（亦可用作灑水降塵人員）。

5.3 平臺維護及監(jiān)測

在使用過程中，對整個卸料通道的整體安全性評估也是非常重要的，此部分分為2個方面。其一是對鋼結(jié)構(gòu)平臺的維護與保養(yǎng)，鋼結(jié)構(gòu)平臺主要還是用來不斷承受沖擊力和堆載的，理論依據(jù)再充實，在使用過程中，難免會造成損壞，需要根據(jù)實際情況，定期對平臺進行維護與保養(yǎng)。其二是對卸料通道周邊結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測，由于持續(xù)堆載及抗沖擊，井道周邊的樓板及井道豎向受力構(gòu)件受載很容易超出原設(shè)計荷載，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全隱患。在使用過程中，需對這些結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)監(jiān)測，必要時采用臨時加固措施。

6 結(jié)語

在社會發(fā)展日新月異、不斷更迭的今天，老建筑為了滿足當(dāng)下不斷升級的城市需求而進行大改造已經(jīng)成為以后發(fā)展的大趨勢，而城市更新項目對整個行業(yè)來說都是一種機遇與挑戰(zhàn)，在現(xiàn)有技術(shù)的支持下，總結(jié)歸納出專屬于城市更新的新技術(shù)、新研究已十分必要。

本文結(jié)合華潤時代廣場商業(yè)裙樓裝修工程，充分利用改造類項目天然井道已經(jīng)形成的優(yōu)勢，通過布置鋼結(jié)構(gòu)斜平臺，實現(xiàn)了建筑垃圾快速清運的高效、綠色施工技術(shù)，其主要優(yōu)勢及關(guān)鍵點主要體現(xiàn)在：

1）充分利用現(xiàn)有井道，無需破壞樓板另找通道，且井道周邊結(jié)構(gòu)一般受力較好，可承受較大沖擊力。

2）采用井道清運垃圾較常規(guī)的垂直運輸工具而言，更加快速、便捷，且極大地節(jié)約人工成本。

3）可解放樓層內(nèi)垂直運輸機械，如人貨梯、塔吊，可根據(jù)項目不同工況節(jié)省租賃費。

4）對于新建項目而言，此種垃圾快速清運的方式可推廣，不失為一種通用思路。

5）鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算需核算鋼結(jié)構(gòu)的承載能力、抗沖擊能力、抗滑移及埋板抗剪能力，但是抗沖擊能力比較難以量化，在較高樓層的工況下可能不適用，可在日后研究中著重討論。

6）使用過程中做好監(jiān)控及灑水降塵工作，避免過多堆載，做好及時清運工作，定期檢查鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，避免安全事故發(fā)生。

以上，針對同類型拆改類工程，可參考此種垃圾快速清運的方式，達到節(jié)約人工、縮短工期、節(jié)能環(huán)保的目的。在實踐過程中，更加可以定型化相關(guān)產(chǎn)品，規(guī)范統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，在日后其他工程中可廣泛使用。