移位建筑托盤(pán)梁低凈空優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用

黃 軍

上海天演建筑物移位工程股份有限公司 上海 200021

1 工程概況

建筑移位技術(shù)在全國(guó)的應(yīng)用逐漸廣泛，分析國(guó)內(nèi)建筑移位案例，通常采用托盤(pán)梁、反力基礎(chǔ)及結(jié)構(gòu)加固對(duì)建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工，并輔以PLC液壓同步控制技術(shù)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)施加頂升、頂推外力以達(dá)到移位的目的[1]。

通常托盤(pán)梁設(shè)置在結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)部分或地面±0 m處，對(duì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)進(jìn)行整體加固，并在托盤(pán)梁下方開(kāi)挖土方進(jìn)行頂升基礎(chǔ)施工。托盤(pán)梁與反力基礎(chǔ)根據(jù)各項(xiàng)目具體情況設(shè)置施工順序，但托盤(pán)梁與反力基礎(chǔ)之間留有設(shè)備安裝空間，以滿足后續(xù)移位設(shè)備安裝及移位操作。部分建筑由于年代久遠(yuǎn)，基礎(chǔ)埋深較淺，托盤(pán)梁設(shè)置在±0 m以下后開(kāi)挖深度較大，對(duì)結(jié)構(gòu)影響較大，若反力基礎(chǔ)設(shè)置淺，則托盤(pán)梁必將出原地面，對(duì)保護(hù)建筑外立面產(chǎn)生較多破壞。

為解決這一問(wèn)題，本文對(duì)托盤(pán)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分考慮托盤(pán)梁高度、反力基礎(chǔ)埋深以及移位設(shè)備凈空要求，在其中找出優(yōu)化點(diǎn)，既能降低反力基礎(chǔ)開(kāi)挖深度，又能滿足移位空間要求。

1.1 鶴鳴里建筑特點(diǎn)

鶴鳴里坐北朝南，共3個(gè)開(kāi)間，室內(nèi)北側(cè)中部設(shè)有1架木樓梯，設(shè)有中庭，主要入口位于房屋南立面。房屋東西向總長(zhǎng)約14.59 m，南北向總長(zhǎng)約17.12 m，建筑總面積約462 m2。本次因規(guī)劃需要對(duì)其進(jìn)行整體平移施工，將建筑從原位平移至地塊西北角部，整體采用先頂升1.2 m，并用SPMT模塊車平移至臨時(shí)址，待西北角部地下室開(kāi)挖完成后利用頂推油缸頂推至新址頂板上（圖1）。

圖1 鶴鳴里平移路線

1.2 平移方式確定

1.2.1 滑道頂推平移

滑道頂推式平移系統(tǒng)是通過(guò)水平千斤頂?shù)男谐掏苿?dòng)建筑物向前移動(dòng)，此系統(tǒng)的缺陷是每行走一個(gè)行程，需要在千斤頂后部加墊塊，而且需要移動(dòng)反力后背，移位速度較慢[2-3]

鶴鳴里第1次平移距離較遠(yuǎn)，如采用滑道平移會(huì)存在如下問(wèn)題：

1）建筑物原址及過(guò)渡段滑道路線重疊，所以2棟建筑物的滑道梁頂面標(biāo)高及臨時(shí)址基礎(chǔ)的頂面標(biāo)高必須一致，滑道梁找平要求較高。

2）建筑物平移距離最大超過(guò)150 m，采用滑道平移方案，滑道工程量巨大，經(jīng)濟(jì)投入較高。

3）建筑物平移，平移速度較慢，且存在路線中的轉(zhuǎn)向施工，難以滿足總體工期要求。

1.2.2 SPMT平板拖車平移

SPMT（Self-Propelled Modular Trailers）是一種模塊化生產(chǎn)及組裝的自行式平板拖車，可以根據(jù)裝載貨物的不同需求被配置成各種結(jié)構(gòu)、尺寸和質(zhì)量。SPMT的基礎(chǔ)部件是一個(gè)4軸線或6軸線的模塊組以及一個(gè)動(dòng)力頭（PPU-Power Pack Unit）。SPMT的牽引力是由液壓電動(dòng)機(jī)提供的，液壓電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力是由置于設(shè)備末端的動(dòng)力頭（PPU）提供。這就保證了SPMT擁有出色的牽引力以及緊湊的布局結(jié)構(gòu)。SPMT每一軸線都是在主控程序的精確控制下執(zhí)行各種動(dòng)作并實(shí)現(xiàn)各種姿態(tài)（如移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、升降等），不僅具備良好的操控性，同時(shí)還可以完成傳統(tǒng)拖車（如運(yùn)梁車等）無(wú)法完成的動(dòng)作。例如：輕松地原地掉頭、橫向平移、繞中點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。SPMT的載重平臺(tái)可以通過(guò)懸掛系統(tǒng)進(jìn)行升降以便裝卸貨物并保持平臺(tái)的水平姿態(tài)（圖2）。

圖2 SPMT模塊運(yùn)輸車平移方式

通過(guò)對(duì)托盤(pán)梁進(jìn)行加固以增加建筑底層的整體性，并對(duì)建筑結(jié)構(gòu)整體、墻體、局部進(jìn)行加固，增加結(jié)構(gòu)的整體性，采用拖車平移不會(huì)對(duì)建筑物產(chǎn)生不利影響，而且拖車平移相對(duì)滑道平移存在如下優(yōu)勢(shì)。

1）托換梁相對(duì)于滑道平移方式采用的截面更大，剛度更大，在平移過(guò)程中減小對(duì)房屋結(jié)構(gòu)的影響。

2）已有數(shù)個(gè)文物建筑平移成功的案例，在精心設(shè)計(jì)、精細(xì)管理下安全性沒(méi)有問(wèn)題。

3）集平移、旋轉(zhuǎn)、頂升于一體，平移穩(wěn)，而且速度快，依次平移到位僅需數(shù)天時(shí)間。

4）平移過(guò)程中可爬坡和下坡，對(duì)場(chǎng)地平整度要求低。

5）輪胎可分散上部結(jié)構(gòu)荷載，對(duì)地基承載力要求較低，原地基經(jīng)過(guò)一定的地基加固即可。

6）不需要修建大體量下滑道梁，經(jīng)濟(jì)性較好。

但由于拖車自身質(zhì)量較大，在第2次平移至新址地下室頂板上時(shí)，對(duì)地下室結(jié)構(gòu)要求太高，安全適用性降低。

綜上所述，本工程第1次平移采用拖車平移方案，第2次平移采用滑道頂推平移方案。

2 托盤(pán)梁設(shè)計(jì)

鶴鳴里建筑在地基開(kāi)挖之后首先在原基礎(chǔ)旁施工下底盤(pán)條形基礎(chǔ)，作為平移前的頂升反力基礎(chǔ)；然后在底盤(pán)以上墻體兩側(cè)施工平面鋼筋混凝土上托盤(pán)梁，作為建筑頂升和移位的托換結(jié)構(gòu)；隨即通過(guò)在條形基礎(chǔ)上布置頂升千斤頂，采用PLC液壓同步控制系統(tǒng)將房屋頂升1.4 m，將原址下底盤(pán)以外區(qū)域的地基處理后，在上托盤(pán)與下底盤(pán)之間布置SPMT拖車，通過(guò)拖車將建筑物平移運(yùn)輸至臨時(shí)點(diǎn)安置；在臨時(shí)點(diǎn)采用臨時(shí)墊塊支撐，建筑物安放過(guò)渡；等新址位置具備條件后，再采用滑道頂推平移至新址，并與新址地下室連接就位。

托盤(pán)梁是整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重中之重，托盤(pán)梁結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度是平移過(guò)程安全與否的關(guān)鍵因素之一。

鶴鳴里原址下底盤(pán)采用條形基礎(chǔ)，沿房屋基礎(chǔ)軸線布置，部分墻體下面開(kāi)挖導(dǎo)洞施工下底盤(pán)條形基礎(chǔ)。條形基礎(chǔ)總面積按不小于原基礎(chǔ)地基承載力總面積考慮（圖3）。

圖3 鶴鳴里頂升基礎(chǔ)布置

建筑上托盤(pán)采用傳統(tǒng)夾墻梁形式，并向外延伸，新澆筑鋼筋混凝土的上托盤(pán)梁與原有建筑砌體基礎(chǔ)澆筑為整體，共同受力，增強(qiáng)了建筑物平面內(nèi)的整體性（圖4）。

圖4 鶴鳴里托盤(pán)梁布置

本次鶴鳴里建筑原址頂升采用32臺(tái)200 t級(jí)雙作用油缸進(jìn)行頂升，每個(gè)頂升點(diǎn)設(shè)置2臺(tái)200 t級(jí)油缸及1個(gè)臨時(shí)支撐，每次頂升行程100 mm，頂升完成后在臨時(shí)支撐位置加墊100 mm定制墊塊，油缸收缸并加墊墊塊后繼續(xù)頂升。當(dāng)頂升至1 400 mm時(shí)，可按設(shè)計(jì)將SPMT模塊車駛?cè)敕课莸撞浚肧PMT模塊車的升降功能將建筑荷載轉(zhuǎn)移至車上（圖5）。

圖5 鶴鳴里頂升點(diǎn)及SPMT布置

通過(guò)對(duì)房屋荷載驗(yàn)算及頂升點(diǎn)布置，按相關(guān)規(guī)范進(jìn)行托盤(pán)梁受力分析，確定托盤(pán)梁配筋及各頂升點(diǎn)的反力，同時(shí)對(duì)條形頂升反力基礎(chǔ)進(jìn)行驗(yàn)算。

本次設(shè)計(jì)為了保證平移過(guò)程的絕對(duì)安全，均考慮2倍安全系數(shù)。

3 托盤(pán)梁低凈空優(yōu)化

3.1 傳統(tǒng)托盤(pán)梁與反力基礎(chǔ)關(guān)系

目前國(guó)內(nèi)多數(shù)建筑平移頂升托換結(jié)構(gòu)體系從布置上由上托盤(pán)梁、頂升設(shè)備及頂升基礎(chǔ)組成。托盤(pán)梁與反力基礎(chǔ)是移位建筑中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，托盤(pán)梁與原結(jié)構(gòu)通常采用雙夾墻形式，通過(guò)現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)將移位建筑連接成整體，在其下方設(shè)置頂升反力基礎(chǔ)，托盤(pán)梁與頂升基礎(chǔ)之間考慮油缸等設(shè)備安裝空間，通常預(yù)留0.4～0.6 m（圖6）。

圖6 傳統(tǒng)托盤(pán)梁斷面布置

若因建筑保護(hù)相關(guān)因素影響，不得破壞±0 m以上立面時(shí)，需將托盤(pán)梁設(shè)置在±0 m以下，通常為－0.10 m，而頂升基礎(chǔ)底標(biāo)高通常為－1.50～－1.00 m，導(dǎo)致存在如下因素需在設(shè)計(jì)施工中考慮：

1）開(kāi)挖過(guò)程中基坑降水。

2）開(kāi)挖深度低于原基礎(chǔ)底標(biāo)高，地基承載力喪失對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

3）土方開(kāi)挖對(duì)結(jié)構(gòu)的影響導(dǎo)致需分段分條施工，總體施工工期的控制。

4）移位切斷面降低，對(duì)于平移建筑過(guò)渡段的土方工程加大，整體造價(jià)上升。

針對(duì)上述問(wèn)題，需對(duì)頂升結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡量解決或減少對(duì)結(jié)構(gòu)安全、工期、造價(jià)的影響。

3.2 低凈空優(yōu)化

為了減少托盤(pán)梁與頂升反力基礎(chǔ)之間的凈空，可從結(jié)構(gòu)布置位置出發(fā)，將設(shè)備安裝位置從托盤(pán)梁底放置到托盤(pán)梁兩側(cè)，上方設(shè)置頂升短梁。通過(guò)類似“扁擔(dān)”的頂升梁將上方頂升力傳遞給托盤(pán)梁（圖7）。

圖7 優(yōu)化托盤(pán)梁斷面布置

頂升梁與托盤(pán)梁連接可根據(jù)該頂升點(diǎn)的荷載采用提升鋼筋或精軋螺紋鋼進(jìn)行力傳遞。

鶴鳴里項(xiàng)目設(shè)置有4根φ25 mm鋼筋和6根φ25 mm鋼筋2種配置，根據(jù)頂升點(diǎn)布置，整個(gè)項(xiàng)目共設(shè)置12個(gè)頂升短梁（圖8）。

圖8 鶴鳴里頂升梁布置

采用低凈空設(shè)計(jì)需在設(shè)計(jì)中考慮如下問(wèn)題：

1）頂升設(shè)備無(wú)法設(shè)置在墻體以下，設(shè)計(jì)托盤(pán)梁時(shí)考慮小偏心影響。

2）頂升梁穿越墻體，需對(duì)墻體進(jìn)行開(kāi)洞，應(yīng)有相應(yīng)的處理措施。

3）穿墻梁需滿足設(shè)備安裝高度，通常比托盤(pán)梁頂標(biāo)高高，可考慮設(shè)計(jì)成折梁。

通過(guò)低凈空優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)頂升短梁進(jìn)行單獨(dú)分析計(jì)算，能夠滿足本工程的使用。

4 托盤(pán)梁低凈空設(shè)計(jì)應(yīng)用

4.1 保護(hù)建筑中的應(yīng)用

保護(hù)建筑通常如本例鶴鳴里類似，因其建造年代久遠(yuǎn)，多數(shù)基礎(chǔ)埋深較淺，采用傳統(tǒng)做法頂升基礎(chǔ)位于原基礎(chǔ)深度以下，開(kāi)挖過(guò)程會(huì)造成較大的安全隱患，若地下水位較淺還要對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行降水處理，將大大增加工程造價(jià)及工期。

傳統(tǒng)做法通常會(huì)先施工上托盤(pán)梁，待上托盤(pán)梁成形，對(duì)原建筑形成保護(hù)之后再開(kāi)挖反力基礎(chǔ)，這樣能保證建筑的整體安全，但是增大了土方開(kāi)挖及外運(yùn)的難度，同時(shí)開(kāi)挖深度較大，對(duì)坑洞支護(hù)降水也需要考慮，總體工期及造價(jià)相對(duì)較高。

采用低凈空優(yōu)化設(shè)計(jì)，能大大減少開(kāi)挖深度，減少土方開(kāi)挖外運(yùn)及支護(hù)降水的工期及費(fèi)用，整體優(yōu)勢(shì)較為明顯。

4.2 地下受限建筑中的應(yīng)用

若遇到地下標(biāo)高受限，如有管線、地下構(gòu)筑物影響等特殊情況，無(wú)法將頂升反力基礎(chǔ)設(shè)置較低，這時(shí)也可采用低凈空優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)置頂升梁，通過(guò)頂升受拉鋼筋將建筑物在高處頂起，避免頂升平移與地下構(gòu)筑物產(chǎn)生沖突。建筑物增層、設(shè)備加高等工況可采用類似的設(shè)計(jì)。

4.3 高度受限移位工程中的應(yīng)用

部分建（構(gòu)）筑物平移過(guò)程需對(duì)高程進(jìn)行控制，無(wú)法采用頂升操作，因此為了解決設(shè)備布設(shè)空間問(wèn)題，同樣可以設(shè)置類似托盤(pán)梁或頂升挑梁，既滿足設(shè)備安裝需求也能對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行原位托換，方便后續(xù)平移施工。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)內(nèi)城市的可持續(xù)發(fā)展，越來(lái)越多的保護(hù)建筑與發(fā)展產(chǎn)生沖突，在如何處理類似保護(hù)建筑的問(wèn)題上，越來(lái)越多地采用建筑平移頂升技術(shù)，目前建筑平移頂升技術(shù)也越來(lái)越成熟。優(yōu)化建筑平移頂升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是從設(shè)計(jì)方向有效減少平移頂升的成本、工期的重要手段。

移位建筑托盤(pán)梁與反力基礎(chǔ)之間高度與工期、安全、造價(jià)等有著直接關(guān)系，通過(guò)托盤(pán)梁的低凈空優(yōu)化能減緩傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的不利影響，對(duì)整體工程均可產(chǎn)生直接的有利作用。

鶴鳴里項(xiàng)目通過(guò)低凈空優(yōu)化的實(shí)施，縮短了約10 d工期，節(jié)約土方開(kāi)挖1/3，因此托盤(pán)梁低凈空優(yōu)化設(shè)計(jì)在移位建筑中具有推廣價(jià)值，可為類似項(xiàng)目的移位提供新的思路。