適用于既有高層建筑的升降式“拆除工廠”設計與應用研究

張 波 馬天宇 孫成濤 楊 妍

上海建工四建集團有限公司 上海 201103

我國高層建筑的飛速發展始于20世紀90年代，數以萬計的高層建筑拔地而起，數量與規模巨大。經過30年的發展，北、上、廣、深等超大型城市逐步邁入城市更新的發展階段，越來越多的高層建筑面臨建筑功能轉型的實際需求，伴隨而來的高層建筑拆除逐步呈現出新的問題和難點，主要表現在以下幾個方面：

1）粗放式拆除受限。對于廢棄建筑物，我國普遍采用簡單粗放的拆除方式，如定向爆破、液壓剪破碎、鎬頭機破除等，這些方法見效快、工期短；但相應地，拆除帶來的聲、塵等環境污染問題也極為突顯。從長遠來看，一方面，傳統工藝與日趨嚴苛的綠色施工要求相向而行，難以達到低碳、環保、綠色的高標準要求；另一方面，既有高層建筑往往位于城市核心地段，受場地、空間、道路等環境制約，粗放型拆除模式及工藝往往難以適用，綜合這些因素使得未來高層建筑拆除需要新的技術途徑。

2）結構拆除安全風險大。對于一幢高層建筑，廢棄使用條件下對其進行拆除，裝飾、設備、管線、結構將成為拆除對象，以采用混凝土結構的高層建筑為例，結構質量以萬噸為單位，拆除工作量巨大，即使采用機械切割方式進行拆除，重達幾噸的建筑垃圾從百米高空頻繁吊運，都將是一項風險極大的工作，這對現場管理及技術措施提出很大挑戰。

3）國內綠色高效拆除工藝欠缺。從國外先進技術經驗來看，日本大成建設采用“TECOREP”系統對百米高層進行了封閉式拆除。該技術利用拆除建筑的頂層和部分外墻搭設行車軌道和懸掛防護腳手架形成封閉式“拆除工廠”，由此將傳統拆除中暴露在外的作業環境轉移進室內，同時通過附著裝置使得拆除系統與建筑物同步下降，采用該系統不僅增加施工的安全系數，同時提高拆除廢料的轉運效率，減少施工噪聲和振動[1-2]。反觀國內，適用于高層建筑的新型綠色拆除裝備與工藝鮮有研究，必將成為未來高層建筑拆除更新的桎梏。

為此，本文擬研發適用于既有高層建筑的升降式“拆除工廠”，并在既有高層建筑上海錦滄文華大酒店（以下簡稱“錦滄文華”）推演應用，旨在為我國高層建筑的綠色安全高效拆除提供新的技術思路和手段，以此助力城市更新發展。

1 工程概況

上海錦滄文華大酒店地處靜安區著名商務與購物中心南京西路1225號，地理位置優越，毗鄰地鐵沿線，周邊環境復雜。原主樓建筑面積約60 000 m2，地上30層，地下1層，屋面高度為99.500 m（圖1）。

圖1 上海錦滄文華大酒店效果圖

該建筑平面整體呈V字形，標準層面積約1 400 m2，層高為3.2 m，1—5層為框架-核心筒結構，6—30層為剪力墻-核心筒結構，25層以上建筑立面呈階梯狀收進，屋頂設有水箱層[3-5]。

2 “工廠式”拆除技術路線分析

上海錦滄文華酒店屋頂設有水箱層，自頂層向下有6層階梯狀結構，樓頂距標準樓層落差達25 m，這為“拆除工廠”設計帶來極大難題（圖2）。為此需根據建筑特點深入分析，擬定契合錦滄文華結構特點的技術路線。

圖2 錦滄文華拆除難點

本文將液壓頂升技術應用在錦滄文華拆除工廠的方案設計中，提出一種“分塊爬升，階段轉換，高空合體”的設計思路，用以解決非標準層的拆除問題，并形成如下技術路線：

1）設計1套以液壓千斤頂提供動力，輔以機械式鉤爪及配套掛載支座的可升降系統。

2）依據非標層“中間高、兩肩低”的特點將“拆除工廠”劃分為3個部分，這3個部分從底層組裝好柱（可升降立柱）和墻（外圍防護腳手架），隨后爬升到拆除位置封裝頂蓋并安裝行車系統。

3）打通電梯井作為物料輸送通道。

4）中間部分率先展開拆除作業至與兩肩部分平齊，通過2次合體轉換將3個部分連接成完整的“拆除工廠”，繼續進行余下部分的拆除作業。

3 “拆除工廠”系統設計

“拆除工廠”整體設計如圖3所示，其主要由可升降系統、頂蓋及行車系統、外圍防護體系3個部分組成。

圖3 錦滄文華“拆除工廠”

3.1 可升降系統

可升降系統共有20組動力柱、4組導向柱及若干附墻支座。動力柱在工廠升、降工況時，負責提供動力；在拆除工況時，負責工廠的豎向支撐。特制的附墻支座除負責分散工廠質量到樓體結構外，還負責通過其上的翻板機構在工廠下降時輔助支柱避讓非目標樓層支座，保證工廠平穩暢通地由已拆樓層抵達待拆樓層。

動力柱由鋼結構主體、液壓千斤頂及配套泵站、千斤頂鉤爪、支柱鉤爪組成，如圖4所示。鉤爪是將工廠與樓體建立聯系的主要傳力構件，結構簡單卻功能重要。1根動力柱共有2套鉤爪，一套鉸接在千斤頂缸筒底部，另一套鉸接在鋼立柱上。鉤爪具有條狀主體結構，前端帶鷹嘴形掛鉤，中部開有鉸接孔，如圖5所示。

圖4 動力柱

圖5 鉤爪

3.2 附墻支座

附墻支座通過對穿螺栓固定在樓體框架柱上，為工廠提供支撐和導向。附墻支座主要由鋼結構主體、導輪和翻板組成，如圖6所示。支座主體具有U形開口，開口兩側內壁上分別安裝4對導輪，2對縱向排列的導輪為1組，2組導輪的間隙形成1條軌道，鋼立柱靠近樓體一側的矩形管嵌套其中，使得鋼立柱在導輪的約束下只能上下運動，如圖7所示。

圖6 附墻支座

圖7 附墻支座的導向功能

3.3 頂蓋及行車輸送系統

頂蓋由桁架梁交錯而成的骨架和覆蓋其上的防雨苫布組成，作為整間拆除工廠的“帽子”，其作用是阻擋粉塵向空中逸散、隔絕噪聲、確保雨天順利施工，同時作為安裝平臺，搭載行車輸送系統。

3.3.1 基于垃圾清運的行車系統設計

圖8是錦滄文華樓層內部俯視圖，中間斜線區域是原建筑電梯井，要在拆除作業中打通作為垃圾清運的通道。淺綠色區域一共2塊，分列電梯井兩側，各自軸線延長線在電梯井區域相交，該區域布置的行車可直接將垃圾水平運輸至清運通道上方，再經通道垂直吊運至地面。淺紅色區域2與電梯井無交疊部分，垃圾須轉運至清運通道上方后，再垂直吊運至地面。淺藍色區域3為樓梯間，是樓體兩側的凸出部分，行車的布置，要覆蓋該區域。

圖8 錦滄文華樓層內部俯視圖

考慮拆除區域的全覆蓋及吊運效率最大化，頂蓋設計采用5臺行車（單車示意如圖9所示），并相應地將樓體結構劃分為5塊拆除區域，每臺行車獨自負責1塊區域的垃圾吊運，彼此互不干擾，確保了各區域拆除工作的同步進行，極大地提升了拆除效率。5臺行車各自負責的拆除區域如圖10所示。

圖9 單行車設計

圖10 行車及拆除區域劃分

3.3.2 行車接駁系統設計

由前文分析及行車區域劃分圖可知，1、2號行車無法直接將垃圾吊運至清運通道上方。經過反復研討，在方案中引入了行車銜接梁，設計了如圖11所示的行車接駁系統。

圖11 行車接駁系統

1、2號行車分別配置3條軌道梁，其中1條行車梁、2條銜接梁。行車梁掛載著行車位于拆除區域的正上方，直接參與吊運工作，銜接梁則暫時空置等候。隨著拆除區域的變化，3條軌道梁也對應完成行車梁和銜接梁的轉換。以圖11所示2號行車為例，行車掛載在最外側軌道梁上，該梁即為行車梁，另外2條梁則為銜接梁。2條銜接梁按圖示位置排成1條直線，最內側銜接梁位于清運通道上方。當行車梁行至該接駁位置時，行車可順暢地沿3條梁共線所形成的軌道吊運垃圾至清運通道上方，再將垃圾垂直吊運至地面。

行車接駁系統的設計，使1、2號行車可獨立承擔圖10劃分的大面積拆除區域的垃圾吊運工作。結合3、4、5號行車完成各自狹長區域的吊運工作，整套行車輸送系統便搭建完成，如圖12所示。

圖12 行車輸送系統

3.3.3 構件拆除流線設計

具體的拆除及行車行進路線如圖13所示。其中，3、4、5號行車在各自狹長區域內配合拆除作業由遠及近吊運垃圾；1、2號行車則配合拆除作業采用“蛇形”線路。對于水平樓層構件，拆除順序依照先水平構件后豎向構件順序進行拆除吊運。

圖13 拆除及行車行進路線

3.4 防護系統

外圍防護體系是利用盤扣式腳手架和網片搭建的工廠外墻，具有封閉施工、防止粉塵擴散、隔絕噪聲和方便施工人員轉場的作用。

外圍防護僅在工廠對應層實現全區域連通，如圖14所示的淺黃色區域。相鄰2根動力柱間的防護單元每步都安裝有樓梯，施工人員可到達工廠任意層輔助施工，并方便維修人員抵達對應層對升降系統進行檢修。

圖14 防護系統

4 “拆除工廠”應用分析

針對錦滄文華樓體結構具有凸出水箱層及階梯狀非標準層導致拆除工廠無法一次性搭建完成的問題，通過“拆除工廠”系統及整體拆除流程設計，將技術路線按照實施階段劃分為5個階段：可準備階段、突出層拆除階段、4—6層階梯狀非標層拆除階段和余下樓體拆除階段。

4.1 準備階段

拆除前的準備階段主要包括工廠豎向構件分塊爬升和打通電梯井作為垃圾清運通道兩部分工作。依據非標層“中間高，兩肩低”的特點將拆除工廠劃分為3個部分，這3個部分從底層組裝好柱（動力柱）和墻（外圍防護腳手架），隨后爬升到拆除位置安裝頂蓋和行車輸送系統，如圖15所示。此時兩肩部分平齊，中間部分高于兩肩。

圖15 分塊爬升，安裝頂蓋

4.2 屋面拆除

該階段工廠位于樓體兩肩的子部分不動，僅利用中間部分拆除凸出層，凸出層共2層，包括水箱及頂層房間，各行車所能覆蓋的吊運區域恰能完成該部分的拆除工作，如圖16所示。

圖16 該階段各行車吊運區域

每拆除1層，工廠的中間部分相應地下降1層，待凸出層拆除完畢，中間部分下降2層至與兩肩部分平齊，如圖17所示。

圖17 該階段結束后工廠狀態

4.3 階梯型區域拆除

第二階段拆除作業前，通過架設連梁將中間部分與兩肩部分連接在一起，并補齊防護體系，完成拆除工廠的第一次轉換，如圖18所示。

圖18 拆除工廠第一次轉換

此階段，各行車所能覆蓋的吊運區域恰能完成4—6層階梯結構的拆除工作，如圖19所示。

圖19 第二階段拆除作業前各行車吊運區域

隨著4—6層階梯結構的拆除，工廠共下降2次，停留在圖20所示位置。

圖20 第二階段結束后工廠狀態

4.4 標準層拆除

第二階段共拆除3層非標層，但“拆除工廠”僅下降2次，原因在于工廠在第2次下降后，工廠4個角，如圖21中淺黃色標注區域的梁、柱、防護網與第三非標層樓面接觸，無法再次下降。

圖21 第二階段結束后樓面與工廠干涉區域

針對上述情況，應先將該區域拆除，再下降，如圖22所示。

圖22 拆除干涉部分后下降

下降結束后，將工廠剩余部分補齊，完成第2次轉換，此即為拆除工廠的完整形態，如圖23所示。

圖23 拆除工廠完整形態

此時，各行車已能覆蓋的全部拆除區域，如圖24所示。

圖24 標準層拆除階段各行車吊運區域

前2階段的拆除和前2次的轉換，形成了“拆除工廠”的完整形態，在該形態下可完成剩余樓體結構的拆除，不再贅述。

5 結語

我國超大型城市已邁入城市更新發展階段，越來越多的高層建筑面臨拆除需求，綠色安全的高標準施工要求及低效高污染的傳統拆除工藝，為我國既有高層建筑拆除帶來極大障礙。

本文以上海錦滄文華大酒店為應用場景，通過“拆除工廠”系統及拆除工藝流程設計，探索性研究形成適用于既有高層建筑的“工廠式”拆除工藝，為我國高層建筑綠色、安全、機械化拆除提供技術途徑。