既有建筑物加固改造综合施工技术的研究与应用.pdf

2023 年第 7 期122既有建筑物加固改造综合施工技术的研究与应用王 伟 南京市建委建设项目前期费用审核中心，南京210000摘 要：为响应国家开发建设转向存量提质和增量结构调整的发展政策，公司对既有建筑物综合性能提升技术开展了研究与应用工作，依托世界机器人大会会址改造项目，研发了既有结构构件粘钢加固技术、新老结构连接节点钢抱箍加固技术、超长混凝土“短停、快跳”施工技术、幕墙外窗止水板施工技术、金属屋面通风设备安装技术、狭窄空间超大直冷机组安装技术及建筑信息化BIM管理技术等，以期为同类工程提供借鉴。关键词：既有建筑物；加固改造；钢抱箍；短停快跳；狭窄空间设备安装；BIM技术近年来，我国城市建设已由快速开发建设转向存量提质改造和增量结构调整并重的发展阶段，以既有建筑改造为主要内容的城市更新将成为城市发展转型升级的重要途径。截至目前，我国既有建筑总量约614 亿 m2，其中既有公共建筑总面积约 124 亿 m2。针对既有公共建筑总量大、分布广、类型多样的特点，科学制定既有公共建筑综合性能提升改造路线，对推动城市建设高质量发展具有重要意义1。本文依托世界机器人大会会址改造项目介绍既有建筑改造施工技术。1 工程概况世界机器人大会会址改造项目位于北京市亦庄经济开发区，原为北人集团生产印刷设备厂房，始建于 2002 年，原建筑面积 3.3 万 m2，原厂房主体为框架结构，屋面为轻型钢结构，建筑檐高 19.4m，内部2 层，局部上空；改造后为会议会展公共建筑，包含会议中心、展览南区、展览北区、中央大厅、生态廊道等，建筑面积约 8.69 万 m2，施工工期仅为 5 个月。作为世界机器人大会永久会址，原建筑抗震、节能、消防、承载力均不能满足现有规范要求，需对原有结构进行加固改造。2 既有建筑加固改造施工关键技术2.1 既有结构梁、柱粘钢加固施工技术原有装配一厂房为单层门式钢架钢结构，综合厂房及附房均为混凝土框架结构，原结构体系为焊接或高强螺栓连接，为点或线共同受力，将原有厂房改造后会改变建筑的使用功能，不满足设计荷载要求，需对原结构的柱、梁及屋面钢梁等进行加固改造。经团队研究和设计计算，确定对需要加固的梁、柱创新使用粘钢加固技术（见图 1），使新增截面与原结构为面连接，整体共同受力，并在有抗震要求的结构两端设置加密区，在加密区范围内使用粘贴碳纤书籍1.indb 1222023/7/28 18:38:35技术应用123维加固技术（见图 2）。结构柱进行粘钢加固时，防火保护层多为砂浆或防火涂料，受粘钢工艺影响，容易出现薄厚不均、空鼓开裂的现象。经团队研究后在加固空白区域植入 L拉钩，粘钢面外布设钢筋网片，安装模板后浇筑自密实微膨胀混凝土。采用粘钢及粘贴碳纤维加固技术，确保了加固质量、加固后力学性能及抗震功能满足规范要求，保证工程达到预期效果。图 1 柱粘贴钢 图 2 柱粘贴碳纤维布2.2 新增梁与原结构柱连接节点钢抱箍加固施工技术对原厂房结构进行加固改造，需在标高 5.000m处增加局部钢结构夹层，标高 9.850m 和 14.650m 处增加钢结构夹层。施工时使用传统的加固改造方法不仅会破坏原结构构件，而且新增梁与原结构柱的连接处内力重分布，受力构件无法满足力学需求，形成抗震薄弱环节。针对此类问题，施工时采用“钢抱箍”加固技术，利用内箍、植栓、外箍及新浇筑箍内混凝土，使新增构件与原有结构进行连接，形成整体核心受力节点。连接节点施工时，先安装内箍，再安装外箍，在原结构柱四周通过锚栓和钢筋，均匀固定内、外箍，将荷载均匀分摊在结构柱上，极大限度地减少了对原结构的破坏和扰动，使连接节点形成整体节点受力，同时利用外箍对节点核心区进行强化约束，满足节点核心区抗震要求（见图 3图 5）。a 混凝土凿毛b 植栓c 内箍安装d 植筋e 外箍安装f 浇筑混凝土图 3 钢抱箍施工流程 图 4 钢抱箍主要节点形式 图 5 钢抱箍现场施工技术2.3 超长混凝土“短停、快跳”施工技术原装配一厂房 A-D 轴/11-37 轴 5.00m 标高处新增夹层楼板，楼板尺寸为 208m24m，不设置变形缝，属超长混凝土结构。超长混凝土结构多采用留置后浇带或跳仓法施工，后浇带施工周期长，占用模板、周转材料和结构空间，影响后续工作提前插入，无法进行立体交叉作业，制约总体施工进度；传统跳仓法施工，超长结构划分为若干仓，分仓间隔施工，即“隔一跳一”，相邻仓混凝土需要施工间隔不少于7 天，受整体工期制约影响无论是留置后浇带或传统跳仓法均难以满足工程要求。该工程采取“短停、快跳”施工技术，对传统跳仓法进行优化，即分仓+间歇式膨胀加强带+高性能补偿收缩混凝土，仓块混凝土采用高性能补偿收缩混凝土（设计混凝土强度 C40，高性能混凝土膨胀剂书籍1.indb 1232023/7/28 18:38:352023 年第 7 期124掺量 8%，7d 水中限制膨胀率 0.05%），在分仓仓块之间设置膨胀加强带（设计混凝土强度 C45，高性能混凝土膨胀剂掺量 10%，宽度 2m），根据膨胀加强带位置，共分为 11 个仓块，施工顺序为：跳仓-1-3-5-7-9-11，封仓-2 -4 -6 -8 -10。施工时间歇式膨胀加强带与第二批次仓块同时浇筑，依靠膨胀产生的预应力来抵消混凝土硬化过程中产生的收缩应力，使混凝土不裂或裂缝控制在规范允许范围内，同时缩短了传统跳仓法施工中“抗、放”原理所需的 7d 时间间隔，仓块之间混凝土浇筑间隔满足普通混凝土施工缝浇筑要求（混凝土抗压强度 1.2MPa），实现混凝土的连续浇筑，有效控制了混凝土裂缝。2.4 幕墙外窗止水板施工技术改造前的厂房金属板幕墙外窗漏水问题非常严重，而改造后的场馆外装饰面同样大量运用金属板幕墙及玻璃幕墙，幕墙外窗结构框与窗框连接处的漏水问题是施工中控制的重点。团队研发并使用幕墙外窗止水板装置，利用在幕墙外窗的窗框与结构之间增加一道“L”型镀锌止水板，使幕墙体系与建筑结构之间形成有效的封闭措施，而且止水板寿命长，不易老化，因此可长时间达到理想的排水效果，有效杜绝了幕墙外窗渗漏问题。2.5 金属屋面风机及管道安装施工技术该工程改造后的金属屋面共计 30794.8m2，最长东西跨度为 209m，最长南北跨度为 72m，需安装各类型风机共计 123 台。风机基础生根困难，风机在屋面平行移载要求高，屋面机电设备及管线安装减震难度大，基础与屋面连接处、风管及风机安装部位屋面的防渗处理要求高，且金属屋面刚度差、挠度大，不利于屋面施工。（1）金属屋面原 C 型钢檩条壁厚仅为 3mm，安全稳定性不符合规范要求，故在展览中心北区和南区原有梁、柱间增加 Q235 方钢作为新的主龙骨，并以此主龙骨为负重的附着点（见图 6）。檩条檩条10#方钢高 30cm10#方钢10#槽钢檩条檩条10#方钢高 30cm10#方钢10#槽钢檩条檩条10#方钢高 30cm10#方钢10#方钢10#槽钢a檩条间距b檩条间距c檩条间距1000mm 基础1200mm 基础1500mm 基础40mm4mm 角钢10#槽钢主梁10#方钢檩条250mm150mm4mm 方钢管檩条d 混流风机基础图 6 风机基础类型（2）对移载空间进行分析，并对移载路径进行优化，多设置可重复利用的公共区域，尽量避免单独的长距离移载线路，根据风机尺寸及预留尺寸，确定移载路径的宽度，并根据单台设备重量计算移载最大压强，移载过程选用常规竹胶板作为运行通道的防护材料。移载最大压强计算公式如下：移载最大压强（即静置压强）=单台设备重量 受力面积（3）屋面风机中消防排烟兼过渡季排风风机为减震降噪措施实施的重点环节，不仅需在风机安装时加两块 10mm 厚纹理方向垂直的橡胶减震垫，还需在风机进风段设置消音管段，风口采用消声风口。（4）风管、风机和基础与金属屋面的连接部位防渗要求高，在连接部位使用铝镁锰板做成檐口形式，并在风管、风机和基础以及铝镁锰板之间填充材料，防止雨水等渗漏。2.6 狭窄空间制冷机组安装技术在中央大厅地下局部新建地下室作为设备机房，机房层高为 5.3m，地面至梁底净高仅为 4.18m，长书籍1.indb 1242023/7/28 18:38:35技术应用125为 80m，宽为 6.75m，空间狭长。工程空调冷源采用 2 台蒸汽源制冷机组，制冷机组高为 3.925m，仅比机房低 25.5cm，制冷机组与换热设备、循环设备同时安放于地下设备机房，制冷机组需从东侧设备入口进入机房后贯通运至机房最西端，整体运输到狭长的设备机房，实施难度极大。（1）经过现场技术人员和制冷机组厂家技术人员的反复研究，决定采取将蒸汽源制冷机组上部分的冷凝器和下部分的蒸发器拆分进场，运至机组安装就位点后现场组装、焊接的施工方案。现场在设备入口东20m 处设置一台拉力为 5t 的慢动卷扬机，对制冷机组施以前进反方向作用力，用来抵消初始坡道段重力和前方牵引力，避免造成制冷机组在坡道段过快的滑动。在机组就位处西侧 3m 处设置 5t 慢动卷扬机，此处的卷扬机主要用作水平移载段的正向牵引（见图7）。整个运输通道满铺 20mm 厚钢板，保证运输通道的平顺和承载能力。（2）按照冷水机组安装技术要求，要求每台制冷机组支腿下方设置 2930mm700mm150mm 的条形基础各 2 个，但由于机房狭窄，制冷机组的安装位置与仅有运行通道重合，事先预制钢筋混凝土条形基础影响冷水机组的运输。因而，冷水机组采取利用槽钢支座临时就位，待设备就位后，在槽钢基础周边支模后浇筑混凝土基础的做法。2.7 建筑信息化 BIM 管理技术的研究和应用该工程施工全过程采用 BIM 技术，在建立信息模型和完成碰撞检查、管线综合的基础上集成进度、成本、资源、施工组织等关键信息，对施工过程进行模拟，及时为施工过程物资、进度、生产等重要环节提供准确的时间节点、材料消耗、技术要求等核心数据，提升全专业沟通和决策效率，达到节约工期和成本，提升项目管理质量的目的。同时，通过 BIM 模型，对钢抱箍加固、钢结构连接、机电安装等方案进行施工模拟，直观地了解到整个施工工序，清晰把握施工过程，从而实现施工组织和施工工艺的有效结合。3 总结为有效支撑既有建筑综合性能提升路线的实施和改造目标的实现，需要从技术、标准、市场等方面进行强化和完善，包括建立既有建筑安全、能效、环境综合性能提升改造的集成技术体系与关键产品。世界机器人大会会址改造项目从既有结构构件加固改造、钢抱箍抗震节点设计及施工、超长混凝土“短停快跳”施工工艺、幕墙外窗止水、金属屋面风机及管道安装技术、狭窄空间制冷机组安装技术、建筑信息化 BIM管理技术等方面进行了创新和有效的尝试，解决了既有建筑物加固改造施工中的部分难题，为今后同类工程的技术、标准提供可借鉴的数据。参考文献1 王俊.既有公共建筑综合性能提升与改造关键技术J.城市住宅，2016，23（11）：32-34.2 张东宝，陈旭勃，李朝旭.钢抱箍节点连接技术J.施工技术，2017，46（S2）：465-467.3 晋哲锋.既有建筑增设悬挑结构加固改造设计J.安徽建筑，2020，27（7）：77+100.卷扬机固定点卷扬机固定点冷水机组运输示意图冷水机组卷扬机固定点卷扬机卷扬机图 7 机组水平移载体系图书籍1.indb 1252023/7/28 18:38:35