国家会展中心（上海）能源中心外立面改造施工技术

2020-03-18闵溯洋

建筑施工 2020年11期

闵溯洋

上海市机械施工集团有限公司上海 200072

随着城市发展，大规模新建开发项目逐渐减少，对城市既有建筑物的改造升级项目逐渐成为趋势。与此同时，针对该类项目施工技术的研究尚不如新建类施工技术研究普遍[1-4]。本文基于国家会展中心（上海）能源中心外立面改造，对既有建筑外立面改造技术进行一些探讨。本文内容涉及原有结构三维扫描技术、既有建筑逆向设计以及外立面改造的具体施工实施，覆盖整个外立面改造工程的设计与施工全过程。

1 工程概况

为配合中国国际进口博览会举办，国家会展中心（上海）东南角的能源中心需进行外立面改造。能源中心既有建筑包括主站房（最高28.1 m）、变电站（最高16.28 m）和蓄水罐（最高30.39 m），主站房、变电站为钢筋混凝土框架结构，蓄水罐包括2个特制的钢制罐体。外立面改造方式为：在既有建筑周边安装钢结构受力体系，在钢结构上安装外装饰龙骨，最后安装外装饰铝板。施工期间，能源中心需保障国家会展中心的正常开展运营，包括4台大型天然气发电机组、变电站、2个蓄水塔及周边天然气、电气、冷却管线在内的能源供应设施均需正常运转。图1为能源中心外装饰设计效果，图2为能源中心原有结构实景。

图1 能源中心外装饰设计效果

图2 能源中心原有结构

2 研究难点

2.1 新旧结构连接

需要为既有建筑物新增外立面，必然需要解决新旧结构连接问题。采用何种形式，连接节点如何满足耐久要求是一个难题。此外，既有建筑物为独立沉降的3个单体，而新增外立面需联系为一个整体，是否会造成既有建筑物的新一轮沉降开裂，在施工前均需要解决。

2.2 既有建筑物测量

经测量，能源中心既有建筑物与旧有设计图纸基本符合。但同时地下、地上均密布天然气、电气、冷却管线，经现场实际勘察，实际管线与旧有设计图纸偏差较大，旧有图纸基本没有参考价值。现场管线错综复杂，如何测绘、判断与新增外立面结构之间的关系，亟需解决。

2.3 施工环境复杂

该项目位于国家会展中心的能源中心，且施工期间必须保障国家会展中心的正常开展和运营。能源中心内部包括4台大型天然气发电机组、变电站、2个大型蓄水塔、2个天然气调压站，周边地上及地下天然气、电气、冷却管线密布，场内空间狭小，如何做好既有建筑物及设备、管线保护，防火、防触电等安全防护措施，值得研究探讨。

3 解决方案

3.1 新旧结构连接难点的解决措施

主站房原为钢筋混凝土结构，新增外装饰钢结构通过后植埋件连接至原结构的混凝土柱和圈梁上。由于所处能源中心地面以下管线错综复杂，故将钢结构外附于原有结构且不落地，避免对管线造成损伤。图3为主站房外立面钢结构与原结构的连接形式。

配电站原为钢筋混凝土结构，新增外装饰钢结构通过后植埋件连接至原结构的混凝土柱和圈梁上。由于地面以下管线错综复杂，故也将钢结构外附于原有结构且不落地。图4为配电站外立面钢结构与原结构的连接形式。

图3 主站房外立面钢结构与原结构连接形式

图4 配电站外立面钢结构与原结构连接形式

蓄水罐原为专业厂家生产，结构最薄处钢板仅6 mm。为防对蓄水罐产生不利影响，新增外装饰钢结构不与蓄水罐罐体接触。2个蓄水罐各装有10 000 m3蓄能水，有可靠的下卧桩基础。施工前，紧贴原有混凝土基础外圈，施工新的混凝土基础。新增钢结构的竖向桁架，通过埋件作用到本次新施工的基础上。图5为蓄水罐钢结构基础形式。

图5 蓄水罐钢结构基础形式

主站房与变电站之间的外立面钢结构，采用滑动支座连接，避免新增结构将2个独立沉降的单体连为一体。主站房与蓄水罐相连的两处，钢结构实际为悬挑在主站房上，避免将荷载传递到蓄水罐上，由此，主站房与蓄水罐也保持独立沉降，图6为采用的滑动支座3D示意。

图6 采用滑动支座使各单体保持独立

上述节点中提到的新增牛腿、埋件等，均需后植施工，考虑到耐久性、安全性，经过研究比选，后植施工中采用了喜利得HDA重型机械锚栓的连接形式，在达到所需强度的同时，避免了常规化学锚栓经过日晒雨淋后，可靠性下降的问题。图7为采用重型机械锚栓的埋板实景，图8为钢桁架通过重型机械锚栓埋板与原有混凝土框架柱相连实景。

3.2 既有建筑物测量难点的解决措施

由于能源中心为既有建筑物，且经过数年的沉降变形，现有建筑的定位、尺寸均与原有设计图存在一定出入，同时，地下、地上均密布天然气、电气、冷却管线，经现场实际勘察，实际管线与旧有设计图纸偏差较大，旧有管线图纸基本没有参考价值。新增结构很难按原设计图纸进行设计，而传统的测量手段也很难为后续外装饰钢结构的设计提供有力的数据支撑。经过研究，采用了三维扫描逆向设计技术，为后续的钢结构、幕墙设计提供了有力的技术手段。

图7 重型机械锚栓埋板实景

图8 钢桁架与原有混凝土框架柱相连实景

通过三维扫描技术，将现场建筑、管线、道路等识别为点云模型，导入计算机后，可以在BIM软件中进行测量，并与基于原设计图建立的原结构理论模型进行叠加比对。比对过程中，进行了碰撞检查，与常规碰撞检查不同的是，常规新建工程中的碰撞检查，是为了对诸如管线与管线间的碰撞、管线与结构间的碰撞进行报错，而该工程的碰撞检查，是将实测模型与理论模型进行叠加，碰撞程度越高的区域，说明理论模型越符合实际情况，而碰撞程度低的地方，表示理论模型与实际情况相差较大，需根据对实测模型的测量进行调整。基于以上逆向设计方法，在对理论模型进行多次调整后，最终得到了较为符合实际情况的既有结构及管线的理论模型，在此基础上，进行新增外立面结构的设计，从而确保了新旧建筑物、管线不发生碰撞。图9为三维扫描点云模型，图10为根据点云模型逆向设计的理论模型。

图9 三维扫描点云模型

图10 根据点云模型逆向设计的理论模型

3.3 施工环境复杂难点的解决措施

能源中心周边施工环境狭小，危险源众多。经研究，采用汽车吊与塔吊配合施工。在危险源相对较少的区域，汽车吊开行及停机在既有建筑物周围道路上进行施工；在危险源集中的区域，即蓄水罐周边区域，为避免汽车吊施工对道路下埋设的管线造成破坏，特意在能源中心围墙外、东侧市政道路上，安装1台70 m工作半径的平臂塔吊，在满足对危险区域全覆盖的同时，尽可能减小吊装荷载对能源中心的影响。

此外，该塔吊采用堆载式后置基础形式，利用作用在塔吊下方的堆载配重提供反力，不在市政道路上设置任何埋件或永久基础，从而在改造施工结束后，拆除塔吊及其底部配重，市政道路当即恢复原貌，未遭受任何破坏。图11为市政道路上设置的塔吊后置基础。

图11 在市政道路上设置塔吊堆载式后置基础

针对蓄水罐周边危险源众多的情况，设置了诸多安全措施。在天然气调压站上方及侧面，搭设双层防护棚。涉及焊接作业下方的所有管线，均使用防火布层层包裹。同时，在有焊接作业时，均将焊接作业点下方淋湿，防止火星引起火情。由于2个蓄水罐外层均包裹着易燃的保温棉，故在施工前，使用防火布将蓄水罐完全包裹，确保万无一失。

4 结语

本文对既有建筑的改造升级施工技术进行了研究，通过合理的节点设计及后植机械锚栓的应用，解决了新旧结构连接问题；通过三维扫描逆向设计，建立了准确的既有建筑及管线的理论模型，成为新增结构设计的基础；在既有建筑及周边环境保护方面，针对既有结构特点、施工环境实际情况，确定了施工及保护方法，保证了施工过程的安全性、合理性、可行性、经济性。

本次研究使国家会展中心（上海）能源中心外立面升级工程在短短3个月内得以顺利实施，同时也为类似工程提供了经验借鉴。