秦文科
(湖北星汶建設(shè)工程有限公司,湖北 武漢 430090)
某建筑為尚未定級的不可移動文物,房屋荒廢多年,無人居住使用,且房屋多處出現(xiàn)墻體損壞、開裂等病害,屋面大面積坍塌、二層樓板大面積坍塌散失。該建筑原址保留存在一定的困難,周邊的開發(fā)將對建筑造成很大的擾動,為了更好地保護(hù)文物本體的安全及展示,提出遷移保護(hù)的思路。在對不可移動文物保護(hù)工項目進(jìn)行充分的前期技術(shù)服務(wù)工作的基礎(chǔ)上,匹配保護(hù)建筑歷史價值的保護(hù)方案,最終確定采取遷移的方式。
該建筑呈“矩形布置”,長約34.0m,寬約23.0m,占地面積約782.0m。為地上2層砌體結(jié)構(gòu),1層層高為4.6m,2層層高為5.1m,房屋總高度為11.3m。房屋為條形基礎(chǔ)形式,部分為磚砌體,部分為條石,無圈梁,無構(gòu)造柱。
為確保文物遷移工程的安全可靠,應(yīng)針對房屋結(jié)構(gòu)特點,制定有效加固措施,同時又不以損傷文物本體、保存文物價值的原則,采取切實有效的平移方案,并對遷移過程進(jìn)行有效監(jiān)測與監(jiān)控,確保文物遷移工程的安全可靠。
本平移工程的特點、難點及應(yīng)對措施闡述如下。
特點為:①該房屋為文物保護(hù)建筑,整個施工過程應(yīng)不損害文物價值,對關(guān)鍵部位需要重點保護(hù);②房屋鄰近漢江,地基相對較弱;③依據(jù)檢測報告與現(xiàn)場開挖探測,承重墻體基礎(chǔ)形式多樣,部分墻體下未設(shè)置放大腳基礎(chǔ),而且基礎(chǔ)埋深較淺,承載力相對不足;④該建筑物荒廢多年,破損嚴(yán)重,縱橫向聯(lián)系弱,剛度整體性較差,且材料強度較低。
難點為:根據(jù)鑒定報告,綜合評定該房屋安全等級為C級(局部危房)。該建筑整體穩(wěn)定性較差,對不均勻沉降敏感,容易產(chǎn)生不均勻沉降、抵抗不均勻沉降能力不足。
針對以上特點及難點,采取了針對性的應(yīng)對措施,見表1示意。
表1 工程特點、難點及應(yīng)對措施
建筑結(jié)構(gòu)整體性極差,平移前上部結(jié)構(gòu)需進(jìn)行臨時性加固,加固至整體性符合整體安全平移的條件,同時具有可逆性。
局部墻體破損、開裂及磚體松動處,墻體內(nèi)外側(cè)采取木板包裹,并通過絲桿錨固。內(nèi)墻門洞采用木支撐臨時加固,對門窗洞口過大處輔以鋼結(jié)構(gòu)支撐加固。砌體封堵墻采用MU5級加砌混凝土砌塊、M5級水泥砂漿,封堵砌體與原結(jié)構(gòu)間采用塑料薄膜隔離。
腳手架通過有效連接可形成鋼桁架體系,縱橫方向具有一定的整體剛度,且安裝方便。通過腳手架頂托支撐緊貼于內(nèi)、外墻面的木模板傳力,能滿足平移過程中振動產(chǎn)生的次生外力。前期考慮到土方開挖的施工空間,腳手架加固僅限局部存在倒塌或破損嚴(yán)重的墻體部位。
待托盤梁、軌道梁施工完畢,布置滿堂腳手架對房屋整體進(jìn)行加固。墻體內(nèi)外腳手架在門窗洞口部位貫通,拉結(jié)成整體。局部凹凸部位采用木龍骨和木板固定。
臨時加固的設(shè)計:臨時加固以不改變原結(jié)構(gòu)的受力與傳力途徑為原則,采用可逆的加固方式加強建筑的穩(wěn)定性、整體性和整體剛度。
平移過程為解決差異沉降等引起局部應(yīng)力集中問題,需采取結(jié)構(gòu)加固措施,采用對建筑外觀影響較低的鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、張拉螺栓相結(jié)合的方式對墻面進(jìn)行外拉內(nèi)撐臨時加固,待移位結(jié)束后拆除。
沿外墻外側(cè)共設(shè)置三道鋼系梁,外墻內(nèi)側(cè)共設(shè)置三道方木,外墻角部設(shè)置鋼柱,外墻門窗洞處設(shè)置對拉螺栓拉結(jié)。同時,與縱橫兩個方向在鋼系梁標(biāo)高處設(shè)置對拉拉索。
鋼立柱均置于上托盤梁上,鋼立柱布置需避開線角,鋼系梁設(shè)置需繞開房屋線角,鋼系梁布置可結(jié)合外立面保護(hù)適當(dāng)調(diào)整豎向分布或局部錯位搭接。
采取鋼筋混凝土雙夾梁托換結(jié)構(gòu)形式,通過托換技術(shù),將上部結(jié)構(gòu)荷載從原基礎(chǔ)轉(zhuǎn)換至移動裝置和軌道上。
托盤梁總體施工流程:測量放線→聯(lián)系梁墻洞開設(shè)→洞口加固→墻體鑿毛→綁扎鋼筋→模板支設(shè)→澆筑砼→養(yǎng)護(hù)拆模。
托盤梁施工原則:由兩側(cè)向中間分區(qū)施工,施工中注意對原建筑的本體保護(hù),嚴(yán)禁施工過程中碰壞及污染原建筑需要保護(hù)的部位。
依據(jù)托換要求,共設(shè)置5條混凝土下滑道梁,作為平移過程中的房屋臨時基礎(chǔ)?;旱钠秸且莆恍凶叩年P(guān)鍵,滑動面標(biāo)高和平整度要嚴(yán)格控制,在砼澆筑、軌道鋪設(shè)階段均需嚴(yán)格控制標(biāo)高和軸線偏差,滑道相對水平誤差不得大于±20mm,軸線偏差不得大于50mm?;炷翂|層達(dá)到4~5MPa后,技術(shù)人員根據(jù)設(shè)計圖紙對下滑道梁中線位置進(jìn)行放樣,并且需對下滑道梁進(jìn)行找平。
建筑物整體平移技術(shù)是指在保證建筑結(jié)構(gòu)整體性的前提下將建筑物從原址水平搬遷至新址的建筑技術(shù)。目前常用平移方式有頂推式(牽拉式)、拖車式、交替步履式。
本工程占地面積大,約800m,上部結(jié)構(gòu)整體性較差,平移距離相對較近,不適用于拖車方式;本工程要求旋轉(zhuǎn)86.4°,而且占地面積相對較大,頂推式(牽拉式)無法精確擬合旋轉(zhuǎn)路徑,需要不斷糾正旋轉(zhuǎn)方面,而且對旋轉(zhuǎn)筏板和滑道平整度要求很高,不適用于采用頂推式(牽拉式)。綜合考慮,本工程采用了步履式機器人行走方式。
通過實施步履式行走方式,使建筑物隨著步履走行器移動方式同步行走,能有效減少施工人員的需求,同時減少了軌道鋪設(shè)、滑塊搬移等配套工作。通過有效控制,步履走行器可實現(xiàn)平移穩(wěn)定、振動較小的效果,大大降低了平移施工的風(fēng)險。同時,通過采用A、B兩組行走器交替頂升、平移的方式,使頂升的安全系數(shù)加倍。
常規(guī)的旋轉(zhuǎn)施工辦法為下滑道梁采用筏板形式,邊旋轉(zhuǎn)邊糾偏或旋轉(zhuǎn)到位前進(jìn)行糾偏,旋轉(zhuǎn)精度低,旋轉(zhuǎn)速度慢。
根據(jù)施工單位現(xiàn)有設(shè)備以及現(xiàn)場各方面情況綜合考慮,最終決定采用步履走行器平移設(shè)備進(jìn)行旋轉(zhuǎn)平移,該設(shè)備可以控制設(shè)置一個虛擬旋轉(zhuǎn)軸,然后按照弧形軌道布置步履走行器,通過調(diào)整步履走行器的角度最后調(diào)整各條軌道上的步履走行器的行走速度達(dá)到旋轉(zhuǎn)的目的。該設(shè)備因為是分布在建筑不同部位進(jìn)行頂推,使得建筑受力分散,相較于原有老設(shè)備不容易產(chǎn)生集中受力及壓縮變形,對建筑尤其是老建筑更有效地進(jìn)行一個相對靜態(tài)的平移,保證上部結(jié)構(gòu)安全,同時整個旋轉(zhuǎn)平移控制系統(tǒng)的平移速度也相對傳統(tǒng)平移更加快速便捷。
經(jīng)核算,房屋上部結(jié)構(gòu)荷載為3500T,然后根據(jù)設(shè)備性能及受力分析設(shè)置40(AB各40臺,共計80臺)個行走控制點,每個控制點設(shè)置AB兩組交替行走器,每個行走器可以提供200T豎向承載力,40個控制點可以提供8000T頂升力,安全系數(shù)為2。根據(jù)新舊址位置以及建筑結(jié)構(gòu)平面圖關(guān)系,本次平移共設(shè)置5條直線軌道,到達(dá)新址筏板后調(diào)整步履走行器方向,進(jìn)行旋轉(zhuǎn),最遠(yuǎn)旋轉(zhuǎn)軌道長35米,平移軌道及步履走行器行走控制點布置平面圖如圖1示意。
圖1 步履走行器平面布置圖
施工現(xiàn)場嚴(yán)格按照托盤梁及下滑梁標(biāo)高控制,確保托盤梁與下滑梁間的空間能夠安裝步履走行器,施工過程中只能將空間變大,不能變小。當(dāng)兩者間的高度過大時,可以通過在上托盤梁底鑿毛后用灌漿料來填充;當(dāng)兩者間因意外情況空間不能滿足步履走行器安裝要求時,可以采取對上托盤梁底的保護(hù)層鑿除來增加凈空,但是不能破壞梁鋼筋,鑿除后需要用砂漿或者灌漿料進(jìn)行抹平,以保證步履走行器上平面的接觸面平整。
托盤梁在施工時的底模腳手架搭設(shè)時,嚴(yán)格控制模板平整度,可以在設(shè)備安裝區(qū)域適當(dāng)加密支撐以較少混凝土澆筑后的變形。
當(dāng)混凝土澆筑后發(fā)現(xiàn)托盤梁下底面表面平整度達(dá)不到要求,則在設(shè)備安裝空間滿足需要的情況下,在步履走行器頂部鋼板與托盤梁底間塞薄鋼板或者用灌漿料填充,必須保證步履走行器安裝平直。
下軌道梁完成面高差必須符合設(shè)計要求,當(dāng)現(xiàn)場高差偏差過大時,必須進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)軌道梁標(biāo)高高于設(shè)計與允許高差時,將高出部分采用電錘等小型機具進(jìn)行鑿除,鑿除過程中不能傷及軌道梁鋼筋,然后對鑿除完的部位采用砂漿進(jìn)行找平,找平后的標(biāo)高嚴(yán)格控制在設(shè)計標(biāo)高;當(dāng)軌道梁標(biāo)高低于設(shè)計標(biāo)高時,則采用砂漿進(jìn)行找平,找平后的標(biāo)高嚴(yán)格控制在設(shè)計標(biāo)高。
步履走行器安裝前需要進(jìn)行位置測量放線,偏差需要嚴(yán)格控制在規(guī)范要求范圍內(nèi),安裝時需要保證千斤頂?shù)拇怪币约白咝衅鞯慕嵌确较虬凑赵O(shè)計朝向。步履走行器的測量放線位置需要基本吻合弧形軌道的弧度,減少角度偏差對產(chǎn)生的水平分力增加旋轉(zhuǎn)總的頂推力。
為防止平移過程中各走行器細(xì)小偏差帶來的累積效應(yīng),平移前和平移過程中需要對平移軌跡進(jìn)行精細(xì)測量,與設(shè)計軌跡進(jìn)行對比分析,并依據(jù)偏差結(jié)果及時對走行器的行走速度、方向等進(jìn)行有效調(diào)整。
平移過程是一個循環(huán)幾個動作的重復(fù)過程,根據(jù)建筑平移距離的遠(yuǎn)近重復(fù)次數(shù)不同,小到幾十次大到幾千次,在如此高頻率的運行下,設(shè)備難免會出現(xiàn)故障及損壞,所以在旋轉(zhuǎn)平移施工前,現(xiàn)場根據(jù)以往施工經(jīng)驗,各類設(shè)備及配件按照損壞概率準(zhǔn)備足夠備件,以備現(xiàn)場更換需要,并且旋轉(zhuǎn)過程中需要定期根據(jù)前階段設(shè)備損壞情況以及現(xiàn)場備件進(jìn)行統(tǒng)計分析,然后根據(jù)統(tǒng)計分析表及時補充設(shè)備及配件。
在自動化監(jiān)測布置系統(tǒng)中,裂縫監(jiān)測對象為承重墻體,應(yīng)力監(jiān)測對象為托盤梁混凝土和鋼筋應(yīng)力,傾斜監(jiān)測對象為承重墻體頂部四個角點X、Y兩個方向,不均勻沉降監(jiān)測對象為承重墻體。
人工監(jiān)測根據(jù)現(xiàn)場施工情況確定,其中裂縫監(jiān)測主要以墻體裂縫、托盤梁、軌道梁裂縫監(jiān)測為主,托梁三維變形監(jiān)測包括梁體的撓度、水平位移,墻體傾斜監(jiān)測主要為房屋X/Y方向的傾斜,建筑物垂直、水平位移監(jiān)測主要以托盤梁和墻體特點部位為觀測對象,對其水平位移、豎向變位進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測報警值和監(jiān)測頻率具體安排如表2所示。
表2 監(jiān)測預(yù)警值和報警值
自動化監(jiān)測頻率為:1次/h,如有必要可隨時加密測量,最高可加密至1次/10min。基本監(jiān)測頻率為:下托換梁土方開挖之前1h/次,下托換梁土方開挖開始1次/30min,頂升平移施工開始1次/10min。
互聯(lián)網(wǎng)云監(jiān)控已在建筑物頂升平移項目中取得了良好的應(yīng)用。遠(yuǎn)程通信設(shè)備連接操作方便,同時通過采集端與展示端多渠道立體化地開放監(jiān)視,可以滿足不同工況的使用。
本項目中,托換、平移、旋轉(zhuǎn)都屬于高風(fēng)險作業(yè),并且周圍環(huán)境復(fù)雜,存在諸多不可控因素,因此在施工過程中進(jìn)行全程監(jiān)控,提供安全預(yù)警數(shù)據(jù),確保施工全程安全。同時,為保證對原文物建筑的原樣保護(hù)以及為后期修繕工作提供更詳細(xì)的資料,項目建立基于BIM技術(shù)的數(shù)字化文物結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測管理平臺,實現(xiàn)“事前模擬,事中監(jiān)控”的安全監(jiān)管方式,包括基于BIM技術(shù)的施工模擬(BIM建模、BIM動態(tài)施工模擬視頻動畫)以及數(shù)字化文物結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測管理平臺(包括BIM輕量化圖形引擎、BIM安全監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)接口開發(fā)等)。
①平移實施前建立全結(jié)構(gòu)的BIM施工模型,從施工準(zhǔn)備階段到建筑平移階段進(jìn)行全過程動畫拆解。施工動畫模擬的意義在于以下三個方面:第一,明確技術(shù)路線,高效開展施工交底;第二,以三維動態(tài)的方式進(jìn)行決策,便于技術(shù)方案評審;第三,對原文物建筑的原樣保護(hù)以及為后期修繕工作提供更詳細(xì)的資料,利于文物保護(hù),從技術(shù)層面,可形成標(biāo)準(zhǔn),長期服務(wù)于文保工程。
②在施工過程中,利用傾角、沉降、裂縫等測量傳感器,實時采集數(shù)據(jù),實現(xiàn)全程監(jiān)控。同時,建立基于B/S架構(gòu)的BIM文物結(jié)構(gòu)安全管理平臺,在BIM模型中三維展示安全監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過系統(tǒng),設(shè)定安全范圍,若超出預(yù)警,平臺實時報警,并直觀展示報警位置?;贐/S架構(gòu)的BIM平臺采用了國內(nèi)自主研發(fā)的BIM三維圖形引擎實時渲染,擺脫了軟件的束縛,保證數(shù)據(jù)安全,并可在瀏覽器中隨時查閱。監(jiān)測系統(tǒng)的平臺展如圖2所示。
圖2 基于BIM技術(shù)的數(shù)字化文物結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)展示
目前項目已順利平移到指定位置,并就位連接。整個平移施工過程中沉降、傾斜均在允許范圍內(nèi),結(jié)構(gòu)無新增裂縫,原有裂縫無明顯擴(kuò)展,結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定。
對于有價值的歷史、文物建筑,為了更好地實施保護(hù)和展示利用,采用整體移位的方式從技術(shù)上是可行的。通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的臨時加固,采取有效、可靠的平移實施方案,同時做好全過程的房屋監(jiān)測與信息化監(jiān)控手段,是房屋平移工程有效實施的基本保障。同時,關(guān)于互聯(lián)網(wǎng)云監(jiān)控技術(shù)在建筑物頂升平移項目中的研究開發(fā),可拓展控制領(lǐng)域的范疇,為類似領(lǐng)域的施工和大型構(gòu)件的平移、頂升和建設(shè)提供良好的參照,并為文物數(shù)字資產(chǎn)保護(hù)奠定良好基礎(chǔ)。
注釋
①張小龍,龐小軍,熊云凡.歷史文物站房分階段整體平移技術(shù)[J].建筑施工,2021(6):1061-1063.
②王建永.淺基礎(chǔ)文物建筑平移工程設(shè)計與施工[J].建筑施工,2020(1):74-78.
③周楚瑤.砌體房屋平移加固托換結(jié)構(gòu)受力性能分析[D].長沙:湖南大學(xué),2020.
④陳蕃鴻,董清崇,王依列,等.步履式頂推平移技術(shù)在廈門后溪長途汽車站主站房平移中的應(yīng)用[J].施工技術(shù),2021(1):11-15.
⑤黃超,陳蕃鴻,許錦林,等.BIM和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在大型建筑位移監(jiān)控量測中的應(yīng)用[J].建筑施工,2021(1):115-118.