既有空间屋盖结构拆除改造技术研究及应用

陈振明，高 飞，徐 斌，隋小东，黄世涛，石宇颢

(1. 中建科工集团有限公司， 广东 深圳 518054； 2. 中建钢构工程有限公司， 广东 深圳 518118；3. 华中科技大学 土木与水利工程学院， 湖北 武汉 430074)

改革开放40余年来，我国建筑业取得了举世瞩目的成就，建造技术越来越成熟，建造出了多个“世纪”工程[1]。然而，随着大量工程因服役期届满或者受到外界因素影响导致建筑物正常使用功能受损或承载力难以满足规范要求而无法继续服役，尤其在恶劣台风区，大跨空间屋盖结构极易发生损坏。若将既有损坏建筑拆除重建，必将造成大量的人力、物力浪费，且成本高。近年来，各国学者开展了系列的既有屋盖结构改造研究，下面重点从屋盖改造设计、屋盖拆除方式以及金属屋面设计三个方面进行阐述。

(1)屋盖改造设计

郑彪[2]针对城市的发展超过规划预期，加之老城区拆迁困难，提出了“提升建筑外观形象、城市街区环境品质”为主的风貌改造设计方法，从前期策略和建筑设计策略2个不同的角度出发，围绕旧城改造中的平屋面设计策略进行分析，为老旧建筑屋面改造工作提供了大量可行性的方法。

佳木斯铁路客车车库钢屋架长期使用、年久失修，钢屋架锈蚀严重，达到E级锈蚀程度，存在较大的安全隐患；车辆库内烟、雾、尘埃浓度较大，造成严重的空气污染。杨跃[3]提出了将原有屋面“拆除重建+增加悬挂排烟系统”的方法，延长了屋架结构的使用寿命。

某旧网架由于屋面经多次防水处理造成恒荷载过大，加之杆件表面锈蚀致使有效截面减少，造成网架承载力不足，刘泽祺[4]利用MSTCAD空间结构分析设计软件建立该网架顶模型，并进行动力分析，分析认为换用新型轻钢结构屋面可以减轻恒荷载，从而使结构满足承载力要求。

(2)屋盖拆除方式

甘蓓晔[5]针对保障性安居工程对既有老旧住宅的功能要求，提出了“平改坡”的房屋修缮、综合改造方案，并结合工程实例，总结了屋面及相关设施综合改造工程中的局部拆除施工关键技术要点和项目管理、协调中的一些经验。

秦成龙[6]针对某广场钢结构采光顶工程，采光顶高度为23.75 m，由一个直径为22.6 m×32 m椭圆构成，结合现场实际情况，在采光顶桁架上安装小型吊机进行拆除，经设计院计算、专家论证后，认为该方案可行，因此施工时按照该方法拆除架体，在拆除施工过程中并未发现采光顶发生异样。

雷元新等[7]依据对展览中心的结构特征分析，有针对性地制定了大厅飘蓬分跨拆解拆除法、网架拱3机抬吊整体拆除法、门式刚架“挂篮人工分割+吊车吊挂”吊拆法，通过层级协同管理制度的执行，按时、安全地完成了拆除任务，其技术和方法有较好的工程应用价值。

(3)金属屋面设计

刘林[8]针对钢结构厂房、大跨钢结构等旧楼改造中彩钢板屋面易发生损坏、且维修难度高的问题，创造性地使用了铝镁锰金属板材与传统结构设计相结合的施工方法，运用工厂化加工制作板材及支座、运用特殊的锁边咬口技术对板材进行连接，使屋面的结构性、防水性、整体性和使用寿命更长，外观更美观。

施林杰[9]结合工程实际，对泡沫玻璃直立锁边金属屋面系统在台风地区的固定加强做法进行了研究，通过金属盘增加螺丝直接固定至建筑结构、檐口金属盘固定点加密、檐口增加折边处理以防止强风倒灌入金属屋面间隙等方式，从各方面增强屋面抵抗风荷载的能力。经工程实践验证，虽遭遇多次台风冲击，但屋面系统未发生明显损坏，为类似工程积累了经验。

张耕[10]主要通过分析北京首都国际机场T3航站楼金属屋面等较典型的被风揭案例，阐述了直立锁边屋面板及其零配件受负风压破坏的主要原因，并给出了一整套的抗风揭加固方法，对既有大型公共建筑直立锁边金属屋面的抗风揭加固具有重要的借鉴意义。

景晓昆等[11]针对强风作用下直立锁缝屋面体系多发生固定支座脱扣破坏现象，综合考虑固定支座受力的实际影响范围和屋面脉动风力的空间相关性，提出了固定支座有效受风承载面积的计算方法。研究结果表明，采用建议修正方法得到的固定支座所受风荷载值可以包络实际风致动力响应的极值，且表达形式简洁，方便工程设计使用。

上述研究表明：大多数学者仅仅针对既有住宅屋盖结构改造的某方面开展了相关研究，但系统性不强，尤其是大跨空间屋面结构。

1 屋盖结构改造技术创新

1.1 屋盖改造设计研究

针对传统屋盖改造设计主要围绕住宅建筑[2]，对既有空间屋盖结构研究系统性不强的问题，本文对既有空间屋盖结构改造设计开展了系统性的研究，从前期规划及建筑设计两个方面形成研究成果如下：

(1)前期规划

需要在对所有待改造的屋面形式进行调查、归类及分析的基础上，研究一个整体可行的改造手法，并将这种手法向屋面风貌性美化及满足既有空间新功能需求的方向延伸，从而与当地建筑的人文环境更好的融合，且达到改造的目的。

(2)建筑设计

1)“平面改单坡或多坡屋面”，改造后坡屋面尺度高，内部空间大。一方面可以提升屋盖在台风荷载等极端外力作用下结构力学性能，另一方面适应空间可以容纳更多的设备等功能需求。

2)改造后坡屋面形式复杂，屋面风貌特征性强。可以满足不同建筑风格的变换策略，如仿古、欧式、现代等，且还可以根据不同需求，提供不同造价形式，按照经济、安全、使用、可靠的原则，因地制宜，达到最佳效果。

3)改造后坡屋面运用新科技，使建筑适应新时代发展。结合被动节能技术，如采用安装光伏节能板、屋面雨水再利用等新技术，赋予建筑新时代特色。

4)改造后坡屋面实现装配式概念、形成扩大化生产。大力推广从设计、制造及安装全产业链考虑最有效、经济的屋盖结构。

1.2 屋盖拆除技术研究

针对钢网架屋盖结构跨度大、拆除过程中不能损坏原主体结构，及整体拆除需投入大量支撑措施和起重吊装机械不经济的问题，提出了“高空分片拆除、地面人工解体”的拆除方法。首先通过分析结构受力特点，及开展拆除施工模拟，确定钢网架屋盖结构拆除单元划分。其次，考虑到拆除过程中桁架分片解体后剩余部分的稳定性，施工时在拆除节点部位处搭设临时支承措施。然后，用位于建筑外侧的大型设备吊装拆除逐榀逐片的钢网架屋盖结构，最后在地面进行人工解体。

拆除每榀网架时，为防止拆除的网架对脚手架、汽车吊产生突施荷载，即能够使拆除的网架荷载由原结构连接处逐级向吊机及支承脚手架转换，提出了“所有吊装网架在切割前需由汽车吊预加40%～60%的结构自重荷载+切割网架的上下弦杆前应拉紧对应的倒链(以人力拉动产生明显用力为界)”的方法，以保证所有网架的向上提升力与自重力基本持平。切除方向应以先撑后拆、先拆次后拆主、先拉紧后切割的方式，整体顺序以达到网架自承重为目标。

网架拆除至地面后，在地面使用火焰进行切割解体，解体顺序由一端向另一端进行，如图1所示，首先切割端头腹杆及螺栓球节点悬挑圆管2/5/1/6/3/4，其次切割上弦杆7/8，最后切割另外一组腹杆及螺栓球节点9/10/11/12，依次循环直至拆除分片解体完成。现场切割时注意防止局部变形，切割后的单根杆件按要求码放整齐，分解完成后统一运至场外处理。

图1 地面解体示意

1.3 金属屋面设计研究

传统固定支座与屋面板连接方式均存在一定使用或改造缺点，本文发明了一种新型金属屋面固定支座与屋面板的连接方式。新型固定支座(图2)由镀锌钢板底座和不锈钢锁合片组成，镀锌钢板底座是对称分开的，可用自攻钉将底座固定在檩条上，锁合片与底座通过不锈钢螺栓连接，两者可相对转动，锁合片与屋面板锁合式连接(图3)。使用该金属屋面板固定支座对金属屋面板进行固定时，金属屋面板与底座间具有间隙，二者不接触，避免了金属屋面板在产生变形时与底座间的摩擦，从而防止对金属屋面板的涂层产生损坏，且该固定支座的结构简单，无过多复杂形状，易于制造，一定程度上能够降低成本。

图2 固定支座轴测图

图3 固定支座与屋面板咬合成型示意

金属屋面新型固定支座与屋面板连接方式具有以下优点：(1)固定支座构造简单，加工效率高，节约制作成本；(2)固定支座相对复杂异形支座，运输空间利用率高，可节约运输费用；(3)固定支座与屋面板不接触，避免屋面板变形时与固定支座相对滑动摩擦，破坏屋面板涂层，形成渗漏点；(4)固定支座的连接紧固件现场安装便利，不受固定支座构造的空间限制，提高安装效率和质量。

2 工程实例应用

2.1 工程概况

大鹏新区，作为“中国最美的八大海岸”之一，三面环海。由于处于亚热带气候的最南边，一年四季多雨雾，常受台风侵袭，海风风口位于东南面，风速较大。

大鹏文体中心位于深圳市龙岗区大鹏街道人民路和鹏飞路交汇处，为体育建筑及配套办公工程，总建筑面积8063.01 m2，原主体结构为混凝土框架结构，屋顶采用弧形曲面彩钢板屋面，屋盖结构为钢网架。屋盖结构分为南北两部分，东西向4榀钢网架最大跨度43 m，南北向6榀钢网架跨度42 m，南侧悬挑最高约为29 m，北侧最低16 m，上下层钢网架高度为2.0 m。屋面板(图4)厚度为150 mm，其中，金属屋面为0.6 mm铝镀锌屋面板。

图4 原有屋盖结构示意

受2018年台风“山竹”侵袭，大鹏文体中心屋顶部分损毁严重(图5)，现状屋顶迎风面处大量铝塑板脱落，屋顶中部采光膜也因老化问题亟需维修更换。整个文体中心的建筑功能已受严重影响，屋顶改造工作急需展开。

图5 大鹏文体中心改造前实景

2.2 改造设计方案

(1)改造设计理念

既有空间屋盖结构改造设计时需保证其安全可靠，避免再次出现屋顶受损的情况，在改造设计时需要兼顾：1)屋顶改造部分必须具有能够抵御恶劣极端天气的能力；2)体现整洁、美观、智慧、现代化的特点；3)体现与周边环境协调性的特点；4)体现科学、节能、环保的特点；5)考虑屋顶改造的经济性与效益性，提高性价比。

(2)改造设计方案

由于大鹏文体中心地处海边，常年遭受各类暴雨台风侵袭，且原屋盖结构为单坡面结构，迎风面面积大，导致屋面结构在恶劣台风作用下所受风压大，易造成金属屋面板撕裂。屋盖结构悬挑部分也大大增强了恶劣台风带来的风力作用，对金属屋面板破坏性强。因此，通过多方案对比分析，最终确定由“单坡屋盖结构”改为“双重坡屋盖结构”， 屋面系统采用镀铝锌金属屋面系统的拆除重建方案(图6)，该方案优点如下：1)坡屋顶的设计可有效降低建筑迎风面面积，增强建筑抵御恶劣台风天气的能力；2)采用同深圳国际会展相同的镀铝锌金属屋面体系，经台风“山竹”验证，该屋面体系抗风性能优越；3)用“桁架结构”与“双重坡屋顶屋面”相结合、对现有外侧排柱进行改造的设计手法，让“现代”与“传统”相融合，从而体现出深圳“活力之城”与大鹏古城的“古典之美”的特质；4)体育馆活动场地部分与配套功能部分巧妙设计成双坡屋顶，从而让建筑立面上形成中国传统民居建筑山墙的形式，使其与不远处的大鹏古城遥相呼应；5)因为是改造工程，本设计尽量少改变现有建筑结构，保持了现有建筑风格与改造部分元素的融合，同时具有便于快速施工、经济效益好等特点。

图6 大鹏文体中心改造后效果

2.3 拆除安全控制技术

(1)拆除单元划分原则包括：1)分片网架重量不应超过车吊性能的80%；2)切割点应尽量避免设置在网架节点处；3)分片方向应尽量平行于网架方向；4)分片大小不宜过大，方便吊运；5)分片位置宜有利于施工操作。

(2)拆除安全控制技术研究

每榀桁架高空拆除时，按照分片顺序，两端同时切割，切割时作业人员将安全带悬挂在拉设于剩余固定桁架部分的钢丝绳上，利用铺设于网架上下弦杆上的跳板进行灵活站位。为防止当切割最后一根圆管时，已切割分片与剩余分片之间发生应力集中释放产生摆动，导致作业人员滑跌，并结合桁架结构受力特点和切割人员站位，制定的切除顺序为：上弦、下弦、腹杆。上下弦杆圆管直径较大，壁厚较厚，切除后可利用腹杆变形释放一部分应力，有利于拆除稳定。

钢网架屋盖拆除是一项安全风险性较大的施工活动。本文结合安全性及可操作性，创新性提出了一套适用于钢网架拆除的安全操作平台及个人安全防护措施(图7，8)。

图7 安防措施示意

图8 个人安全防护措施(分别在上、下弦位置)

2.4 金属屋面施工方法

新型连接方式的装配方法具体如下：

(1)首先将固定支座所包含的零件进行组装，用紧固件将底座和锁合片连接在一起，然后拧紧紧固件.

(2)固定支座安装前用经纬仪对屋面进行测量放线，然后用自攻钉将组装完的固定支座固定在屋面檩条上.

(3)固定支座安装且复核无误后，先安装屋面板公肋，屋面板公肋安装时因自重板宽方向有一定程度下挠，可利用下挠后的宽度减小，同时人工搬动屋面板公肋，将屋面板公肋锁合部倾斜装入固定支座锁合片中.

(4)安装完屋面板公肋后，再安装屋面板母肋，屋面板母肋可直接放在锁合片顶部。屋面板母肋安装完毕后，用金属屋面锁边机(电动)对锁合片、屋面板公肋及屋面板母肋进行360°咬合，咬合完成后，锁合片与屋面板紧密连接，抗风和防水性能较好，同时锁合片与屋面板不产生滑动，可同步转动。

3 结 语

通过提出由“单坡屋盖结构”改为“双重坡屋盖结构”的拆除重建方案，解决了原屋盖结构在恶劣台风区受力不合理的问题。提出的“高空分片拆除、地面人工解体”钢网架拆除施工方法对于场地较为开阔、场内无法布设吊装设备、拆除后需新建工程施工十分有利，解决了在主体结构保留前提下对既有空间屋盖结构的拆除难题。同时发明了一种金属屋面系统固定支座及连接技术，解决了传统金属屋面易撕裂的问题。

本技术对同类既有空间屋盖结构改造提供了完整的解决方案，为我国既有空间屋盖改造提供了良好的技术支撑，助力既有城市工业区升级改造、城市更新。