高层建筑屋顶结构改建施工关键技术

夏凉风

上海市机械施工集团有限公司 上海 200072

1 工程概况

某高层办公楼位于市中心闹市区，建筑地下2层，地上24层，总高度为97 m，主体为现浇钢筋混凝土框架结构，基本柱网为8.2 m×8.2 m。现根据使用功能调整，需要对顶部原大会议室区域进行改造。改造方案如下：拆除原有大楼顶部部分混凝土屋面，内部新增2层办公空间，并在原屋面标高以上1.6 m新建屋面。新增结构采用钢框架结构，新增钢柱和钢梁与既有混凝土柱之间采用后置埋件连接，楼面及屋面采用压型钢板组合楼板形式。改建范围及改建前后的结构如图1所示。

图1 屋面结构改建示意

办公楼南侧和西侧紧邻市政道路，东侧紧邻高层住宅，北侧为高层办公楼。地面可利用的施工场地仅为东侧与住宅小区之间的狭小通道（图2）。办公楼顶部改建区域南侧有结构高出屋面，改建区域北侧屋面设置有冷却塔，改建区域屋面现状为屋顶绿化花园，周边存在冷却塔管道及部分空调外机。为确保改建过程不影响办公楼的正常使用，空调外机可以拆除，但不能影响冷却塔，连接冷却塔的管道必须保留，直至新屋面建成后启用新的管道。

图2 周边环境示意

2 改建实施难点

2.1 材料垂直运输难度大

除施工人员和小型施工机具可以借助大楼货梯到达屋顶外，结构构件等大宗材料均无法利用货梯运输。大楼屋顶高度达97 m，离地高度高，地面可用场地极为狭小，无法利用在地面布置的大型起重机直接完成吊运工作，材料垂直运输难度很大。

2.2 防水和环境保护要求高

由于屋顶需要拆除改建，而下部的办公楼仍需正常运营，因此需要做好可靠的防雨水措施。为减少对大楼及周边环境，尤其是紧邻的高层住宅的影响，要求屋顶结构改建过程中采取有效的防尘、隔声以及光污染控制措施。

3 改建方案研究

3.1 垂直运输方案

屋顶结构拆除和改建的一大技术难点在于材料的垂直和水平运输。根据测算，需要拆除的屋面混凝土梁质量约1.6 t/m，按分段长度3 m考虑，质量小于5 t。新建钢结构构件质量不超过3 t。由于施工作业面位于楼顶，离地高度近百米，地面起重机很难到达此高度，且成本高昂。考虑在屋顶角部安装1台QW6型小型屋面吊进行物料的垂直运输。QW6型屋面吊最大起重量为6 t（对应工作半径为9 m），但最大幅度仅22 m（对应起重量1.5 t），无法覆盖整个改建区域。因此，在改建区域另布置1台额定起重量5 t、跨度16 m的电动葫芦单梁梁式起重机，通过小型屋面吊结合梁式起重机接力吊装实现全覆盖作业（图3）。

图3 垂直运输设备布置

QW6型屋面吊部件质量比较轻，最大部件质量1.8 t。屋面吊安装在改建区域外侧角部，底座4个支座间距为4 m×4 m，通过设置型钢转换梁将屋面吊荷载转换至4个混凝土结构柱顶部，转换钢梁与混凝土柱顶之间采用后置锚栓连接。屋面吊每个支座最大压力为170 kN，最大拉力为90 kN。经复核，既有结构柱承载力满足要求。转换钢梁及屋面吊部件采用设置在屋顶上的2 t起重桅杆吊运、组装。起重桅杆根据大楼货梯尺寸设计，通过货梯运输至屋面后法兰对接接长[1]。

5 t电动葫芦梁式起重机大车开行轨道及轨道梁沿改建区域两侧布置在女儿墙结构顶部，本工程女儿墙为混凝土梁柱结构，由下部结构框架柱向上延伸，改建方案中予以保留。单根轨道梁长度8.2 m，轨道采用QW6型屋面吊吊运至女儿墙顶部，然后采用卷扬机沿女儿墙顶面水平拖运至安装位置安装，轨道梁两侧每隔3 m设置1道侧向限位，避免拖运过程中轨道梁从女儿墙顶部滑落造成安全事故。轨道梁及轨道安装完成后，采用QW6型屋面吊安装梁式起重机，梁式起重机整机质量为4.2 t。

3.2 全天候施工防护棚设计应用

既有建筑屋顶拆除改建过程中，在老屋顶拆除、新屋顶尚未建成期间的防雨水问题同样是一个难题。常规做法是靠“疏导”，即在需要拆除的区域下方四周设置挡水坎和排水设施，以避免雨水流入下部空间，但遇到暴雨时，疏导压力极大，雨水容易倒灌楼内。此外，屋顶结构改建往往采用敞开式作业，施工过程中的灰尘、噪声、夜间施工光污染等影响环境的问题很难得到控制。为解决上述问题，通过设计采用可开启的施工防护棚，覆盖整个改建区域及屋面临时堆场，创造全天候施工环境。防护棚采用镀锌方管制作，螺栓装配式连接，四周设轻质围护板封闭，方便安装和拆除。防护棚分为固定段和移动段，移动段可平移开启，方便屋面吊吊运材料；屋面吊不吊装时，移动段封闭，保证全封闭施工。防护棚内部设置照明设施，方便夜间施工，同时避免扰民。

全天候防护棚采用QW6型屋面吊装拆。由于屋面吊不能全部覆盖，固定段防护棚通过设置平移轨道移动到屋面吊覆盖范围后装拆，平移动力采用卷扬机牵引。固定段防护棚平移轨道平行设置在梁式起重机轨道外侧。防护棚柱脚内侧设置滑移脚，滑移脚与柱脚之间采用螺栓连接，便于装拆。固定段防护棚平移到位后，柱脚与轨道下横梁固定连接，并拆除侧面的滑移脚，腾出空间，轨道用于移动段防护棚的安装和平移（图4）。

图4 防护棚、梁式起重机轨道节点处理

防护棚安装高度位于百米高空，设计时考虑相应高度的风荷载作用。梁式起重机和防护棚安装在女儿墙柱上，对其产生的额外荷载如起重机自重、吊重、防护棚自重、轨道自重等竖向荷载以及作用在防护棚上的风荷载、梁式起重机小车制动荷载等水平荷载，考虑荷载叠加作用，对改建过程中女儿墙结构最不利工况下的承载力进行复核，经计算满足要求[2-4]。为安全起见，在女儿墙柱内侧设置型钢临时侧向支撑，进一步增加平面外稳定性。侧向支撑先期支承在既有屋面混凝土主梁上，后随新增钢结构施工逐根转换至新增钢结构主梁上。

3.3 既有混凝土结构拆除与新建钢结构施工

屋面混凝土结构拆除后，两侧混凝土柱及墙体侧向无约束，悬臂高度较高，而且上部还有防护棚和梁式起重机荷载作用，为确保结构稳定，按如下施工顺序实施：

1）拆除屋面混凝土楼板及次梁，保留框架主梁。

2）安装新增的下层钢柱及钢梁，并与两侧保留的混凝土柱连接，形成框架结构。

3）拆除一个轴线的屋面混凝土主梁，并安装该轴线节间的屋面层新增钢柱及屋面钢梁，女儿墙柱侧向支撑相应地置换至新增主梁上。

4）按步骤3依次拆除其余屋面混凝土主梁，安装屋面层新增钢结构。

5）屋面层钢结构安装完成后，逐层施工压型钢板组合楼板，完成改建结构工程。图5为屋面楼板拆除、框架梁保留工况下安装新增钢结构示意。

图5 新增钢结构安装示意

为减小混凝土结构拆除产生的振动、噪声以及粉尘影响，采用金刚石链锯静力切割技术拆除。拆除前，在梁板结构下方搭设脚手架临时支撑，确保切割安全[5]。混凝土梁、板切割尺寸按起重设备能力以及运输限制予以控制。混凝土构件切割后采用梁式起重机驳运至屋面临时堆场，再由屋面吊吊运至地面运走，在场外破碎。

既有钢筋混凝土结构不可避免地存在施工误差，为确保新增钢结构安装精度，在拆除既有结构装饰层后采用三维激光扫描仪扫描，获取既有结构点云模型。再与新增结构合模确定新增钢结构的准确尺寸，钢结构依据实测尺寸绘制详图、加工制作。新增钢结构运至地面堆场后，采用屋顶的屋面吊垂直运输至屋面钢结构堆场，然后采用梁式起重机水平吊运、安装到位。

由于屋面高度接近100 m，新增楼层的混凝土无法采用混凝土泵车直接泵送浇筑。如设置固定泵浇筑，需要沿建筑高度方向设置垂直泵管，影响建筑幕墙且泵管安装和拆除难度大，施工成本高。改建结构为钢结构，混凝土量不大（仅用于楼板），因此采用料斗由屋面吊、梁式起重机接力吊运至楼板位置浇筑。

3.4 冷却塔管道的保护和替换

改建区域两侧的女儿墙内侧设有冷却塔管道，在改建过程中不能拆除管道，以确保大楼正常运营使用。通过在管道外侧设置角钢支架和镀锌钢板对管道进行隔离保护，并设置醒目的警示标记，避免施工工程中直接碰撞管道。改建施工完成后，在新的屋面上安装管道并完成接头改造后，再拆除旧的管道。

4 结语

针对既有高层建筑屋顶结构拆除和改建工程中遇到的垂直运输、防风雨以及环境保护等难题，分别采用屋面吊结合梁式起重机的组合吊运和全天候开启式防护棚应用方案，有效解决了百米高空结构改建施工技术问题，提升了改建工程机械化施工水平。当遇夏季高温季节施工时，可在全天候防护棚内部设置雾化降温装置，提升作业环境舒适度。