优秀历史建筑外立面保护修缮工程中的超高脚手架数字化设计及智能化监测

归豪域

上海市建筑装饰工程集团有限公司 上海 200072

1 工程概况

上海展览中心（图1），原名中苏友好大厦，1955年于爱俪园旧址建成完工。2001年公示为上海市第四批优秀历史建筑（保护类别一类），静安区文物保护点；2016年公示为首批中国20世纪建筑遗产，所处地段繁华、人流密集，是上海市最为重要和核心的城市公共空间节点之一。

项目总建筑面积9万 m2，由14幢建筑单体组成，建筑高度110.4 m（鎏金塔顶），其中外墙修缮和序馆钢塔修缮是本工程的重中之重，是还原建筑历史风貌的关键。

2 工程重难点分析

本工程体量大、工期紧，地处上海市中心，毗邻核心商业圈，人流量大，全程不停业施工，对整体施工措施有着极其严格的安全性要求。所有外立面的修缮工作都需借助脚手架方可实施，其中序馆110.4 m高钢塔的脚手架为本大，搭设总高度超过50 m，属于超过一定规模的危险性较大的分部分项工程[1-6]。

3 基于数字化建造的历史保护建筑外立面超高脚手架设计技术

由于上海展览中心地处繁华闹市，人流量大、关注度高，对项目脚手架的搭设在安全性、美观性、功能性方面要求极高。由于传统脚手架不符合防火规范要求，且搭设及拆卸过程具有不可逆性和不可复制性，因而在选择脚手架搭设方案的时候选用承插型盘扣式脚手架，其相较传统脚手架具有承载力强（为传统脚手架的2～3倍）、质量轻、基本构件少、架设及拆卸作业方便、施工工效高、对建筑适应性强、稳定性强等优势，且搭设与拆卸部分采用可逆性连接，体现模块化装配的理念，安全水平高、文明施工水平高、配套功能齐全。

因盘扣架连接盘限制，无法搭设斜向水平杆，且盘扣架各构配件需提前在工厂加工，立杆、水平杆、斜杆长度须符合模数要求，支架布置尺寸受到一定限制。在现场实践过程中，发现有部分难点部位的架体搭设形式在规范中未注明，有些部位甚至需采用扣件式钢管架混搭才能满足架体的稳定性要求，故本工程采用基于BIM模型的超高脚手架数字化设计模式，以保证承插型盘扣式钢管脚手架的安全使用。

3.1 脚手架搭设前建筑结构安全性检测与脚手架强度复核验算

本项目序馆钢塔建筑总高度为110.4 m，在脚手架搭设前的结构依据是根据上房院对整体建筑结构进行的安全性检测。最初于1954年开工建造的上海展览中心房屋设计混凝土材料为C12，经现场实测及模型计算后推定实际混凝土抗压强度值为17.2 MPa，等级为C15，经综合评定可达到原设计C12混凝土强度的等级要求。因此，在不考虑地震的作用下，采用C15混凝土等级取值作为承载力复核依据并进行脚手架搭设方案设计及计算工作（图1）。

图1 房屋验算模型

结合安全性检测结果及麦达斯模型计算结果，综合考虑风荷载对高度达110 m的钢塔的影响。按常规脚手架满挂密目网并按6级风计算，其顶端位移达到了32 mm，超过钢塔倾斜度极限。经优化后，决定只在10层及以下部位使用密目网，10层以上改为使用空隙较大的安全网，将风荷载影响控制在可接受范围内。

此外，还对脚手架的立杆稳定承载力、水平杆强度、节点最大拉力和压力进行计算和优化，确保计算结果不超过杆件强度设计值。

为进一步加强其稳定性，结合脚手架稳定性、组合风载等要素，对原结构承载力进行叠加复核验算，从而保证其结构的安全性。相关区域按照实际情况建模，按现行国家规范，通过计算模型对比，结合荷载的标准组合形式，递进式分析比较梁柱配筋、轴压比情况。最终决定在11、14层增加格构柱支撑，以分散脚手架作用在楼板主梁上的力（图2）。

图2 建筑本体结构安全建模复核

3.2 基于数字化模型的外墙不停业修缮脚手架模拟搭设技术

为使脚手架工程满足本项目保护性修缮和不停业施工的要求，项目数字化团队基于数字三维模型对脚手架搭设方案进行分析模拟，验证方案的合理性并不断调整优化。通过三维模型与业主沟通搭设方案，使其对本项目外墙脚手架的设计思路和最终效果有直观、清晰的认识，有效提高沟通效率（图3）。

图3 脚手架策划方案

本项目脚手架搭设采用双排盘扣形式，序馆搭设总建筑高度为76.9 m，根据现场条件，分为2段搭设。第1段搭设的落脚点在第7层，搭设高度为7～11层，脚手架高度为14.3 m，共搭设7步，高度2 m×7步＝14 m，操作面上加2.0 m高护栏，护栏立杆采用1根2 m立柱连接。盘扣式双排脚手架横距900 mm，纵距600～1 800 mm；第2段搭设落脚点在第12层，搭设高度为12层到塔顶，脚手架搭设高度为58.3 m（另加2.0 m高护栏），共搭设29步，高度2 m×29步＝58 m，操作面上加2.0 m高护栏。盘扣式双排脚手架横距900 mm，纵距600～1 500 mm。

3.3 基于数字化模型的脚手架与外墙拉结点模拟优化

外立面施工脚手架与建筑进行拉结时，一般采用钢管扣件作为连墙件，使用膨胀螺栓等与墙体进行固定，不可避免地会对墙体造成一定破坏。但保护性修缮项目必须遵守可逆性原则，即“修缮工作以不直接损害历史建筑本身为前提，可满足日后必需时的拆除复原，以便今后更科学和更完整地修缮。尽量选择可逆技术与可再处理的施工措施，避免对历史建筑造成不可逆的干预。”因此，不可在外墙上打孔使用膨胀螺栓。

为解决此问题，项目数字化团队基于数字模型进行前期全场馆分析，编制裙楼外墙脚手架不停业修缮方案。通过数字模型分析，发现建筑外窗横向间距为2 780 mm、竖向间距为1 830 mm，而脚手架步距2 000 mm、纵距1 800 mm，窗间距离小于脚手架连墙件三步三跨的设置距离。为解决此问题，提出室内拉结节点优化方案，通过外窗连接脚手架与建筑结构，避免脚手架搭设对外墙体的破坏，脚手架拆除后场馆即可恢复正常使用，无需对拉结节点进行修补，最大程度减少了对场馆运营的影响。

为保证脚手架的稳定性，脚手架与原结构之间需增设多处拉结节点，每隔2层设置剪刀撑，以及用钢管扣件夹拉的方式将架体与塔身钢结构连接起来以保证整个架体的稳定性。脚手架体系与钢塔结构的拉结会影响钢塔结构的受力状态，两者在外界荷载作用下会产生一定的耦合效应，导致整个结构体系受力状态相对复杂。

针对项目脚手架搭设高度大、脚手架体系的自身刚度相对较小、对风荷载作用较为敏感的特点，为保证修缮施工期间的人员安全，在脚手架施工操作面外侧挂安全平网，增大了脚手架的挡风系数，减少了风荷载作用对脚手架体系的安全性能影响（图4）。

脚手架外部满挂阻燃密目网，遮挡脚手架保持建筑外立面整洁美观。脚手架外1 m处设置隔离栏杆，并设置“禁止通行”标识，提醒游客勿进入施工区域，隔离栏杆上设置水喷雾设备阻止施工时产生的扬尘外泄，保证场馆内道路及营业状态不受施工影响。通过窗户实现脚手架拉结，不破坏外立面，拆架后即可恢复正常使用，无需修补连墙件孔洞，最大程度地减少了对场馆运营的影响。

4 基于物联网的盘扣式脚手架智能化安全监测技术

本工程脚手架搭设形式为空间桁架体系，脚手架搭设高度高，与原建筑结构拉结点较多，会影响原建筑结构的受力状态；安全网布置面积大，对风荷载作用较为敏感。以往研究过程中，通常以四类监测值（应力应变、倾斜、沉降、位移）反映脚手架立杆受力情况、架体整体侧移量、竖向偏移量，传统脚手架监测大多依靠人工监测完成，监测效率低、范围小。

为确保本工程施工期间脚手架＋建筑结构体系的整体安全性，数字化团队引入智能化监测技术，对脚手架＋建筑主体结构体系施工全过程的受力状态进行实时监测及预警，评估整个结构体系施工期间的安全性。采用基于物联网的盘扣式脚手架智能化监测系统对现场数据进行频率30 s/次的在线实时监测，开展脚手架与原结构的相对位移监测、与建筑拉结点受力监测、建筑振动频率监测等脚手架信息化检测配套工作，并可通过无线传输和数值分析对脚手架＋建筑结构体系安全进行风险评估，弥补传统方法的不足，及时发现脚手架安全隐患并实现即时预警，实现基于信息化手段的不停运状态下历史保护建筑修缮复原工艺的可追溯式提升。

4.1 重点监测内容

针对本工程脚手架＋建筑结构体系的特殊性，以脚手架、建筑结构两者各自受力状态和两者耦合作用效应作为本次施工监测的重点，监测内容如下。

4.1.1 脚手架监测

1）脚手架底托反力监测可反映脚手架在风荷载作用下底座的拉、压情况，同时可获取脚手架体系传递给建筑结构的荷载作用。

2）脚手架整体倾斜监测可反映脚手架体系在施工期间不同高度的倾角变化，通过有限的点位倾角变化可大致推测脚手架体系的水平变形状态。

3）脚手架与钢塔拉结点应力监测可反映拉结点位置脚手架构件的局部应力状态，可判断脚手架构件是否会因拉结点应力集中而出现破坏。

4.1.2 建筑结构监测

1）11层顶主梁应力监测（标高44.39 m）。11层顶为第2段脚手架的支承平面，该平面承受脚手架所传递的大部分荷载。通过11层顶主梁应力的监测，可了解建筑结构在脚手架体系作用下所产生的应力大小，掌握建筑结构在施工期间的受力状态。

2）11层顶楼板不均匀沉降监测（标高44.39 m）。11层顶为第2段脚手架的支承平面，在承受上部脚手架的荷载作用下，11层顶楼板会发生一定的竖向变形，且依据不同落脚点所传递的作用不同，楼边产生的变形也不一致。因此，通过11层顶楼板多点位的不均匀沉降监测，可掌握建筑结构在施工期间的相对竖向变形状态。

3）7层楼板不均匀沉降（标高30.84 m）。7层顶为第1段脚手架的支承平面，在承受上部脚手架的荷载作用下，7层楼板会发生一定的竖向变形，且依据不同落脚点所传递的作用不同，楼边产生的变形也不一致。因此，通过7层顶楼板多点位的不均匀沉降监测，可掌握建筑结构在施工期间的相对竖向变形状态。

4.1.3 脚手架＋建筑结构体系风环境监测

风荷载是本工程脚手架＋建筑结构体系的主要活荷载，且脚手架对风荷载作用的敏感性较高。因此，依据风环境监测可实时获取施工环境下的风速、风向，可大致推算结构所承受的风荷载大小及分布情况（图5）。

图5 脚手架底托反力监测点布置示意

4.2 脚手架物理性能监测平台

序馆钢塔脚手架高度达到110 m，风荷载成为影响脚手架安全性的主要因素。将智能化监测技术收集的数据建立气候对外立面脚手架各物理性能指标同步影响的在线监测平台，项目部可以将任意时刻的风速风向数据与脚手架及建筑本体的位移、倾角、应力、应变等物理性能指标进行对比分析（图6）。

图6 脚手架物理性能监测平台

以2021年4月30日上海遇到的突发大风天气为例，通过查阅历史数据可发现：当天22点左右风力开始加大，在22点半收集到的最大风力瞬时值为11.28 m/s，同时检测到最大倾角测点3为x轴0.260°，测点1为y轴－0.275°；脚手架应力及底托反力在22点发生明显变化。但数据最大值未达到报警阈值，脚手架能够保持其安全性（图7）。

图7 上海突发大风的历史数据

5 结语

根据住房和城乡建设部2021年统计，全国历史保护建筑已达4.27万处，建筑形式多样、种类繁杂，使用和维护现状也千差万别，其中很多建筑地处城市公共空间的重要节点和核心地段。尤其对于处于运营状态的大型优秀历史建筑公共场馆的外立面修缮工程，因其具有外立面露天施工、工程量大且分散、全过程不停业等特点，对现场勘察、前期策划、修缮设计、方案编制、现场施工、安全管理等各个环节提出了更高的要求。本项目中序馆钢塔脚手架作为超高变截面复杂脚手架形式，在一般工程项目中很少能够涉及，通过基于数字化建造的优秀历史建筑外立面超高脚手架设计技术以及基于物联网的盘扣式脚手架智能化安全监测技术的落地应用，能合理优化施工方案，有效提升修缮施工效率和工程管理水平，确保序馆钢塔修缮工作的安全实施，经济效益显著，可为今后类似工程提质增效提供宝贵的借鉴价值和重要的示范作用。