托换钢结构的室内吊装方案比选分析

黄 军

上海天演建筑物移位工程股份有限公司 上海 200336

红楼为上海市优秀历史建筑，因周边基坑施工，房屋在自身倾斜、不均匀沉降较大的现状下，存在进一步损坏的风险。为了保护这一优秀的历史建筑，采用桩基＋主动托换调平的抢修加固方案进行施工，可消除周边基坑开挖对其带来的不利影响。托换钢结构快速、安全地安装，使得红楼在周边基坑开挖过程中处于可调控状态，保证其结构整体姿态不发生改变[1-4]。

托换钢结构室内安装是本工程最大的难点之一，同时也是邻近地块开发项目能否如期施工的关键点之一。

1 工程简介

红楼前身为日本领事馆，是一座保存完好，具有特殊历史意义的百年建筑，保护意义重大。房屋为砖混结构，周边环境复杂，三面紧邻基坑：南侧防汛墙基坑、东侧329项目基坑、西侧海鸥饭店基坑。房屋质量检测报告显示，局部墙体存在裂缝，个别监测点超过0.4%。若基坑开挖过程中不对红楼采取有效的加固措施，可能导致其出现不均匀沉降，甚至对结构造成进一步破坏。

根据红楼现状及现场实际情况，采用类似黄浦区某教堂抢修加固中成功使用的可调式主动托换方案进行加固。红楼因基坑施工造成的不均匀沉降，利用上述方案可随时进行动态调整，使红楼整体始终保持在一个稳定的状态。本工程共布置149套可调式主动托换装置，仅钢结构工程量就达180 t。本文主要对可调式主动托换装置的安装方法进行讨论比选。

2 可调式主动托换分析

若托换钢分配梁在不安装的状态下，只对上托盘梁的锚杆静压钢管桩进行封桩，则红楼仅处于桩基被动托换的状态（图1），周边基坑开挖深度较深，缩短了钢管桩的有效桩长，若锚杆静压桩发生沉降，仍会造成红楼的不均匀沉降，无法完全保证上部结构安全。

图1 桩基单独托换立面示意

在桩基被动托换的基础上，加上可调式主动托换装置，使红楼处于主动托换＋桩基“双保险”的安全状态（图2）。在此状态下即使钢管桩发生沉降，也可利用可调式主动托换进行纠偏，对发生沉降的区域，通过液压顶升进行高差补偿。这样红楼上部结构能保持稳定不发生沉降，保证周边项目的基坑正常开挖。

图2 桩基＋主动托换立面示意

可调式主动托换装置由上下钢分配梁、PLC同步液压调平系统、连接上下钢结构与上托盘梁的精轧螺纹钢组成（图3）。

图3 主动托换调平装置钢结构

3 室内安装条件介绍

托换钢分配梁安装于钢管桩之上，钢管桩高于上托盘梁面1.2～1.5 m（上托盘梁是托换结构，在钢结构安装阶段可视作室内首层结构面），再加上托换钢结构最终安装高度在2.5～2.8 m，红楼室内净空高度只有2.8～3.3 m，普遍区域的高度为3 m，安装高度外可吊装的高度只剩不超过50 cm（图4）。

图4 设备安装后的示意

因工程是抢修性质，整个工期比较紧张，托换钢结构安装工期若较慢，势必会导致基坑施工工期的延期，进而影响到整个项目的进程。

在室内净空只有2.8～3.3 m的条件下，如何安全、高效地安装149套总重超过180 t的可调式主动托换装置，是整个抢修托换工程最大的难题之一。

4 工程重难点

1）工期紧：为保障周边基坑按期施工，7 d内需完成这149套设备的安装、调试。

2）安装环境复杂：室内净空只有2.8～3.3 m，上托盘梁纵横向布置，临边洞口较多，施工场地狭小。

3）文物保护：安装区域涉及重点保护部位，需保护好室内文物；吊顶天花板、墙体多为白色装饰，施工过程需零触碰、零污染；这些保护部位凸出室内墙面，阻碍部分区域竖向空间的利用。

4）质量较大：为缩短整个抢修加固工期，主动托换装置的钢分配梁提前加工好，但是加工后的钢分配梁质量较大，为施工现场安装带来更大的难度。

5 安装方案的比选

为解决托换钢分配梁及主动托换调平的设备安装问题，项目管理人员与经验丰富的专业人员一同探讨解决方案，经多次讨论，确定基本方案有3种：微型机械设备进行安装；搭设施工平台，在平台上进行吊装作业；依靠现有的条件，制造拆卸式龙门架吊装。

钢分配梁由40b#槽钢双拼后焊接组成，在端部及中间焊缝处由矩形钢板焊接加固，根据桩位间距长度不一。单套分配梁最重的为2.12 t，加上液压装置，总重接近2.5 t。需要将钢分配梁吊装至预留的钢管桩顶部进行安装（图5）。

图5 钢分配梁安装位置平立面

5.1 微型蜘蛛吊倒运吊装

根据7 d工期，优先选用机械吊装进行安装，考虑室内净空高度2.8～3.3 m，采用非常规的蜘蛛吊进行安装（图6）。单套分配梁的质量为2.1 t，起吊高度为3 m，经市场咨询，可选用3 t微型履带蜘蛛吊进行倒运安装钢结构，设备宽1.2 m，高1.4 m，体积小巧、吊装灵活。

图6 蜘蛛吊设备照片

该方案若能实现，将极大地解放现场劳动力，7 d内完成180 t的安装工程量理论可行，同时机械施工，人员安全得到保障。

实践中采用蜘蛛吊设备进行安装的方案失败，原因分析如下：

1）房间空间较大的区域能快速安装，如客厅、会议室等，对楼梯、办公室、房间及重点保护部位区域，受其凸出装饰面及净空影响，无法采用该方案安装或安装工效大大降低。

2）该设备使用费用较高，已超过该工序总成本的1/3。在室内空间3.3 m内，类似采用设备吊装的办法局限很大，且造价高昂，不建议选用。

5.2 脚手架平台吊架

拟搭设施工平台不与房屋直接接触，平台占地面积小，选用人工吊装的办法。这一思路能解决保护装饰面、文物的这一难题。

在需要安装设备的钢管桩外侧搭设盘扣脚手架平台，平台高2.8 m，平台上方安装钢横梁，横梁采用20b#工字钢，梁上配置3 t手拉葫芦，分块进行吊装。平台与钢管桩采用焊接构件固定，并安装斜撑加固（图7）。

图7 方案二构思示意

受脚手架自身材料强度影响，吊装过程中平台容易发生失稳，坠落的安全隐患大，因此该方案在吊装工程中是不成功的。

5.3 装卸式龙门架吊装

经过实践结果分析，采用可拆卸式的某种平台，以人工进行吊装的思路符合现场条件。若吊架平台的支撑足够安全稳定，就能解决失稳的问题。根据红楼工况及限定工期的条件，利用已压入基础的钢管桩作为吊装平台基础支撑，是最节省工期的。

可采用构思出的可装卸式龙门架进行吊装，该装置需满足操作简便、适用室内施工环境且自身满足吊装强度的要求。装卸式龙门架由2根竖向立杆、抱箍、钢管插销、横梁组成，采用手拉葫芦人工吊装至所要高度。经比选分析，从安全、工期、环保的角度来说，选择该方案最为适合（图8）。

图8 方案三构思

该方案构件详细信息：

1）2根竖向立杆选材为φ102 mm×10 mm的钢管（Q235B），立杆高2 m，每根质量45.378 kg；每根立杆下端焊接有肋板（100 mm×150 mm×10 mm），每块质量

1.178 kg。

2）圆形抱箍由φ325 mm×8 mm弧形钢板（Q235B）与两翼长方形钢板焊接2 层（2 0 0 m m×1 0 0 m m×10 mm），通过对穿螺栓固定在钢管桩上，每套总重28.16 kg。

3）套管插销由横向φ152 mm×7 mm钢管与竖向φ82 mm×10 mm钢管焊接组成，每套质量19.09 kg。

4）横梁选用φ140 mm×10 mm的钢管（Q235B），长2 m，每根质量64.12 kg。

立杆及横梁选用钢管（φ140 mm×10 mm/Q235B），立杆一端加工为半圆抱箍与另一半螺栓连接固定在钢管桩上，另一端安装固定横梁的钢管插销，在横梁两端、中间各安装1个3 t的手拉葫芦。通过在施工平台上组装“可调式主动托换”钢结构，中间吊装分配梁2，两端葫芦吊装分配梁1，3个葫芦同时吊装至所需要的高度，固定好钢分配梁1后，在上下分配梁之间固定千斤顶，将精轧螺纹上下对接拧紧螺母，整套装置安装完成。吊装过程中，锚杆静压桩对上下钢结构体系起到很好的限位作用，能够减少吊装过程水平向的位移（图9、图10）。

图9 方案三吊装示意

图10 现场吊装示意

6 装卸式龙门架吊装工艺简介

选用脚手架搭设临时通道，在上托盘梁纵横交错的孔洞中，脚手架按间距600 mm布置成网架结构，能够利用上托盘梁的区域采用脚手架横担在上托盘梁面上，两端固定，在脚手架平台上固定方木，满铺模板。运输通道有坡段时，安装防滑条。

运输采用改装后的炮车，安装滑槽，人工将托换钢结构倒运至安装位置。

装卸式龙门架依靠预先打下的钢管桩作为吊装的支撑，整套龙门架装卸较为简便：

1）进场前竖向立杆与半圆抱箍之间通过加劲板焊接成整体，预留好螺栓孔。另一半圆抱箍通过螺栓与之固定在钢管桩上，通过螺栓丝牙来适应钢管桩尺寸，也可调节安装的高度（图11）。

图11 安装示意一

2）圆形插销下半部分的钢管，刚好套入立杆内（图12）。

图12 安装示意二

3）2根钢管桩的立杆、圆形插销安装完成后，横梁内径小于圆形插销的内径，可360°进行调节来对应横梁的安装（图13）。

图13 安装示意三

4）在横梁上安装手拉葫芦，从吊装的钢结构的质量考虑，选用3 t的手拉葫芦比较合适（图14）。

图14 安装示意四

5）为保证主动托换调平装置的水平，需先对2根钢管桩之间高度进行调节，按主动托换调平装置上下顺序，依次安装钢分配梁至设计高度，拧紧上下精轧螺纹钢。

7 装卸式龙门架吊装的安全、经济分析

最不利工况条件下，对横梁受弯及抱箍节点进行计算。三桩1.5 m间距的可调式主动托换单套最重2.12 t。主要为中间受力，两端葫芦为固定装置使用。

经计算，拆卸式龙门架选材满足吊装要求。

整套拆卸式龙门架选材均为常规钢管材料，只需进行简单的焊接、打孔工艺即可完成。在7 d的工期完成149套的安装，只需准备2套钢结构拆卸式龙门架的装置，每套龙门架装置只需配3名工人，即可完成每天11套主动托换钢结构的安装工作。相比于机械施工，不仅工期上满足了要求，总的安装成本也大幅下降。

8 结语

本文介绍了室内净空较低的条件下，3种钢结构吊装的方法，并对这3种方法可行性、安全性、经济性等进行了比选。

通过对上海市黄浦路106号红楼抢修加固工程中托换钢结构室内吊装安拆成功实践，可以得出如下结论：

1）微型履带吊车（3 t以上的蜘蛛吊）可以在室内进行吊装作业，但是在净空低于3 m或室内涉及重点文物保护的吊装工程中，有很大的局限。综合结果是造价较高，吊装工效低。

2）盘扣脚手架搭设工期短，尤其是在2.5 m高度范围内，作为施工平台的经济效益很高；脚手架受自身材质强度影响，将其作为吊装平台使用是不可行的，施工的安全无法保障。

3）装卸式吊架采用的材料强度满足施工要求，且选材较广，可反复使用；实际施工可根据吊装基础外形更改抱箍的形状，安装拆除简便，经济效益较高。

在文保建筑抢修加固工程中，如同红楼这种主动托换加固的工程越来越多，在室内钢结构吊装工程中，可将装卸式吊架结构进行调整，本工程的成功实践可为类似工程提供方案依据。