适用于既有高层建筑的升降式“拆除工厂”设计与应用研究

张 波 马天宇 孙成涛 杨 妍

上海建工四建集团有限公司 上海 201103

我国高层建筑的飞速发展始于20世纪90年代，数以万计的高层建筑拔地而起，数量与规模巨大。经过30年的发展，北、上、广、深等超大型城市逐步迈入城市更新的发展阶段，越来越多的高层建筑面临建筑功能转型的实际需求，伴随而来的高层建筑拆除逐步呈现出新的问题和难点，主要表现在以下几个方面：

1）粗放式拆除受限。对于废弃建筑物，我国普遍采用简单粗放的拆除方式，如定向爆破、液压剪破碎、镐头机破除等，这些方法见效快、工期短；但相应地，拆除带来的声、尘等环境污染问题也极为突显。从长远来看，一方面，传统工艺与日趋严苛的绿色施工要求相向而行，难以达到低碳、环保、绿色的高标准要求；另一方面，既有高层建筑往往位于城市核心地段，受场地、空间、道路等环境制约，粗放型拆除模式及工艺往往难以适用，综合这些因素使得未来高层建筑拆除需要新的技术途径。

2）结构拆除安全风险大。对于一幢高层建筑，废弃使用条件下对其进行拆除，装饰、设备、管线、结构将成为拆除对象，以采用混凝土结构的高层建筑为例，结构质量以万吨为单位，拆除工作量巨大，即使采用机械切割方式进行拆除，重达几吨的建筑垃圾从百米高空频繁吊运，都将是一项风险极大的工作，这对现场管理及技术措施提出很大挑战。

3）国内绿色高效拆除工艺欠缺。从国外先进技术经验来看，日本大成建设采用“TECOREP”系统对百米高层进行了封闭式拆除。该技术利用拆除建筑的顶层和部分外墙搭设行车轨道和悬挂防护脚手架形成封闭式“拆除工厂”，由此将传统拆除中暴露在外的作业环境转移进室内，同时通过附着装置使得拆除系统与建筑物同步下降，采用该系统不仅增加施工的安全系数，同时提高拆除废料的转运效率，减少施工噪声和振动[1-2]。反观国内，适用于高层建筑的新型绿色拆除装备与工艺鲜有研究，必将成为未来高层建筑拆除更新的桎梏。

为此，本文拟研发适用于既有高层建筑的升降式“拆除工厂”，并在既有高层建筑上海锦沧文华大酒店（以下简称“锦沧文华”）推演应用，旨在为我国高层建筑的绿色安全高效拆除提供新的技术思路和手段，以此助力城市更新发展。

1 工程概况

上海锦沧文华大酒店地处静安区著名商务与购物中心南京西路1225号，地理位置优越，毗邻地铁沿线，周边环境复杂。原主楼建筑面积约60 000 m2，地上30层，地下1层，屋面高度为99.500 m（图1）。

图1 上海锦沧文华大酒店效果图

该建筑平面整体呈V字形，标准层面积约1 400 m2，层高为3.2 m，1—5层为框架-核心筒结构，6—30层为剪力墙-核心筒结构，25层以上建筑立面呈阶梯状收进，屋顶设有水箱层[3-5]。

2 “工厂式”拆除技术路线分析

上海锦沧文华酒店屋顶设有水箱层，自顶层向下有6层阶梯状结构，楼顶距标准楼层落差达25 m，这为“拆除工厂”设计带来极大难题（图2）。为此需根据建筑特点深入分析，拟定契合锦沧文华结构特点的技术路线。

图2 锦沧文华拆除难点

本文将液压顶升技术应用在锦沧文华拆除工厂的方案设计中，提出一种“分块爬升，阶段转换，高空合体”的设计思路，用以解决非标准层的拆除问题，并形成如下技术路线：

1）设计1套以液压千斤顶提供动力，辅以机械式钩爪及配套挂载支座的可升降系统。

2）依据非标层“中间高、两肩低”的特点将“拆除工厂”划分为3个部分，这3个部分从底层组装好柱（可升降立柱）和墙（外围防护脚手架），随后爬升到拆除位置封装顶盖并安装行车系统。

3）打通电梯井作为物料输送通道。

4）中间部分率先展开拆除作业至与两肩部分平齐，通过2次合体转换将3个部分连接成完整的“拆除工厂”，继续进行余下部分的拆除作业。

3 “拆除工厂”系统设计

“拆除工厂”整体设计如图3所示，其主要由可升降系统、顶盖及行车系统、外围防护体系3个部分组成。

图3 锦沧文华“拆除工厂”

3.1 可升降系统

可升降系统共有20组动力柱、4组导向柱及若干附墙支座。动力柱在工厂升、降工况时，负责提供动力；在拆除工况时，负责工厂的竖向支撑。特制的附墙支座除负责分散工厂质量到楼体结构外，还负责通过其上的翻板机构在工厂下降时辅助支柱避让非目标楼层支座，保证工厂平稳畅通地由已拆楼层抵达待拆楼层。

动力柱由钢结构主体、液压千斤顶及配套泵站、千斤顶钩爪、支柱钩爪组成，如图4所示。钩爪是将工厂与楼体建立联系的主要传力构件，结构简单却功能重要。1根动力柱共有2套钩爪，一套铰接在千斤顶缸筒底部，另一套铰接在钢立柱上。钩爪具有条状主体结构，前端带鹰嘴形挂钩，中部开有铰接孔，如图5所示。

图4 动力柱

图5 钩爪

3.2 附墙支座

附墙支座通过对穿螺栓固定在楼体框架柱上，为工厂提供支撑和导向。附墙支座主要由钢结构主体、导轮和翻板组成，如图6所示。支座主体具有U形开口，开口两侧内壁上分别安装4对导轮，2对纵向排列的导轮为1组，2组导轮的间隙形成1条轨道，钢立柱靠近楼体一侧的矩形管嵌套其中，使得钢立柱在导轮的约束下只能上下运动，如图7所示。

图6 附墙支座

图7 附墙支座的导向功能

3.3 顶盖及行车输送系统

顶盖由桁架梁交错而成的骨架和覆盖其上的防雨苫布组成，作为整间拆除工厂的“帽子”，其作用是阻挡粉尘向空中逸散、隔绝噪声、确保雨天顺利施工，同时作为安装平台，搭载行车输送系统。

3.3.1 基于垃圾清运的行车系统设计

图8是锦沧文华楼层内部俯视图，中间斜线区域是原建筑电梯井，要在拆除作业中打通作为垃圾清运的通道。浅绿色区域一共2块，分列电梯井两侧，各自轴线延长线在电梯井区域相交，该区域布置的行车可直接将垃圾水平运输至清运通道上方，再经通道垂直吊运至地面。浅红色区域2与电梯井无交叠部分，垃圾须转运至清运通道上方后，再垂直吊运至地面。浅蓝色区域3为楼梯间，是楼体两侧的凸出部分，行车的布置，要覆盖该区域。

图8 锦沧文华楼层内部俯视图

考虑拆除区域的全覆盖及吊运效率最大化，顶盖设计采用5台行车（单车示意如图9所示），并相应地将楼体结构划分为5块拆除区域，每台行车独自负责1块区域的垃圾吊运，彼此互不干扰，确保了各区域拆除工作的同步进行，极大地提升了拆除效率。5台行车各自负责的拆除区域如图10所示。

图9 单行车设计

图10 行车及拆除区域划分

3.3.2 行车接驳系统设计

由前文分析及行车区域划分图可知，1、2号行车无法直接将垃圾吊运至清运通道上方。经过反复研讨，在方案中引入了行车衔接梁，设计了如图11所示的行车接驳系统。

图11 行车接驳系统

1、2号行车分别配置3条轨道梁，其中1条行车梁、2条衔接梁。行车梁挂载着行车位于拆除区域的正上方，直接参与吊运工作，衔接梁则暂时空置等候。随着拆除区域的变化，3条轨道梁也对应完成行车梁和衔接梁的转换。以图11所示2号行车为例，行车挂载在最外侧轨道梁上，该梁即为行车梁，另外2条梁则为衔接梁。2条衔接梁按图示位置排成1条直线，最内侧衔接梁位于清运通道上方。当行车梁行至该接驳位置时，行车可顺畅地沿3条梁共线所形成的轨道吊运垃圾至清运通道上方，再将垃圾垂直吊运至地面。

行车接驳系统的设计，使1、2号行车可独立承担图10划分的大面积拆除区域的垃圾吊运工作。结合3、4、5号行车完成各自狭长区域的吊运工作，整套行车输送系统便搭建完成，如图12所示。

图12 行车输送系统

3.3.3 构件拆除流线设计

具体的拆除及行车行进路线如图13所示。其中，3、4、5号行车在各自狭长区域内配合拆除作业由远及近吊运垃圾；1、2号行车则配合拆除作业采用“蛇形”线路。对于水平楼层构件，拆除顺序依照先水平构件后竖向构件顺序进行拆除吊运。

图13 拆除及行车行进路线

3.4 防护系统

外围防护体系是利用盘扣式脚手架和网片搭建的工厂外墙，具有封闭施工、防止粉尘扩散、隔绝噪声和方便施工人员转场的作用。

外围防护仅在工厂对应层实现全区域连通，如图14所示的浅黄色区域。相邻2根动力柱间的防护单元每步都安装有楼梯，施工人员可到达工厂任意层辅助施工，并方便维修人员抵达对应层对升降系统进行检修。

图14 防护系统

4 “拆除工厂”应用分析

针对锦沧文华楼体结构具有凸出水箱层及阶梯状非标准层导致拆除工厂无法一次性搭建完成的问题，通过“拆除工厂”系统及整体拆除流程设计，将技术路线按照实施阶段划分为5个阶段：可准备阶段、突出层拆除阶段、4—6层阶梯状非标层拆除阶段和余下楼体拆除阶段。

4.1 准备阶段

拆除前的准备阶段主要包括工厂竖向构件分块爬升和打通电梯井作为垃圾清运通道两部分工作。依据非标层“中间高，两肩低”的特点将拆除工厂划分为3个部分，这3个部分从底层组装好柱（动力柱）和墙（外围防护脚手架），随后爬升到拆除位置安装顶盖和行车输送系统，如图15所示。此时两肩部分平齐，中间部分高于两肩。

图15 分块爬升，安装顶盖

4.2 屋面拆除

该阶段工厂位于楼体两肩的子部分不动，仅利用中间部分拆除凸出层，凸出层共2层，包括水箱及顶层房间，各行车所能覆盖的吊运区域恰能完成该部分的拆除工作，如图16所示。

图16 该阶段各行车吊运区域

每拆除1层，工厂的中间部分相应地下降1层，待凸出层拆除完毕，中间部分下降2层至与两肩部分平齐，如图17所示。

图17 该阶段结束后工厂状态

4.3 阶梯型区域拆除

第二阶段拆除作业前，通过架设连梁将中间部分与两肩部分连接在一起，并补齐防护体系，完成拆除工厂的第一次转换，如图18所示。

图18 拆除工厂第一次转换

此阶段，各行车所能覆盖的吊运区域恰能完成4—6层阶梯结构的拆除工作，如图19所示。

图19 第二阶段拆除作业前各行车吊运区域

随着4—6层阶梯结构的拆除，工厂共下降2次，停留在图20所示位置。

图20 第二阶段结束后工厂状态

4.4 标准层拆除

第二阶段共拆除3层非标层，但“拆除工厂”仅下降2次，原因在于工厂在第2次下降后，工厂4个角，如图21中浅黄色标注区域的梁、柱、防护网与第三非标层楼面接触，无法再次下降。

图21 第二阶段结束后楼面与工厂干涉区域

针对上述情况，应先将该区域拆除，再下降，如图22所示。

图22 拆除干涉部分后下降

下降结束后，将工厂剩余部分补齐，完成第2次转换，此即为拆除工厂的完整形态，如图23所示。

图23 拆除工厂完整形态

此时，各行车已能覆盖的全部拆除区域，如图24所示。

图24 标准层拆除阶段各行车吊运区域

前2阶段的拆除和前2次的转换，形成了“拆除工厂”的完整形态，在该形态下可完成剩余楼体结构的拆除，不再赘述。

5 结语

我国超大型城市已迈入城市更新发展阶段，越来越多的高层建筑面临拆除需求，绿色安全的高标准施工要求及低效高污染的传统拆除工艺，为我国既有高层建筑拆除带来极大障碍。

本文以上海锦沧文华大酒店为应用场景，通过“拆除工厂”系统及拆除工艺流程设计，探索性研究形成适用于既有高层建筑的“工厂式”拆除工艺，为我国高层建筑绿色、安全、机械化拆除提供技术途径。