建（构）筑物移位技术研究现状及其发展方向

2023-01-08王建永蓝戊己

建筑施工 2022年4期

关键词：移位承载力建筑物

王建永蓝戊己

上海天演建筑物移位工程股份有限公司上海 200336

2019年，我国城市老旧小区改造的大规模启动，标志着我国建筑业进入新建与加固改造并重阶段[1]，移位技术在内河航道升级、铁路电气化改造、高速公路改扩建、城市更新等领域的应用越来越广泛，同时移位技术的研究也会更加深入。

本文在参考已有的研究成果及移位工程实践的基础上，总结了移位技术的应用方向及研究趋势，以期为移位技术工程应用及研究提供参考。

1 移位技术现状

1.1 移位技术的应用现状

移位技术在我国经过近30年的发展，在既有建（构）筑物移位改造、新建建（构）筑物移位建造、工业设备安装等领域有着广泛的应用[2]。同时，移位技术还应用于古树名木的整体平移，如2001年浙江三门县1 200岁的古樟树向西平移40 m，2008年浙江建德386岁的古樟树整体移位74 m、顶升3.5 m。

1.2 移位技术研究现状

移位技术的专项子技术可以分解为托换技术、临时性地基处理与轨道基础技术、结构切割分离技术、移位设备装置及同步控制技术、移位过程中的姿态监测监控技术、就位连接技术[3]。

1.2.1 托换技术的研究

托换结构多采用抱柱梁和双夹墙梁，为了研究托换结构的受力机理，众多研究者进行了试验研究及理论分析，并提出了不同的设计方法。

框架结构多采用抱柱梁托换形式，张正先等[4]得出了新旧混凝土界面连接节点抗剪承载力的计算公式；杜健民等[5]提出了托换体系抗冲剪承载力的预计模型；刘建宏[6]提出了大截面柱的控制参数及定义；王琼[7]研究了凿毛、植筋、支承形式对抱柱梁节点极限承载力的影响；张鑫等[8]提出了引入托换梁跨高比后的托换节点抗剪承载力计算公式；都爱华等[9]提出了托换节点承载力与纵筋、箍筋、高跨比相关的计算公式；吴二军等[10]建立了规则凹凸咬合界面的受剪承载力方程。

砌体结构多采用双夹墙梁形式，杜健民等[11]假定了承重砖墙托换体系承载力平面桁架力学模型并推导了承载力计算公式；张鑫等[12]研究了不同托换梁截面高度及纵筋配置对托换结构受力性能及破坏形态的影响。

不同研究机构对混凝土抱柱梁、夹墙梁等托换结构的受力机理进行了众多的研究及分析，在理论分析及试验结果的基础上提出新建界面的受剪承载力计算公式，但对受力机理的认识仍不够深入，各自的承载力计算公式存在较大差异。

1.2.2 下滑道梁的研究

2002年，江南大酒店整体平移工程中设计了沉管灌注桩方案和木桩地基处理方案[13]；2006年，厦门市检察院刑侦楼设计了同心圆圆弧形滑道梁[14]；2013年，安达火车站整体平移工程首次采用冰面作为下滑道梁，整体平移240 m旋转90°[15]；2016年，龙溪塔整体平移工程应用了复合地基加固方案[16]。

1.2.3 平移工艺及装备的研究

移位工艺的创新与研发大多以实际项目为背景，当常规工艺与装备较难解决移位项目难题时，必然会促进工艺与装备的创新。

2003年，上海音乐厅整体平移顶升工程为了实施多点同步顶升，研发了一种力和位移综合控制的顶升方案，而且为了克服移位过程中的不均匀沉降，首次采用了液压悬浮工艺[17]；2006年，厦门市检察院刑侦楼采用无固定轴的圆弧曲线牵拉移位技术，整体旋转45°，最大弧长57.4 m；2009年，济南经八纬一路老别墅采用平板拖车整体移位25 km[18]；2014年，某公路转盘内的城市景观雕塑移位工程首次采用高压气囊移位技术[19]；2020年，厦门后溪车站整体移位工程首次采用交替步履器技术，旋转90°，最大弧长288 m。

1.2.4 就位方式的研究

2001年，江南大酒店整体平移后，采用聚四氟乙烯隔震支座进行连接[20]；2005年，山东丰大银行旧址整体平移后，增设隔震橡胶垫与滚轴共同支撑上部结构荷载[21]；2008年上海市清水湾保护建筑[22]及2017年玉佛禅寺大雄宝殿的隔震就位采用摩擦滑移组合隔震技术[23]。

移位建筑物与新建基础的分离状态使基础隔震在移位工程中的实施成为一种优势，值得对托换、移位、就位等施工过程的关键技术作协同研究。

2 移位技术的发展方向

2.1 移位技术应用发展趋势

移位技术在工程实践中得到了发展。随着城市更新、装配式施工的快速推进，移位技术的发展趋势总体涵盖3个方面：

1）移位技术与传统施工工艺结合，形成新的开发模式及建造工艺，并且在城市更新中得到快速推广。比如移位技术与逆作、顺作、盖挖、管幕、隔震等工艺相结合，解决城市核心区历史建筑群地下空间的开发难题[24]。

2）不同领域的移位技术借鉴与融合，从而开发出新型的移位工艺，提升移位技术的智能化及自动化水平，提高移位速度和精度。

3）通过工艺及技术创新，实现移位技术的成本降低，比如模块化装配式托换结构、滑道梁、临时加固结构等的研究及推广应用。

2.2 移位关键技术研究趋势

移位理论的建立和装备的自动化、智能化升级是新时代移位技术高质量发展的重要途径。因此，未来会对移位关键子技术方面展开深入的研究。

2.2.1 建（构）筑物托换与移位关键力学模型研究

1）整体结构力学模型与振动分析。

移位施工中，除同步控制误差及累积误差会对建筑物造成不利影响外，加速度及振动也可能会对建筑物造成扰动。目前的移位研究多侧重于对同步误差的控制，对移位振动的影响研究较少，多以直观感受为主，尤其是一些历史保护建筑，本身存在较多的薄弱环节，迫切需要开展移位加速度和振动的相关监测及动力特性的研究，得出量化的评估分析，为移位设计与施工提供参数。

2）托换关键节点力学模型研究与分析。

目前，研究人员及工程技术人员对移位托换技术最为关注，研究得也较深入，但是各自的承载力计算公式存在较大差异，不同规范的承载力计算结果相差近2倍。

研究日趋深入后，会形成能够兼顾安全及经济目标且形式统一的承载力计算公式。除了托换新旧界面承载力研究外，有必要对托换及移位工程进行系统分析及总结。

托换结构的受力传力与新建结构有所区别，实际移位工程中托换结构也多有裂缝出现，说明移位托换结构的设计简化计算方法与实际受力不完全相符，比如切断对托换结构及建筑结构的影响、剪扭耦合的影响、不均匀沉降及平整度误差的影响等。

3）移位条件下结构构件力学性能试验评估研究。

移位条件下结构受力与静力分析相比，有其不确定性及特殊性，有必要针对移位条件下结构构件性能进行试验评估研究，比如顶升工况下钢支撑循环式压缩与回弹的量化研究、移位条件下水平偏位的研究等。

① 顶升中的竖向工具式钢支撑是顶升千斤顶的支撑体系，由不同高度的标准节通过法兰螺栓进行接高，高度有0.1、0.2、0.5、1.0、2.0、3.0、5.0 m等不同规格。临时支撑在荷载作用下会产生压缩变形，此部分变形包含材料的弹性变形及法兰拼缝处的空隙，根据工程实际经验，拼缝处的空隙压缩占主要部分。每个支撑点的差异压缩沉降会引起上部结构姿态的变化，每个行程累积下来会造成上部结构的强制变形及附加内力。

目前，钢支撑压缩为非线性，其与单点位置的上部结构荷载、法兰拼缝数量、临时钢支撑高度等相关，目前的顶升缺乏实际的数据，计划研究压缩变形的规律性，以指导实际施工中消除该不利影响。

② 由于千斤顶安装垂直度误差、钢托架的垂直度误差、同步顶升控制误差等原因的存在，顶升过程中不可避免地会引起建筑物的附加水平偏位（包括水平扭转、旋转），附加水平偏位会随着顶升高度的增加持续累积，如果控制不好，会对建筑物的轴线对中及就位连接造成不利影响。计划通过监测建筑物顶升过程中监测点的水平位移，开展对水平偏位的数量及形态研究，分析水平偏位与客观误差及顶升控制的关系，找到水平限位装置水平力设计的参数，并在实际顶升中进行相关研究。

2.2.2 移位装备升级改造与智能化

1）位移与压力组合式同步控制技术。

上海音乐厅研发了一种力和位移综合控制的方案，建立在位移双闭环的控制基础上。现在顶升工程的体量越来越大，对于面积大、顶升点繁多且顶升位移控制点距离较近的情况，如果采用单纯的位移式控制，由于上部结构及上托盘梁整体刚度较大，位移控制点间距太近可能互相干扰，使得个别位移传感器被带动造成该处千斤顶压力浮动过大，或者不再供压而出现行程脱空现象，脱空点很有可能引起房屋结构的强制变形。

研究“位移＋压力”组合控制技术可以改进单纯位移控制的缺点，达到在顶升过程中局部顶升点在脱空前直接切换为压力跟随的压力控制状态，以压力值作为控制基础，达到位移同步的目的。

2）自动保护式顶升装置研发。

建筑物在升降施工时，会因为液压千斤顶内泄、油管断裂、停电、机械故障等多种原因而突然回收，进而造成建筑物失稳或者内力变化过大的破坏情况。现有的建筑物顶升的安全保护方法为随动支撑、液压千斤顶安装液压锁或平衡阀来保持液压千斤顶工作时的安全。针对一些顶升面积大、顶升高度高、顶升工期长的情况，需要研发一种在各种意外情况下均能保证建筑物安全的设备。

3）智能感知研究。

同步顶升控制精度是通过PLC液压同步控制系统来实现的，以位移控制为主、压力控制为辅。每一顶升行程需要倒换一次，循环顶升至设计标高。若每一倒换过程误差0.1 mm，则顶升到位后累积误差已经比较大。常规需要每顶升4个左右循环后，通过全站仪测量建筑物的整体姿态，检验顶升的成果，并以此数据为依据指导下一顶升参数的调整。

在建筑顶升中的测量会受现场条件的限制，而且实时的监测数据也有其局限性（受温度等影响），不能作为绝对的参考数据。计划开展顶升工况下建筑物整体姿态监测系统的研究，为结构分析和移位控制形成信息闭环和网上展示。

2.2.3 托换与移位施工技术的创新

1）装配化与循环利用。

实际工程中绝大多数托换结构和滑道梁均采用钢筋混凝土结构，而很少利用具有显著可重复利用优势的装配式钢结构形式，现行规范也几乎未提及相关技术要求和设计方法。装配式钢结构具有施工方便、速度快、可拆卸重复利用等突出优点，在特定条件下的工程中无疑将具有经济性和工期短的优势，因此对其应用范围和技术要求进行明确规定是十分必要的。

2）预防性可调平主动托换技术研究。

邻近既有建筑物的基坑开挖及下穿建筑物的隧道开挖必然会对建筑物地基及基础造成扰动，从而对建筑物产生不利影响，会造成建筑物沉降、倾斜、开裂等损伤。常规的处理措施为建筑物外侧或内部注浆加固地基，以及在建筑物内部压桩补强建筑物地基及基础承载力。

基坑及隧道开挖对建筑物地基及基础的不利影响是一项持续性且时间跨度相对较长的活动，单纯采用常规的被动式补强加固措施只可能减小开挖对建筑物的影响，无法完全避免开挖的影响，尤其是施工的复杂性，常规被动式托换和加固无法准确量化基坑对相邻建筑物造成的影响。有必要研究与开发可以全过程控制开挖对建筑物不利影响的预防性可调平主动式托换技术。

3）快速移位顶升技术研究。

移位技术的发展，使其需求越来越大、应用场景越来越广泛，在某些特殊情况下（如铁路梁更换抢险）对整体移位速度有着超常规要求，目前的移位速度（1～3 m/h）及常规施工工艺无法满足这些要求。因此在保证安全的前提下，研究快速移位的装置以及施工工艺，大大缩短移位的整体工期很有必要。比如香港国际机场天际走廊采用了场外预制拼装，整体顶升安装的施工方法，主桥整体运输、顶升18 m、定位及固定焊接在4 d内完成[25]，该项目采用了船舶移位中的SPMT拖车技术。

另外，厦门后溪车站整体旋转90°，旋转弧长288 m，首次采用交替步履走行装备，将顶推点分散到各顶升位置，相较传统移位方法，该装置旋转平移的精确性及自动化水平大大提高，缩短了移位作业的周期。

2.2.4 移位建（构）筑物功能再生与韧性提升研究

1）移位建（构）筑物功能再生方案研究。

移位技术的市场接受程度越来越高，应用场景越来越广泛，但是早期移位技术的市场应用都是工程进展到某个阶段后被动式的应用。

其实，移位技术也应该积极参与到工程开发的前端，更早期地参与到规划阶段、方案阶段及设计阶段中，在恰当的阶段利用合适的移位技术手段解决工程中的难题，从而达到缩短工期、减少造价的目的。若对有移位需求的新建建筑，在建造设计阶段即考虑移位的设计，对有改造要求的建（构）筑物，在规划阶段即考虑移位技术的应用，将移位路线、地下空间开发、就位连接、移位动作组合等综合比选分析，并且与新建工程结合，达到建（构）筑物功能再生的目的，确定最优的改造方案。

2）地下空间开发中托换移位协同施工技术研究。

在地下室顶板上移位时，传统的解决办法为将地下室顶板荷载通过临时支撑传递至地下室基础，此种支撑技术需要在地下室内部设置钢管或混凝土支撑，工程量大，工程费用高，而且支撑与原结构体系传力不明确。

托换层技术是通过设置纵横梁系直接将上部结构传递至地下室框架柱上，通过原有框架柱传递至永久基础，不需要在地下室内部设置临时支撑，而且托换结构自成体系，完工后拆除方便。