保护建筑整体同步顶升工程造价分析与估算

2023-05-14郑皆斐陈凤君吴昌将

南通大学学报（自然科学版） 2023年1期

郑皆斐，陈凤君，吴昌将

（1.上海申康卫生基建管理有限公司，上海 200080；2.南通大学交通与土木工程学院，江苏南通 226019）

随着我国城市建设的高速发展和建设规模的日益扩大，城市更新过程中的城市规划调整、旧城改造、道路改扩建等活动，经常面临着拆除特殊市政设施、历史保护建筑等仍具有重要使用价值和文化价值建筑物的问题，这对社会的经济发展、环境保护，以及文化传承都会产生不利影响。如果能通过建筑物整体移位技术，既能永久保留建筑物，又不阻碍城市发展，那么可以很好地解决城市更新与保护历史文化建筑的矛盾。事实上，大量的建筑整体移位工程实践[1]已经证明，相对于新建建筑，建筑物整体移位技术具有较高的社会价值和经济效益。

作为建筑物整体移位技术之一，建筑物整体同步顶升技术，是指顶升前首先对建筑物基础进行加固托换，并对上部结构进行加固处理，在预设的位置对竖向承重构件进行截断，并采用千斤顶等顶升设备使建筑结构产生竖直方向上的位移，最后将断开的竖向构件与底下新建基础进行连接。目前，建筑物整体同步顶升技术在建筑物纠偏加固、增层改造、古建筑移位保护等工程实践中发挥巨大的作用。通过整体顶升技术，可以较好地保留原有建筑物的整体性、外形风格，以及装修装饰等。相对于拆除重建，建筑物顶升技术在工程造价、施工工期、环境保护等方面具有极大的优势。如位于昆明市官渡镇的金刚塔，由于地下水位不断升高而侵蚀塔基，该塔产生不均匀沉降导致倾斜，2000 年8 月采用顶升技术将该塔整体顶升2.6 m[2]；广东省顺德区某大楼需增加一层地下停车场，最终运用顶升技术将原有建筑抬升1.78 m[3-4]；2014年，上海玉佛寺为消除安全隐患并更新室内设施设备，采用平移顶升技术将大雄宝殿向北平移30 m，抬升0.85 m[5]。

虽然我国关于顶升技术的研究较晚，但随着建筑整体移位技术的发展和工程实践的开展，建筑物顶升技术也日臻成熟，取得了巨大的社会效益和经济效益。本文拟依托上海某历史保护建筑南楼整体修缮改造工程，对整栋建筑的整体顶升实施技术要求及各分项工程的造价进行全面地分析，提出顶升改造工程的投资估算方法，并对顶升造价指标的影响因素进行研究，进而为采用顶升施工技术的类似历史保护建筑的工程造价估算提供参考。

1 项目概况

1.1 工程概况

该大楼自1926 年建成以来，作为医疗用房使用至今，于1989 年9 月被列为上海市文物保护单位（上海市第一批优秀历史建筑）。该项目位于上海市延安西路221 号院内，紧邻周边建筑物，周围环境条件非常复杂（见图1）。项目北侧为单建式地下二层车库，距离本项目基坑边线约2.3 m；西侧紧邻新医技楼和食堂，最近距离约6.2 m；东侧临近院内一层的锅炉房，最近距离7.5 m；南侧为院内中心花园。

图1 周围环境三维示意与平面图Fig. 1 Three dimensional drawing and plan of the surroundings

建筑方面，整栋大楼呈工字型，地上6层，总建筑面积约1.07 万m2；西北侧局部地下1层，面积约200 m2；建筑东西向长度80 m，南北向宽度45 m。

上部结构方面，该建筑为现浇钢筋混凝土框架结构；楼面、屋面均采用现浇板，楼板厚度为102 mm和114 mm；柱截面多为矩形，少数为圆形和异形；主楼柱距一般在4～9 m，副楼为三跨结构，柱位不规则。

基础方面，大部分采用福建筒木桩加固的条形基础，普遍区域基础梁高1.42 m，条形基础宽度3.35 m，木桩桩长约3.65 m，直径约152 mm；局部为独立放大脚基础，埋深约为1.42 m；大楼西北角局部设有地下室，地下室底板埋深约4 m。

1.2 水文地质条件

拟改造场地属滨海平原地貌类型。原勘察资料揭示，工程影响范围内分布的土层主要有①填土、②粉质黏土、③淤泥质粉质黏土、④淤泥质黏土、⑤1-1黏土、⑤1-2粉质黏土、⑤1-3粉质黏土、⑤4粉质黏土、⑦粉砂。场地内浅层填土厚度较大，且表面有钢筋混凝土面层，对基坑开挖及桩基施工有影响；③层淤泥质粉质黏土力学性质较差，对基坑的稳定性不利。水文方面，由于基坑开挖深度较浅，主要考虑浅层潜水。在上海地区，潜水水位一般按地下0.5 m 左右考虑，开挖前基坑应进行预降水。

1.3 项目改造要求

由于地下有深厚软土层，经长期使用后该保护建筑出现整体倾斜，最大倾斜率为5.41‰，过大不均匀沉降，造成局部室内地坪低于室外地坪，出现排涝困难问题；此外，建造年代久远以致结构性能老化，其抗震性能有待提高。因此，在考虑文物修缮的前提下，经业主方与相关单位综合各种因素后，提出了以下最终方案：整栋建筑托换后再整体顶升1.2 m（见图2），顶升后地下新设隔震层。

图2 顶升前与顶升后基础剖面示意图Fig. 2 Schematic diagram of foundation section before and after jacking

1.4 项目难点及对策

由于本工程为市级文物保护建筑，保护级别非常高，根据改造方案的特殊要求，整个施工过程中面临一些超常规的工程难点，具体如下：1）顶升建筑平面凹凸不规则、平面刚度不均、单柱荷载差异大，对顶升同步控制及精度要求非常严格；2）拟改造建筑历史悠久、承重结构性能恶化、可容许承载变形量有限，且建筑内部有大量对变形敏感的高精尖设备，以及局部存在大跨度空间和外廊拱圈等特殊结构形式，变形控制尤为重要；3）改造方案要求增设隔震层，土方开挖超过原基础深度，且原基础下布满木桩、施工工况复杂、基础托换难度高；4）周围临近多栋已建建筑及名贵稀有古树，施工中难免会产生影响，因此过程控制极其严格，保护要求极高。

针对上述施工难点，设计过程中进行了多方案的比选和计算模拟，最终采取如下方案与对策：1）针对顶升过程中易出现不均匀变位问题，采用位移+压力组合式顶升控制方式，控制各顶升点位移误差不超过±2 mm；2）针对顶升过程中整体结构变形问题，采用空间钢桁架方式进行加固，且临时加固构件与建筑物表面之间采取软性材料接触，措施均为可逆约束；3）针对基础托换需要提供可靠的托换支撑及沉降控制问题，采用足够入土深度的锚杆静压桩及刚度大的整体托盘梁体系；4）针对周围环境产生影响的问题，通过合理安排锚杆静压桩的压桩顺序，优化压桩平面流程，控制压桩速度等措施，以减少桩基施工产生的拖带沉降和对周围环境的挤土效应。

具体施工工况如下：1）建筑周边设置临时基坑围护结构，同时进行上部结构临时加固；2）坑内进行预降水后，第一次土方开挖至上托盘底标高；3）施工上托盘结构体系，并预留压桩孔；4）施工锚杆静压钢管桩，进行基础托换；5）第二次土方开挖至下托盘底标高；6）割断原基础木桩，施工下托盘底板；7）安装顶升设备，并进行试顶，然后割断钢管桩；8）千斤顶交替顶升，直至设计标高；9）地下室竖向结构及隔震支座施工，然后拆除千斤顶等顶升设备。图3 为顶升就位后工况示意图。

图3 基础托换剖面示意图Fig. 3 Schematic diagram of foundation underpinning section

2 同步顶升施工关键技术

2.1 基础托换技术

基础托换结构是实现上部结构荷载和顶升千斤顶之间荷载转移的关键，主要包括上托盘梁、锚杆静压桩、下托盘的施工[6-7]，详见图4。

图4 托换结构体系示意图Fig. 4 Schematic diagram of underpinning structure system

上托盘包括夹墙梁、联系梁、穿墙型钢抬梁。夹墙梁布置在现有基础墙体的两侧，通过联系梁、穿墙钢筋和型钢抬梁与原基础进行连接，形成整体的上托盘结构体系。夹墙梁与联系梁为现浇钢筋混凝土梁，抬梁采用工字钢I25b，穿墙钢筋采用对穿连接并可施加部分预应力的PSB1080 级精轧钢筋。上托盘结构施工顺序按照土方开挖进度进行分区浇筑，其施工工序为：测量放样→基础墙体凿毛、开洞→穿墙钢筋、型钢抬梁安装→夹墙梁与联系梁钢筋绑扎、支模、混凝土浇筑→穿墙钢筋预应力张拉。

锚杆静压桩采用ϕ406 × 10 和ϕ273 × 10 的钢管桩，桩长分别为36 m 和29 m，每节桩段长约2 m。其施工工序为：安装压桩架→吊桩入孔→压桩→半自动焊接桩→重复压桩、焊接工序→当压桩力或桩长达到设计要求后，停止压桩→焊接锚固筋→送桩或内切割→压桩施工记录→管内抽水→管内灌注C30 混凝土→预加反力封桩→桩帽施工。

下托盘作为顶升阶段的反力基础，同时作为正常使用阶段结构底板。下托盘采用厚度为800 mm的筏板式结构。根据最后一层土方开挖分块的先后顺序，分区进行下托盘施工，先浇筑区域应设置施工缝且表面进行凿毛处理。下托盘结构浇筑前，应按图纸要求进行预埋件安装，如隔震层下支墩预埋件、围墙预留插筋、钢支撑螺栓预埋等。

2.2 上部结构临时加固及限位技术

顶升之前必须对顶升建筑的薄弱结构，如门窗洞口、大空间区域、特殊部位等进行临时加固，以确保顶升过程中结构的安全与稳定。针对门窗洞口，采用黏土砖或钢支撑进行临时封堵；首层大厅和外廊拱圈结构处，通过空间钢架与整体框架结构的连接，约束框架柱的水平变形；外墙整体采用钢桁架的形式进行加固，同时采用水平拉索将两侧加固桁架进行拉结，每层设置一道。具体如图5 所示。

图5 临时加固示意图Fig. 5 Schematic diagram of temporary reinforcement

顶升过程中为防止房屋发生水平向位移，应设置钢结构限位装置。限位装置为由150 mm×150 mm×10 mm 方钢管组成的两榀桁架，如图6 所示。限位装置方钢管连接位置应满焊焊接，焊缝高度不小于10 mm。限位装置在下托盘（底板）结构形成后施工，顶升过程中限位装置水平变形不超过5 mm。

图6 限位装置布置图Fig. 6 Schematic diagram of limit structure

2.3 顶升技术要求

本工程利用新建的基础筏板作为顶升反力基础，采用PCL 液压伺服控制系统的一套同步顶升系统和一套同步跟随系统，进行全联同步顶升，可实现对力和位移的双重控制，自动化程度和施工精度高。千斤顶分为200T 和300T 两种型号，其中每种型号又分为A 组与B 组顶升设备。根据上部结构竖向构件的承载荷载情况，千斤顶布设共计542台，具体布置如图7 所示。

图7 千斤顶布置平面示意图Fig. 7 Layout plan of jack

顶升过程中采用压力+位移双控的方法进行控制，当千斤顶布置间距相对较近而干扰位移传感器的工作时，将切换至以压力控制的方式。根据第三方房屋监测数据显示，大楼倾斜不规律，调平的作用并不明显，故本次顶升为整体同步顶升，无需对大楼的倾斜进行调整，顶升后大楼基本保持顶升前的倾斜率。顶升过程中按20 cm/次的频率进行位移自动监测，并配合人工测读，以复核位移数据。若在顶升施工中标高出现差异变化超过±2 mm，应停止同步顶升，并根据监测数据进行本次纠偏顶升，保持监测，直至标高变化再次同步后停止纠偏，并恢复同步顶升。当顶升高度超过80 cm时，监测频率调整至10 cm/次。

2.4 监测量控技术要求

建筑顶升过程本身是个动态过程，随着上部结构的顶升，顶升点位处顶升力的细微差异将会造成上托盘结构和上部结构内力变化，甚至出现裂缝。因此，通过监测量控结构的应力、水平及垂直位移、倾斜率等参数，可以获得结构变形趋势，并结合巡视情况等进行工程安全性分析，将其成果及时提供给工程相关单位，做到信息化施工，保证工程结构本身及周边环境的安全，从而有效地保证施工安全。顶升过程中主要监测内容包括：顶升建筑的沉降和水平位移、建筑倾斜、顶升加速度、上托盘梁体系应力、钢管桩轴力等。

3 同步顶升改造工程造价分析

目前，国内关于工程造价估算方法有许多，如模糊数学法[8]、灰色系统理论法[9]、人工神经网络法[10]、案例推理法[11]、支持向量机法[12]等，但以上方法均需基于大量类似属性工程案例的搜集与总结的基础上进行估算。而顶升工程，尤其是特殊的历史保护建筑，有别于一般的新建工程，其实施的研究案例较少，只能采用指标法进行造价估算。依据本项目的设计施工图文件，顶升改造的土建施工造价主要包括基础托换结构、临时加固结构、顶升设备及限位装置等分部分项工程费用，因此，在顶升造价分析时主要考虑以上3 部分费用，暂不考虑新增地下结构改造费用。在进行同步顶升改造工程造价计算时，依据相关计价规范和行业标准，如《建设工程工程量清单计价规范》[13]、《上海市建筑与装饰工程预算定额》[14]等。

分部分项工程量清单计价和措施项目中的脚手架费用按《上海市建筑与装饰工程预算定额》[14]中的人、材、机定额进行组价和计价。其中，人工单价参照上海市建筑建材业市场管理总站网站上发布的上海市2020 年3 月建设工程造价信息电子版[15]。本项目人工费分专业工程取不对应工种最低值138～176 元/工日。主要机械、材料价格按上海市建筑建材业市场管理总站网站上发布的上海市2020 年3 月建设工程造价信息电子版、市场价信息电子版及市场价综合计取。

分部分项工程量清单计价中，综合单价由人工费、材料费、机械使用费、管理费及利润组成。其中，人工费、材料费和机械使用费为直接造价；企业管理费和利润为综合造价，以人工费、材料与机械费的总和为计算基数，费率按20.78%计取。

措施项目中，安全文明施工费费率根据沪建交〔2006〕445 号《上海市建设工程安全防护、文明施工措施费用管理暂行规定》取值范围为3%～3.3%，参考3%计取。其他措施项目费费率根据沪建市管〔2016〕42 号《关于实施建筑业营业税改增值税调整本市建设工程计价依据的通知》的取值范围为1.5%～2.37%，按1.5%计取。

规费包含社会保险费和住房公积金费。社会保险费费率根据沪建市管（2019）24 号《关于调整本市建设工程造价中社会保险费率的通知》按32.6%计取；住房公积金费率根据沪建市管（2019）24 号《关于调整本市建设工程造价中社会保险费率的通知》房屋建筑与装饰工程、市政工程（土建部分）按1.96%计取；安装工程按1.59%计取；税金以分部分项工程费、措施项目费用、其他项目费用及规费之和的3.32%取定，即增值税根据沪建市管（2019）19 号文《关于调整本市建设工程计价依据增值税税率等有关事项的通知》按9%计取。

根据以上计价方式，最后得到本顶升项目的工程造价，如表1 所示。

表1 工程造价汇总表Tab.1 Summary of project cost

4 顶升造价估算方法及影响因素

4.1 造价估算方法

由上述分析，顶升总造价主要取决于基础托换结构、临时加固结构、顶升设备及限位装置等分部分项工程费用，以及措施项目费。现结合该建筑的工程数据和设计顶升高度，就以上几个控制项目分别进行计算，建立控制项目造价与相应基数的对应关系，得到造价估算的通用公式。

该建筑采用框架结构，顶升的质量约为27 000 t，一层建筑面积约为2 000 m2，首层大厅和外廊拱圈等大空间区域面积约为550 m2，首层墙面上的门窗洞口面积约为150 m2，顶升高度为1.2 m。根据顶升工程专项施工方案，整楼共设置千斤顶542台，AB组各241 台200T、31 台300T 千斤顶，总顶升力安全系数＞4，单组顶升安全系数＞2。

4.1.1 托换结构工程

托换工程中托盘梁和锚杆静压桩基本由顶升建筑的总质量来决定的，故可以建筑的质量作为计算基数来估算托换结构的造价。托换结构造价C1为

其中：G 为顶升建筑的总质量（t）；T1为该楼每100 t质量所需要托换工程的造价（万元/100 t），由表1 可知T1=11.58 万元/100 t。

4.1.2 临时加固结构

临时加固结构主要包括底层大空间的空间钢架加固、门窗洞口临时封堵，以及外墙的钢桁架加固。底层大空间的钢架加固工程量主要取决于大空间的平面面积SL；门窗洞口临时封堵工程量取决于首层门窗洞口面积Sw；外墙的钢桁架加固量取决于外墙周长L 及整楼的高度H，一般钢桁架按每10～20 m 在建筑外墙两侧对称设置一处，并用水平拉索将加固桁架连成整体。临时加固结构造价C2为

其中：T21为单位面积底层大空间所需要的临时加固工程造价（元/m2）；T22为单位面积洞口所需要的临时封堵工程造价（元/m2）；T23为外墙整体加固的单个钢桁架单位高度的工程造价（元/m）。由表1可知，T21=1 546 元/m2；T22=1 857 元/m2；T23=3 988 元/m。

4.1.3 顶升设备

顶升设备主要由PLC 控制系统、油泵站油管、千斤顶，以及其他设备构成。造价构成含顶升设备安装拆除费用、台班租赁使用费等。工程中的安装拆除造价费用一般基本固定，可以根据顶升的千斤顶套数考虑；设备台班租赁使用费可依据顶升工期确定。顶升设备造价C3为

其中：T31为每套千斤顶顶升设备安装拆除费用（元/套）；T32为每套千斤顶顶升设备台班租赁及使用费用（元/套）；T 为顶升工期（天）；n、n1、n2分别为千斤顶总套数、不同型号的千斤顶套数；N1、N2分别为不同型号千斤顶的设计顶升力（t）；μ 为千斤顶顶升力安全系数，一般在2～2.5 之间；H 为建筑顶升高度（m）；v 为顶升速度（m/天）。由表1 可知，T31=6 280 元/套；T32=4 154 元/套。

4.1.4 限位结构

限位结构的工程量一般由顶升建筑的底层面积控制，也可由千斤顶的数量来估算。以千斤顶个数来估算限位结构的工程量，那么限位结构造价C4为

其中：n3为限位装置的套数；T4为单个限位结构造价（万元/套）。由表1 可知，T4=10.97 万元/套。

4.1.5 措施项目费、规费和增值税

本项目的这3 项费用约占27%。将式（1）～（4）项费用之和除以27%，即可得到估算的改造工程总造价C 为

4.2 造价指标影响因素分析

根据以上分析，顶升改造工程的造价估算影响因素众多，尤其是建筑样式风格、上部结构类型、基础托换方式，以及顶升安全度等因素，还有当前人工费与材料费的单价变化，对整个项目的造价影响也较为敏感。

1）建筑样式风格有些建筑为了追求更宽阔的空间和更亮的采光，往往采用尽可能大的窗墙比，以及局部大跨无柱的大空间，因而导致顶升过程中，需要增加更多的结构临时加固工程量；

2）上部结构类型托换结构是实现上部结构与千斤顶之间荷载转移的关键，而对于不同的上部结构，往往采用不同的承重托换技术，如框架柱采用钢抱箍、砌体墙采用夹墙梁抬梁方式等，这会导致托换结构工程量的差异；

3）基础托换当上部结构荷载不大且地质条件较好时，基础托换可采用条形地基梁或者下托盘筏板的形式，否则需要采取锚杆静压桩的托换形式，这对施工难度和工程造价影响较大；

4）顶升安全度施工过程中，为了确保足够顶升力，往往采取大于2 的单组顶升安全系数，然而安全系数的不同，使得千斤顶及配套设备费用有所不同。

对于顶升改造工程，由于工程本身的特殊性，方案设计阶段及施工组织设计过程中往往存在较大的不确定性，甚至会出现施工时方案的较大变更，故在进行工程造价估算前，不仅应充分掌握改造工程的建筑样式、结构类型、工程地质条件、建筑服役性能状态等因素，同时应尽早融入到设计方与施工方的磋商和协调中，以对工程造价的控制造价指标参数进行合理选取，尽可能保证造价估算的合理性。