移位建筑托盤梁低凈空優化設計與應用

黃 軍

上海天演建筑物移位工程股份有限公司 上海 200021

1 工程概況

建筑移位技術在全國的應用逐漸廣泛，分析國內建筑移位案例，通常采用托盤梁、反力基礎及結構加固對建筑進行結構施工，并輔以PLC液壓同步控制技術對建筑結構施加頂升、頂推外力以達到移位的目的[1]。

通常托盤梁設置在結構基礎部分或地面±0 m處，對結構基礎進行整體加固，并在托盤梁下方開挖土方進行頂升基礎施工。托盤梁與反力基礎根據各項目具體情況設置施工順序，但托盤梁與反力基礎之間留有設備安裝空間，以滿足后續移位設備安裝及移位操作。部分建筑由于年代久遠，基礎埋深較淺，托盤梁設置在±0 m以下后開挖深度較大，對結構影響較大，若反力基礎設置淺，則托盤梁必將出原地面，對保護建筑外立面產生較多破壞。

為解決這一問題，本文對托盤梁結構進行優化設計，充分考慮托盤梁高度、反力基礎埋深以及移位設備凈空要求，在其中找出優化點，既能降低反力基礎開挖深度，又能滿足移位空間要求。

1.1 鶴鳴里建筑特點

鶴鳴里坐北朝南，共3個開間，室內北側中部設有1架木樓梯，設有中庭，主要入口位于房屋南立面。房屋東西向總長約14.59 m，南北向總長約17.12 m，建筑總面積約462 m2。本次因規劃需要對其進行整體平移施工，將建筑從原位平移至地塊西北角部，整體采用先頂升1.2 m，并用SPMT模塊車平移至臨時址，待西北角部地下室開挖完成后利用頂推油缸頂推至新址頂板上（圖1）。

圖1 鶴鳴里平移路線

1.2 平移方式確定

1.2.1 滑道頂推平移

滑道頂推式平移系統是通過水平千斤頂的行程推動建筑物向前移動，此系統的缺陷是每行走一個行程，需要在千斤頂后部加墊塊，而且需要移動反力后背，移位速度較慢[2-3]

鶴鳴里第1次平移距離較遠，如采用滑道平移會存在如下問題：

1）建筑物原址及過渡段滑道路線重疊，所以2棟建筑物的滑道梁頂面標高及臨時址基礎的頂面標高必須一致，滑道梁找平要求較高。

2）建筑物平移距離最大超過150 m，采用滑道平移方案，滑道工程量巨大，經濟投入較高。

3）建筑物平移，平移速度較慢，且存在路線中的轉向施工，難以滿足總體工期要求。

1.2.2 SPMT平板拖車平移

SPMT（Self-Propelled Modular Trailers）是一種模塊化生產及組裝的自行式平板拖車，可以根據裝載貨物的不同需求被配置成各種結構、尺寸和質量。SPMT的基礎部件是一個4軸線或6軸線的模塊組以及一個動力頭（PPU-Power Pack Unit）。SPMT的牽引力是由液壓電動機提供的，液壓電動機的動力是由置于設備末端的動力頭（PPU）提供。這就保證了SPMT擁有出色的牽引力以及緊湊的布局結構。SPMT每一軸線都是在主控程序的精確控制下執行各種動作并實現各種姿態（如移動、旋轉、升降等），不僅具備良好的操控性，同時還可以完成傳統拖車（如運梁車等）無法完成的動作。例如：輕松地原地掉頭、橫向平移、繞中點旋轉。SPMT的載重平臺可以通過懸掛系統進行升降以便裝卸貨物并保持平臺的水平姿態（圖2）。

圖2 SPMT模塊運輸車平移方式

通過對托盤梁進行加固以增加建筑底層的整體性，并對建筑結構整體、墻體、局部進行加固，增加結構的整體性，采用拖車平移不會對建筑物產生不利影響，而且拖車平移相對滑道平移存在如下優勢。

1）托換梁相對于滑道平移方式采用的截面更大，剛度更大，在平移過程中減小對房屋結構的影響。

2）已有數個文物建筑平移成功的案例，在精心設計、精細管理下安全性沒有問題。

3）集平移、旋轉、頂升于一體，平移穩，而且速度快，依次平移到位僅需數天時間。

4）平移過程中可爬坡和下坡，對場地平整度要求低。

5）輪胎可分散上部結構荷載，對地基承載力要求較低，原地基經過一定的地基加固即可。

6）不需要修建大體量下滑道梁，經濟性較好。

但由于拖車自身質量較大，在第2次平移至新址地下室頂板上時，對地下室結構要求太高，安全適用性降低。

綜上所述，本工程第1次平移采用拖車平移方案，第2次平移采用滑道頂推平移方案。

2 托盤梁設計

鶴鳴里建筑在地基開挖之后首先在原基礎旁施工下底盤條形基礎，作為平移前的頂升反力基礎；然后在底盤以上墻體兩側施工平面鋼筋混凝土上托盤梁，作為建筑頂升和移位的托換結構；隨即通過在條形基礎上布置頂升千斤頂，采用PLC液壓同步控制系統將房屋頂升1.4 m，將原址下底盤以外區域的地基處理后，在上托盤與下底盤之間布置SPMT拖車，通過拖車將建筑物平移運輸至臨時點安置；在臨時點采用臨時墊塊支撐，建筑物安放過渡；等新址位置具備條件后，再采用滑道頂推平移至新址，并與新址地下室連接就位。

托盤梁是整個結構設計的重中之重，托盤梁結構的整體強度是平移過程安全與否的關鍵因素之一。

鶴鳴里原址下底盤采用條形基礎，沿房屋基礎軸線布置，部分墻體下面開挖導洞施工下底盤條形基礎。條形基礎總面積按不小于原基礎地基承載力總面積考慮（圖3）。

圖3 鶴鳴里頂升基礎布置

建筑上托盤采用傳統夾墻梁形式，并向外延伸，新澆筑鋼筋混凝土的上托盤梁與原有建筑砌體基礎澆筑為整體，共同受力，增強了建筑物平面內的整體性（圖4）。

圖4 鶴鳴里托盤梁布置

本次鶴鳴里建筑原址頂升采用32臺200 t級雙作用油缸進行頂升，每個頂升點設置2臺200 t級油缸及1個臨時支撐，每次頂升行程100 mm，頂升完成后在臨時支撐位置加墊100 mm定制墊塊，油缸收缸并加墊墊塊后繼續頂升。當頂升至1 400 mm時，可按設計將SPMT模塊車駛入房屋底部，利用SPMT模塊車的升降功能將建筑荷載轉移至車上（圖5）。

圖5 鶴鳴里頂升點及SPMT布置

通過對房屋荷載驗算及頂升點布置，按相關規范進行托盤梁受力分析，確定托盤梁配筋及各頂升點的反力，同時對條形頂升反力基礎進行驗算。

本次設計為了保證平移過程的絕對安全，均考慮2倍安全系數。

3 托盤梁低凈空優化

3.1 傳統托盤梁與反力基礎關系

目前國內多數建筑平移頂升托換結構體系從布置上由上托盤梁、頂升設備及頂升基礎組成。托盤梁與反力基礎是移位建筑中的關鍵結構，托盤梁與原結構通常采用雙夾墻形式，通過現澆鋼筋混凝土結構將移位建筑連接成整體，在其下方設置頂升反力基礎，托盤梁與頂升基礎之間考慮油缸等設備安裝空間，通常預留0.4～0.6 m（圖6）。

圖6 傳統托盤梁斷面布置

若因建筑保護相關因素影響，不得破壞±0 m以上立面時，需將托盤梁設置在±0 m以下，通常為－0.10 m，而頂升基礎底標高通常為－1.50～－1.00 m，導致存在如下因素需在設計施工中考慮：

1）開挖過程中基坑降水。

2）開挖深度低于原基礎底標高，地基承載力喪失對結構的影響。

3）土方開挖對結構的影響導致需分段分條施工，總體施工工期的控制。

4）移位切斷面降低，對于平移建筑過渡段的土方工程加大，整體造價上升。

針對上述問題，需對頂升結構進行優化設計，盡量解決或減少對結構安全、工期、造價的影響。

3.2 低凈空優化

為了減少托盤梁與頂升反力基礎之間的凈空，可從結構布置位置出發，將設備安裝位置從托盤梁底放置到托盤梁兩側，上方設置頂升短梁。通過類似“扁擔”的頂升梁將上方頂升力傳遞給托盤梁（圖7）。

圖7 優化托盤梁斷面布置

頂升梁與托盤梁連接可根據該頂升點的荷載采用提升鋼筋或精軋螺紋鋼進行力傳遞。

鶴鳴里項目設置有4根φ25 mm鋼筋和6根φ25 mm鋼筋2種配置，根據頂升點布置，整個項目共設置12個頂升短梁（圖8）。

圖8 鶴鳴里頂升梁布置

采用低凈空設計需在設計中考慮如下問題：

1）頂升設備無法設置在墻體以下，設計托盤梁時考慮小偏心影響。

2）頂升梁穿越墻體，需對墻體進行開洞，應有相應的處理措施。

3）穿墻梁需滿足設備安裝高度，通常比托盤梁頂標高高，可考慮設計成折梁。

通過低凈空優化設計，并對頂升短梁進行單獨分析計算，能夠滿足本工程的使用。

4 托盤梁低凈空設計應用

4.1 保護建筑中的應用

保護建筑通常如本例鶴鳴里類似，因其建造年代久遠，多數基礎埋深較淺，采用傳統做法頂升基礎位于原基礎深度以下，開挖過程會造成較大的安全隱患，若地下水位較淺還要對基礎進行降水處理，將大大增加工程造價及工期。

傳統做法通常會先施工上托盤梁，待上托盤梁成形，對原建筑形成保護之后再開挖反力基礎，這樣能保證建筑的整體安全，但是增大了土方開挖及外運的難度，同時開挖深度較大，對坑洞支護降水也需要考慮，總體工期及造價相對較高。

采用低凈空優化設計，能大大減少開挖深度，減少土方開挖外運及支護降水的工期及費用，整體優勢較為明顯。

4.2 地下受限建筑中的應用

若遇到地下標高受限，如有管線、地下構筑物影響等特殊情況，無法將頂升反力基礎設置較低，這時也可采用低凈空優化設計，設置頂升梁，通過頂升受拉鋼筋將建筑物在高處頂起，避免頂升平移與地下構筑物產生沖突。建筑物增層、設備加高等工況可采用類似的設計。

4.3 高度受限移位工程中的應用

部分建（構）筑物平移過程需對高程進行控制，無法采用頂升操作，因此為了解決設備布設空間問題，同樣可以設置類似托盤梁或頂升挑梁，既滿足設備安裝需求也能對結構進行原位托換，方便后續平移施工。

5 結語

隨著國內城市的可持續發展，越來越多的保護建筑與發展產生沖突，在如何處理類似保護建筑的問題上，越來越多地采用建筑平移頂升技術，目前建筑平移頂升技術也越來越成熟。優化建筑平移頂升結構設計是從設計方向有效減少平移頂升的成本、工期的重要手段。

移位建筑托盤梁與反力基礎之間高度與工期、安全、造價等有著直接關系，通過托盤梁的低凈空優化能減緩傳統設計的不利影響，對整體工程均可產生直接的有利作用。

鶴鳴里項目通過低凈空優化的實施，縮短了約10 d工期，節約土方開挖1/3，因此托盤梁低凈空優化設計在移位建筑中具有推廣價值，可為類似項目的移位提供新的思路。