历史保护建筑改造施工全过程自动化监控分析

李 兵

上海建工集团股份有限公司 上海 200080

1 工程概况

背景工程为上海南京东路179号街坊项目新康大楼外墙保护工程，位于上海黄浦区江西中路264号，该大楼建造于1916—1921年，原设计单位为英籍建筑师事务所马海洋行，原建设单位为英商新康洋行，结构类型为钢筋混凝土框架（含部分混凝土墙），原建筑房屋占地面积1 154 m2，总建筑面积10 433.38 m2，现为重要历史保护建筑。原设计为6层混凝土结构，目前加建为9层，其中2层为早期加建，后期在屋面（9层）搭建1层砖混结构房屋。为满足日后功能需求，在保护外墙的要求下对该历史保护建筑结构进行改造，拆除原建筑内部所有梁、板、柱结构，并开挖5层地下室。为达到既保留外墙立面的历史风貌，又不影响内部结构施工的目的，在拆除内部结构的同时对保留外墙进行临时支撑，形成钢桁架支撑体系结构（图1）。为增加外墙侧向刚度，保证其整体稳定性，在距三面保留墙体内外侧各一定距离（750～1 400 mm）设置与保留外墙走向一致的一排H400型钢柱，内外钢柱之间及与保留外墙，通过钢连梁以及水平、竖向和侧向支撑进行拉结，局部设置钢支撑进行加强，同时在结构开口一面（东侧）设置2个大型格构柱式核心筒，2个核心筒之间设置交叉支撑形成整体，由核心筒出发增设水平空间伸臂桁架支撑，顶部同时加若干平面桁架式角撑增强顶部刚度，最终形成临时钢结构支撑整体结构体系，提高保留外墙的整体稳定性。

图1 新康大楼改造前及改造中的实景

2 自动化监控

由于本建筑为历史保护建筑，墙体的安全和稳定是施工过程中首先要解决的问题，而钢桁架围护结构是为了保护墙体稳定性和结构安全而设置的临时钢结构支撑体系，而对钢桁架结构进行实时监测是确保安全的一个有效手段。在保留外部墙体的基础上拆除内部结构，然后进行基坑开挖。通过跟踪监测全过程施工阶段墙体围护结构变形（反馈墙体平面外倾覆及竖向位移）、外墙围护结构的应力与变形，实时将墙体及围护结构的状态反映给施工管理人员，能够有效确保保留外墙及周边环境的安全，从而使得整个项目施工过程安全可控[1-3]。

针对该项目施工过程中钢桁架结构的自动化监测内容，主要包含面内面外倾斜变形、结构应力、竖向沉降变形等。倾斜变形监控主要用于控制外立面保留墙体围护结构在施工过程中因基坑开挖和内部结构拆除导致的平面外倾覆及基础沉降引起的竖向位移。结构应力与竖向沉降变形控制主要是为了在施工过程中监测钢桁架应力、钢柱应变，格构柱底部应力及相邻沉降差变形。根据施工监测方案布置：现场设有11套静力水准仪（CJ1～CJ11），用以监测钢桁架沉降变形；钢桁架设有应变传感器34支（YB01～YB34），用以监测钢桁架内力；设有18套高精度倾角仪（QX01～QX18，共3层，每层布置6套），用以监测钢桁架的面内与面外的倾斜变形（图2）。

图2 倾斜、应力、沉降现场测点布置示意

通过现场自动化设备采集、传输倾斜、应力、沉降等数据至云端服务器，由后台远程无线数据分析系统实时全天候查看数据变化情况。将采集到的随着时间变化的结构变形数据，通过自动化拟合倾斜变形的时程线来反馈和评估建筑结构的安全性，尤其在重要危险工况施工过程对建筑结构变形影响较大，通过实时监控的手段，一旦出现预警或报警，就及时反馈给项目相关技术管理人员，以便于及时采取保护措施，以免发生重大事故。

3 有限元仿真

对钢桁架结构在考虑结构自重、施工荷载、温度影响、TRD施工时支座位移等因素下，采用有限元方法对钢桁架整体变形与结构应力进行施工全过程仿真模拟分析。本钢桁架临时支护结构横向约25 m，纵向约60 m，根据GB 50017—2003《钢结构设计规范》8.1.5条规定可不考虑温度作用，但考虑到该结构钢构件布置较密，且该项目复杂重要性和专家咨询意见考虑温度作用影响，结合上海地区情况，综合考虑温差取30 K。根据施工方提供的项目资料，依据TRD施工流程，分5段来考虑支座位移影响，同时考虑侧向水平位移以及支座沉降的影响，最大值分别控制在20 mm和10 mm，采用线性变化的方式加于结构支座上。经过有限元分析，得出钢桁架结构整体变形云图及结构应力比数据（图3）。

图3 钢桁架结构有限元受力结果

考虑分段支座位移影响后，结构的最大位移为26.6 mm，发生在顶部桁架支撑位置，该位置非关键位置，关键位置最大位移发生在西侧中部钢框架顶部，为24.4 mm，位移角为1/1 312，较初始状态略有增大。钢结构构件验算均满足，应力比最大为0.75，且绝大部分构件应力比均在0.5以下，钢构件应力比较初始状态增大较多。可见支座位移对钢构件影响较大，对结构整体稳定性影响并不是很大。

根据有限元分析的理论数据最值，配合设计院提供的监测报警控制值，综合无线自动化实时监测的数据，较为系统、全面地对钢桁架面内、面外倾斜变形、结构应力、竖向变形进行监控，一旦发现数据异常或者超过报警值，就及时反馈给项目相关技术管理人员，以便采取应急或加固措施，确保结构安全和项目的顺利进行。

4 结语

通过对比钢桁架结构有限元分析的理论最值及设计院提供的监测报警控制值，采用无线自动化手段对上海南京东路历史保护建筑新康大楼施工改造过程进行倾斜变形、结构应力、竖向沉降变形监控，理论结合实际监测，确保了工程项目结构安全和工期进展。在施工过程中，采用无线自动实时监测、远程实时显示数据发展趋势，使用高精度监测传感器，提高了监测数据的精准性和全面性，能有效节约项目监测的成本，可及时观测钢桁架结构的振动变化规律。一旦发现问题，就及时通知项目相关人员采取必要的保护措施，确保了施工过程的结构安全，降低安全事故带来的不必要的损失，进一步确保了历史保护建筑外围钢结构稳定性和安全性，提高了施工监控的工作效率。