随着生活水平的不断提高, 人们更期望在大型医院得到预防、治疗、康复等多方位的服务, 大型综合医院就医量呈爆发式增长, 现有的医院建筑硬件设施已远远不能满足就诊空间、医疗环境、设备更新等现实需求, 急需进行改建与扩建。但绝大多数大型医院均分布于城市核心地带, 其改扩建工程普遍存在地下空间开发与周边环境保护的矛盾、改扩建施工与医院正常运营的矛盾、历史建筑保护与医疗设施功能拓展升级的矛盾。

在地下工程施工阶段, 由于受周边复杂条件的限制, 需采取针对性很强的施工技术, 才能保证项目顺利进行。

上海市第一人民医院改扩建项目 (见图1) 位于虹口区86号地块。新建1幢具有急诊中心 (1 500人/日门诊量) 、急救中心、手术中心、功能检查、病房 (300张床位) 等功能的综合医疗建筑 (A楼) , 历史保留建筑加固改造成急诊中心诊室及行政办公用房 (B楼) , 在A楼和B楼之间建设1层连接体, 并在武进路上空建设2个过街连廊与南院区连通。项目总建筑面积48 852m², 其中地上建筑面积35 352m² (含改建保留建筑面积5 903m²) , 地下3层建筑面积13 500m²。主楼 (A楼) 15层, 建筑高度61.6m, 裙房5层, 建筑高度22m。保留建筑 (B楼) 4层, 建筑高度16.4m。项目所在场区属于上海地区“滨海平原”地貌类型, 场地地基土主要由饱和黏性土、粉性土和砂土组成。

拟建场地原为上海市虹口中学, 上部建筑大部分在施工前已经拆除, 地表层为遗留建筑垃圾, 其下存在基础、人防通道、原地下1层停车库 (深度4.5m) , 停车库下方还存在搅拌桩桩基, 该搅拌桩布置位置不清晰, 深度不明, 处理难度大。

基坑西侧为百年优秀历史保护建筑———虹口消防站, 采用天然地基, 距离基坑内边线6.6m。基坑东北侧为历史保留建筑B楼, 也采用天然地基, 距离基坑最近为1.8m。基坑东侧为城市重要泄洪河道———虹口港。基坑南面为武进路, 路下管线众多, 分布有上水、雨水、污水、信息、燃气、11 000k V电缆混凝土箱涵等, 地下管线错综复杂, 且老城区年久失修。在基坑建设施工过程中, 保护要求很高。

施工场地占地面积8 320m², 基坑占地面积6 220m², 基坑占地率达到75%, 现场无固定施工场地, 施工期间基坑至施工围墙之间仅2~3m的距离。并且工程场地主要进出道路 (武进路) 为第一人民医院南院的主要出入口, 人流车流拥挤不堪, 场外周边道路狭窄, 均为单行道且不成环路, 工程材料运输及场地布局极其困难。

保留建筑B楼为1幢4层中学教学楼, 属历史风貌保护建筑, 至今已投入使用约90年, 原建筑部分为框架结构, 部分为砌体结构, 经检测主要构件混凝土碳化严重, 砌体强度低且地基承载力较低, 难以满足医疗设施功能需要。

本工程新建部分 (A楼) 为地下3层, 开挖深度达16.5m。综合考虑施工场所周边环境保护、节约施工场地、绿色施工和节能环保等诸多因素, 同时考虑工期和造价原因, 采取半逆作施工方案:将A楼基坑面积4 547m²的范围划分为3部分: (1) 区面积1 447m², (2) 区面积1 971m², (3) 区面积1 129m², 分区线为施工缝。其中, (1) 和 (3) 区主要为东西两侧车库顺作区域, (2) 区主要为塔楼和上部裙房逆作区域。如此划分可以有效地分摊工作量, 组织施工流水, 并可以使上部结构在 (1) 和 (3) 顺作区拆撑回筑阶段提前进入施工, 加快了施工进度, 如图2所示。

项目新建部分的 (2) 区采用暗挖逆作法进行地下工程施工, 下行施工阶段完成永久结构梁板, 底板完成后随即浇筑竖向结构及水平结构补全。

本工程改建部分 (B楼) 位于基坑北侧, 按照建筑转角位置分为B, C, D和E区 (见图2) , 其中B, C和D区均为混凝土条形基础+混凝土框架结构形式, E区为砖砌条形基础+砖混结构。基坑施工前需对该保留建筑采用静压锚杆桩加固。

基坑西侧虹口消防站与周边管线的保护, 采用双排钻孔灌注桩进行基坑的槽壁加固, 从而控制基坑的变形, 达到保护历史保留建筑的目的。

新建主楼 (A楼) 区域采用292根钻孔灌注桩, 其中逆作法施工的立柱桩 (一柱一桩) 117根。围护结构采用地下连续墙, 350延米, 分64幅;地下连续墙两侧采用五轴搅拌桩1 415根。

由于上部结构部分劲性柱采用十字型钢, 无法满足逆作要求, 所以将B0板以下十字型钢采用550×20钢管替代 (见图3) , 内圈和外包混凝土均采用C60, B0板以上采用转换接头, 恢复十字型钢骨架。

逆作法地下室竖向支撑系统采用的一柱一桩为永久550×20钢管内灌C60混凝土柱以及临时支撑的480mm×480mm格构柱两种形式。所有钢立柱 (钢管及格构柱) 中心偏差应≤10mm, 垂直度不允许超过1/400。

逆作法一柱一桩施工工艺流程:硬地坪上放出桩纵横轴线→护筒埋设→桩机就位对中调平→钻孔→第1次清孔→钻架移位→定位架对中、焊接安放→下钢筋笼、钢管柱及注浆管→安放校正架→钢管柱对中、调垂、固定→下导管→第2次清孔→水下混凝土灌注→等待混凝土凝固→拆除定位架及校正架→起拔护筒。

为满足逆作法施工成孔后钢立柱调垂对空间的需求, 需对插入部分及以上桩孔进行扩径, 按逆作法施工规范要求, 一柱一桩需调垂的钢立柱有480mm×480mm格构柱和550×20钢管柱, 扩径以480mm×480mm (对角线600mm) 格构柱为准, 最初设计扩径至900mm, 后考虑成孔垂直度偏差 (1/300) , 施工前将扩径尺寸扩大至1 000mm。为了减少提钻次数, 钻孔时首先采用D850钻头钻至设计位置, 提钻后采用D1000钻头钻至终孔;为了保证桩孔的垂直度, 小钻头开始钻进时, 要注意轻压慢转, 待钻进1~2m后再正常施工。

实际施工过程中, 由于地下障碍物影响, 成孔垂直度较难保证, 且格构柱插入部分栓钉影响格构柱调垂, 最终将扩径尺寸扩大至1 100mm。因此, 在立柱桩施工成孔扩径上, 不仅需考虑立柱外包圆尺寸, 还应考虑成孔垂直度偏差、钢立柱附属构件影响及施工单位经验因素, 桩孔扩径还应考虑立柱与桩不同轴时偏心受力的影响。

为了确保立柱桩施工质量, 采用激光测斜仪技术配合专门研发的液压全自动调垂系统来达到设计要求的1/400垂直度。

所采用的液压全自动调垂系统, 包括激光测斜仪、实时监测系统、伸缩同步千斤顶、调垂及定位机构 (见图4) 、程序及软件系统等组成部分, 该系统具有高精度实时监测能力, 在施工过程中获取钢立柱偏斜状态的实时数据传到计算机, 分析处理后, 返回操作指令至液压千斤顶, 以调整钢立柱的偏斜状态, 达到施工精度要求。

考虑基坑围护施工的环境保护, 本工程地下连续墙两侧采用五轴搅拌桩进行成槽护壁, 其施工工艺的优越性在于:机械在钻进过程中根据喷浆量的大小, 采用特种取土钻杆向地面提升适量土体, 以达到桩内土体压力平衡, 减少对周边环境的影响。

依据基坑布置状况, 设计800mm五轴搅拌桩, 共1 310根, 桩长24m, 累计284幅;局部采用700mm五轴搅拌桩, 共105根。五轴搅拌桩普遍区域水泥掺入13%, 水灰比1.2, 回填区域水泥掺入量增加至15%。水泥土搅拌桩的桩位偏差≤20mm, 桩体垂直度偏差≤1/300, 地下连续墙槽壁加固搅拌桩离墙100mm。

五轴搅拌桩施工关键工艺流程:定位放线→开挖导向→五轴钻机定位→开启水泥浆搅拌系统→开启集成计算机 (监控成墙质量) →开启动力头驱动多功能钻头→边搅拌边喷水泥浆→正转下沉喷浆70%到设计墙底标高 (见图5) →在墙底标高0.5~1m区间内复搅→反转边喷浆边提钻→反旋喷浆30%至墙顶标高→施工一组结束→移到第2组继续施工。

本工程共设置3层地下室, 基坑开挖深度达到15.2~16.3m;基坑开挖面积4 550m², 属深基坑工程。地下室主要结构采用逆作法由上至下施工地下各层结构梁、板, 使其在基坑开挖过程中形成基坑的水平支撑构件, 由上而下施工直至底板完成。

基坑施工总计开挖4皮土方, 每皮土方分3个区域, 出土口共设置8处, 每个取土口的间距不超过30m。按照“时空效应”理论, 做到“分层, 分块, 对称, 平衡, 限时”开挖, 随挖随浇混凝土垫层, 分块间的界线应在梁板跨度的1/3处。B0板上设置2台大挖机 (长臂挖机或履带抓斗) 由取土口垂直取土, 地下采用4台0.6m³小挖机向取土口翻土。

A楼地下室基坑采用逆作法施工, 具体挖土流程如下: (1) 完成地下连续墙、主体工程桩、逆作阶段一柱一桩、基坑内土体加固等施工作业。 (2) 场地平整放线, 施工监测测点布设, 设立降水井点 (本工程每皮土开挖前需做好降水工作, 将水位降至该皮土开挖面下1m左右) 。 (3) 凿除桩基及地下连续墙施工阶段设置的混凝土地坪以及地下连续墙顶混凝土浮浆。 (4) 第1皮土开挖:从西向东, 首皮土采用放坡退挖的方式, 放坡比例1∶1.5;同时进行B0板施工, 地下连续墙顶圈梁同步施工完成 (见图6) , 施工顺序为 (1) → (2) → (3) 。 (5) 第2~4皮土开挖:施工顺序都为 (3) → (2) → (1) , 且依次施工B1, B2和大底板。

本工程B0板以下梁、板钢筋主要采用环梁法连接, 底板环梁抗剪上下层钢筋采用接驳器连接。大截面 (直径≥25mm) 竖向钢筋采用接驳器连接, 小截面钢筋 (直径<25mm) 采用焊接形式, 分别位于上层楼板的板底和本层中间层高处。

首层格构柱与梁板钢筋连接采用倒置埋件法 (见图7) , 能有效解决梁板钢筋密集型穿越, 同时也能提高柱梁节点的抗剪性能, 满足首层板的承载力需求, 也避免了传统牛腿做法所引起的逆作柱钢筋无法向下预留问题。

本工程地下室结构楼板中最大板厚250mm, 最大梁截面500mm×2 100mm;大底板厚1 000mm、承台高度1 500mm, 主楼核心筒底板厚度2 500mm;模板采用机制18mm厚木模板, 地下室逆作法模板下支撑系统统一采用钢管排架系统。柱的截面形式基本为方柱, 采用定型钢模与18mm厚木模板作为柱帽模板进行施工。逆作法施工采用的柱帽节点如图8所示。

本工程地下部分梁板与柱采用不同强度等级的混凝土, 梁板采用C40, 柱采用C60, 为保证浇筑顺利完成, 合理留设梁柱施工缝 (见图9) 。

基坑西侧虹口消防站为历史优秀保护建筑, 距离基坑8m左右, 为了保证地下连续墙成槽及基坑施工阶段有效控制保护建筑的变形及沉降, 在基坑西侧打设双排800mm@2 000mm钻孔灌注桩, 桩长22m, 桩顶采用200mm厚配筋混凝土压顶梁, 来加强对该建筑的保护。

对基坑周边管线进行勘察研究, 确定武进路1根DN400上水管, 九龙路1根11 000k V电缆为本工程重点保护对象, 也采用双排钻孔灌注桩在该区域进行加固保护。

钻孔灌注桩施工主要流程:平整场地→安装钢轨→下置护筒→安装钻机→成孔→清孔→下置钢筋笼→下置灌浆管→灌注水下混凝土→混凝土养护→检查混凝土试块强度。

基坑施工前需对B楼进行加固, 加固方案是在原有条形混凝土基础的十字地梁交叉位置新增承台64个, 承台多为5 370mm×1 550mm和2 570mm×1 550mm的矩形面承台。承台施工完成后进行静压锚杆桩施工, 钢管桩245×10, 桩长33m, 材质Q235B。桩段长度2~3m, 桩段之间采用焊接连接桩径, 总数288根。设计承载力标准值为500k N, 极限承载力1 000k N, 以此来提高承台承载力, 有效控制地下连续墙及基坑施工阶段建筑的整体沉降导致的建筑变形。

基础承台施工主要流程:地坪破碎→土方开挖→暴露出原有条形基础→支模→浇筑混凝土垫层→在原有基础梁上钻孔植筋→在基础梁处进行钢筋对穿并焊接→焊接横向钢筋形成钢筋网→预留锚杆静压桩桩位→制作连接锚杆静压桩桩架地脚螺栓的支架→绑扎承台钢筋→柱增大截面钢筋预留→浇筑C35混凝土→混凝土养护→拆模。

静压锚杆桩施工主要流程:首节桩选用十字钢板桩→运送钢管桩→焊接接桩 (钢管之间采用内衬管焊接连接) →安置千斤顶、反力梁→压桩施工→封桩 (焊接十字交叉钢筋) →封桩 (切割掉高出封桩高度的锚杆) →封桩 (支模) →浇筑C40早强微膨胀混凝土→完成封桩。

在地下工程施工阶段, 应用BIM技术优化施工方案并辅助各专项方案的实施, 可以发挥BIM技术的可视化、参数化和信息集成的特征, 起到质量控制、安全控制和进度控制的作用。限于论文篇幅, 本文仅简介BIM三维现场布置和逆作法BIM施工模拟相关内容。

本工程施工场地8 320m², 建筑占地6 220m², 施工占地率达到75%, 现场施工阶段堆场用地十分紧张, 因此本工程材料堆场设置、场地内外交通组织、场地布置及管理将成为本工程施工管理的关键点之一, 应用BIM技术进行三维场地布置 (见图10) , 明显优于传统的CAD平面图纸, 直观反应现场情况, 并利于施工方案交底和施工过程中进行人流、车流和物流的规划与模拟。

总包单位在地下施工过程中, 依据三维场地布置模型, 提前规划并协调各个分包及劳务队的材料堆放与加工用地, 进行精细化的生产管理, 解决了施工现场场地狭小、分包协调困难的问题。

在地下结构中, 钢立柱与混凝土梁的连接节点是逆作法施工的关键节点, 这些节点的处理是保证工程质量的重点。应用Revit软件构建地下工程的梁柱节点, 并且基于逆作法对梁柱节点建立BIM模型 (见图11) , 从而分析施工工艺流程的合理性, 对施工方案进行优化。

将Revit构建的地下结构BIM模型导入Naviswork软件, 并且关联地下工程逆作法的施工计划Project文件, 从而进行BIM-4D施工模拟, 可以导出视频文件, 用于指导实际工程的逆作法施工。通过虚拟建造, 可以检查进度计划的时间参数是否合理, 即各工作的持续时间是否合理、工作之间的逻辑关系是否准确等, 从而对项目的进度计划进行检查和优化。

在城市中心区进行改扩建项目的地下工程施工, 应用逆作法, 并辅助于BIM技术的施工模拟, 获得了良好效益。

1) 保护周边环境安全逆作法利用板代撑的原理, 受力良好且合理, 围护结构变形量小, 本工程设置的14个地下连续墙深层水平位置监测点最大变形仅为23mm, 均小于报警值 (30mm) , 对基坑邻近建筑及道路、管线影响较小, 均处于安全受控范围以内。

2) 节约工期本工程采用半逆作施工, 减少了支撑拆除及水平结构养护时间, 且地下室在半封闭状态下施工, 不易受到气候的影响, 减少了风雨影响, 本工程自挖土至地下室结构完成历时约152d, 相较传统顺作法节约2个月的工期。

3) 绿色施工, 节能环保逆作施工先施工地下结构顶板, 地下施工均在封闭的条件下完成, 减少施工噪声与扬尘污染, 以及施工造成的城市环境污染。声光尘污染对一路之隔的医院南院影响极小, 未发生医患投诉;并且利用逆作顶板优先施工的有利条件, 优化施工现场布局, 减少了对土地和道路的占用;另外, 由于同时采用柱桩结合和两墙合一等逆作技术, 相对于顺作法施工, 本工程共计节省钢筋1 000t, 节省混凝土4 500m³, 建筑垃圾减少6 000多t, 在节能建造及绿色施工方面起到了很好的示范作用。