舊工業(yè)建筑再生利用中建造技術的應用★

張家瑋，王奕文，楊穎琳

(南華大學，湖南 衡陽 421000)

1 背景

21世紀以來,中國的改革開放正朝著更深入的層次發(fā)展,產業(yè)結構隨著中國和全球經濟的全面接軌也進行著重大的變革與調整,城市化的進展正在以驚人的速度向前飛進。由于產業(yè)結構升級和布局調整,傳統(tǒng)的工業(yè)正逐步被新興的產業(yè)所替代,工業(yè)企業(yè)從城市中心搬遷到郊區(qū)、開發(fā)區(qū),“退二進三”成為許多城市建設和舊城改造的主題。大部分工業(yè)資源都被拆毀,當中包含不少有價值的舊工業(yè)建筑物。如今自然環(huán)境的保護日益受到重視,所以,通過大拆大建使用舊工業(yè)建筑用地的方式己經不符合現(xiàn)代城市建設和發(fā)展需要。同時,可連續(xù)、可循環(huán)、綠色節(jié)能的建造模式更加符合現(xiàn)代社會建設發(fā)展潮流。因此,再生利用建筑項目的建設和發(fā)展是今后我國城市舊工業(yè)建筑建設的大趨勢。

2 國內外研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究發(fā)展概況

舊工業(yè)建筑的研究起源于英國工業(yè)考古,伯明翰大學的麥克爾·里克斯在1955年提出“產業(yè)考古學”，號召各界應該即刻保護英國工業(yè)革命時期的重要機械設備和紀念物。1973年,英國工業(yè)考古學會創(chuàng)立。同年,在全球最古老的鐵橋所在地點——鐵橋峽谷館內召開了“首屆國際工業(yè)紀念物會議”,這讓全世界對舊工業(yè)遺產的保護有了重視觀念。第三次國際工業(yè)紀念物會議于1978年在瑞典召開,會議成立了TICCIH,它是當今世界上首個致力于推動舊工業(yè)遺產保護的國際化機構。20世紀80年代，由于眾多城市對這些區(qū)域的改造更新和發(fā)展實踐,該研究領域受到了更多的重視,荷蘭于1986年開始研究和整合了自1850年起一百年間的工業(yè)遺產資料;法國也于同時期提出了收集歷史文獻資料并建檔的長期規(guī)劃。在2002年,柏林國際建協(xié)二十一屆會議上把大會主題定為“資源與建筑”,并引入了魯爾工業(yè)區(qū)再生等一批舊工業(yè)建筑改造的成功例子,進而使工業(yè)建筑在歷史地段的保存、改建和再造等事業(yè),引起了全球建筑設計同行的注意和重視[1]。

2.2 國內研究發(fā)展概況

中國對舊工業(yè)建筑的相關研究,起步相對較晚。2006年,文物局通過的《無錫建議》在國內舊工業(yè)遺產保護的歷史上具有里程碑式的意義。同年發(fā)布的《關于加強工業(yè)遺產保護的通知》標志著中國從國家層面上揭開了舊工業(yè)遺產保護的帷幕。隨后十多年間參與此方面學術研討會的人員和學術論文量均有提高,研究成果越來越深入,舊工業(yè)建筑保護與再生利用的經驗越來越豐富,標志著中國舊工業(yè)建筑再生利用有了深入發(fā)展。

3 研究目的和意義

在舊工業(yè)建筑的改造過程中,使用功能的變化，帶來了原結構體系部分的增加或減少，乃至非承重構件等因素的改變，這都使得改造后的新建筑需要一個新的安全的結構整體。其中建造施工技術是實現(xiàn)建筑再生的重要具體操作環(huán)節(jié)之一,對最后是否能達到預想目標至為重要。然而目前多數(shù)研究仍側重于文化內涵或純設計手法,而缺乏從實踐運用角度出發(fā)的研究。本文將從設計原理中空間轉型的模式與建造技術相結合的思路出發(fā)，結合具體案例，整理和比較各種技術的優(yōu)劣性，從技術可行性、經濟性的原則出發(fā)提出解決問題的方法和措施。

4 空間轉型的模式

舊工業(yè)建筑再生利用時的空間模式轉型總體可分為兩類,一種是“切分式”的碎片化分割;另一類是“整合式”,將空間重組,新建組合。

4.1 “切分式”

舊工業(yè)廠房為滿足原來的工業(yè)生產活動,其空間一般為單一的大空間,且層高較高。在將其改造為民用建筑時,空間直接使用會產生諸多不便,因此會對大空間進行劃分,方式有水平式劃分、垂直式劃分。

1)水平式劃分。在水平方向上，通過墻體、矮墻、闌珊、玻璃等的圍合或半圍合，將空間分割或分隔成大小不同的多個小空間，從而滿足不同功能的使用要求。例如在將舊工業(yè)廠房改造成展覽館時,通過墻體將原本較狹長的廠房空間從長軸方向進行圍合和分隔,劃分出展覽空間、接待空間、辦公空間等。

2)垂直式劃分。在垂直方向上,用樓板將空間分割成不同的層次,進而再按不同功能需求,將每一層空間劃分成大小不同的部分以滿足使用要求,并通過垂直交通設施如樓梯、電梯、坡道等進行連接,使建筑內的空間層次感更加豐富。如將廠房改造成餐飲娛樂場所,通過垂直分層,使每一層空間的商業(yè)價值充分利用。

4.2 “整合式”

除了對大尺度廠房空間“碎片式”的處理方法,針對小尺度的廠房空間還存在著“整合式”的處理方法?？臻g整合既包含了各組建筑物間的結合,亦包含新增單體和老建筑物相互之間的混搭結合。

如位于德國繆海姆市的水資源博物館,其中造型奇異的水塔部分是在1892年由當時的鋼鐵業(yè)巨頭——蒂森公司建造的,主要目的是為了給附近居住的工人提供水源,而隨著整個制造業(yè)的外遷,水塔于1982年停止了使用。水塔各層被改造成水資源博物館的展覽空間,在各層總共布置了數(shù)十個停駐點讓人們觀展。被設計師重新設計后的水塔內部空間參差交錯,富有層次感,而旁邊與水塔連接的垂直電梯采用富有現(xiàn)代感的玻璃盒子造型,二者結合在一起,歷史風韻和現(xiàn)代科技碰撞出了戲劇性效果[2]。

5 改造加固方法綜合選擇應用

由于舊工業(yè)建筑在改造中對結構整體安全提出了新的要求,因此需要對舊結構做加固處理。有很多方法可以用來進行結構加固，結構加固要達到的最終目的是增強原始構件，使原結構系統(tǒng)上的荷載效應降低，使加固后的結構體系更加安全可靠。針對不同結構類型，不同建筑的具體實際現(xiàn)狀，可以選擇不同的方法來進行加固[3]。

5.1 加固方法選取

不同的舊工業(yè)建筑有各自的結構特征，改造后需滿足的新功能也不同，在現(xiàn)場施工中經濟條件實操技術條件等也不盡相同。因此應根據(jù)各種因素來綜合分析判斷，需要研究、分析、確定原有構件的舊傳力路徑,并分析功能結構變化后的新傳力路徑,再根據(jù)新傳力路徑來計算分析設計加固的結構,并采取相應優(yōu)化的加固措施。應注意下面幾個問題：

用直接加固法進行加固時，優(yōu)先考慮外部粘貼鋼或碳纖維材料加固法，擴大截面面積加固法，預應力加固法，外包型鋼或鋼板加固法等，上述方法可使新增加固材料和原結構協(xié)同受力，增加整體承載力和強度。用間接加固法進行加固時，可添加或減少受力結構和改善支點約束條件等措施，以提高原有結構構件的承載力特性,或添加新構件來轉移荷載實現(xiàn)綜合補強的目的。舊工業(yè)建筑空間大,不同部位構件受損或強度弱化的情況不一,施工的難易程度不同,應針對具體情況,采用多種加固方法綜合使用。

5.2 地基與基礎加固技術手段

對舊工業(yè)建筑物的地基和基礎加固可以從以下這些方面考慮:原基礎截面面積增加,減少對原地基土上的壓力;在地基中增設墩基或樁基礎。根據(jù)具體加固補強的技術,通常可分成基礎加寬技術、墩型托換技術、樁型托換技術、地基補強技術四類方法,但在根據(jù)具體的施工時,有時也會同時運用以上幾種方法加以綜合使用[4]。

5.3 主體結構加固技術手段

結構加固最終是為了提高建筑物結構和構件的強度、穩(wěn)定性、剛度及耐久性。因為加固部位的功能特點不同,結構與構件的受損程度和破壞因素也有所不同,所以在實際結構加固工程中應依據(jù)客觀可靠的評估報告和加固原因,并根據(jù)所擬加固的建筑本身的結構特征,以及符合使用功能和施工簡單、經濟合理等因素綜合分析,并根據(jù)各種狀況擇優(yōu)選取不同的加固方式。

舊工業(yè)建筑多為混凝土結構,混凝土結構加固方式按照其加固措施能否直接地補強原結構構件而加以區(qū)分,總體上包括直接加固和間接加固兩種方法。實際施工中可按照要求和實際使用條件選取適當?shù)募庸谭绞胶图夹g。直接加固應依據(jù)工程項目的具體現(xiàn)狀選用置換混凝土法、擴大截面法以及綜合截面加固法等。而間接加固則應依據(jù)工程項目的具體現(xiàn)狀選用預應力加固法、設置支點、加耗能支撐或設置抗震墻等方法[5]。

擴大截面加固法:應用于對鋼筋混凝土等受彎和受壓構件的補強。該方法是利用鋼筋混凝土來增加原混凝土結構構件的截面面積,進而增加構件的承載力。在中國,擴大截面法是一個比較傳統(tǒng)的補強加固方式。其好處是工藝操作簡便,也可廣泛用作一般的梁、柱、板、墻等。然而這種方法會影響到房間內空間的凈高,所以對凈高有要求的建筑不適合采用這種方法。

置換混凝土法:是剔除了原有結構一定厚度的低強度混凝土,澆筑高強度混凝土進行替換,使得原有結構的整體承載力得以加強的方法。本辦法主要適用于承重結構受壓區(qū)混凝土強度較差,或有重大問題時的局部補強。

預應力加固法:利用高強度鋼筋或型鋼等,在需要加固的結構外表加預應力拉桿或撐桿。由于使用拉桿或撐桿對結構施以預應力,體外的拉桿或壓桿和需加固結構一起受力,以抵消部分荷載彎矩,從而降低了原結構撓度,改善了整體結構系統(tǒng)的承載力和強度。由于預壓應力加固法對原有的使用空間基本影響很小,可普遍用于梁板等構件的加固。

外包鋼加固法:就是將型鋼或鋼板包在加固結構的外面,使原構件和鋼材協(xié)同作用,增加結構的承載力、增大剛度。該方法工藝簡單,施工快速,可用于不適合使用擴大截面法,但又要提升構件承載力的加固,如混凝土梁、柱、屋架等部位的加固。

粘貼復合纖維加固法:此法多應用于鋼筋混凝土受彎、軸心受壓、受拉構件的加固。不適用于素混凝土結構。

新增支撐加固法:是沿構件長度方向上增加支點的加固方式。如在樓板下的承重柱間新增加柱,在梁等受彎構件下增加豎向支撐等。本辦法也適用于對梁、樓板、桁架等構件的補強。增設支點簡單可靠,傳力路徑明確,多用于較大跨度的結構,加固對使用空間的縮減不產生影響的結構加固工程。

6 實際案例:咸陽市渭城中學遷址新建項目(藝術中心、校史館)

該項目位于陜西省咸陽市,為一所高中的新校區(qū),新校址建在原國棉八廠舊廠區(qū)上,其余舊建筑拆除,保留一座筒捻色織車間廠房和一座打包車間,分別改造為學生藝術中心和校史館。

藝術中心原為單層鋸齒廠房排架結構。原建筑為咸陽國棉八廠筒捻色織車間廠房、建于20世紀90年代初建筑平面為矩形。將原單層廠房改造為二層藝術中心。主要用途為音樂教室、舞蹈教室、書法及美術教室。

改造拆除內容:拆除原廠房圍護墻、屋面、門窗。保留原廠房鋸齒排架結構、梁和鋼筋混凝土屋面板。新建內容:原單層廠房增加了夾層,夾層樓板、鋼柱、疏散樓梯、圍護墻、隔斷墻壁、窗戶、瓦屋面均為新建項目。新加采暖系統(tǒng)、照明、給排水、分體空調、電氣、水源泵消防系統(tǒng)。

藝術中心結構加固方案:廠房保留部位為2軸～7軸線/C軸～G軸線間的多跨排架結構。單層鋸齒形廠房的結構整體性和抗震性能較差東西南北四個方向均為鉸接現(xiàn)將東西向鉸接雙梁與柱端進行固接加固設計,將雙向鉸接體系改為單向鉸接體系提高其抗震性能。為滿足現(xiàn)行規(guī)范抗震設計需求將柱截面進行加大截面法加固,梁鉸接改為固接,梁上部采用加大截面加固和底部粘貼鋼板加固,屋面板為滿足現(xiàn)使用要求進行板底粘貼碳纖維布加固。原獨立基礎不拆除與較相鄰的新建柱基采用基礎加大截面加固法。原建筑內增設鋼結構夾層與原結構脫開。

改造后在廠房原有建筑結構基礎上,頂面與局部立面做素白色處理,給藝術館中未來展出的作品留出展示空間,亮麗色彩的使用突出藝術館的空間屬性,也象征著老廠房的心聲,彩色線裝的藝術裝置,是紡織廠歷史記憶的一種回應,局部立面使用U型玻璃材料,利用其透光性,將二層光線引入一層展廳(見圖1)。

校史館原為咸陽國棉八廠打包車間,建于20世紀30年代,平面為矩形?，F(xiàn)將原三層廠房改造為三層校史館。主要用途為校史館及國棉八廠廠史館。

拆除內容:拆除原廠房門窗,拆除原廠房大樓梯處的屋頂及護欄。保留原廠房結構梁板柱,采取加固措施。新建內容:結構增加屈曲約束支撐結構,并對原梁板柱進行加固。大樓梯處外裝穿孔鋁板幕墻。大樓梯下的空間增加隔墻,隔出房間用于庫房及管理用房。西側層架鋼樓梯。原廠房三層柱子、內墻處有文革時期語錄,改造時需采取保護措施,避免損壞。

校史館結構加固方案:提高抗震性能保證結構整體剛度:設置屈曲約束支撐加大外圍截面?；A加大截面。建筑內4根框架柱保留原貌采用包碳纖維布的方法解決箍筋無加密的構造缺陷。為滿足現(xiàn)行規(guī)范抗震設計需求將柱截面進行加大截面法加固,梁鉸接改為固接,梁上部采用加大截面加固和底部粘貼鋼板加固,屋面板為滿足現(xiàn)使用要求進行板底粘貼碳纖維布加固。梁采用加大截面和粘鋼的方法解決配筋不足的問題。原有混凝土樓板采用板下加大截面法解決板承載力不足的問題。

由打包車間改建成的校史館表達了對紡織廠曾經歷史文化記憶的留存,保留了紡織廠在原有空間中的生活印記,讓人們感受到了從紡織廠到校史館的歷史文脈的傳承(見圖2)。

7 結語

隨著城市化的發(fā)展,如今土地已經進入存量時代,如何做好舊工業(yè)建筑的再生利用已經逐步成為一個值得關注的問題。工業(yè)建筑因其相對的陌生性和超大尺度性,對建筑師的設計把控能力是一個挑戰(zhàn),只有將設計與建造技術融會貫通綜合考量,才能更好的解決舊工業(yè)建筑的再生利用問題。