單層鋸齒廠房改造加固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
——以淄博萬杰紡織車間為例

敬玲，單體建，孔文龍（.淄博華藝建筑設(shè)計(jì)有限公司，山東淄博55000；.山東衡泰工程咨詢有限公司，山東萊蕪700）

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的加速及現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)，很多老舊廠房雖然未達(dá)到使用年限，但其性能已不能滿足現(xiàn)在的使用要求，導(dǎo)致了近些年來老舊廠房改造加固工程的大量出現(xiàn)。通過對老舊廠房進(jìn)行內(nèi)部空間改造，轉(zhuǎn)化建筑功能及更新建筑立面，使既有建筑重新煥發(fā)生命力，成為城市中的新亮點(diǎn)［1］。

目前，國內(nèi)已有較多老舊廠房改造加固的工程實(shí)踐。熊仲明等從結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理的角度對建筑結(jié)構(gòu)改造后立面保護(hù)的方法進(jìn)行了研究［2］；閆爭科重點(diǎn)分析了工業(yè)廠房中結(jié)構(gòu)改造加固的主要設(shè)計(jì)［3］；曹淑上等對老舊工業(yè)廠房改造再利用成套技術(shù)進(jìn)行研究［4］；陳婭芳等對普通鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造［5］；武乾等提出了工業(yè)廠房的改造加固應(yīng)該基于改造后的用途和功能對不同的結(jié)構(gòu)部件采取不同的改造方法［6］；劉明學(xué)等對京二棉廠鋸齒廠房抗震鑒定與加固設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述［7］；淳慶等對南京色織廠鋸齒形廠房改造加固設(shè)計(jì)與施工進(jìn)行了論述［8］。

鋼筋混凝土單層鋸齒形排架結(jié)構(gòu)廠房是紡織行業(yè)常用的一種結(jié)構(gòu)形式［9］，受力和構(gòu)造有其特殊性。文章以淄博萬杰康復(fù)中心改造加固設(shè)計(jì)為例，對新建筑功能進(jìn)行改造和整體加固及構(gòu)件加固進(jìn)行設(shè)計(jì)，擬為同類建筑的改造加固設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 工程概況

淄博萬杰紡織車間始建于1985年并一直使用至今，建設(shè)方擬將此建筑改造升級為康復(fù)中心。此次改造希望盡最大可能保留原建筑的工業(yè)質(zhì)感，后續(xù)使用年限為30年。原建筑外觀及內(nèi)部如圖1所示。原紡織車間分生產(chǎn)廠房和附屬用房2部分，分3期建設(shè)。中間生產(chǎn)廠房部分為鋼筋混凝土單層鋸齒形排架結(jié)構(gòu)，四周附屬房屋為砌體結(jié)構(gòu)，廠房和附房為一個(gè)整體，彼此之間沒有設(shè)置變形縫。原建筑平面圖如圖2所示。生產(chǎn)廠房結(jié)構(gòu)柱距8 m×12 m，由鋼筋混凝土排架柱、預(yù)制風(fēng)道大梁和三角架及預(yù)制混凝土圓孔板裝配而成，屋面為坡面預(yù)制板上覆蓋黏土瓦屋面；附屬房屋二層。建筑總長為190 m，總寬為120 m，建筑面積約2.2萬 m2，廠房建筑高度為9.1 m，附房建筑高度為5.7 m?？拐鹪O(shè)防烈度7度，重點(diǎn)設(shè)防類。由于廠房建造時(shí)間早，圖紙和建設(shè)資料缺失，故而對紡織車間進(jìn)行了現(xiàn)場鑒定，并出具了鑒定報(bào)告［10］。

圖1 萬杰紡織車間廠房原建筑圖

2 廠房改造加固設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)基本原則

廠房在改造加固設(shè)計(jì)中，以鑒定報(bào)告為依據(jù)，按照現(xiàn)行國家規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程進(jìn)行分析和承載力校核計(jì)算；注重結(jié)構(gòu)的延性和整體性，保證構(gòu)造合理，連接可靠；增設(shè)或改造梁、柱、支撐或其他構(gòu)件時(shí)，避免或減少節(jié)點(diǎn)應(yīng)力的加大和地震作用在原有構(gòu)件間的重分配；保留和利用原有的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件，避免不必要的拆除和更換。萬杰紡織車間因建設(shè)期間管理不善，很多地方未按當(dāng)時(shí)的FJJ 102—84《棉紡織工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》［11］建造，造成結(jié)構(gòu)整體受力上存在諸多隱患，為了解決這些問題，通過在風(fēng)道內(nèi)部和天窗處增加豎向支撐，屋面板下增加水平支撐等辦法，減少了屋面拆除，保證了縱橫向的穩(wěn)定性，使整體受力性能得到提高。需要注意的是改造過程中應(yīng)先做好支撐，再進(jìn)行拆除和各種設(shè)備安裝。

2.2 建筑功能的改造

改造后的新建筑外立面因其鋸齒屋面特色鮮明，平面功能也發(fā)生了較大改變，改造后的平面及效果如圖3、4所示。主要功能布局為（1）出入院服務(wù)用房；（2）康復(fù)治療區(qū)的康復(fù)門診治療總床位數(shù)為305個(gè)，根據(jù)科室劃分為5個(gè)康復(fù)區(qū)域，分別為心血管康復(fù)區(qū)、腦血管康復(fù)區(qū)、皮膚骨科康復(fù)區(qū)、腫瘤康復(fù)區(qū)以及水療區(qū)，每個(gè)區(qū)域均相對獨(dú)立；（3）查體中心；（4）中藥制劑中心；（5）參觀展覽區(qū)。出入院門診人流通過西側(cè)門廳進(jìn)入，參觀展覽區(qū)的人流通過東側(cè)門廳進(jìn)入，中藥制劑中心人流通過北側(cè)入口進(jìn)入，康復(fù)治療的水療區(qū)通過西側(cè)次入口進(jìn)入，康復(fù)治療的各個(gè)區(qū)域通過開向室外通廊的次要出入口解決康復(fù)治療人員及醫(yī)護(hù)人員的出入。為解決人流流線增加了東西門廳及室外通廊。

功能的改變，需要對其結(jié)構(gòu)相應(yīng)改造。具體包括6個(gè)方面：

圖2 淄博萬杰紡織車間原建筑平面圖／mm

圖3 改造后的建筑平面圖／mm

圖4 改造后的建筑效果圖

（1）拆除廠房部分的內(nèi)隔墻，用加氣混凝土墻板重新分割空間，滿足改造后的建筑功能。結(jié)合防火分區(qū)要求，防火墻砌至三角架或屋面板底部，其他隔墻砌至吊頂?shù)?。紡織廠房因要固定織機(jī)，地面為200 mm厚混凝土層，因此普通隔墻直接砌于地面之上，只對通廊的室內(nèi)外分隔墻和墻體較高、荷載較大的隔墻做鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，同時(shí)采取措施保證墻體的穩(wěn)定性。利用原地面200 mm厚混凝土層在其上做新地面，滿足找坡、保溫等要求。

（2）改造后的康復(fù)中心有多道直通室外的通廊，用通廊把平面分成多個(gè)功能區(qū)域。通廊有防火排煙要求，需要拆除對應(yīng)的屋面，但考慮盡量不改變整個(gè)排架結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，保留通廊對應(yīng)的屋面三角架，僅間隔開間拆除三角架上預(yù)制板，每個(gè)拆除的開間保留連接三角架頂部和底部各2塊預(yù)制板，其余的全部拆除。

（3）改造后的康復(fù)中心增加了東、西2個(gè)門廳。東門廳需要拆除對應(yīng)的3個(gè)柱距的附房，根據(jù)門廳寬度拆除預(yù)制屋面板及砌體至最近承重墻體或承重梁處，在此部分增加鋼結(jié)構(gòu)單元，各結(jié)構(gòu)單元之間用伸縮縫分開。西門廳也需要拆除對應(yīng)的3個(gè)柱距的附房，另因風(fēng)道大梁支撐在西側(cè)附房墻體上，需先拆除廠房臨近附房一跨上的預(yù)制板和風(fēng)道大梁上的承重墻體，貼近西側(cè)附房內(nèi)側(cè)墻體風(fēng)道大梁下做鋼柱及基礎(chǔ)，鋼柱與風(fēng)道大梁頂緊后，再根據(jù)門廳寬度拆除附房的預(yù)制屋面板及砌體至最近承重墻體或承重梁處。拆除完畢后風(fēng)道大梁梁頭下做鋼筋混凝土柱，與支撐鋼柱澆為整體。在此部分增加鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)單元，多拆除部分用砌體結(jié)構(gòu)補(bǔ)齊。

（4）原有附房部分除辦公室，還有配電室、空調(diào)機(jī)房、設(shè)備間等功能房間，有些房間因功能的原因，尺寸較小、平面不規(guī)整，建筑充分利用這些房間開發(fā)新的功能，最大程度減小了構(gòu)件的拆除對結(jié)構(gòu)的影響，僅根據(jù)新功能重新開門洞。

（5）原紡織廠房利用風(fēng)道大梁及上下預(yù)制板形成的風(fēng)道給廠房送風(fēng)，在風(fēng)道的底部預(yù)制板上開有很多條狀的風(fēng)口，在防火分區(qū)部位對風(fēng)道進(jìn)行封堵，對風(fēng)道大梁底部預(yù)制板上風(fēng)口進(jìn)行封堵，滿足耐火極限要求，對新加的風(fēng)管穿墻部位進(jìn)行開洞。

（6）原紡織廠房地面有許多排水地溝，對地面原有排水溝進(jìn)行封堵，滿足防火要求。結(jié)合給排水專業(yè)要求，考慮消防主管、支管、噴淋等吊裝，對新加的地溝穿墻部位進(jìn)行開洞。

2.3 廠房整體加固

（1）單層鋼筋混凝土鋸齒形排架結(jié)構(gòu)廠房與砌體結(jié)構(gòu)附房宜相互脫開，其間設(shè)置伸縮縫或抗震縫。改造前廠房及附房結(jié)構(gòu)單元不明確，結(jié)構(gòu)單元之間沒有用變形縫有效地分開。西側(cè)風(fēng)道大梁支撐在370 mm厚附房的實(shí)心磚墻上，若在西側(cè)附房內(nèi)側(cè)風(fēng)道大梁下增加混凝土柱與附房部分分開，需要拆除的構(gòu)件較多且施工難度大、加固成本高。東側(cè)附房砌體結(jié)構(gòu)承重墻兼做鋸齒廠房山墻，與邊柱在同一軸線上，也需要拆除較多的構(gòu)件，進(jìn)行加固，考慮到經(jīng)過30多年的使用未發(fā)現(xiàn)異常情況，兩側(cè)處都不再用伸縮縫分開。僅在西側(cè)支撐風(fēng)道大梁的370 mm厚墻體上增加砌體混凝土組合柱，加強(qiáng)砌體結(jié)構(gòu)剛度，讓兩側(cè)的剛度盡量均勻。

（2）單層鋼筋混凝土鋸齒形排架結(jié)構(gòu)應(yīng)采取有效的措施，保證廠房結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。風(fēng)道大梁頂部擱置預(yù)制風(fēng)道頂板，通過預(yù)埋鋼板與風(fēng)道大梁相互連接，上面應(yīng)澆搗50～80 mm厚鋼筋混凝土整澆層，上翻梁與風(fēng)道大梁梁頂上預(yù)留鋼筋澆成整體。改造前廠房兩根風(fēng)道大梁上的天溝板上無現(xiàn)澆整澆層，無法形成剛性整體。如結(jié)合屋面重新做保溫排水，將風(fēng)道大梁上預(yù)制天溝板拆除，在風(fēng)道大梁上植入鋼筋，重新澆筑整澆層，考慮需要拆除構(gòu)件太多，屋面破壞較嚴(yán)重，且改造過程中整體穩(wěn)定無法保證，改為在風(fēng)道內(nèi)加豎向支撐［12］，讓2道風(fēng)道大梁有效地連為一體以保證整體剛度。風(fēng)道大梁長為12 m，每4 m設(shè)置一個(gè)加強(qiáng)肋，在每個(gè)加強(qiáng)肋上做一道支撐，如圖5所示。

（3）單層鋼筋混凝土鋸齒形排架結(jié)構(gòu)可利用鋼筋混凝土天窗框作為屋面垂直支撐，天窗框與三角架立柱、天窗框與天窗框之間通過鋼板電焊或螺栓有效連接。改造前廠房鋼筋混凝土預(yù)制窗框鋼筋外露、混凝土脫落嚴(yán)重，與三角架之間也無有效連接，已不能再作為側(cè)向支撐。故在保留了原鋼筋混凝土天窗這個(gè)建筑外觀的前提下，在廠房的端部和中部兩個(gè)三角架之間加垂直支撐，其余三角架之間加系桿來代替原來的支撐系統(tǒng)，如圖6所示。

圖5 風(fēng)道支撐示意圖／mm

圖6 垂直支撐及系桿示意圖／mm

（4）因分三期建設(shè)造成了廠房部分南側(cè)為雙排柱，北側(cè)為單排柱，考慮到經(jīng)過30多年的使用未發(fā)現(xiàn)異常情況，為減少對主體結(jié)構(gòu)的擾動，維持現(xiàn)狀不再改為單排柱。

（5）附房沿廠房四周設(shè)置，長×寬為190 m×120 m，附房砌體結(jié)構(gòu)超長。附房部分根據(jù)新的建筑功能，在增加?xùn)|西門廳和通廊后已將砌體部分分成多個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元，超長問題得以解決。

2.4 構(gòu)件加固

依據(jù)《淄博萬杰康復(fù)醫(yī)院有限公司生產(chǎn)廠房及附屬房屋改造加固鑒定報(bào)告》的鑒定結(jié)果，柱、梁和板混凝土強(qiáng)度C20，基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度C25；普通燒結(jié)磚MU10，砌筑砂漿強(qiáng)度M1.0；混凝土柱和梁主筋二級，箍筋一級，混凝土預(yù)制板配筋為φ4鋼絲，混凝土基礎(chǔ)配筋為φ12。所有構(gòu)件箍筋均沒有加密區(qū)。根據(jù)后續(xù)使用年限30年，A類建筑［13］，確定風(fēng)荷載 x30＝0.30+（0.45-0.30）×（3.4／2.3-1）＝0.37 kN／m2；雪荷載 x30＝0.20+（0.35-0.20）×（3.4／2.3-1）＝0.27 kN／m2；設(shè)計(jì)基本地震加速度0.081g［14］。按照 GB 50426—2007《印染工廠設(shè)計(jì)規(guī)范》6.5.1條計(jì)算簡圖［15］采用 7跨進(jìn)行計(jì)算復(fù)核。

（1）板 屋面建筑做法不滿足現(xiàn)行保溫節(jié)能要求，結(jié)合新的屋面做法，增加厚為50 mm的C20細(xì)石混凝土整澆層，內(nèi)配雙向6＠200鋼筋網(wǎng)，剔出板縫，縫內(nèi)安置通長鋼筋12，上下各一根，用S勾＠250拉結(jié)，與板面雙向6＠200連成整體，增加屋面板的整體性，滿足抗震要求。利用原吊頂?shù)觞c(diǎn)及吊頂龍骨，更換輕質(zhì)吊頂板。新做法盡量與原坡屋面預(yù)制板上面層做法中的荷載相當(dāng)，預(yù)制板不再加固。

（2）三角架和風(fēng)道大梁 屋面上設(shè)置太陽能熱水系統(tǒng)（面荷載0.45 kN／m2）和光伏電池板（面荷載0.2 kN／m2），沿三角架做支架，荷載由三角架承擔(dān)。三角架上做支墩與預(yù)制板整澆層連成整體，具體做法如圖7所示。噴淋主管支管風(fēng)管吊裝在三角架上，面荷載0.3 kN／m2。經(jīng)復(fù)核三角架及風(fēng)道大梁承載力滿足要求，僅進(jìn)行抗震加固，用粘貼碳纖維的方式在未箍筋加密區(qū)域進(jìn)行加固處理。

圖7 太陽能支墩示意圖／mm

（3）排架柱 經(jīng)復(fù)核，排架柱2個(gè)方向以及牛腿承載力均滿足要求，僅進(jìn)行抗震加固。柱牛腿底以下500 mm和室內(nèi)地坪以上500 mm及三角架立柱底面以上500 mm和斜梁以下500 mm范圍內(nèi)箍筋均未進(jìn)行加密，用粘貼碳纖維的方式進(jìn)行加固處理。

（4）附房砌體

①一般墻體 對各自單元進(jìn)行抗震計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對墻體采用鋼筋網(wǎng)砂漿面層加固或鋼筋混凝土板墻加固；磚砌平拱過梁進(jìn)行加固處理。且在墻體交接處增設(shè)相互可靠拉結(jié)的配筋加強(qiáng)帶，不再另設(shè)構(gòu)造柱及內(nèi)圈梁。外墻圈梁為現(xiàn)澆鋼筋混凝土，不再增加圈梁。

②開裂墻體 對開裂墻體采用壓力灌漿和增設(shè)砂漿面層法進(jìn)行裂縫修補(bǔ)和結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固。

③新增加門洞 240 mm厚墻體增加＜2000 mm的門洞，在開洞墻面洞頂位置一側(cè)先剔深為100 mm、寬為15 mm墻縫，在墻縫內(nèi)放入100×10，在墻體背面相同位置同樣放入100×10后，將洞口墻體清理干凈后，用240×120×10＠400將兩個(gè)角鋼底部焊牢。240 mm厚墻體增加≥2000 mm的門洞，在洞口兩側(cè)剔鑿墻縫，在墻體背面相同位置處鑿相同的墻縫，完成墻面鑿縫后，墻縫內(nèi)放入18b。在開洞墻面洞頂兩側(cè)位置分別剔鑿墻縫，在墻縫內(nèi)放入18b，分別與兩側(cè)槽鋼滿焊。將洞口墻體清理干凈后，用240×100×10＠300將三面槽鋼焊牢連成整體。

（5）基礎(chǔ) 屋面新增加太陽能和光伏電池板及噴淋和風(fēng)管荷載均較小，經(jīng)計(jì)算復(fù)核，基礎(chǔ)不需要做加大處理。水療區(qū)的水池考慮獨(dú)立柱基尺寸和深度，在獨(dú)立柱基中間區(qū)域加設(shè)水池，深度不超過獨(dú)立柱基。在水池挖深過程中，盡量減少對原有基礎(chǔ)及地基土的擾動。水池緊鄰獨(dú)立柱基的，對獨(dú)立基礎(chǔ)進(jìn)行保護(hù)。

3 結(jié)語

我國已有建筑物加固設(shè)計(jì)正處于起步且發(fā)展迅速的階段，隨著建筑改造加固技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)建筑改造亦成為不可或缺的重要部分。由于鋸齒形廠房具有鮮明的紡織工業(yè)的時(shí)代特征和藝術(shù)美感，建筑價(jià)值較高，應(yīng)加以保護(hù)及再利用。隨著工業(yè)建筑改造加固的深入，改造加固設(shè)計(jì)在細(xì)節(jié)上更需要注重安全性、可靠性、可實(shí)施性和經(jīng)濟(jì)適用性的完美統(tǒng)一。對萬杰紡織廠房的改造，根據(jù)具體情況及條件選擇合理的改造加固方案，增強(qiáng)建筑物整體性、改善構(gòu)件受力狀況，使加固后的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度分布均勻，保證新增構(gòu)件與原有構(gòu)件之間連接可靠并具有協(xié)同工作的能力，在滿足使用功能的同時(shí)符合現(xiàn)行國家規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程。結(jié)合實(shí)際施工條件等綜合因素，確定采取先做支撐再進(jìn)行拆除的施工方式，保證施工過程中的安全性。最終實(shí)現(xiàn)改造加固后的建筑安全、經(jīng)濟(jì)、適用、綠色、可持續(xù)。

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