圓形筒倉類工業(yè)構(gòu)筑物改造中的結(jié)構(gòu)介入設(shè)計策略研究

田皓元 倪陽 TIAN Haoyuan,NI Yang

1 華南理工大學(xué)

2 華南理工大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司

結(jié)構(gòu)是呈現(xiàn)建筑形式的邏輯依托，也是塑造空間的一種重要方式。圓形筒倉類工業(yè)構(gòu)筑物的內(nèi)部空間與功能需求高度適應(yīng)，具有極為鮮明的結(jié)構(gòu)與形式特征。不同時代的建造技術(shù)決定了區(qū)別于其他時代的特有的結(jié)構(gòu)特征。某種程度上，圓形筒倉類工業(yè)構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)特征代表了那一時代的工業(yè)建筑歷史（圖1，2）?；诮Y(jié)構(gòu)理性的改造設(shè)計并非脫離對空間改造的思考，圓形筒倉類工業(yè)構(gòu)筑物改造中的結(jié)構(gòu)介入可以解決空間改造的技術(shù)難題。

1 圓形筒倉類工業(yè)構(gòu)筑物及其空間特點(diǎn)

工業(yè)構(gòu)筑物是在工業(yè)主體建筑的生產(chǎn)活動中起到輔助作用的、但不具備獨(dú)立開展生產(chǎn)活動的構(gòu)筑物。筒倉是貯存散裝物料的倉庫，依據(jù)功能分為農(nóng)業(yè)筒倉和工業(yè)筒倉兩大類；依據(jù)受力條件，按照計算高度H與內(nèi)徑D之比，分為深倉（H/D≥1.5）與淺倉（H/D＜1.5）兩種（圖3）；依據(jù)筒倉的平面投影形狀，分為圓形、矩形、多邊形。本文選取的研究對象是平面投影為圓形的筒倉工業(yè)構(gòu)筑物。

筒倉類工業(yè)構(gòu)筑物的各組成部分均有特定的功能屬性，沒有附加的造型與空間處理，形式與功能高度契合。筒倉群通常由工作塔通過上下連廊連接，筒體部分由筒上建筑、進(jìn)糧口、筒壁及筒下層組成，現(xiàn)存筒倉以單筒淺筒倉與多筒深筒倉群倉居多（圖4，5）。圓形筒倉類工業(yè)構(gòu)筑物群倉由單倉組成，群倉的平面排布主要分為行列圓形筒倉群、斜交圓形筒倉群及分散式圓形筒倉群（圖6）。其中，行列和斜交的筒倉群布局方式可產(chǎn)生面積較大的星倉。

2 圓形筒倉類工業(yè)構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

筒倉結(jié)構(gòu)承受荷載主要包括可變荷載、永久荷載及地震作用。圓形筒倉結(jié)構(gòu)是很典型的圓柱薄殼結(jié)構(gòu)，主要為軸對稱受力，可分為砌體結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)筒倉具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性與整體性，有較大的改造余地；而砌體結(jié)構(gòu)只受壓、不能受彎與受拉，改造受限嚴(yán)重。

圓形筒倉類工業(yè)構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)主要分為下部支撐結(jié)構(gòu)及上部筒倉結(jié)構(gòu)。倉下支撐結(jié)構(gòu)一般采用筒壁支撐、柱支撐、筒壁與內(nèi)柱共同支撐三種類型（圖7），筒壁支撐結(jié)構(gòu)中環(huán)梁作為筒倉倉底圓錐形漏斗的支撐，環(huán)梁與倉壁交接處的剛度突變不明顯，可抵御較為強(qiáng)烈的地震作用；柱支撐結(jié)構(gòu)即柱支撐在倉底漏斗平臺與平臺梁交接處，倉底梁與柱共同組成框架結(jié)構(gòu)，傳遞地震的能力較為一般；筒壁與內(nèi)柱共同支撐結(jié)構(gòu)可以提升整體結(jié)構(gòu)的剛度，結(jié)構(gòu)受力邏輯更為明晰。

筒倉的倉底漏斗一般分為倒錐形與平底形，后者穩(wěn)定性較好，利于支撐。如圖8所示，筒倉上部結(jié)構(gòu)通常分為外切四邊形平面結(jié)構(gòu)與內(nèi)接四邊形平面結(jié)構(gòu)，后者結(jié)構(gòu)柱的分布使得筒倉壁與頂板的剛度一致，結(jié)構(gòu)形式更為合理。

1 廣州南方面粉廠

2 大成面粉廠

3 單筒倉分析示意

4 群倉物料進(jìn)出口工作流程

5 圓形筒倉類工業(yè)構(gòu)筑物組成分解軸測圖

6 圓形筒倉類工業(yè)構(gòu)筑物平面布局軸測圖

7 倉下支撐結(jié)構(gòu)示意

8 筒倉上部平面結(jié)構(gòu)示意

9 筒倉結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)

3 圓形筒倉類工業(yè)構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)受損規(guī)律

筒倉類工業(yè)構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)重心較高，體積較大，在地震影響下會產(chǎn)生比較大的剪力及附加彎矩，容易發(fā)生巨大破壞。貯存物料會導(dǎo)致筒倉內(nèi)部發(fā)生循環(huán)磨損，特殊情況下可能發(fā)生粉塵爆炸，同時地質(zhì)、氣候的變化都會導(dǎo)致其整體結(jié)構(gòu)性能減弱，出現(xiàn)橫向裂痕、保護(hù)層剝落、材料膨脹、鋼筋生銹及混凝土表面破損（表面裂縫、板角斷裂、橫向裂縫、交叉裂縫、縱向裂縫等）現(xiàn)象，從而造成筒倉洞口裂縫、頂部坍塌、筒壁剪切破壞及底部支撐破壞。

結(jié)構(gòu)方面，隨著時間久遠(yuǎn)，筒倉地下基礎(chǔ)會發(fā)生不均勻沉降，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)傾倒或斷裂，筒倉的破壞多發(fā)生在倉底的支撐結(jié)構(gòu)上；筒壁結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)外側(cè)局部保護(hù)層脫落、鋼筋腐蝕或折斷、混凝土內(nèi)壁橫向開裂等?？拐鸱矫?，柱式支撐結(jié)構(gòu)傳遞地震能力較為一般，砌體結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土的柱支撐結(jié)構(gòu)對抗震均不太有利，很容易被破壞。

4 圓形筒倉類工業(yè)構(gòu)筑物改造中結(jié)構(gòu)介入策略

在圓形筒倉類工業(yè)構(gòu)筑物改造中，新介入結(jié)構(gòu)元素在保證新舊建筑結(jié)構(gòu)受力體系合理安全的同時，應(yīng)滿足設(shè)計在造型表達(dá)與空間塑造的需求。通過對圓形筒倉類工業(yè)構(gòu)筑物空間與結(jié)構(gòu)特征、結(jié)構(gòu)受損規(guī)律的分析，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)改造案例在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面進(jìn)行總結(jié)，歸納圓形筒倉類工業(yè)構(gòu)筑物改造中結(jié)構(gòu)介入的策略方法——加固補(bǔ)強(qiáng)、依附拓展、獨(dú)立置入、切分開洞。

4.1 加固補(bǔ)強(qiáng)

基于材料的力學(xué)特性，充分利用原結(jié)構(gòu)的承載力對不同的加固補(bǔ)強(qiáng)方式進(jìn)行選擇。對于該類工業(yè)構(gòu)筑物的加固補(bǔ)強(qiáng)主要包括筒倉基礎(chǔ)的優(yōu)化、倉底支撐結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)及倉體的結(jié)構(gòu)加固（圖9）。

4.1.1 清潔灌漿重塑

對原筒倉的結(jié)構(gòu)破壞部位進(jìn)行清潔，使用一定強(qiáng)度的混凝土對受損部位進(jìn)行灌漿，達(dá)到重塑的效果，加固和補(bǔ)強(qiáng)原有結(jié)構(gòu)，但此改造方法是不可逆的（圖10）。

4.1.2 擴(kuò)大截面

增加型鋼、鋼筋混凝土及粘結(jié)纖維等材料構(gòu)件，擴(kuò)大原筒倉結(jié)構(gòu)的截面面積，提升結(jié)構(gòu)承載力。此方法不會改變原結(jié)構(gòu)受力邏輯，適用于筒倉基礎(chǔ)加固、筒壁配置預(yù)應(yīng)力鋼絞線加固或非預(yù)應(yīng)力鋼筋加固，以擴(kuò)大截面實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)。

4.1.3 外包材料加固

通過增加筒體外預(yù)應(yīng)力直接對原筒倉結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，常見有外包鋼、碳纖維、纖維復(fù)合材料。新舊材料存在差異，可以凸顯改造的可識別性。此方法受力更為可靠、施工難度小。

4.2 依附拓展

依附拓展型結(jié)構(gòu)改造是將原建筑結(jié)構(gòu)與新介入結(jié)構(gòu)視作一體進(jìn)行協(xié)同設(shè)計，充分利用原筒倉結(jié)構(gòu)的荷載能力，且新增結(jié)構(gòu)應(yīng)減少由于依附拓展對原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加水平側(cè)推力與豎向荷載。

4.2.1 豎向結(jié)構(gòu)拓展

此方法適用于原結(jié)構(gòu)豎向荷載能力較好的情況，將上部建筑作為垂直拓展的基面或拆除樓板將筒體延伸，產(chǎn)生新舊關(guān)聯(lián)（圖11）。豎向結(jié)構(gòu)拓展中，通常新增輕質(zhì)結(jié)構(gòu)以避免產(chǎn)生更多附加荷載，如在上海藝倉美術(shù)館中，設(shè)計通過新增框架結(jié)構(gòu)來支撐新的桁架，再將橫向樓板層層掛起來，一側(cè)豎向受力為上部懸吊，一側(cè)與原筒倉結(jié)構(gòu)相連（圖12）。

4.2.2 水平結(jié)構(gòu)拓展

筒倉內(nèi)部空間高大，提高空間使用效率常用的方法是置入水平結(jié)構(gòu)，使原本各自獨(dú)立的單倉建立關(guān)聯(lián)，如上海灰倉美術(shù)館（圖13）新增的懸掛結(jié)構(gòu)將原結(jié)構(gòu)圍合。

并列拓展結(jié)構(gòu)改造是在原筒倉群一側(cè)增加新的結(jié)構(gòu)體系，新舊結(jié)構(gòu)通過連廊或其他中介空間建立新的連接（圖14）。此方法對原結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)荷載影響較小，新增鋼結(jié)構(gòu)框架或大跨度體系與原有筒倉組成新的結(jié)構(gòu)整體，如悉尼夏季山面粉廠的筒倉改造（圖15）。

10 水泥廠圓筒改為買手店

11 筒倉結(jié)構(gòu)豎向拓展

12 上海藝倉美術(shù)館

13 上海灰倉美術(shù)館

14 筒倉結(jié)構(gòu)并列拓展

15 悉尼夏季山面粉廠的筒倉改造

16 圍合型拓展

17 丹麥哥本哈根Fr?siloen 圍合型筒倉改造

18 懸挑結(jié)構(gòu)

19 上海民生碼頭八萬噸筒倉改造

20 筒倉結(jié)構(gòu)獨(dú)立置入

21 上海油罐藝術(shù)中心

22 筒倉結(jié)構(gòu)部分置換

23 比利時“Kanaal”工業(yè)筒倉巧妙改造成公寓

24 筒倉結(jié)構(gòu)切分開洞

25 非洲當(dāng)代藝術(shù)博物館

26 深圳大成面粉廠

4.2.3 懸挑結(jié)構(gòu)

圍合型懸挑結(jié)構(gòu)是基于筒倉的特殊結(jié)構(gòu)形式在外部新增圍合型結(jié)構(gòu)，利用原筒倉形成懸挑支撐，組成鋼結(jié)構(gòu)框架+鋼筋混凝土筒體剪力墻受力體系（圖16，17）。懸挑結(jié)構(gòu)多采用增加結(jié)構(gòu)支撐點(diǎn)或獨(dú)立懸掛的形式，對原筒倉結(jié)構(gòu)影響較小，如上海民生八萬噸筒倉改造（圖18，19）。

4.3 獨(dú)立置入

4.3.1 新構(gòu)嵌入

在原筒倉內(nèi)部置入新的結(jié)構(gòu)體系增加空間的使用效率（圖20），以獨(dú)立的結(jié)構(gòu)構(gòu)件支撐新結(jié)構(gòu)的承重荷載，實(shí)現(xiàn)對原結(jié)構(gòu)的加固補(bǔ)強(qiáng)。上海油罐藝術(shù)中心改造在廢棄航油罐內(nèi)部置入多種內(nèi)部結(jié)構(gòu)，且筒體與新結(jié)構(gòu)設(shè)縫脫開（圖21）。

4.3.2 部分置換

針對群倉中部分嚴(yán)重破壞的筒倉結(jié)構(gòu)，可將其拆除后置入新的結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)狀良好的筒倉部分形成新的受力體系（圖22）。比利時卡納爾工業(yè)筒倉改造拆除中，將兩個結(jié)構(gòu)情況不佳的筒倉置換成新的方形體量，新增混凝土結(jié)構(gòu)體量與原筒倉結(jié)構(gòu)共同組成新的混凝土核心筒結(jié)構(gòu)體系（圖23）。

4.4 切分開洞

切分開洞是筒倉類工業(yè)構(gòu)筑物改造中較特殊的結(jié)構(gòu)改造方法，即在不影響原結(jié)構(gòu)荷載的前提下對筒倉內(nèi)部進(jìn)行切分，通常采用鋼線切割法、蝶式切割技術(shù)等，可將各獨(dú)立筒倉內(nèi)部融合（圖24）。非洲當(dāng)代藝術(shù)館將原筒體筒壁作為模版，在內(nèi)側(cè)澆鑄鋼筋混凝土為襯筒，高度略升高后進(jìn)行頂部連接，新舊混凝土筒體間通過抗剪鋼筋連接進(jìn)行力學(xué)傳遞（圖25）。此方法適用于鋼筋混凝土筒倉結(jié)構(gòu)，切分開洞部分體積受限，施工難度大（圖26）。

5 圓形筒倉類工業(yè)構(gòu)筑物改造中結(jié)構(gòu)介入設(shè)計方法與原則

加固補(bǔ)強(qiáng)方法更多適用于圓形筒倉類工業(yè)構(gòu)筑物的局部受損改造，強(qiáng)調(diào)對筒倉受損部位的修復(fù)及加強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)的荷載能力。施工技術(shù)難點(diǎn)集中在補(bǔ)強(qiáng)使用的新材料與原結(jié)構(gòu)材料的構(gòu)造交接處理，該方法通常發(fā)生在改造伊始階段。依附拓展方法在圓形筒倉類工業(yè)構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)改造中應(yīng)用較廣泛，技術(shù)難點(diǎn)在于設(shè)計需求對新增結(jié)構(gòu)選型的判斷選擇。在增加內(nèi)部空間的豐富度、展現(xiàn)特殊結(jié)構(gòu)形式之美等的同時，會減弱原結(jié)構(gòu)的荷載能力與抗側(cè)推力，因此改造前通常需對基礎(chǔ)進(jìn)行加固，帶來較高的造價負(fù)擔(dān)。獨(dú)立置入方法可以為圓形筒倉類工業(yè)構(gòu)筑物改造提供巨大的設(shè)計自由度，對原建筑的保護(hù)程度相對較高，適用于原空間規(guī)模相對不受限、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)荷載能力較好的情況，通常會選擇相對特殊的結(jié)構(gòu)形式展開。切分開洞方法是群倉類工業(yè)構(gòu)筑物改造的首選改造方式，可將原本獨(dú)立的單倉進(jìn)行關(guān)聯(lián)融合，但施工難度較大。

6 結(jié)語

結(jié)構(gòu)介入改造設(shè)計是一種回歸建筑本體的建筑改造思路，但需視改造對象的具體情況進(jìn)行判斷，靈活配合運(yùn)用，平衡技術(shù)難點(diǎn)，選取恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)改造策略。對于筒倉類工業(yè)構(gòu)筑物改造來說，基于結(jié)構(gòu)理性進(jìn)行改造設(shè)計并非脫離對空間的思考，而是解決空間改造的技術(shù)難題。