歷史建筑群“熱水瓶換膽”改造中的外墻支護(hù)體系研究

張 敏

上海建工二建集團(tuán)有限公司 上海 200080

2019年11月，習(xí)近平總書記視察上海楊浦區(qū)濱江公共空間時(shí)強(qiáng)調(diào)：“文化是城市的靈魂。城市歷史文化遺存是前人智慧的積淀，是城市內(nèi)涵、品質(zhì)、特色的重要標(biāo)志。要妥善處理好保護(hù)和發(fā)展的關(guān)系，注重延續(xù)城市歷史文脈，像對(duì)待‘老人’一樣尊重和善待城市中的老建筑，保留城市歷史文化記憶，讓人們記得住歷史、記得住鄉(xiāng)愁，堅(jiān)定文化自信，增強(qiáng)家國(guó)情懷[1]?！背鞘兄械臍v史建筑是社會(huì)經(jīng)濟(jì)文化發(fā)展的見(jiàn)證者，保有時(shí)代記憶。但由于歷史建筑建造年代較遠(yuǎn)，建筑功能無(wú)法滿足當(dāng)代的使用需求，常常需要改造更新。針對(duì)歷史建筑的改造通常是兩方面的，一方面提升建筑自身的承載力與抗震能力，另一方面則是改善建筑功能和內(nèi)部空間[2-3]。

歷史保護(hù)建筑改造中，具有獨(dú)特建筑風(fēng)格的保留外墻往往是改造的重點(diǎn)和難點(diǎn)。2012年，上海益豐洋行的改擴(kuò)建工程對(duì)建筑外立面進(jìn)行保留，對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行置換并改建，徐楊斌等[4]通過(guò)在保留外墻內(nèi)側(cè)施工厚100 mm的鋼筋混凝土內(nèi)襯墻對(duì)外墻進(jìn)行加固，為防止一次性澆筑對(duì)墻體損傷較大，采用多次澆筑的方法，效果良好，但該文未提及外墻在內(nèi)部結(jié)構(gòu)置換過(guò)程中如何支護(hù)。2013年，在哈爾濱第八百貨商店改造工程中，孫緒杰等[5]通過(guò)控制建筑物各層木樓板、木梁的拆除順序，利用既有結(jié)構(gòu)作為保留墻體的臨時(shí)支撐，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的拆除和新建從下往上交替進(jìn)行，從而保證了保留外墻在施工過(guò)程中的安全，形成自支撐的施工方法。2017年，上海靜安區(qū)一民國(guó)時(shí)期優(yōu)秀歷史建筑改造，該建筑保留英式風(fēng)格的外立面，在外墻內(nèi)側(cè)使用厚50 mm鋼筋混凝土面層進(jìn)行加固處理，為保證施工質(zhì)量，混凝土采用噴射工藝，該項(xiàng)目未對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行置換，僅做加固處理[6]。現(xiàn)有研究多集中在研究保留外墻的加固方法，關(guān)于拆除內(nèi)部結(jié)構(gòu)后如何對(duì)外墻體進(jìn)行支撐保護(hù)的研究較少。

2021年8月，住建部發(fā)布了《關(guān)于實(shí)施城市更新行動(dòng)中防止大拆大建問(wèn)題的通知》。在歷史建筑改造過(guò)程中如何尋求保護(hù)與改造之間的平衡，是城市更新的關(guān)鍵問(wèn)題。在此背景下，歷史建筑的“熱水瓶換膽”改造方式是一種比較好的解決方案。該方法通過(guò)保留歷史建筑的外墻、對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體置換，內(nèi)部新建結(jié)構(gòu)與保留外墻重新連接成為整體，即可在保存建筑原有外觀風(fēng)貌的前提下完成內(nèi)部結(jié)構(gòu)的功能改造升級(jí)。

本文以上海市南京東路179號(hào)街坊歷史建筑群改造工程為背景，不同于常規(guī)的改造工程，本工程對(duì)原有建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行置換改造，改造過(guò)程中保留的單片外墻保護(hù)難度大。本文研究探討了3種歷史建筑“熱水瓶換膽”改造時(shí)的外墻臨時(shí)支護(hù)體系。

1 工程概況

南京東路179號(hào)街坊位于外灘國(guó)家級(jí)歷史風(fēng)貌區(qū)，地處南京東路與江西中路交會(huì)處（圖1），內(nèi)部包括中央商場(chǎng)、華僑大樓、新康大樓和美倫大樓等4組上海市優(yōu)秀歷史建筑。這些建筑均建于1910～1930年間。

圖1 南京東路179號(hào)街坊內(nèi)部建筑分布

南京東路179號(hào)街坊內(nèi)的歷史建筑群整體呈現(xiàn)新古典主義歐陸風(fēng)格，外墻精致美觀，形成了外灘“第二立面”的獨(dú)特風(fēng)貌。經(jīng)勘察發(fā)現(xiàn)，街坊內(nèi)的歷史建筑存在傾斜和老化等問(wèn)題，且建筑功能已不能滿足現(xiàn)代社會(huì)的使用需求。為了使老建筑在新時(shí)代重?zé)ㄉ鷻C(jī)，上海外灘投資開(kāi)發(fā)集團(tuán)決定按照“重現(xiàn)風(fēng)貌，重塑功能”的原則，對(duì)南京東路179號(hào)街坊進(jìn)行保護(hù)性改造。依照改造原則，最終決定保留具有歷史藝術(shù)價(jià)值的外墻以保持沿街立面原有風(fēng)貌不變，同時(shí)對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體置換，從而賦予老建筑新的功能。

這種保留建筑外立面、內(nèi)部結(jié)構(gòu)置換的改造方式重點(diǎn)在于保留外墻如何支護(hù)的問(wèn)題，必須確保單片保留外墻在整個(gè)施工期間不發(fā)生損傷。由于歷史建筑往往存在不同程度的傾斜和結(jié)構(gòu)老化等問(wèn)題，因此應(yīng)針對(duì)建筑物進(jìn)行詳細(xì)分析后確定外墻的支護(hù)方法。

由于南京東路179號(hào)街坊中每組歷史建筑的情況和改造需求各不相同，改造過(guò)程中保留外墻臨時(shí)支護(hù)體系的設(shè)計(jì)思路也獨(dú)具特色。下文將針對(duì)各類支護(hù)體系的設(shè)計(jì)思路和工藝流程進(jìn)行探討。

2 中央商場(chǎng)外墻支護(hù)體系

2.1 建筑概況及改造需求

中央商場(chǎng)始建于1929年，原為4層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，后加建至6層，加建部分為混合結(jié)構(gòu)。房屋質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果表明中央商場(chǎng)建筑未發(fā)生明顯傾斜，各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸和配筋與設(shè)計(jì)圖紙基本相符，但部分梁板柱有不同程度的露筋與銹蝕。

中央商場(chǎng)改造需保持外墻歷史風(fēng)貌不變，對(duì)加建層進(jìn)行拆除，對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行置換。

2.2 支護(hù)體系設(shè)計(jì)

中央商場(chǎng)為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，保留外墻由框架梁柱與墻體共同組成，建筑基本未發(fā)生傾斜，保留墻體垂直度較好，保留墻體高度為15 m，初步驗(yàn)算表明，保留墻體自身具備良好的抵抗側(cè)向荷載（抗側(cè)）的能力。

在保留外墻支護(hù)體系設(shè)計(jì)中，考慮利用保留外墻良好的抗側(cè)能力。由于外墻中框架結(jié)構(gòu)與填充墻體的整體性較弱，因此對(duì)保留墻體內(nèi)表面使用混凝土面層進(jìn)行加固。一方面提高保留外墻的整體性，另一方面在混凝土面層與樓板和梁的位置處預(yù)留鋼筋，便于后面新建結(jié)構(gòu)與保留外墻進(jìn)行連接。為了減小保留墻體在施工過(guò)程中的差異沉降，對(duì)四面墻體進(jìn)行基礎(chǔ)托換，考慮到整體托換不均勻沉降的風(fēng)險(xiǎn)較大，因此分段進(jìn)行托換，墻體對(duì)稱位置可同時(shí)進(jìn)行托換。由于中央商場(chǎng)四面保留墻體大致呈正方形，墻角處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中而產(chǎn)生破壞變形，因此在墻角處設(shè)置支撐，沿不同高度布置多層角支撐，以提高墻體轉(zhuǎn)角處的變形能力。

2.3 支護(hù)體系工藝流程

根據(jù)中央商場(chǎng)確定的支護(hù)體系為自承重式外墻支護(hù)體系，該支護(hù)體系的工藝流程為：對(duì)保留墻體進(jìn)行基礎(chǔ)托換→保留墻體內(nèi)表面使用混凝土面層加固→保留外墻轉(zhuǎn)角處設(shè)置臨時(shí)鋼支撐→內(nèi)部結(jié)構(gòu)拆除→內(nèi)部結(jié)構(gòu)新建并與保留外墻連接→拆除臨時(shí)鋼支撐。

自承重式外墻支護(hù)體系主要依靠墻體自身良好的抗側(cè)能力，形式較簡(jiǎn)單，支護(hù)構(gòu)件較少。外墻支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)的拆除與新建施工影響較小，是一種比較經(jīng)濟(jì)的支護(hù)體系。該支護(hù)體系適合于保留墻體高度較低且墻體具有良好抗側(cè)能力的歷史建筑。

3 華僑大樓外墻支護(hù)體系

3.1 建筑概況及改造需求

華僑大樓始建于1924年，原結(jié)構(gòu)為9層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，南北長(zhǎng)38.1 m，東西長(zhǎng)19.1 m，保留墻體最大高度為27.6 m。華僑大樓改造需求為保留四周外墻歷史風(fēng)貌，拆除加建部分及內(nèi)部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)部新建鋼框架結(jié)構(gòu)。

3.2 支護(hù)體系設(shè)計(jì)

華僑大樓保留外墻為豎向平面框架結(jié)構(gòu)，外墻自身承載力較好。然而，由于華僑大樓保留墻體較高，計(jì)算表明，如果僅對(duì)外墻內(nèi)表面進(jìn)行混凝土面層加固，墻體穩(wěn)定性依然較差，外墻頂部變形不滿足規(guī)范要求。因此，考慮在建筑內(nèi)部保留外墻的梁柱部位設(shè)置水平支撐，沿不同高度布置，以提高保留外墻的抗側(cè)能力。但由于華僑大樓雙向跨度較大，考慮到內(nèi)部施工操作空間和便利性問(wèn)題，決定在建筑內(nèi)部設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)臨時(shí)核心筒（圖2）。核心筒的水平抗側(cè)能力較強(qiáng)，保留外墻通過(guò)水平鋼支撐與核心筒相連接，可將保留外墻的水平荷載通過(guò)水平支撐傳遞到核心筒上，從而保證保留外墻的穩(wěn)固性。

圖2 華僑大樓外墻支護(hù)結(jié)構(gòu)

3.3 支護(hù)體系工藝流程

根據(jù)華僑大樓確定的支護(hù)體系為核心筒＋鋼支撐支護(hù)體系，該支護(hù)體系的工藝流程為：對(duì)保留墻體進(jìn)行基礎(chǔ)托換→保留墻體內(nèi)表面使用混凝土面層加固→老建筑樓板局部開(kāi)洞安裝核心筒→安裝核心筒與保留外墻之間的水平支撐→拆除原鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，新建內(nèi)部結(jié)構(gòu)→先后拆除臨時(shí)鋼支撐與核心筒→核心筒位置處樓板洞口補(bǔ)全。

核心筒＋鋼支撐支護(hù)體系依靠鋼支撐將保留墻體的荷載傳遞至核心筒上，保留墻體與核心筒共同承擔(dān)水平荷載，該體系荷載傳遞路徑簡(jiǎn)單明確，需要保留墻體具備一定的抗側(cè)能力。由于建筑樓層間布置了鋼支撐，該支護(hù)體系對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的拆除與新建施工有一定程度的影響。該支護(hù)體系適合于保留墻體高度較高且墻體具有良好抗側(cè)能力的歷史建筑。

4 新康大樓外墻支護(hù)體系

4.1 建筑概況及改造需求

新康大樓最初設(shè)計(jì)為6層混凝土框架結(jié)構(gòu)，后加建至9層，外墻采用鋼筋混凝土墻。大樓基本呈矩形，南北長(zhǎng)53.05 m，東西長(zhǎng)21.44 m，保留墻體最大高度為24 m。房屋質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果表明，新康大樓混凝土強(qiáng)度離散性較大，構(gòu)件配筋少于原設(shè)計(jì)要求，且大樓在東西和南北兩個(gè)方向均存在不同程度的傾斜。

新康大樓改造的需求為保留三面沿街外墻、拆除并置換內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并在其正下方逆作開(kāi)發(fā)5層地下室。新康大樓的工況最為復(fù)雜，且建筑自身質(zhì)量較差，外墻保護(hù)難度最大。

4.2 支護(hù)體系設(shè)計(jì)

由于新康大樓僅保留沿街三面外墻，且保留外墻存在傾斜和損傷較為嚴(yán)重的問(wèn)題，由三面外墻組成的結(jié)構(gòu)體系非常不穩(wěn)定，無(wú)法單獨(dú)自立。因此，首先考慮在保留外墻的兩側(cè)使用型鋼組成的鋼框架進(jìn)行包裹，保留墻體被固定在兩側(cè)鋼框架內(nèi)，以提高墻體的臨時(shí)剛度和承載力，并通過(guò)加設(shè)鋼結(jié)構(gòu)臨時(shí)核心筒和鋼桁架，形成四面穩(wěn)定的支撐體系。此外，為減小保留外墻在施工過(guò)程中的差異沉降，對(duì)墻體實(shí)施了基礎(chǔ)托換，由于墻體較長(zhǎng)，因此采用對(duì)稱分段的方法進(jìn)行基礎(chǔ)托換。

由于新康大樓下方需要逆作開(kāi)發(fā)5層地下室，需要在保留外墻的內(nèi)部留出足夠的空間進(jìn)行樁基和地下連續(xù)墻施工。因此，新康大樓采用了便于安裝與拆卸的鋼桁架水平支撐，提高了內(nèi)部施工空間的靈活性（圖3）。

圖3 新康大樓外墻支護(hù)結(jié)構(gòu)

4.3 支護(hù)體系工藝流程

根據(jù)新康大樓確定的支護(hù)體系為外墻鋼框架＋核心筒＋鋼桁架支撐支護(hù)體系，該支護(hù)體系的工藝流程為：對(duì)保留墻體進(jìn)行基礎(chǔ)托換→施工保留墻體兩側(cè)的鋼架，施工鋼結(jié)構(gòu)臨時(shí)核心筒→通過(guò)鋼桁架支撐將核心筒與外墻鋼框架進(jìn)行連接→拆除原鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，新建內(nèi)部結(jié)構(gòu)→外墻鋼架拆除工作與外墻和新建結(jié)構(gòu)連接工作從上往下交替進(jìn)行→拆除鋼桁架支撐、核心筒。

外墻鋼框架＋核心筒＋鋼桁架支撐支護(hù)體系依靠外墻鋼框架將保留外墻包裹住，通過(guò)鋼桁架支撐將鋼框架與核心筒相連，外墻的水平荷載由鋼框架與核心筒共同承擔(dān)，該體系荷載傳遞路徑明確。由于需要在保留外墻兩邊布置鋼框架，故該體系的施工難度較大，且建筑內(nèi)部鋼框架與鋼桁架支撐對(duì)建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)拆除和新建有一定程度的影響。該體系適合于保留墻體較高且承載能力較差的歷史建筑，也適合于非四面墻體均保留的歷史建筑。

5 美倫大樓外墻支護(hù)體系

美倫大樓包括了美倫北樓、美倫西樓和美倫南樓。美倫北樓僅對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理，美倫西樓的支護(hù)體系與中央商場(chǎng)類似，美倫南樓最為復(fù)雜，僅保留南側(cè)和西側(cè)兩面墻體，墻體高度為24.2 m[7]。

由于美倫北樓只進(jìn)行加固處理，因此可將美倫北樓視為核心筒，其余墻體的水平荷載最終由美倫北樓承擔(dān)。美倫南樓南側(cè)墻體為框架結(jié)構(gòu)，房屋質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果表明該墻體存在較多薄弱位置且墻體高度較高，與新康大樓保留外墻的情況類似，因此考慮對(duì)南側(cè)墻體兩側(cè)使用鋼框架進(jìn)行包裹。由于美倫南樓南側(cè)墻體距離美倫北樓較遠(yuǎn)，因此考慮通過(guò)鋼結(jié)構(gòu)核心筒和平面鋼桁架支撐與美倫北樓進(jìn)行水平連接。美倫南樓西側(cè)墻體為鋼筋混凝土墻，承載力較好，可充分利用墻體自身承載能力，僅在轉(zhuǎn)角處沿不同高度設(shè)置水平支撐。西側(cè)墻體的另一側(cè)同樣通過(guò)核心筒與水平鋼桁架與美倫北樓進(jìn)行連接。美倫南樓所有保留墻體的水平荷載最終全部傳遞到美倫北樓[8]。

美倫南樓外墻支護(hù)體系可視為自承重式支護(hù)體系與外墻鋼框架＋核心筒＋鋼桁架支撐支護(hù)體系的組合應(yīng)用。

6 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)上海市南京東路179號(hào)街坊中的4組歷史保護(hù)建筑改造概況進(jìn)行了介紹，通過(guò)對(duì)每組建筑改造前概況和改造需求進(jìn)行分析，闡述了每組建筑外墻支護(hù)體系的設(shè)計(jì)過(guò)程，分別形成自承重式外墻支護(hù)體系、核心筒＋鋼支撐支護(hù)體系和外墻鋼框架＋核心筒＋鋼桁架支撐支護(hù)體系3種支護(hù)體系，并對(duì)各支護(hù)體系的工藝流程進(jìn)行總結(jié)。以上3種支護(hù)體系既可以單獨(dú)使用，又可以根據(jù)實(shí)際工程靈活組合應(yīng)用。

本工程于2021年順利完工，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，施工過(guò)程中外墻的變形和應(yīng)力均在合理范圍內(nèi)。實(shí)踐證明3種支護(hù)體系在整個(gè)施工過(guò)程中對(duì)保留外墻起到了良好的保護(hù)作用，而且支護(hù)體系對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工的影響很小。

南京東路179號(hào)街坊改造項(xiàng)目充分利用了歷史建筑地下空間，最大程度地保留了歷史建筑的歷史人文風(fēng)貌和時(shí)代記憶。通過(guò)對(duì)歷史建筑內(nèi)部空間進(jìn)行有機(jī)更新改造，升級(jí)了建筑功能和使用體驗(yàn)。同時(shí)，對(duì)街區(qū)整體環(huán)境和業(yè)態(tài)進(jìn)行了改善，打造了多元文化融合的潮流商業(yè)街區(qū)，為歷史建筑群激發(fā)了新的商業(yè)活力。本項(xiàng)目不僅有效地提高了歷史建筑的商業(yè)價(jià)值，原位開(kāi)發(fā)的5層地下室還緩解了南京路繁華路段停車難的問(wèn)題。近些年來(lái)，隨著城市更新熱度的逐年遞增，越來(lái)越多的歷史保護(hù)建筑將開(kāi)展保護(hù)性改造，此項(xiàng)目為歷史保護(hù)建筑的改造提供了新思路、新工藝，可供類似工程借鑒。