城市更新中歷史建筑的改造及加固設(shè)計(jì)研究

何天森，王瑞，張錦驍

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092）

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，城市中出現(xiàn)了越來(lái)越多的歷史與文保建筑。歷史與文保建筑凝結(jié)了一座城市的歷史，他們的保護(hù)與更新對(duì)于城市而言有重要的經(jīng)濟(jì)與文化效益。隨著產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)移和更新，這些既有建筑面臨著城市更新以及功能更新的需要，需要對(duì)它們進(jìn)行改造加固[1]。

2 改造加固策略

隨著社會(huì)的發(fā)展需求，對(duì)既有建筑進(jìn)行抗震鑒定及加固改造的工程項(xiàng)目越來(lái)越多。歷史建筑不同于普通的建筑，常規(guī)的建筑結(jié)構(gòu)加固方法在用于歷史與文保建筑修繕時(shí)受到了諸多限制。因此，有必要對(duì)歷史建筑更新中結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)問(wèn)題做系統(tǒng)性的總結(jié)與研究。

一般而言，結(jié)構(gòu)抗震加固方法可分為直接加固法和間接加固法[2]。直接加固法主要有加大截面、外包型鋼、粘貼鋼板及粘貼纖維復(fù)合材等加方法；間接加固法主要有改變結(jié)構(gòu)體系、隔震及消能減震等加固方法。直接加固法一般針對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行加固，用以提高局部構(gòu)件的承載力，解決構(gòu)件承載力不足的問(wèn)題；間接加固法是從提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能出發(fā)，采取有效的加固措施，提高整體結(jié)構(gòu)的抗震性能，或采取減震的措施降低地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，滿足包括規(guī)則性、強(qiáng)度、剛度、延性以及多道設(shè)防等各項(xiàng)要求[3]。

采取什么樣的加固方法，應(yīng)視具體的工程特點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目的檢測(cè)鑒定的結(jié)果進(jìn)行針對(duì)性的考慮，綜合各個(gè)因素采取合適的加固方法進(jìn)行加固[4]。

3 煙草卷煙廠的修繕改造設(shè)計(jì)

3.1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目地處上海市楊浦區(qū)，項(xiàng)目建筑單體最早為英國(guó)設(shè)計(jì)公司設(shè)計(jì)的原英美煙公司的發(fā)酵室與倉(cāng)庫(kù)，建于1931年，最初設(shè)計(jì)時(shí)的建筑功能定為煙葉初加工車間。建筑為3層框架式結(jié)構(gòu)，建筑面積為13 559 m2，建筑總高度為17.02 m。

本次改造將按照20世紀(jì)30年代的原建筑風(fēng)格，以修舊如舊的原則完成，要恢復(fù)原建筑的歷史特色和面貌，同時(shí)對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行修繕，修復(fù)局部結(jié)構(gòu)損壞部分、漏水的部位，并將最終功能定位為結(jié)構(gòu)荷載要求更小的辦公建筑，作為企業(yè)品牌展示中心使用。

3.2 結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)以及房屋的檢測(cè)報(bào)告，該建筑主要存在以下?lián)p傷現(xiàn)狀：

1）鋼筋混凝土梁、板構(gòu)件出現(xiàn)不同程度的鐵脹和銹蝕現(xiàn)象，主要以屋面板和3層板底最為明顯，部分粉刷層及保護(hù)層脫落處，鋼筋已明顯銹蝕；

2）鋼筋混凝土梁、板構(gòu)件存在不同程度的開(kāi)裂現(xiàn)象，主要集中在南側(cè)2層、3層及屋面梁梁底及板底，從裂縫性狀分析，主要為承載不足引起的裂縫；

3）屋面存在不同程度的滲水現(xiàn)象，南側(cè)部分、連廊及北側(cè)部分屋面均存在滲水現(xiàn)象；

4）混凝土強(qiáng)度值較低，推定為C12；

5）鋼筋混凝土構(gòu)件的碳化深度均超過(guò)保護(hù)層厚度，混凝土表面碳化情況較嚴(yán)重。

3.3 結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)方案

根據(jù)整體結(jié)構(gòu)計(jì)算的指標(biāo)結(jié)果，結(jié)構(gòu)整體剛度偏小，層間位移偏大，此外，在地震作用下的偶然偏小也比較大，因此，加固方案的確定需要提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，又要避免結(jié)構(gòu)加固對(duì)原結(jié)構(gòu)造成二次損傷，避免結(jié)構(gòu)加固造成受力集中，提升整體的抗震設(shè)防能力，以及提升結(jié)構(gòu)的整體耐久性[5]。

根據(jù)兩種加固方案的對(duì)比，即加大截面法加固框架、外包鋼加固框架與屈曲約束支撐組合兩種結(jié)構(gòu)方案[6]。支撐方案中采取消能減震的屈曲約束支撐，并避免結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度過(guò)于集中[7]。

根據(jù)結(jié)構(gòu)方案對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)：

1）增設(shè)屈曲約束支撐后，相比傳統(tǒng)增大截面的方式，節(jié)省了大約410 t的混凝土用量。減少了大量模板工程和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)度。

2）結(jié)構(gòu)X、Y方向?qū)娱g位移角較增大截面法更小，對(duì)于結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度貢獻(xiàn)更大。

3）通過(guò)支撐的合理布置結(jié)構(gòu)的抗扭剛度增強(qiáng)，周期比減小。

4）針對(duì)外包鋼加固框架與屈曲約束支撐組合方案進(jìn)行了大震分析，發(fā)現(xiàn)在大震下大部分屈曲約束支撐構(gòu)件先屈服，少量梁柱屈服，構(gòu)件屈服順序?yàn)橹巍蛄骸蛑鶛C(jī)制時(shí)合理，塑性鉸首先出現(xiàn)在支撐上，隨后是框架梁出現(xiàn)塑性鉸，說(shuō)明整個(gè)結(jié)構(gòu)體系屈服機(jī)制合理。在大震下的彈塑性層間位移角為1/94，滿足規(guī)范要求，確保大震不倒的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)[8]。

綜合考慮結(jié)構(gòu)加固方案的合理性以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的可行性，最終選擇以外包鋼+防屈曲支撐加固的方案，減少現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)，縮短工期，提高原結(jié)構(gòu)的抗震能力。

3.4 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的加固

對(duì)于梁柱構(gòu)件，不滿足計(jì)算結(jié)果的情況，采取外包鋼的加固方式，外包鋼加固均采用Q235B鋼板及型鋼。

梁柱外包鋼加固的重點(diǎn)是，加固角鋼及鋼板在梁柱節(jié)點(diǎn)和柱腳的錨固，為了保證加固受力的連續(xù)性，以及荷載傳遞的可靠性，需要保證節(jié)點(diǎn)的連續(xù)和錨固的有效性。

3.5 耐久性的提升

根據(jù)檢測(cè)報(bào)告，原結(jié)構(gòu)存在較為普遍的混凝土裂縫、鋼筋銹蝕及混凝土表面碳化現(xiàn)象，設(shè)計(jì)中進(jìn)行了針對(duì)性的修復(fù)，以提高結(jié)構(gòu)的耐久性。

由于構(gòu)件修復(fù)與保養(yǎng)以隔絕空氣為主要出發(fā)點(diǎn)，同時(shí)剔除已受損部位，為了阻斷混凝土老化的進(jìn)一步加劇，應(yīng)對(duì)混凝土構(gòu)件進(jìn)行必要的保養(yǎng)防護(hù)，主要做法為在混凝土表面涂刷鋼筋阻銹劑，以便封閉混凝土內(nèi)的微孔，阻斷空氣對(duì)混凝土本身及內(nèi)部鋼筋的腐蝕。

4 新泰倉(cāng)庫(kù)的修繕改造設(shè)計(jì)

4.1 項(xiàng)目概況

新泰倉(cāng)庫(kù)位于上海市閘北區(qū)蘇河灣地區(qū)，新泰路57號(hào)，為上海市第四批優(yōu)秀保護(hù)建筑，保護(hù)類別為三類，建于1920年，為3層磚、木混合結(jié)構(gòu)，建筑面積約6 100 m2，修繕后擬用為創(chuàng)意辦公。根據(jù)客戶的要求，在建筑保護(hù)的基礎(chǔ)上對(duì)該歷史建筑進(jìn)行修繕、更新。設(shè)計(jì)手段以修復(fù)為主，同時(shí)融入當(dāng)代的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)和現(xiàn)代化的設(shè)施。賦予建筑新的生命，以打造蘇河灣沿岸標(biāo)志性歷史保護(hù)建筑。

4.2 結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)以及房屋的檢測(cè)報(bào)告，該建筑主要存在如下問(wèn)題：

1）房屋采用磚墻、磚柱、木柱、木樓（屋）蓋混合承重的典型磚木結(jié)構(gòu)，木樓蓋采用現(xiàn)有少存的橫向多跨連續(xù)木梁結(jié)構(gòu)、縱向等間距木擱柵體系，整體抗震性能不佳，但代表了20世紀(jì)30年代磚木結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平，具有保留和保護(hù)價(jià)值。

2）房屋磚墻均采用黏土砂漿及青磚砌筑，砂漿強(qiáng)度評(píng)定值為M1.2，青磚強(qiáng)度評(píng)定值為MU7.5。房屋后加磚柱采用混合砂漿和紅磚砌筑，強(qiáng)度評(píng)定值為M10，紅磚強(qiáng)度評(píng)定值為MU10；后加混凝強(qiáng)度評(píng)定值為C15。

3）房屋多數(shù)木構(gòu)件均存在縱向開(kāi)裂，為材料干縮所致；少數(shù)木構(gòu)件出現(xiàn)破損、脫皮等現(xiàn)象。部分墻面出現(xiàn)斜裂縫，部分墻面出現(xiàn)不規(guī)則裂縫、粉刷層剝落等現(xiàn)象，為材料收縮所致；部分墻面出現(xiàn)滲水霉變現(xiàn)象；房屋部分木樓（屋）面板腐蝕、水漬等。

4）計(jì)算結(jié)果表明，在改造后的未來(lái)使用荷載作用下，房屋一層門窗洞口間外墻及各層內(nèi)墻加設(shè)窗戶處墻段大部分不能滿足豎向承載力要求，需做必要的加固處理，其余結(jié)構(gòu)滿足承載力的計(jì)算要求?？紤]到多數(shù)木構(gòu)件存在縱向干縮裂縫，需采取必要措施進(jìn)行修復(fù)加固處理。

5）房屋原設(shè)計(jì)未考慮抗震設(shè)防，房屋各層縱橫向墻段綜合抗震能力指數(shù)均小于1.0，即其抗震性能綜合評(píng)定為不能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50023—2009《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)A類建筑、后續(xù)使用年限30年的要求。

4.3 結(jié)構(gòu)修繕加固設(shè)計(jì)方案

4.3.1 主體結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)1）磚墻、壁柱加固

本工程磚墻、壁柱加固將提高原有構(gòu)件的承載力，滿足其豎向承載力的要求，在不影響保護(hù)目的的前提下，同時(shí)改善其抗震性能，磚墻壁柱加固主要包括：對(duì)存在裂縫的磚墻，采用壓力灌漿方法進(jìn)行加固；對(duì)原建筑內(nèi)墻采用雙側(cè)聚合物砂漿鋼絲網(wǎng)片加固；對(duì)原建筑外墻采用增設(shè)混凝土壁柱加固；門窗洞口進(jìn)行周邊補(bǔ)強(qiáng)。

2）樓面結(jié)構(gòu)加固

本工程樓板加固是為了修復(fù)木樓板，因?yàn)楦g木樓板的強(qiáng)度已削弱，其主要加固措施包括：對(duì)因?yàn)橄x害或腐蝕損壞嚴(yán)重的木樓板構(gòu)件進(jìn)行替換；木格柵不宜替換，而是采取相應(yīng)的加固處理；所有替換或者新建樓面構(gòu)件均滿足按現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的承載力驗(yàn)算要求進(jìn)行。

3）木構(gòu)件加固

對(duì)原建筑開(kāi)裂木柱外加鋼箍加固；對(duì)開(kāi)裂木構(gòu)件節(jié)點(diǎn)外加剛夾板加固；對(duì)腐蝕嚴(yán)重的木構(gòu)件進(jìn)行替換；原屋面損壞木望板拆除后替換；霉變及蟲蛀木構(gòu)件采用防腐及防蟲藥物處理；對(duì)屋架增設(shè)側(cè)向支撐。

4）抗震構(gòu)造措施

本工程增加抗震構(gòu)造措施，在房屋整體結(jié)構(gòu)抗震承載力滿足計(jì)算要求的前提下，通過(guò)增加抗震構(gòu)造措施改善房屋整體結(jié)構(gòu)的抗震性能。

4.3.2 屋架加固設(shè)計(jì)

利用SAP2000軟件，選取15.8 m和13.5 m兩個(gè)跨度的典型性屋架進(jìn)行計(jì)算分析，可得屋面桁架下弦桿應(yīng)力較大，承載力不足，下弦桿通長(zhǎng)設(shè)置鋼夾板加固并與節(jié)點(diǎn)加固鋼夾板貫通處理。其他受壓木構(gòu)件雖應(yīng)力滿足要求，但對(duì)于局部開(kāi)裂位置，需進(jìn)行構(gòu)造性加固，采用鋼箍板（鋼圍套）加固。

4.3.3 結(jié)構(gòu)耐久性修繕?lè)桨?/p>

1）對(duì)木構(gòu)件進(jìn)行防腐和防蟲藥品處理。

2）對(duì)加固用的鐵構(gòu)件進(jìn)行相應(yīng)的除銹工作，并重涂防腐涂料。

5 技能博物館的修繕改造設(shè)計(jì)

5.1 項(xiàng)目概況

技能博物館位于上海市楊樹浦路1578號(hào)，舊稱永安棧房，建筑主體建成于20世紀(jì)20年代，是由英商洋行負(fù)責(zé)整體規(guī)劃設(shè)計(jì)。原永安棧房分為東、西兩對(duì)稱建筑單體，本次改建主要針對(duì)建筑西側(cè)部分單體，屬于上海市第三批全國(guó)文物普查不可移動(dòng)文物，結(jié)構(gòu)為4層，主體1～3層為鋼筋混凝土板柱結(jié)構(gòu)，4層為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。此次修繕改造工程旨在修繕現(xiàn)有建筑以保留其歷史遺產(chǎn)風(fēng)貌的同時(shí)，在此基礎(chǔ)上，將永安棧房改造成世界技能博物館。

5.2 結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察以及房屋的檢測(cè)報(bào)告，該建筑主要存在以下如下問(wèn)題：

1）結(jié)構(gòu)體系上，根據(jù)現(xiàn)行抗震規(guī)范要求，抗震設(shè)防區(qū)不允許采用板柱結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)剛度和抗震性能較差。

2）構(gòu)件承載能力方面，2～4層邊梁梁面無(wú)配筋，梁底配筋不滿足計(jì)算要求。2～4層邊跨柱上板帶跨中配筋不滿足計(jì)算要求，邊跨跨中板帶跨中配筋不滿足計(jì)算要求。3層角柱、4層邊柱和角柱承載力不滿足；屋面層主梁縱筋和箍筋和次梁縱筋不滿足要求。

3）構(gòu)件構(gòu)造措施不足，通過(guò)復(fù)核柱截面的板底鋼筋總面積、框架梁、框架柱配筋，發(fā)現(xiàn)部分構(gòu)件的構(gòu)造要求、填充墻拉結(jié)構(gòu)造措施等方面存在抗震構(gòu)造措施的不足。

4）部分構(gòu)件存在老化、損傷，外墻區(qū)域混凝土構(gòu)件和室內(nèi)柱和樓板等多處存在保護(hù)層脫落、鋼筋銹蝕、滲水、發(fā)霉、樓板開(kāi)裂、墻體開(kāi)裂、柱帽及托板裂縫等結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性問(wèn)題。

5.3 結(jié)構(gòu)修繕加固設(shè)計(jì)方案

1）整體結(jié)構(gòu)體系修繕加固。通過(guò)結(jié)合建筑樓梯的設(shè)置，新植入8個(gè)核心筒，形成板柱-抗震墻結(jié)構(gòu)體系以提高結(jié)構(gòu)抗震性能。

2）2～4 層邊梁梁面無(wú)配筋，梁底配筋不滿足計(jì)算要求。結(jié)合各層室內(nèi)樓面架空層高度，在不破壞外立面的前提下對(duì)2～4層邊梁進(jìn)行增大截面加固。

3）2～4 層邊跨柱上板帶跨中配筋不滿足計(jì)算要求，邊跨跨中板帶跨中配筋不滿足計(jì)算要求。按改造后荷載要求復(fù)核結(jié)果，局部邊跨板底配筋不足處及局部荷載較大處，采用板底粘貼碳纖維布方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)。

4）板柱結(jié)構(gòu)樓板沖切驗(yàn)算。針對(duì)樓板開(kāi)洞及樓面為無(wú)梁樓蓋問(wèn)題，對(duì)樓板進(jìn)行了局部的精細(xì)有限元分析，分析采用SAP 2000進(jìn)行，驗(yàn)算結(jié)果均滿足樓蓋的沖切要求。

5）屋面層主梁縱筋和箍筋及次梁縱筋不滿足要求，改造后原屋面改為不上人屋面，屋面活荷載均通過(guò)新增鋼架傳遞至豎向構(gòu)件。考慮屋面板的有利作用、屋面荷載的減小后進(jìn)行復(fù)核，屋面主次梁縱筋配置可基本滿足要求，對(duì)局部配筋不足的，采用增大截面法進(jìn)行加固。

考慮到原屋面主梁箍筋未通長(zhǎng)配置，與現(xiàn)行規(guī)范構(gòu)造要求差別較大，對(duì)屋面主梁采用碳纖維布進(jìn)行斜截面加固。

對(duì)其他梁柱構(gòu)件，抗震構(gòu)造措施不足進(jìn)行針對(duì)性補(bǔ)強(qiáng)。

6 結(jié)論

對(duì)于歷史建筑，由于在新的時(shí)代下的城市更新以及功能更新的需要，需要進(jìn)行整體改造或加固設(shè)計(jì)。

歷史保護(hù)建筑的修繕原真性，以真實(shí)、全面地保存并延續(xù)其歷史信息及全部?jī)r(jià)值為目的。除了原真性原則外，在歷史保護(hù)建筑設(shè)計(jì)中還應(yīng)該遵循完整性原則、最小干預(yù)原則、可識(shí)別性原則和可逆性原則等[9]?？紤]到房屋的結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀和建筑的文物特點(diǎn)，修繕加固設(shè)計(jì)需遵循如下原則：

1）盡量保護(hù)原有的結(jié)構(gòu)體系，注意結(jié)構(gòu)加固與原有結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)體系的關(guān)系，加強(qiáng)整體性、改善構(gòu)件的受力狀況、提高綜合抗震能力。

2）滿足業(yè)主的使用要求，確保使用荷載作用下的結(jié)構(gòu)安全，結(jié)構(gòu)構(gòu)件在使用荷載作用下的強(qiáng)度驗(yàn)算滿足現(xiàn)行規(guī)范，對(duì)強(qiáng)度不足的構(gòu)件進(jìn)行加固，并適當(dāng)留有余地。

3）加固或新增構(gòu)件的布置，應(yīng)消除或減少不利因素，防止局部加強(qiáng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度或強(qiáng)度突變、盡量少損傷原結(jié)構(gòu)，并保留具有利用價(jià)值的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，盡量利用原有結(jié)構(gòu)的承載能力，避免不必要的拆除或更換。

4）加固方法以傳統(tǒng)成熟技術(shù)為主，確保加固設(shè)計(jì)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)。

經(jīng)過(guò)加固后的歷史建筑，可以滿足城市更新以及功能更新的需要，同時(shí)又最小幅度改變?cè)瓪v史建筑的特色結(jié)構(gòu)體系。