城市更新中既有居住建筑抗震加固與節(jié)能改造研究

俞兆藩

（甘肅省建筑科學(xué)研究院（集團(tuán)）有限公司，蘭州 730070）

城市更新是一種國(guó)際上普遍存在的城市改造現(xiàn)象，實(shí)施城市更新行動(dòng)，推動(dòng)城市結(jié)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化和品質(zhì)提升，轉(zhuǎn)變城市開發(fā)建設(shè)方式。對(duì)于全面提升城市發(fā)展質(zhì)量、不斷滿足人民群眾日益增長(zhǎng)的美好生活需要、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)健康發(fā)展，具有重要而深遠(yuǎn)的意義。大拆大建這種過(guò)度房地產(chǎn)化的開發(fā)模式，早已不適應(yīng)新的發(fā)展形勢(shì)，取而代之的將是城市更新。我國(guó)既有建筑存量巨大，規(guī)模已經(jīng)超過(guò)700 億m2，其中沒有達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的高耗能建筑至少有95%，因此，中國(guó)即將進(jìn)入既有建筑節(jié)能改造的重要時(shí)期。

本文以蘭州某既有居住建筑為例，著重介紹在城市更新中既有居住建筑的抗震加固措施及節(jié)能改造相關(guān)內(nèi)容。

1 項(xiàng)目情況

1.1 工程概況

舊住宅樓設(shè)計(jì)于1998 年，主體結(jié)構(gòu)為砌體結(jié)構(gòu)，層數(shù)為地上6 層；本樓各層層高為2.8 m，室內(nèi)外高差0.15 m。建筑高度（主屋面）：16.95 m；建筑分類：多層居住建筑；建筑面積1 549.38 m2，該樓朝向?yàn)槟媳背?；原墻體：±0.000 m 以上采用燒結(jié)多孔磚，外墻370 mm厚，內(nèi)墻240 mm 厚。建筑平面布置及建筑模型軸測(cè)圖如圖1、圖2 所示。

圖1 建筑平面布置圖

圖2 建筑模型軸測(cè)圖

1.2 檢測(cè)鑒定情況

該樓建造年代較早，在改造前全面了解結(jié)構(gòu)的安全性和抗震性能十分有必要，因此，建設(shè)單位委托第三方鑒定機(jī)構(gòu)進(jìn)行了鑒定。經(jīng)鑒定，該樓地基基礎(chǔ)安全性評(píng)級(jí)為Bu級(jí)，上部結(jié)構(gòu)安全性評(píng)級(jí)為Cu級(jí)，建筑整體評(píng)級(jí)為Csu級(jí)，即安全性不符合GB 50292—2015《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》[1]對(duì)Asu級(jí)的規(guī)定，顯著影響整體承載力。該樓抗震構(gòu)造措施齊全，但一、二層抗震綜合能力指數(shù)小于1.0，建議在節(jié)能改造前先進(jìn)行承載能力及抗震能力加固處理。

2 抗震加固

2.1 加固方法

根據(jù)GB 50702—2011《砌體結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]和DB62/T 3159—2019《高延性混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[3]，通?？拐鸺庸讨饕捎没炷撩鎸踊蛩嗌皾{面層，內(nèi)配鋼筋網(wǎng)的加固方法，也可以采用近年推出的高延性混凝土進(jìn)行加固。在結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)前，為確定加固方案，小組羅列了常用的砌體結(jié)構(gòu)抗震加固方法，并對(duì)不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比，見表1。

表1 砌體結(jié)構(gòu)抗震加固方法對(duì)比

鑒于本項(xiàng)目屬于居住建筑，建筑物內(nèi)住戶仍然處于正常生活狀態(tài)，故工期短、施工簡(jiǎn)便、對(duì)住戶影響小成為方案選擇的關(guān)鍵點(diǎn)。另外，本項(xiàng)目通過(guò)北京盈建科軟件股份有限公司開發(fā)的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件分析，采用單面加固即可滿足抗震要求，因此，最終選擇高延性混凝土面層加固法進(jìn)行加固處理，如圖3 所示。

圖3 1～2 層結(jié)構(gòu)加固平面示意圖

2.2 砌體受壓加固

計(jì)算加固軸心受壓的砌體構(gòu)件時(shí)，截面受壓承載力按下式驗(yàn)算

式中：N 為構(gòu)件加固后的軸心壓力設(shè)計(jì)值；φcom為軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)；fm0為原構(gòu)件砌體抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Am0為原構(gòu)件截面面積；αd為高延性混凝土強(qiáng)度利用系數(shù)；Ad為新增高延性混凝土面層的截面面積；αs為鋼筋強(qiáng)度利用系數(shù)；f′y為新增豎向鋼筋抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；A′s為新增受壓區(qū)豎向鋼筋截面面積。

2.3 砌體抗震加固

計(jì)算加固后砌體墻的抗震受剪承載力應(yīng)符合下列條件

式中：VE為考慮地震組合的墻體剪力設(shè)計(jì)值；VME為原砌體截面抗震受剪承載力；Vd為采用高延性混凝土面層后墻體受剪承載力提高值；γRE為承載力抗震調(diào)整系數(shù)。

2.4 加固后砌體結(jié)構(gòu)抗震能力計(jì)算

計(jì)算加固后的樓層和墻段的綜合抗震能力指數(shù)可按下式計(jì)算

式中：βs為加固后樓層或墻段的綜合抗震能力指數(shù)；η為加固增強(qiáng)系數(shù)；β0為樓層或墻段原有的抗震能力指數(shù)；ψ1、ψ2為體系影響系數(shù)和局部影響系數(shù)。

2.5 高延性混凝土施工要點(diǎn)及質(zhì)量驗(yàn)收

2.5.1 施工要點(diǎn)

①施工時(shí)要鏟除原墻抹灰至結(jié)構(gòu)面層，清除殘灰后，澆水潤(rùn)濕墻面。②為增強(qiáng)加固面層與原結(jié)構(gòu)的粘接力，提高與原墻體的協(xié)同工作能力，可采用高延性混凝土嵌縫或高延性混凝土抗剪鍵，并且在墻面涂刷膠質(zhì)界面劑。③高延性混凝土面層在轉(zhuǎn)角處應(yīng)連續(xù)施工，不得在轉(zhuǎn)角處留施工冷縫。④高延性混凝土面層在壓抹收平后的半天以內(nèi)開始保濕養(yǎng)護(hù)，時(shí)間至少7 d 以上，冬季施工時(shí)應(yīng)有可靠的保溫措施。

2.5.2 質(zhì)量驗(yàn)收

施工質(zhì)量驗(yàn)收應(yīng)按檢驗(yàn)批進(jìn)行，著重檢查高延性混凝土材料力學(xué)性能、加固面層與加固構(gòu)件的結(jié)合面粘結(jié)質(zhì)量、加固面層厚度和加固面層表面平整度等。

3 節(jié)能改造

3.1 節(jié)能改造方案

蘭州市屬于寒冷地區(qū)，在以往老舊小區(qū)節(jié)能改造中，對(duì)于既有居住建筑，主要從外墻保溫、屋面保溫及更換窗戶這幾方面入手。項(xiàng)目由于建造年代較早，外墻和屋面均未安裝保溫材料。因此，本次節(jié)能改造圍護(hù)結(jié)構(gòu)中外墻保溫材料采用70 mm 熱固性改性聚苯保溫板[4]，可將外墻傳熱系數(shù)K 值由原來(lái)的0.959 降低至0.432；樓梯間內(nèi)墻采用80 mm 鋼絲網(wǎng)復(fù)合巖棉板，可將外墻傳熱系數(shù)K 值由原來(lái)的1.258 降低至0.445；屋面采用90 mm 熱固性改性聚苯保溫板，可將外墻傳熱系數(shù)K 值由原來(lái)的0.812 降低至0.349。

節(jié)能分析采用DeST-h[5]，該軟件由清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系研制開發(fā)，是集成于Auto CAD 上的面向住宅類建筑的設(shè)計(jì)、性能預(yù)測(cè)及評(píng)估的模擬計(jì)算軟件。

3.2 參數(shù)設(shè)定

3.2.1 氣象參數(shù)設(shè)定

根據(jù)DeST-h 軟件地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)獲取蘭州市地理位置基本信息和蘭州市采暖期度日數(shù)和度小時(shí)數(shù)。當(dāng)?shù)靥?yáng)時(shí)日照陰影分析如圖4 所示。

圖4 當(dāng)?shù)靥?yáng)時(shí)日照陰影分析圖

3.2.2 房間功能設(shè)定

住宅樓房間功能設(shè)置為臥室、起居室、空房間3種。區(qū)別在于空房間設(shè)置為不安裝空調(diào)的房間，其余2種均為空調(diào)房?？辗块g還包括廚房及洗手間等。

在DeST-h 中有多種房間類型可供選擇。不同房間對(duì)應(yīng)不同的情況，最終影響房間最終的負(fù)荷，主要表現(xiàn)在人員、燈光、設(shè)備及系統(tǒng)等。

房間內(nèi)擾即不同影響因素對(duì)室內(nèi)熱量的作用情況，體現(xiàn)在設(shè)備發(fā)熱、人員活動(dòng)情況、空調(diào)系統(tǒng)開閉時(shí)間及溫度等方面。上述因素均會(huì)對(duì)自然室溫以及房間負(fù)荷的計(jì)算產(chǎn)生影響。在模擬分析中空調(diào)系統(tǒng)、人員及燈光的影響均需考慮，但室內(nèi)家具家電對(duì)熱量的影響可不考慮，其影響系數(shù)取1.0。

3.3 模型計(jì)算及結(jié)果分析

對(duì)改造前、后的模型進(jìn)行建筑室溫計(jì)算及住宅負(fù)荷分析，在計(jì)算過(guò)程中，采暖季設(shè)定為十一月中旬到三月中旬；空調(diào)季為六月初到八月末，同時(shí)將太陽(yáng)遮擋的作用也計(jì)入其中。

計(jì)算出整個(gè)模型3 個(gè)對(duì)比對(duì)象的相關(guān)節(jié)能指標(biāo)，3個(gè)對(duì)比對(duì)象為房間、系統(tǒng)和整個(gè)建筑。

根據(jù)建筑節(jié)能相關(guān)規(guī)定需計(jì)算改造前后的節(jié)能率，且節(jié)能率需達(dá)到規(guī)范要求。節(jié)能率計(jì)算公式為

式中：Qq為采用節(jié)能技術(shù)前的建筑能耗；Qh為采用節(jié)能技術(shù)后的建筑能耗。

R-A、R-B 表示改造前、后的房間編碼；S-A、S-B表示改造前、后系統(tǒng)選擇與房間相對(duì)應(yīng)的空調(diào)系統(tǒng)。對(duì)比指標(biāo)：①房間的自然室溫度小時(shí)數(shù)；②采暖季最大熱負(fù)荷和空調(diào)季冷負(fù)荷；③供暖季能耗；④空調(diào)季能耗；⑤全年能耗。

3.3.1 自然室溫度小時(shí)數(shù)對(duì)比

一年中，室內(nèi)小時(shí)平均溫度介于某個(gè)溫度范圍之內(nèi)的總小時(shí)數(shù)，稱為介于這個(gè)溫度范圍之內(nèi)的自然室溫度小時(shí)數(shù)。自然室溫度小時(shí)數(shù)可以間接反映圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能。介于16～29 ℃之間度小時(shí)數(shù)越多，說(shuō)明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能越好[6]。房間R-A 和R-B 全年自然室溫的度小時(shí)數(shù)見表2。

表2 房間R-A 和R-B 全年自然室溫的度小時(shí)數(shù)

房間R-A 介于16～29 ℃之間的度小時(shí)數(shù)比R-B多了288 h，說(shuō)明一體化改造后圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能有所改善。

3.3.2 熱負(fù)荷對(duì)比

從表3 可以看出房間R-B 在整個(gè)采暖季累計(jì)熱負(fù)荷比房間R-A 減少了9.79 W/m2，節(jié)能率為65.5%，滿足節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)65%的要求。

表3 房間R-A 和R-B 在整個(gè)采暖季的能耗情況

3.3.3 系統(tǒng)能耗對(duì)比

從表4 中可以看出，系統(tǒng)S-A 在整個(gè)采暖季累計(jì)能耗比系統(tǒng)S-B 減少了13.59 kW·h/m2，節(jié)能率為65.7%，滿足節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)65%的要求。

表4 系統(tǒng)S-A 和S-B 在整個(gè)采暖季的能耗情況

3.3.4 建筑能耗對(duì)比分析

從表5 中可以看出，住宅樓改造前后的全年累計(jì)熱負(fù)荷分別為88 356.39、28 680.65 kW·h，其差值為59 675.74 kW·h，節(jié)能率為67.54%，達(dá)到了國(guó)家要求的標(biāo)準(zhǔn)。

3.3.5 系統(tǒng)能耗對(duì)比

自然室溫是建筑在沒有采暖和空調(diào)條件下的室溫，本文分別選取住宅樓4 層西北角的臥室，改造前的房間設(shè)為R4-A，改造后的代號(hào)設(shè)為R4-B 對(duì)1 月份的房間溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并分析。由圖5 可知室內(nèi)自然溫度比節(jié)能改造前平均提高5 ℃，最高提高7 ℃，總體來(lái)看改造后對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境提高效果較為顯著。

圖5 房間改造前后溫度曲線

表5 住宅樓一體化改造前后能耗模擬結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

蘭州市屬于高烈度、寒冷地區(qū)，在城市更新中，不能只關(guān)注既有居住建筑的節(jié)能改造或抗震加固某一方面，需要進(jìn)行一體化研究。通過(guò)工程實(shí)例可得出如下結(jié)論。

1）在既有居住建筑改造提升中，將抗震加固與節(jié)能改造合并考慮，以避免重復(fù)工作，減少施工對(duì)環(huán)境的影響，同時(shí)，也可降低施工成本，節(jié)約建筑資源。

2）在既有居住建筑抗震加固中，傳統(tǒng)方法和新材料之間的施工優(yōu)缺點(diǎn)區(qū)分明顯，而建筑物也是一棟一個(gè)特點(diǎn)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)施工便捷性、施工造價(jià)、施工對(duì)周邊環(huán)境影響情況等多方面進(jìn)行選擇，讓設(shè)計(jì)在城市更新中發(fā)揮應(yīng)有的作用。

3）節(jié)能改造后，既有居住建筑可滿足節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)65%的要求，這對(duì)于建筑節(jié)能降耗減碳有十分重要的意義，也為助推雙碳戰(zhàn)略的實(shí)施作出了切實(shí)的貢獻(xiàn)。