老建筑原位保护及与新建建筑结合的设计

何四祥

(悉地国际设计顾问(深圳)有限公司,上海 200433)

0 引 言

随着我国商品经济的发展,作为城市核心的商业街区发展不断加快,导致老商业街区的历史建筑保护改造也逐步增多。由于历史建筑很多是砖木结构,安全冗余度较小,且使用时间较长,如何在满足新建建筑功能的需求下,又能确保历史保护建筑的安全,是摆在工程师面前的一个课题。国内外学者已经在砖木结构加固改造的工程应用[1]、砌体结构改造托换技术[2-3]、砌体结构加固承载力及抗震性能[4]等方面取得了一定的研究成果。但对利用老建筑的砌体结构外墙作为原地新建高层建筑物的装饰外墙(同时由于施工场地条件限制及新建建筑基坑开挖增加了原位保护难度),国内还缺乏类似的设计及施工经验。本文的设计方法对古建筑的原位保护设计有一定的参考意义。

1 工程概况

美丰洋行建造于 1897年,是一栋维多利亚式风格的三层建筑,为砖木结构(屋面另设一层阁楼),结构原始图纸已全部缺失。

该结构纵横墙承重,平面基本为矩形。房屋东西向总长约39.4 m,南北向总宽约21.0 m,一层至阁楼层层高实测值,从下至上依次为5.50 m,4.92 m,4.39 m和3.58 m。

根据改造规划,现拟保留房屋东面和南面两个里面的外墙,其余部分拆除,拟保留墙体所在位置见图1。同时在原位置将新建一栋高度约为60 m (地上14层、地下1层)的综合楼。保留墙体将作为新建筑的外围护墙,与新建建筑连为一体,如图2所示。

图1 拟保留墙体平面位置示意图Fig.1 Plane position of reserved exterior walls

图2 保留外墙与新建筑关系图Fig.2 Relationship between reserved external walls and new building

2 工程特点

2.1 老墙的现状

《北京东路100～114号美丰洋行(局部)房屋质量检测与评估报告》指出,结构整体性差,无圈梁、构造柱。且该建筑经过多次局部改建,受力历史复杂。拟保留外墙墙面损伤明显,一层出现多处竖向裂缝,二层和屋面外墙处木格栅端部已经腐烂,部分墙面渗水严重,门窗洞口变形明显,截面被大幅削弱。房屋整体向西北方向倾斜,向西倾斜率约 10‰,向北倾斜率约为 4‰。砂浆强度偏低,强度评定值0.3～0.7 MPa。

2.2 原位保护的要求

根据改造规划要求,拟保留两片外墙需要原位保护,但这样会导致保留墙体在内部建筑拆除后,保留墙体的无支撑自由长度将超过14 m,无法保证自身稳定,因此须要对保留墙体进行加固与保护处理。

在内部墙体拆除前,设计拟采用一个空间支撑结构来支撑保留外墙,使保留外墙在旧建筑拆除和新建筑施工阶段不倒塌,确保两片墙体在使用阶段有良好的抗震性能。同时空间支撑结构的跨度和高度,将依据现有的横墙和楼板间距与高度进行设计,使保留外墙与现有受力情况尽量一致。

2.3 施工空间的限制

根据建筑红线,只能在保留外墙的内侧进行开挖施工,且由于保留外墙外部管线密布、埋深较浅,导致保留墙体外部不能布置空间支撑结构的基础,空间支撑结构的基础只能设置在保留墙体的内侧。同时考虑到新建建筑内部结构和基坑开挖机械的场地要求,空间支撑结构的布置必须保证不影响新建建筑施工。

2.4 基础托换

由于新建建筑层数地上为14层,荷载比较大,必须由桩基础来承受新建筑的上部荷载。为了保证保留外墙与新建筑的变形协调性,满足保留外墙在施工阶段不倒塌及使用阶段不产生新的结构裂缝,保留外墙原有的砖基础必须进行逐步托换,并与新建筑的桩板基础应形成一个整体,保留墙体在基坑施工阶段简图如图3所示。

图3 保留外墙在基坑施工阶段简图Fig.3 Wall in construction stage of foundation pit

2.5 新基坑开挖对保留外墙的影响

由于新建筑的基坑围护施工以及基坑开挖,会对保留外墙产生较大的扰动,墙下基础会产生沉降,为了降低基坑开挖对保留外墙的影响,基坑开挖前利用静压钢管桩托换保留外墙(图3),同时对外墙进行实时监测,如果不均匀累积沉降或沉降速率达到设计的报警值时,及时采取预备措施。

3 工程措施

3.1 施工流程

综合考虑保护外墙在各个工作状况时的受力情况,同时结合新建建筑物的施工,设计一共采用12个施工步骤,分别简述如下:①加固保留外墙门窗洞口;②开挖保留外墙室内侧土,安装夹紧桁架;③浇筑压桩底板,施工钢管桩;④掏砖并置换基础;⑤加固保留外墙,增设混凝土框架柱和梁;⑥安装钢支撑结构;⑦拆除保留建筑的内部结构;⑧围护桩及新建建筑工程桩施工;⑨基坑开挖及支护,新建建筑地下一层的施工;⑩新建建筑顶板与保留外墙的底板连接成一体;新建建筑地上一层至3层的施工;拆除钢桁架支撑结构。在所有的施工步骤中,均对墙体的关键指标(墙体应变、变形、倾斜、沉降、裂缝等)进行全程监测。

3.2 关键节点图

保留墙体门窗洞口处加固示意图如图4所示。掏砖并置换基础时保留外墙的加固示意图如图5所示。保留外墙、增设混凝土柱、梁及钢支撑结构示意图如图6所示。

图4 门窗洞口处的加固示意图Fig.4 Reinforcement of door and window openings of reserved wall

图5 掏砖并置换基础时外墙的加固示意图(单位:mm)Fig.5 Scheme of brick replacement and reinforcement of foundation of reserved walls (Unit:mm)

图6 加固保留外墙,增设混凝土柱、梁及钢支撑结构示意图Fig.6 Additional concrete columns,beams and steel support structure for reserved walls

4 计算分析

4.1 掏砖施工过程墙体的数值仿真模拟

为了预估分段置换基础(每次置换600 mm)对保留墙体的影响,对保留外墙在置换基础时的具体情况进行了数值仿真模拟,采用通用有限元软件MIDAS/Gen7.8.0版本,模拟出窗间墙在分段置换前后墙体的应力变化情况。取一段典型的窗间柱,模拟底部边界由固定端变成自由端时外墙的应力变化,得到不同阶段单元的最大应力云图及数值(应力以拉为正),发现每段掏砖600 mm时,掏砖前和掏砖后的应力变化很小,说明分段置换基础对保留墙体产生的影响极小,对比结果见图7。

图7 典型墙段掏砖应力对比图Fig.7 Typical wall substitution cloud chart and numerical comparison

4.2 基坑施工期间墙体的仿真模拟

由于基坑施工时间长,对基础及外墙的扰动也比较大,故模拟了保留外墙在基坑施工期间的受力情况,假定基坑施工期间对外墙产生2 cm的不均匀沉降,通过计算分析可知,内衬墙体的最大拉应力为1.41 N/mm2,最大压应力为1 N/mm2,满足C30混凝土内衬墙体的抗拉及抗压强度设计值,混凝土内衬墙体不会开裂,南立面内衬墙体在不均匀沉降下的最大主应力见图8。

图8 南立面内衬墙体不均匀沉降下下的最大主应力图Fig.8 The maximum principal stress of lining wall of south facade under uneven settlement

4.3 内部墙体拆除后保留墙体在极端风载作用下的仿真模拟

在施工期间,保留墙体在极端风荷载的作用下的工作性能非常重要,风荷载主要通过保留墙体传递给新增设的混凝土内衬墙体及混凝土梁和柱,再传递给支撑钢结构,通过计算分析,墙体在风荷载作用下,最大位移值7.0 mm,位移角是1/2 140,远小于规范允许的剪力墙结构的位移角限值。对墙体在风荷载和墙体自身偏心荷载共同作用下计算分析,混凝土墙体最大的压应力为0.95 N/mm2,最大的拉应力为0.87 N/mm2。小于C30混凝土的抗拉及抗压强度设计值,混凝土内衬墙体不会开裂。内衬墙体在不同方向风载作用下的变形如图9所示。

图9 保留墙体在风荷载作用下的变形Fig.9 Deformation of reserved walls under wind load from east and south directions

5 试验验证

5.1 基础置换试验方案

为了更好地了解外墙在基础置换时的真实反映,以及了解和完善掏砖施工工艺。在美丰洋行现有建筑内部,取一段以后将被拆除的墙体进行掏砖试验(图10),同时在整个试验过程中对外墙进行全程监测。

图10 墙体掏砖试验照片Fig.10 Photo of wall cutting test

5.2 基础置换试验试验结论

沉降、倾斜和频率等整体监测数据,对于掏砖各工序下墙体的状态不太敏感,说明本次掏土实验夹梁的刚度和承载力满足要求。局部监测数据,特别是接近夹梁处的应变数据和部分门窗洞口处的变形数据,在拆除夹梁时有明显反应,这些测点捕捉到了应变和变形的敏感部位。如果墙体有破坏,将在这些部位最先发生。因此,建议在拆除夹梁前对夹梁上部墙体进行适当加固。

5.3 室内压桩试验方案

因为本工程压桩在室内,室内分割墙较多,施工空间狭小,同时钢管桩桩长及桩径均较大,且要求保留建筑不得作为压桩反力,为了确保室内压桩在正式施工时能顺利进行,且为了预估室内压桩对保留外墙产生的真实反应,在美丰洋行现有建筑内部,试压3根直径为φ426的钢管桩(图11),由于底板不能提供足够的压桩反力,故采用φ95×8的钢管桩作为反力桩。

图11 室内压桩试验照片Fig.11 Photo of indoor piling test

5.4 室内压桩试验结论

室内压桩试验表明(表1),在该建筑物内部利用锚杆桩及压桩底板来提供压桩反力是可行的,钢管桩桩长及承载力能达到设计要求(设计承载力极限值2 200 kN),同时监测数据表明,沉降观测值发展趋势明显,同时靠近压桩位置的位移计观测值和应变观测值反应明显,但无达到报警值的突变。沉降发展有典型的先发生拖带沉降后回弹的趋势。说明压桩对墙体局部有扰动;但扰动量值较小,说明在横墙、楼板和夹梁的可靠约束下,压桩施工扰动不会导致墙体失稳。

表1压桩试验结果

Table 1 Result of piling test

6 结 论

保留墙体的现状不容乐观,且由于场地条件限制以及新建建筑物的使用及施工要求,使得对保留墙体的保护变得非常复杂,保留墙体的整个施工工序环环相扣,且基础置换、钢管桩施工、内部墙体拆除以及基坑开挖均会对现有墙体产生不利影响。

但通过对保留墙体进行合理的加固,制定合适的施工工序,辅以计算分析以及试验验证,同时对整个施工过程进行动态监测以及制定应急措施,可以减小施工过程中不利因素对保留墙体造成的损伤,使利用现有墙体作为新建筑的装饰外墙变成现实。同时也给类似的工程提供了宝贵的经验。

致谢 感谢悉地国际沈淳在本项目设计和实施过程中给与的指导,同时本论文的构思、撰写到最终定稿都离不开他的指导和热情帮助。