既有工业建筑非工业化改造技术研究*

刘伯英 胡戎睿 李 荣 吴方伯 胡建新 韦 拉

(1.清华大学建筑学院，北京 100084;2.中冶建筑研究总院有限公司，北京 100088;3.湖南大学土木工程学院，长沙 410082;4.北京华清安地建筑设计有限公司，北京 100084)

伴随着产业结构调整升级和城市工业用地的更新，传统工业企业纷纷退出生产，大量工业建筑被闲置甚至荒废。我国既有工业建筑面临两种出路：一是通过一系列技术措施满足新型产业的需求，继续为工业生产服务;二是非工业化利用，其中具有重要历史文化价值的作为工业遗产进行保护，更多的是利用既有工业建筑的空间，通过适应性改造实现性能提升，通过功能转换来满足城市生活需求。

近年来，我国工业遗产保护工作取得了一定进展，闲置工业厂房从低价出租“吃瓦片”，到成为城市经济的新宠——文化创意产业园，再到旧工业区整体更新推动城市综合复兴，使既有工业建筑的非工业化改造成为当前盘活存量资源和城市建设的重点。但是，由于工业遗产和工业资源的概念存在混淆，工业遗产保护往往被泛化或僵化，既有工业建筑的非工业化改造利用由于政策和标准的缺位，多数改造成为违章行为，或者被非专业人士任意改造，存在很大安全隐患。因此，基于生态友好、资源节约，工业建筑的全寿命周期的可持续发展等方面的考虑，建立系统的调查研究方法和科学的价值评价体系，总结工业建筑改造性能提升、功能置换、资源利用的模式和设计方法非常重要。此外，我国很多既有工业建筑经长期使用，或许已存在很大的安全问题，原有的结构设计也可能无法满足新的技术标准要求，因此系统研究我国既有工业建筑结构安全鉴定和结构加固技术，为非工业化改造利用创造条件，是迫切需要解决的难题。

表1 我国1995—2017年工业建筑面积统计Table 1 Statistics of Chinese industrial building area in 1995-2017 亿m2

图1 建国后我国工业建筑规模的发展趋势Fig.1 Development trend of Chinese industrial building

1 既有工业建筑结构体系分类调查研究

针对我国既有工业建筑结构类型和结构体系进行调查，对不同时期、不同地域、不同产业的既有工业建筑进行资源调查研究，形成一套完整和科学的调查流程及操作方法。

调查主要从以下方面入手：既有工业建筑类型等基本信息(建成年代、建筑面积、层数、层高等)、既有工业建筑结构形式、既有工业建筑结构构件及材料做法、既有工业建筑荷载作用、既有工业建筑环境作用、既有工业建筑设计标准应用、既有工业建筑损伤破坏。其中重点调查的内容是既有工业建筑结构形式、荷载作用和损伤破坏［1］。

1.1 我国既有工业建筑规模调查

随着国民经济的快速发展，我国工业建筑面积持续增长。1911年至2017年底，我国房屋竣工面积累计为555.79亿 m2，其中工业建筑88.30亿 m2，占16%。目前我国正处于向工业化、城镇化发展的转型期，建设规模和固定资产投资规模巨大，从1950年的0.6亿 m2上升到2017年的 88.30亿 m2(表 1、图 1)。

1.2 我国既有工业建筑结构体系分类

我国既有工业建筑结构形式多样，对我国既有工业建筑结构体系及构件类型进行梳理和归纳，主要从结构体系、结构构件以及材料进行划分，系统总结了工业建筑的结构形式(图2)。

1.2.1 工业建筑结构体系分类

工业建筑的结构体系可以划分为平面结构、空间结构以及特种结构三类。其中，平面结构体系最为多见，包括混合结构、框架结构等，广泛应用于各类大小跨度厂房;空间结构则主要应用于跨度较大的厂房中，包括网架结构、桁架结构等［2］;特种结构一般用于生产工艺有特殊要求的工业建筑中，在此暂不讨论。

1.2.2 工业建筑结构构件分类

在结构构件方面，工业建筑的核心是骨架承重结构，主要的承重构件有屋架、柱、吊车梁、基础等，在工业厂房中，除基础无法直接看到外，其余三类均可通过外观进行判断［2］。

图2 我国既有工业建筑结构体系分类Fig.2 Classification of existing industrial building structural systems in China

1.3 北京典型工业建筑结构体系调查研究

选取北京现存100个重点工业厂区中的工业建筑，作为重点考察对象和分析样本，通过文献研究和现场调查，调查了产业类型、建厂时间等基本信息，重点调查了结构类型、结构质量，归纳总结北京既有工业建筑结构体系的类型分布、质量等级分布。

1.3.1 北京典型既有工业建筑结构类型分布情况

1)工业建筑结构体系类型分布统计。通过对样本厂区现存工业建筑结构体系类型进行统计，主要有钢筋混凝土结构、钢结构、砖混结构、砖木结构和混合结构5大类型(图3)。由于钢筋混凝土结构相较于其他结构类型具有坚固、耐久、防火性能好的优点，此类结构厂房占主要份额(48%)。

图3 北京样本厂区中结构体系类型整体比例分布Fig.3 Overall proportion distribution of structural system type in Beijing sample

2)工业建筑结构体系之产业类型分布统计。由于北京工业的产业特征，100个样本厂区分为能源类、材料类、装备制造类、加工类和交通类5大产业类型，以加工类与装备制造类为主。在各产业类型的典型厂区中，除能源类厂区建筑以砖混结构为主，材料类、装备制造类、加工类及交通类厂区建筑均以钢筋混凝土结构为主，两种结构类型的厂房均占各行业调研份额的60%以上(表2)。

表2 产业类型的结构形式Table 2 Industry and structure types of industrial construction in Beijing sample

3)工业建筑结构体系之建成年代分布统计。调查中厂区现存工业建筑建成年代从20世纪初到本世纪初，跨越近100年，各个年代分布不均匀现象突出，其中20世纪七八十年代时期建设的厂房最多。通过对北京样本厂区中工业建筑的建成年代和结构体系类型进行合并列表(表3)分析可知，1949年以前，工业建筑结构体系类型以砖木结构体系、砖石结构体系为主，1949年后开始以钢筋混凝土结构体系为主。纳入改造利用的工业建筑主要以钢筋混凝土结构、砖混结构和混合结构为主。

表3 北京样本厂区工业建筑建成年代和结构体系类型Table 3 Construction age and structural system type of industrial buildings in Beijing sample

1.3.2 北京典型既有工业建筑结构质量等级分布

将样本厂区中现存工业建筑按结构质量等级分为好、较好、一般、较差和差5等(图4)。从中可见：厂区建筑结构质量“好”和“较好”的占到46%，具有非工业化改造再利用的条件和基础;但结构质量评价“差”的建筑占到48%，改造再利用的难度加大。因此，对既有工业建筑非工业化改造结构诊治技术的研究迫在眉睫。

1.3.3 北京典型既有工业建筑结构空间形态类型

通过对北京样本厂区工业建筑的研究统计，以单层、多层厂房为主的建筑及构筑物样本集合均呈现出多种结构类型：钢结构、钢筋混凝土结构、砖混结构、混合结构，其结构体系呈现如下空间形态，如图5所示。

图4 北京样本厂区中工业建筑结构质量等级比例分布Fig.4 Proportion distribution of industrial building quality in Beijing sample

图5 结构体系空间形态分类Fig.5 Classification of structural system space morphology

2 既有工业建筑非工业化改造综合评价体系研究

通过对我国既有工业建筑的资源调查，形成一套规范化的调查流程，并在此基础上建立既有工业建筑非工业化改造全周期的综合评价体系及实施导则。

2.1 全周期综合评价体系构建

既有工业建筑的非工业化改造过程繁冗复杂、综合性强且富于变化，因此对其评价体系应当体现专业性、综合性和全周期性。既有工业建筑的非工业化改造涉及到建筑本体、周边环境要素以及相关的法规和政策等，实际操作中还需注重经济效益、环境效益和社会效益等综合效益［3］，其完成过程前后的适应性是评价其改造效果的重要指标。

在近年来相关评价方法的基础上，结合系统性研究探索，以全周期综合评价为目标，建立了既有工业建筑非工业化改造全周期的综合评价体系，旨在为既有工业建筑非工业化改造的实践活动提供科学决策依据。

2.2 综合评价体系及评价方法集成

对既有工业建筑非工业化改造的全过程进行分解，建立不同实施阶段和不同目标基础上的多种评价方法，包括：工业建筑结构调研综合评价、工业建筑现状调研综合评价、工业建筑非工业化改造价值评价、工业建筑适应性再利用潜力评价和工业建筑非工业化改造后评价(表4)。

表4 工业建筑非工业化改造综合评价小结Table 4 Summary of comprehensive evaluation of non-industrial transformation of industrial buildings

本文提出的评价方法立足文献和实地调研，采用统一有序的步骤流程和技术操作，有侧重地涵盖了既有工业建筑非工业化改造实施过程前后的关键步骤，从而构成既有非工业化改造全周期的综合评价体系。

3 既有工业建筑非工业化改造功能转换模式研究

对国内外案例进行调查分析，归纳总结既有工业建筑非工业化改造功能转换与性能提升的模式类型、操作途径和设计方法。

3.1 既有工业建筑功能转型模式研究

3.1.1 宏观改造策略

根据既有工业建筑资源再利用的可能性与适应性，在宏观层面上，基于工业资源的突出价值，可以分为以下模式。

1)强调保护为主：主要作为工业博览馆、美术馆等，如首钢厂史馆(图6a);

2)强调建筑再利用为主：主要作为创意产业园、高新科技园区等，如京棉文化创意工业园(图6b)、北京牡丹电子集团有限责任公司(图6c);

3)强调景观再利用为主：主要作为景观公园及工业遗址旅游等，如中山岐江公园(图6d)、北京焦化厂遗产公园(图6e)。

3.1.2 微观改造策略

在确定了宏观再利用方向后，从微观角度来看，既有工业建筑可以改造为居住、商业、办公、文化等设施。以常见的一般形式的钢筋混凝土结构排架结构单层厂房为例，按照厂房建筑单体置换后的功能不同，将其分为以下几种模式(表5)。

图6 宏观层面工业区功能置换模式分类案例Fig.6 Classification of functional replacement modes in industrial estate at macro level

表5 工业厂房功能置换与再利用模式分类Table 5 Classification of functional replacement and reuse of industrial buildings

3.2 既有工业建筑空间转型模式研究

3.2.1 碎片切割式

“碎片化”是空间转型的显著特征之一。对小尺度空间的需求导致工业建筑原本完整统一的空间被切割，瓦解的方式和程度可以根据使用者(业主)的具体要求的不同而改变。空间切割不仅在平面上划分，还包括垂直方向上的独立使用。工业建筑尺度以生产活动为依据，无论是室内还是室外尺度，都与普通民用建筑存在巨大差别，空间化整为零的利用，正是对空间尺度的重新确立(图7)。

3.2.2 重组整合式

除了大尺度厂房“碎片化”的利用方式，对于小尺度的厂房还普遍存在着“化零为整”的利用方式。空间整合包括多组旧建筑之间的组合，也包括新建单体与旧建筑之间的混搭组合(图8)。

4 既有工业建筑性能提升结构诊治关键技术研究

针对既有工业建筑非工业化改造的功能转换模式，根据既有工业建筑结构类型，提出结构诊治方法，形成针对不同建构筑物类型及结构形式的改造技术体系，建立既有工业建筑非工业化改造关键技术体系和准则。

图7 空间碎片切割式利用示意Fig.7 Schematic diagram of space debris cutting utilization

图8 空间组合式利用示意Fig.8 Schematic diagram of space combination utilization

4.1 既有工业建筑结构安全性评价

针对我国不同地域、不同行业的工业建筑，结合其发展历史，对既有工业建筑的结构体系进行调查，按照既有工业建筑的行业类型、结构形式、服役年限、使用状况等分类，提出了既有工业建筑结构安全性模糊综合评价方法。该方法通过模糊数学的方法，将定性的评价转换为定量的评价。该方法可以作为GB 50144—2008《工业建筑可靠性鉴定标准》中提供方法的有益补充。

既有工业建筑的安全性影响因素有很多，分析时除了结构自身因素外，还考虑环境因素和人为因素对工业建筑安全的影响。结构自身因素分为三级，先由构件的各项属性评价得到构件的评级，然后综合各个构件得到结构的评级。环境因素主要指自然环境和工作环境，因为工业厂房在一些特殊生产过程中存在高温、高压等环境，需要考虑其影响。自然环境包括：酸碱腐蚀、干湿循环、冻融循环等，工作环境包括高温、高压、振动冲击等。人为因素主要表现为使用荷载和设计荷载的不同，以及使用过程中不经意间对结构局部造成的损伤破坏，这一点在服役期较长的工业建筑中体现更为明显。对于既有工业建筑安全性因素指标的权重确定，采用层次分析法，通过对每一层要素进行两两之间的比较，最终通过判断矩阵运算，得到各个因子的权重分配，从而对既有工业建筑的安全性作出评价。

4.2 既有工业建筑非工业化改造加固关键技术

既有工业建筑因使用功能改变导致荷载增加、空间调整甚至结构体系改变。非工业化改造需要依据使用功能与相关规范的要求，进行必要的加固和改造。根据既有工业建筑非工业化改造新的功能要求，集成成熟改造加固技术并开发新型加固技术，建立一套完善的结构加固改造技术体系。

4.2.1 已有改造加固技术集成

针对既有工业建筑的非工业化改造需求，根据结构形式的不同，集成成熟改造加固技术如表6所示。

表6 已有改造加固技术Table 6 Existing reconstruction and reinforcement techniques

4.2.2 新型加固技术开发

纤维增强复合材料网格加固法(图9)为使用配套锚固件将复材网格固定在墙体上，之后再喷涂聚合物砂浆，形成共同受力的加固体系。该加固技术施工过程中无需使用树脂材料，故施工时不会产生刺激性气味，也不会对施工人员及使用人员的健康造成影响，安全环保。加固工作完成后，墙面平整，无需进行进一步表面处理，类似新建混凝土墙面，可直接进行装饰装修。试验结果表明，该加固方法可以提高墙体的抗剪承载力和抗震性能，加固效果显著。相比于传统加固方法，具有质量轻、强度高、耐腐蚀性强、耐久性好等特点。

图9 纤维增强复合材料网格加固法示意Fig.9 Mesh strengthening method for fiber reinforced composite materials

5 结束语

既有工业建筑的非工业化改造是一个复杂的系统工程，涉及学科门类众多，本文主要从建筑和结构两个专业领域，提出系统解决办法，对于全面认识既有工业建筑非工业化改造、工业遗产保护，具有重要的现实意义。

1)针对我国不同地域、不同行业，建立既有工业建筑调查的流程和方法、价值评价体系;建立既有工业建筑非工业化改造全寿命周期的综合评价体系及实施导则，填补国内空白。

2)按照既有工业建筑的结构形式、服役年限等分类，提出既有工业建筑非工业化改造功能转换和提升的方法和策略，促进城市规划与建筑设计相关管理工作的调整和完善。

3)从文物保护、建筑设计、结构诊治的综合策略与系统技术措施出发，建立既有工业建筑非工业化改造的成套关键技术，形成针对不同建构筑物类型及结构形式的改造技术体系。

·信 息·

近年来，我国的土木工程事业发展迅速，而钢-混凝土组合结构以其优越的性能得到广大结构工程师的认可，被广泛应用于各种工程结构中。为进一步推动钢-混凝土组合结构的技术交流和应用推广，中国钢结构协会钢-混凝土组合结构分会定于2019年11月15—17日在南京市明发珍珠泉大酒店(南京工业大学附近)召开第十七次学会会议，同时进行第四届“组合结构杰出人才奖”和第九届“精工杯青年优秀论文奖”评选。会议内容包括主题报告、研讨、分组发言讨论，将邀请国际和港澳台专家进行专题报告，加强国际学术交流合作。

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