钢筋混凝土旧工业厂房主体结构的改造加固风险研究*

武 乾，李 娜，胡 鑫，卢安琪，王 力，丁小燕

(1.西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055； 2.西安建筑科技大学 管理学院，陕西 西安 710055)

0 引言

旧工业厂房改造项目对提升城市容量起到了促进作用，但由于施工中受到原有结构构件约束、设计局限、建造技术的限制，亦存在人为因素和外部环境等不确定因素的影响，施工过程可能出现结构倾斜、失稳坍塌等事故。风险因素的影响是复杂且相互作用的，一定程度上会产生恶性循环[1]。

Lepel[2]最早从技术—建筑—城市的角度，介绍现有加固技术适用性，提出旧工业建筑改造工程各阶段实施需考虑的要素；樊胜军等[3]采用层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)和主次因素分析法(Activity Based Classification，ABC)评估改造工程施工阶段的风险因素，最早提出旧工业厂房改造工程施工阶段的风险分级管理方法；赵玉红[4]结合实际工作资料，分析建筑加固改造中存在的风险；余晓松[5]对旧工业建筑全过程改造项目从环境政策、技术、经济、管理4个方面进行系统的风险识别，运用主成分分析法得出影响旧工业建筑改造项目成功的主要风险因素；武乾等[6]将主体结构及管网安全层面纳入旧工业建筑再利用风险因素识别范畴，提出主要风险因素应对策略；裴兴旺等[7]以建筑火灾后加固施工为对象，构建多因素耦合作用下的风险评估模型。但过往的研究较少考虑旧工业厂房自身结构特性和风险因素间的相互作用，且研究方法具有主观性较大、可操作性不强等弊端。

鉴于此，从钢筋混凝土旧工业厂房改造加固施工风险产生的原因出发，包括设计方案、结构特征、施工环境、施工技术和施工管理5个方面，运用结构方程模型(Structural Equation Mode，SEM)探讨影响加固施工风险因素间的相互关系及因果模型，并确定影响加固风险的主要因素。结合宝鸡市某U型厂房主体结构加固项目实例，以期为此类项目的改造施工提供理论依据和实施指导。

1 评价指标体系构建

1.1 评价指标初选

鉴于旧工业厂房年久失修，构件疲劳开裂，加固技术使用条件限制、适应性要求高等，本文根据风险因素来源，从“设计方案、结构特征、施工环境、施工技术及施工管理”5方面，结合《旧工业建筑再生利用示范基地验收标准》(T/CMCA 4002—2018)、《旧工业建筑再生利用技术标准》(T/CMCA 4001—2018)和《混凝土结构加固设计规范》(GB 53367—2013)3项标准规范，运用文献研究法[8-12]，对全国106个改造项目实地调研，识别出钢筋混凝土结构的旧工业厂房主体结构改造加固风险评价指标，见表1。下文提及的旧工业厂房是指钢筋混凝土结构的旧工业厂房。

1.2 评价指标确定

问卷对变量的测量采用李克特的5级量表形式，根据厂房改造工程加固风险测量变量的取值范围，从1到5分分别表示：几乎没有影响、较小影响、一般影响、较大影响、很大影响。问卷的主要调查对象为旧工业厂房改造工程的研究人员、参与的施工人员、管理人员和监理人员。问卷共发放240份，收回有效问卷195份，各测量变量的统计分值数据分布见图1，符合利用结构方程模型的基本要求。

图1 测量变量的统计分值数据分布Fig.1 Statistical score distribution of measured variables

1.2.1 显著性与相关性分析

利用SPSS22.0对32个题项进行显著性与相关性分析，得出地下水、土层特性、施工机械未达到显著(显著性双侧水平小于0.05)或低度相关(Pearson相关系数小于0.4)。地下水、土层特性2个因素会影响基础沉降变形，进而影响主体结构加固稳定性，并非直接影响加固过程的风险因素；厂房加固中施工临时支撑主要为脚手架，与技术工艺层面中支撑架体搭设存在包含关系。结合数据分析结果和相关研究领域专家意见，将地下水、土层特性、施工机械3个题项删除，见表1。

1.2.2 效度与信度分析

参考判断准则[13]，对筛选后29个题项进行因子分析来检验量表的建构效度。其中，Kaiser-Meyer-Olkin(KMO)值应介于0到1之间，越接近1，越适用于因子分析。而进行因子分析的普通准则是其KMO值在0.6以上，小于0.5则不适合做因子分析。当Bartlett球形度检验统计值的显著性概率小于0.001时，说明指标数据表现为正态分布，问卷的结构变量具有较好的收敛效度。经检验，旧工业厂房主体结构的改造加固风险问卷的KMO值为0.739，Bartlett球形度检验统计值的显著性概率接近于0，表明本研究的量表具有较好的建构效度。

利用学术界广泛采用的内部一致性系数(Cronbach Alpha值)，对回收的195份有效问卷数据进行各因子内部信度检验。一般来说，问卷的Cronbach Alpha值达到0.8以上，表明信度较好。本研究各潜变量的Cronbach Alpha值处于0.709～0.873，超过了0.7的可接受水平[14]，表明量表内部一致性信度较好。

综合以上分析可知，本研究的量表信度、效度均满足要求，可以进行模型分析。

2 结构方程模型构建

结构方程模型(Structural Equation Mode，SEM)是基于变量的协方差矩阵来分析变量之间相互影响关系的1种统计方法，适用于变量数据较多且关系相对复杂的模型[15]。模型能够同时处理多个原因、多个结果的关联关系，允许变量测量误差存在，且能够测量整体模型的拟合程度。

表1 旧工业厂房主体结构的改造加固风险评价指标体系Table 1 Risk evaluation index system for reinforcement process of old industrial plant main structure

2.1 初始结构方程模型

基于旧工业厂房主体结构的改造加固风险(以下简称厂房主体改造加固风险)评价指标体系，结合实际案例与查阅文献资料，分析6个潜变量之间的关系，初步判断并形成旧工业厂房的主体结构改造加固风险作用路径，据此建立初始结构模型(见图2)，提出如下假设：

图2 初始结构模型Fig.2 Initial Structural Modeling

H1：设计方案对旧工业厂房主体结构的改造加固风险存在显著的正向影响；

H2：结构特征对旧工业厂房主体结构的改造加固风险存在显著的正向影响；

H3：施工环境对旧工业厂房主体结构的改造加固风险存在显著的正向影响；

H4：施工技术对旧工业厂房主体结构的改造加固风险存在显著的正向影响；

H5：施工管理对旧工业厂房主体结构的改造加固风险存在显著的正向影响；

H6：结构特征与设计方案风险存在显著相关；

H7：设计方案与施工技术风险存在显著相关；

H8：施工技术与施工管理风险存在显著相关。

2.2 结构方程模型分析

2.2.1 模型内部质量和拟合度检验

通过AMOS 22.0运行测量模型的潜变量标准化因子载荷值，判断模型的内在质量是否理想。一般标准规定，各指标的标准化因子载荷都应大于0.5，且P值小于0.05。 由表1数据可知，各测量指标的标准化因子载荷最低为0.524，高于0.5，且在0.001的水平上达到了显著水平，各指标符合标准要求。模型拟合适配指标也

是判定模型质量的重要标准，主要采用绝对适配指标、相对适配指标和简约适配指标来评判模型的拟合适配度。经过反复的模型修正，大部分的适配拟合数据满足拟合标准要求，PNFI值(Parsimony-adjusted Normed Fit Index,PNFI)略低于标准值要求。只要模型具有实际意义或可以根据相关理论合理解释，模型拟合数据没有完全达到拟合标准要求是可以接受的[16]，因此，该模型具有良好的拟合适配度。测量模型的主要拟合指标见表2。

表2 模型拟合指标Table 2 Model fitting index

2.2.2 路径分析和假设检验

对测量模型检验后，根据研究假设构建的结构模型进行路径分析。在不断进行模型修正的基础上，基于统计显著性水平P(P<0.05)为前提，通过各潜变量之间的路径系数来验证研究假设结果(见表3)，构建旧工业厂房主体结构的改造加固风险最终结构模型(见图3)，V1～V29为测量变量，e1～e29为测量变量与潜变量的测量误差项，e30～e33为潜变量的残差项。

表3 假设路径检验结果Table 3 Result of assume path test

图3 最终结构模型Fig.3 Finalstructural modeling

2.3 模型结果分析

如表3所示，本研究的8个假设都得到支持， 5个直接影响因素中，设计方案、结构特征、施工环境、施工技术和施工管理均对项目加固风险存在显著的正向影响。

1)施工技术很大程度上影响厂房主体改造加固风险(路径系数为0.782，P<0.05)，变形部位的矫正(V15)对施工技术层面的风险影响最大。结构加固过程中必会出现不同程度的变形，应设置临时支撑，采用可靠的变形检测方法，使原结构和结构改造加固后的变形处于安全范围。

2)设计方案与改造加固风险呈现出较大正向影响关系(路径系数为0.775，P<0.05)，对设计方案层面的风险具有显著影响的观测指标是构件加固部位(V10)和新技术、新工艺的使用(V11)。根据加固部位特点和改造工程功能要求，设计方案按技术安全适用、工艺简单易施等原则择优选用。

3)施工管理与加固过程风险呈现出较大正向影响关系(路径系数为0.738，P<0.05)，技术应急措施(V24)对施工管理层面的风险影响显著。施工应急措施的得当直接影响加固改造施工质量和事故发生概率，需对施工方案提出切实可行的应急预案。

4)结构特征对改造加固风险的显著正向影响(路径系数为0.531，P<0.05)，厂房结构变形(V7)对结构特征层面的风险影响最大。厂房年久失修，必会出现结构、部分构件的变形。若加固施工对原结构有扰动等不利影响，极易出现结构构件破坏和结构变形过大等情况。

5)施工环境对改造加固风险的显著正向影响(路径系数为0.524，P<0.05)，周围建筑物(V2)对施工环境层面风险的影响最大。大量地处城市中心地段的旧厂房，周围建筑物分布密集且距厂房地基基础较近，不仅要考虑厂房主体结构加固安全，还需减少厂房施工过程中对临近建筑物的影响。

6)厂房主体改造加固风险3组关联因素中，结构特征对设计方案层面的风险影响程度最大(路径系数为0.724，P<0.05)，即厂房加固设计应遵循结构特征的安全性、适宜性等原则，选择合理有效的方案，保证整个结构共同工作，同时避免对未加固部分及相关的结构造成不利影响。

3 实例分析

3.1 项目概况

对宝鸡市某U型厂房主体结构的改造工程加固过程进行风险分析。该厂房建于1989年，主体为二层钢筋混凝土框架结构，建筑层高7.2 m，新增夹层板调整后为4层建筑。旧工业厂房改造后使用功能为图书馆，设计使用寿命为50 a，利用原有建筑面积15 574 m2，新增建筑面积12 219 m2，总建筑面积27 793 m2。

3.2 建议与结果

1)设计方案方面，新增箱型基础与原独立柱基础距离小于安全距离，基坑开挖对原有基础及上部主体结构有扰动，会产生厂房局部沉降，见图4(a)，发生大量工程变更来逐步修正施工方案。对于此类工程案例应避开阴雨天气施工，新建建筑物基础埋深大于原有建筑基础埋深时，两基础间净距应根据原有建筑荷载大小、基础形式和土质情况确定。施工前对原有基础采取支护措施，垂直分层开挖时加强施工振动控制，及时采取支护措施和沉降变形观测。

2)结构特征方面，厂房属于被废弃10余年的轻工业建筑，需大面积清理遗留机器设备和有害物质，易突发不明物质掉落而造成人身安全事故，需增强安全意识，做好辅助防护设施；柱、梁的混凝土强度等级低于设计要求，大部分板面局部破损严重，同时原有结构形式对新结构选型或新功能设计产生局限。因此，建议在考虑保护遗留建筑结构和置入新功能后，分析新旧元素融合的适应性，确保整个结构协同工作。

3)施工环境方面，厂房地处宝鸡市中心城区，施工场地局限于原有建筑空间范围内，支撑架体搭设对墙体产生扰动后，出现局部范围内集中裂缝，见图4(b)。经技术组研讨分析，选择脚手架连墙件(膨胀螺栓)固定在外墙圈梁或者其他钢筋混凝土柱，来加强施工技术质量。

4)施工技术及管理方面，采用灌胶粘钢技术对柱梁板加固时，粘钢黏贴一次的合格率与安全性能低。为提升现场施工作业水平，此次专题活动调研5个同类工程，各项技术缺陷因素排查和现场确认论证后，得出控制粘结面粗糙度和选择合适施工机具能大幅度提高粘钢技术。据此，逐步改进操作要序后将合格率提升到96%，见图4(c)，返工率降低13%，工期缩短5年，共计节省经济费用约10万元。

图4 施工现场Fig.4 Actual situation at the construction site

U型厂房自身结构的特殊性和改造加固技术具有的复杂性，增加了施工风险管理难度。厂房功能由生产型转换为非生产型，既需满足新功能要求，又要与旧建筑结构相兼容。结构特征通过设计方案和施工技术间接影响着施工管理，是影响厂房改造加固风险的隐性及关键路径。因此，基于SEM模型分析结果的合理性和完整性，对改造加固风险应对值得借鉴。

4 结论

1)对比在役民用建筑加固过程风险，旧工业厂房改造工程存在工程性质、原始基础资料保留、施工机械、建筑现场垃圾和施工障碍物识别5项不同特征，发现旧工业厂房改造加固工程是以功能升级趋向为主，同时存在构件老化失修、空间布局限制等问题。

2)厂房改造加固风险需从设计方案、结构特征、施工环境、施工技术和施工管理5项因素综合考虑，施工技术是关键风险源；结构特征通过设计方案和施工技术间接作用于施工管理，是影响厂房改造加固风险的隐性且关键路径；就关键风险因素而言，明确构件加固部位，监测控制厂房结构变形，妥善处理周围建筑物影响，合理可行地矫正变形部位，优化技术应急措施是改造加固风险管理的有效举措。

3)结合宝鸡市某U型厂房主体结构的改造工程加固实例可知，利用本文建立的改造加固风险模型在实际风险分析与应对中具有借鉴价值。旧厂房改造项目施工条件复杂，不确定因素多，应根据各因素间的关联性和作用路径，对此类项目加固过程风险逐步跟踪与控制，力求将施工风险降到最低。