唐山市某工业厂房全装配式改造更新方案分析*

方维远 陶忠 陈伟

(昆明理工大学建筑工程学院 昆明 650500)

0 引言

唐山是一个经历过毁灭性灾难的城市，而经过几十年的重建、振兴和快速发展，一座现代化城市在祖国渤海之滨已重新站稳脚跟。城市发展是一个不断更新和变革的动态过程，在这一发展过程中，如何处理既有旧工业建筑是一个现实问题。保留具有历史文化价值和深厚历史文化底蕴的老工业厂房，进行规划、改造和更新为适合现代城市的建筑，以便留住城市记忆是鲁尔工业开发区的改造理念[1-4]。

唐山市开平区一座老工业厂房是国家生产计划的建设成果，改造是否成功是整个或者部分工业遗产是否能够实现可持续发展的关键所在。本文在原有工业厂房的基础上，采用装配式钢框架及梁墙一体式墙板和可拆卸式剪力墙板对原有工业厂房进行改造更新。这样，旧厂房价值的适用性和舒适性能得到最大程度的展现 ，其功能和价值最终也将得到有效转化。

在尊重老工业基地的历史背景下，本改造为旧厂房注入新的内涵和功能，实现其有效利用。为了保证原貌，并在内部进行适当的改造，钢梁柱节点采用装配式法兰外环板式，新加楼盖板采用预制预应力带肋底板混凝土拼装板(简称PKG板)，同时与钢框架梁形成钢-混凝土组合梁体系，并与装配式墙板一体化设计，内墙板一部分采用原屋面重型混凝土板调节楼层重心，另一部分采用轻质石膏复合轻钢龙骨墙板。此设计可提高改建厂房容积率，充分利用城市空间，保留城市记忆，有效保护耕地；节约拆迁、建筑垃圾运输和征地费用，施工中拆除的山墙采用ALC外墙板进行修复；建设周期较短，加建改造既保持了原有建筑的风貌，又美化了工业城市的风貌；抗震加固相结合，给续建和增建楼层带来了多重好处。

1 工程概况

本改造加固更新工程为河北省唐山市开平区某旧工业厂房全装配式改造更新(见图1)，原建筑总面积 4 400 m2，改造后建筑总面积5 500 m2。结构体系为原旧厂房钢筋混凝土和加固更新的全装配式框架结构，总共5层，主体4层，附加结构3层，4层与5层存在错层。抗震设防烈度为8度(0.2g)，地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类。

(a)建筑图

(b)结构图

2 建筑功能改造分析

城市中一些有价值的工厂被人们所忘记，慢慢的消失在我们的城市中[5]。因此，有必要针对具备价值的工业基地实施改造计划，以此来促使其各项价值功能得以复兴，最终实现再利用的目标。所以将工厂改造成创客空间是实现废弃厂房的最佳选择，同时也留住了城市记忆，焕发出了新的城市生机。利用厂房的有限空间，新增建筑夹层，增加建筑容积率，合理布置建筑空间(见图2)。

3 改造更新方案设计

3.1 钢柱、梁节点设计方案

钢柱、梁节点主要应用于加固厂房时的新增内部钢框架体系，这里采用自主开发的法兰外环板式加强节点[6-7]，详见图3。法兰外环板式加强节点现场试验见图4。

图2 改造后(黑条表示新增层)建筑效果

(a)加强节点图示

(b)节点滞回曲线

图4 法兰外环板式加强节点试验

在低周往复荷载作用下，由节点组成的各构件都会发生塑性变形以耗散能量，从而保护整体结构，节点的滞回曲线呈现典型的非线性特征。加载初期，试件的滞回曲线接近线性发展，没有形成明显的滞回。加载与卸载的滞回路径基本重合，曲线斜率较小，整个构件可视为处于弹性阶段，且节点刚度不变，卸载后无残余变形。

节点域的弯矩-转角曲线能反映整个节点在地震作用下的综合性能，反映节点在低周往复荷载作用下的荷载-位移关系，反映整个试件的强度、刚度退化和损失。节点的耗能、延性等力学性能滞回曲线越完整，在地震作用下耗能越多，抗震性能越好。由图3(b)可知，节点滞回曲线比较饱满，呈轻微捏缩状的梭型，试验过程中表现出了“强柱弱梁，强节点弱构件”的特性。

3.2 新加钢结构与混凝土结构节点设计方案

该工程中有部分节点涉及到新加工字钢梁与原混凝土构件的连接。主要连接方法为：原有砼构件加固过程中预埋一块端部钢板，采用预应力钢绞线以后张法施工工艺将预埋钢板锚固。通过预埋钢板，采用全栓接刚性节点将工字钢梁与预埋钢板连接(见图5)。

(a)新加工字钢梁与原混凝土构件连接示意

(b) 1-1剖面

该工程中新增箱型钢柱与原混凝土结构部分的连接主要有两种形式，分别为新增钢柱与下层砼柱的连接以及新增钢柱与上层梁板的连接。其中新增钢柱的端部焊接一块钢板(钢板焊接工作在工厂完成)，采用后锚固螺栓与原混凝土构件的相应部位相连接。其中，新增钢柱与顶面混凝土梁板相连时，应在厂房加固时形成与钢柱端部钢板等水平面积的柱帽(见图6)。

(a)新增钢柱与下层砼柱连接示意

(b)新增钢柱与上层梁板连接示意

3.3 抗侧力墙板体系

采用的梁-墙一体式带边缝墙板由于边缝及内部钢管的存在而有一定滑移，耗能能力有所削弱，体现出内部混凝土墙板的剪切特性，但是延性增加[8]。极限层间位移角为1/42，屈强比为0.82，延性系数为1.89。弹性阶段的等效阻尼比考虑为0.04，弹塑性最大阻尼比为0.19(见图7)。该种墙板后期主要由钢框架承担水平承载力和倾覆弯矩，主要应用于该结构的5～10轴线及A～C轴线围合范围内的新加抗侧力墙体。

(a)梁-墙一体式带边缝墙板分离示意

(b)梁墙一体式带边缝墙板试验滞回曲线

(c)梁墙一体式带边缝墙板现场试验

3.4 可拆卸式剪力墙板

采用的剪力墙板[9]亮点为可拆卸，通过合理的设计，将剪力墙与周边框架相连的连接片设计成大震不屈服，剪力墙和周边框架共同构成了抗侧力体系(见图8)，其中剪力墙为第一道抗震防线，周边框架为第二道抗震防线。当遭遇地震后只有第一道防线的剪力墙破坏时，可将剪力墙拆卸后更换新的剪力墙构件。该工程项目中，除了使用梁-墙一体式带边缝墙板的抗侧力构件之外，其他新加抗侧力墙板均使用可拆卸式墙板与周边框架相连。

3.5 内填充墙体系

轻质石膏复合轻钢龙骨墙板[10]具有良好的隔音及防火功能(见图9)，面层的聚氨酯板能够增加房间内的隔热及隔音效果，同时完成了围护墙板的初次装修。由于改造后的结构在平面上楼板多处开洞及不连续，造成了结构扭转不规则的问题。

1—周边C型钢；2—圆钢管；3—钢筋网；4—填充材料

1—剪力墙；2—钢柱；3—剪力墙周边钢板；

(c) 可拆卸式墙板与砼框架连接大样

(a)轻质石膏复合轻钢龙骨墙板

(b)内围护墙与钢框架连接形式

(c) 内墙板与砼框架连接形式

因此，除了通过建筑上合理功能布局调节质量及刚度偏心外，可将厂房一部分原重型屋面板取下后当做内部围护墙，布置在平面适当位置达到调整结构重心的目的，从而减少质心与刚心的偏离。

3.6 外围护墙体系

施工过程中，厂房的外山墙需要拆除，为了实现大量建筑废弃物的循环再利用，缓解资源的日益匮乏及降低对生态坏境的破坏，该工程采用ALC(蒸压轻质加气混凝土条板)装饰一体化外挂墙板恢复原有山墙[11]。该种墙板材料具有轻质高强并且防火、保温、隔音性能突出等特点。100 mm厚度的ALC墙板耐火极限为4 h以上。另外，其抗冻性能良好，经冻融试验后质量损失<1.5%(国家标准<5%)，强度损失<5%(国家标准<20%)。ALC墙板出厂时应包括外装修层(见图10)。

(a) ALC条板与顶部梁装配节点

(b) ALC条板与底部梁装配节点

3.7 楼板体系

该厂房改造更新项目中的楼板统一采用PKG预制叠合板(见图11)，该种楼板在浇筑混凝土之前作为楼板的底部模板使用，浇筑混凝土后与叠层混凝土形成共同受力体系[12]。相比较现浇楼板而言，该种叠合板在施工过程中支撑较少或可以无支撑施工，因此，其施工工期较短，具有较高的经济效益。PKG预制底板的凸起肋条能够有效阻止后浇混凝土面层的滑移，PKG预制底板能够与现浇面层形成有效的组合受力体系，因此，该种楼板的力学性能较好。综上所述，PKG预制叠合楼板有较高的经济效益，施工质量有保障且力学性能优良。

图11 PKG预制叠合板的预制及叠合过程示意

该工程中的楼板支撑构件主要为工字钢梁及下部墙板，PKG预制板与工字钢梁及下部墙板通过抗剪螺栓连接，完成混凝土浇筑后，楼板与工字钢梁及楼板与上下层墙板即成为一体式构件(见图12、图13)。

图12 梁板一体式节点设计示意

图13 板墙一体式节点设计示意

其中，楼板与工字钢梁形成了钢-混凝土组合梁体系，能够有效提高钢梁的承载能力。施工过程中，应在预制PKG底板时，在PKG底板相应位置预留抗剪螺栓的孔洞，抗剪螺栓应在工厂预制构件时可靠地焊接在工字梁上翼缘部位。

4 结语

本文结合实际工程，对既有钢筋混凝土工业厂房框架结构增加全装配式钢结构构件等进行方案分析，对工程中常用的钢梁与混凝土柱的连接形式进行简化设计，研究了该方案的可行性。

主体结构构件、竖向构件、梁、板、楼梯、非承重墙等均采用装配式构件，ALC板材及复合轻钢龙骨墙板可实现一体化设计，使用率大于80%。

按现行《装配式建筑评价标准》(GB/T 51129—2017)，该工程的装配率达到AAA级标准，能有效发展循环经济，推行科学发展观，把既有建筑物改造成为唐山市循环经济的一个亮点。