城市更新中历史建筑的改造及加固设计研究

2023-01-10何天森王瑞张锦骁

工程建设与设计 2022年17期

何天森，王瑞，张锦骁

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海 200092）

1 引言

随着我国经济社会发展，城市中出现了越来越多的历史与文保建筑。历史与文保建筑凝结了一座城市的历史，他们的保护与更新对于城市而言有重要的经济与文化效益。随着产业的转移和更新，这些既有建筑面临着城市更新以及功能更新的需要，需要对它们进行改造加固[1]。

2 改造加固策略

随着社会的发展需求，对既有建筑进行抗震鉴定及加固改造的工程项目越来越多。历史建筑不同于普通的建筑，常规的建筑结构加固方法在用于历史与文保建筑修缮时受到了诸多限制。因此，有必要对历史建筑更新中结构加固设计问题做系统性的总结与研究。

一般而言，结构抗震加固方法可分为直接加固法和间接加固法[2]。直接加固法主要有加大截面、外包型钢、粘贴钢板及粘贴纤维复合材等加方法；间接加固法主要有改变结构体系、隔震及消能减震等加固方法。直接加固法一般针对结构构件进行加固，用以提高局部构件的承载力，解决构件承载力不足的问题；间接加固法是从提高结构的整体抗震性能出发，采取有效的加固措施，提高整体结构的抗震性能，或采取减震的措施降低地震作用对结构的影响，满足包括规则性、强度、刚度、延性以及多道设防等各项要求[3]。

采取什么样的加固方法，应视具体的工程特点，应根据项目的检测鉴定的结果进行针对性的考虑，综合各个因素采取合适的加固方法进行加固[4]。

3 烟草卷烟厂的修缮改造设计

3.1 项目概况

该项目地处上海市杨浦区，项目建筑单体最早为英国设计公司设计的原英美烟公司的发酵室与仓库，建于1931年，最初设计时的建筑功能定为烟叶初加工车间。建筑为3层框架式结构，建筑面积为13 559 m2，建筑总高度为17.02 m。

本次改造将按照20世纪30年代的原建筑风格，以修旧如旧的原则完成，要恢复原建筑的历史特色和面貌，同时对内部结构进行修缮，修复局部结构损坏部分、漏水的部位，并将最终功能定位为结构荷载要求更小的办公建筑，作为企业品牌展示中心使用。

3.2 结构现状

根据现场以及房屋的检测报告，该建筑主要存在以下损伤现状：

1）钢筋混凝土梁、板构件出现不同程度的铁胀和锈蚀现象，主要以屋面板和3层板底最为明显，部分粉刷层及保护层脱落处，钢筋已明显锈蚀；

2）钢筋混凝土梁、板构件存在不同程度的开裂现象，主要集中在南侧2层、3层及屋面梁梁底及板底，从裂缝性状分析，主要为承载不足引起的裂缝；

3）屋面存在不同程度的渗水现象，南侧部分、连廊及北侧部分屋面均存在渗水现象；

4）混凝土强度值较低，推定为C12；

5）钢筋混凝土构件的碳化深度均超过保护层厚度，混凝土表面碳化情况较严重。

3.3 结构加固设计方案

根据整体结构计算的指标结果，结构整体刚度偏小，层间位移偏大，此外，在地震作用下的偶然偏小也比较大，因此，加固方案的确定需要提高结构的整体刚度，又要避免结构加固对原结构造成二次损伤，避免结构加固造成受力集中，提升整体的抗震设防能力，以及提升结构的整体耐久性[5]。

根据两种加固方案的对比，即加大截面法加固框架、外包钢加固框架与屈曲约束支撑组合两种结构方案[6]。支撑方案中采取消能减震的屈曲约束支撑，并避免结构抗侧刚度过于集中[7]。

根据结构方案对比，可以发现：

1）增设屈曲约束支撑后，相比传统增大截面的方式，节省了大约410 t的混凝土用量。减少了大量模板工程和现场作业度。

2）结构X、Y方向层间位移角较增大截面法更小，对于结构的抗侧刚度贡献更大。

3）通过支撑的合理布置结构的抗扭刚度增强，周期比减小。

4）针对外包钢加固框架与屈曲约束支撑组合方案进行了大震分析，发现在大震下大部分屈曲约束支撑构件先屈服，少量梁柱屈服，构件屈服顺序为支撑—框梁—框柱机制时合理，塑性铰首先出现在支撑上，随后是框架梁出现塑性铰，说明整个结构体系屈服机制合理。在大震下的弹塑性层间位移角为1/94，满足规范要求，确保大震不倒的抗震设防标准[8]。

综合考虑结构加固方案的合理性以及现场实施的可行性，最终选择以外包钢+防屈曲支撑加固的方案，减少现场湿作业，缩短工期，提高原结构的抗震能力。

3.4 结构构件的加固

对于梁柱构件，不满足计算结果的情况，采取外包钢的加固方式，外包钢加固均采用Q235B钢板及型钢。

梁柱外包钢加固的重点是，加固角钢及钢板在梁柱节点和柱脚的锚固，为了保证加固受力的连续性，以及荷载传递的可靠性，需要保证节点的连续和锚固的有效性。

3.5 耐久性的提升

根据检测报告，原结构存在较为普遍的混凝土裂缝、钢筋锈蚀及混凝土表面碳化现象，设计中进行了针对性的修复，以提高结构的耐久性。

由于构件修复与保养以隔绝空气为主要出发点，同时剔除已受损部位，为了阻断混凝土老化的进一步加剧，应对混凝土构件进行必要的保养防护，主要做法为在混凝土表面涂刷钢筋阻锈剂，以便封闭混凝土内的微孔，阻断空气对混凝土本身及内部钢筋的腐蚀。

4 新泰仓库的修缮改造设计

4.1 项目概况

新泰仓库位于上海市闸北区苏河湾地区，新泰路57号，为上海市第四批优秀保护建筑，保护类别为三类，建于1920年，为3层砖、木混合结构，建筑面积约6 100 m2，修缮后拟用为创意办公。根据客户的要求，在建筑保护的基础上对该历史建筑进行修缮、更新。设计手段以修复为主，同时融入当代的设计细节和现代化的设施。赋予建筑新的生命，以打造苏河湾沿岸标志性历史保护建筑。

4.2 结构现状

根据现场以及房屋的检测报告，该建筑主要存在如下问题：

1）房屋采用砖墙、砖柱、木柱、木楼（屋）盖混合承重的典型砖木结构，木楼盖采用现有少存的横向多跨连续木梁结构、纵向等间距木搁栅体系，整体抗震性能不佳，但代表了20世纪30年代砖木结构的设计水平，具有保留和保护价值。

2）房屋砖墙均采用黏土砂浆及青砖砌筑，砂浆强度评定值为M1.2，青砖强度评定值为MU7.5。房屋后加砖柱采用混合砂浆和红砖砌筑，强度评定值为M10，红砖强度评定值为MU10；后加混凝强度评定值为C15。

3）房屋多数木构件均存在纵向开裂，为材料干缩所致；少数木构件出现破损、脱皮等现象。部分墙面出现斜裂缝，部分墙面出现不规则裂缝、粉刷层剥落等现象，为材料收缩所致；部分墙面出现渗水霉变现象；房屋部分木楼（屋）面板腐蚀、水渍等。

4）计算结果表明，在改造后的未来使用荷载作用下，房屋一层门窗洞口间外墙及各层内墙加设窗户处墙段大部分不能满足竖向承载力要求，需做必要的加固处理，其余结构满足承载力的计算要求。考虑到多数木构件存在纵向干缩裂缝，需采取必要措施进行修复加固处理。

5）房屋原设计未考虑抗震设防，房屋各层纵横向墙段综合抗震能力指数均小于1.0，即其抗震性能综合评定为不能满足国家标准GB 50023—2009《建筑抗震鉴定标准》对A类建筑、后续使用年限30年的要求。

4.3 结构修缮加固设计方案

4.3.1 主体结构加固设计1）砖墙、壁柱加固

本工程砖墙、壁柱加固将提高原有构件的承载力，满足其竖向承载力的要求，在不影响保护目的的前提下，同时改善其抗震性能，砖墙壁柱加固主要包括：对存在裂缝的砖墙，采用压力灌浆方法进行加固；对原建筑内墙采用双侧聚合物砂浆钢丝网片加固；对原建筑外墙采用增设混凝土壁柱加固；门窗洞口进行周边补强。

2）楼面结构加固

本工程楼板加固是为了修复木楼板，因为腐蚀木楼板的强度已削弱，其主要加固措施包括：对因为虫害或腐蚀损坏严重的木楼板构件进行替换；木格栅不宜替换，而是采取相应的加固处理；所有替换或者新建楼面构件均满足按现行设计规范的承载力验算要求进行。

3）木构件加固

对原建筑开裂木柱外加钢箍加固；对开裂木构件节点外加刚夹板加固；对腐蚀严重的木构件进行替换；原屋面损坏木望板拆除后替换；霉变及虫蛀木构件采用防腐及防虫药物处理；对屋架增设侧向支撑。

4）抗震构造措施

本工程增加抗震构造措施，在房屋整体结构抗震承载力满足计算要求的前提下，通过增加抗震构造措施改善房屋整体结构的抗震性能。

4.3.2 屋架加固设计

利用SAP2000软件，选取15.8 m和13.5 m两个跨度的典型性屋架进行计算分析，可得屋面桁架下弦杆应力较大，承载力不足，下弦杆通长设置钢夹板加固并与节点加固钢夹板贯通处理。其他受压木构件虽应力满足要求，但对于局部开裂位置，需进行构造性加固，采用钢箍板（钢围套）加固。

4.3.3 结构耐久性修缮方案

1）对木构件进行防腐和防虫药品处理。

2）对加固用的铁构件进行相应的除锈工作，并重涂防腐涂料。

5 技能博物馆的修缮改造设计

5.1 项目概况

技能博物馆位于上海市杨树浦路1578号，旧称永安栈房，建筑主体建成于20世纪20年代，是由英商洋行负责整体规划设计。原永安栈房分为东、西两对称建筑单体，本次改建主要针对建筑西侧部分单体，属于上海市第三批全国文物普查不可移动文物，结构为4层，主体1～3层为钢筋混凝土板柱结构，4层为钢筋混凝土框架结构。此次修缮改造工程旨在修缮现有建筑以保留其历史遗产风貌的同时，在此基础上，将永安栈房改造成世界技能博物馆。