扣罩式古城墙维护修缮方法前景分析

孙华力 边建辉

第一作者简介：孙华力（1980-），男，副高级工程师。研究方向为土木工程。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.12.032

摘  要：在城市现代化进程发展过程中，如何将新挖掘出的损毁严重的古城墙进行统一保护和协同发展，在更好地彰显古城墙魅力的同时将古城墙的遗址最大化地保护和发展，是当下应当研究和关注的问题。该文在查阅大量文献的基础上，总结古城墙发掘、修缮、保护施工方式的现状，包括国外对古建筑遗址发掘、保护现状的调查分析，对古城墙发掘、修缮、保护的前景进行一些展望分析。

關键词：扣罩式本真保护；古城墙遗址；修缮；保护；前景展望

中图分类号：TU-87      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）12-0140-04

Abstract： In the process of the development of urban modernization， how to excavate the seriously damaged ancient city walls for unified protection and coordinated development， so as to better show the charm of the ancient city walls and maximize the protection and development of the ruins of the ancient city walls， is a problem that we should study and pay attention to at present. On the basis of consulting a great deal of literature， this paper summarizes the present situation of the construction methods of excavation， repair and protection of ancient city walls， including the investigation and analysis of the current situation of excavation and protection of ancient building sites in foreign countries. The prospects of excavation， repair and protection of ancient city walls are prospected and analyzed.

Keywords： buckle mask type authentic protection; ancient city wall sites; renovation; protection; prospect

随着我国城市现代化发展进程的不断提升，如何处理好传统与现代、继承与发展，让城市建筑更好地体现地域特征、民族特色、时代风貌，将传统和现代2种建筑文化魅力充分结合、协同发展，是城市发展进程中绕不开的话题。结合2016年3月23日，习近平总书记对文物工作作出重要指示中强调，全面贯彻“保护为主、抢救第一、合理利用、加强管理”的工作方针。在对正定东城门（迎旭门）发现的宋代古城门遗址、明清遗址进行发掘和修缮的过程中，文物管理部门提出了对历史遗址实施扣罩式本真保护的建议，恢复东城门月城、瓮城、马道和城墙，建成文物保护、休闲、观光和旅游场所，有效地兼顾保护本真城墙与还原古城原貌2个对立的难题。基于此目的，本文在查阅《中国古建筑瓦石营法》等大量国内外文献的基础上，对扣罩式本真保护古城墙的施工工艺进行了现状总结，对此方法的前景进行了一些展望。

1  古城墙施工方式的调查分析

古城墙外观形式：目前对国内现存的古城墙的外观进行调查后，发现城墙的截面大都是呈现下边宽、上边窄的梯形截面，城墙的外墙表面是阶梯式收分形式。施工工艺为砌筑大城砖，外墙砌筑外包砖，采用470 mm×230 mm×100 mm的大城砖砌筑大约2 m厚城墙，高度随坡，分层砌筑，每砌筑1 m向内收分120 mm，两侧砖墙内部回填灰土，城墙顶部在灰土表面铺设大城砖，然后两侧墙体垂直向上砌筑垛口、马道。此工艺的特点是，大量采用湿作业施工，受季节影响严重，砌筑难度大，施工周期长，资源消耗量大。

2  扣罩式本真古城墙保护施工技术

扣罩式本真古城墙保护定义：扣罩式本真古城墙保护技术是指利用钢结构框架及维护结构将本真城墙罩住，对其进行保护。

2.1  技术研究理论路线

熟悉地形地貌→定位放线→独立基础或条基→安装预留螺栓→浇筑砼及养护（含钢构制造）→钢结构柱、梁安装→调整钢结构→二次浇筑砼→焊接安装掛板龙骨→安装干掛城墙板→填缝→验收。

2.2  主要技术研究过程

2.2.1  体系构造的设计确定

对目前国内外装配式施工技术资料的查阅和收集，对施工场地的深入了解，初步形成了采用钢结构干掛城墙板的结构形式的思路，提出如下研究思路：①研究干掛城墙板龙骨、檩条、檩拖构造方式。②研究干掛城墙板形状、构造。③研究干掛城墙板预埋件设置方式。④研究保护古城墙钢结构干掛城墙板技术体系连接方式。⑤确定保护古城墙干掛城墙板体系。

2.2.2  设计需解决的问题

①干掛仿古城墙板檩条、檩拖规格型号。②干掛城墙板式样、规格型号。③干掛城墙板预埋件的规格型号。④保护古城墙钢结构干掛城墙板技术体系连接方式。

2.3  方案设想

2.3.1  保护古城墙钢结构干掛城墙板技术体系

该体系共包含4个部分，具体内容如下：①干掛城墙板龙骨、檩条、檩托构造方式。②干掛城墙板形状构造。③干掛城墙板预埋件设置方式。④干掛城墙板的连接方式。

2.3.2  各个组成部分的方案实施选择分析

1）干掛城墙板龙骨、檩条、檩托构造方式。依据GB 50205—2020《钢结构工程施工质量验收规范》中关于“单层、多层及高层钢结构安装工程”中相关条款要求，设定了龙骨、檩条、檩托的规格型号为100 mm×100 mm×4 mm镀锌方钢。

2）干掛城墙板形状构造。依据JGJ/T 268—2012《现浇混凝土空心楼盖技术规程》标准要求，结合墙板安装后要满足整体性和稳定性的需求，将干掛城墙板的形状设想了2种实施方案，方案一为留槎仿古干掛城墙板；方案二为直槎仿古干掛城墙板。

3）干掛城墙板预埋件设置方式。依据GB/T 13788—2017《冷轧带肋钢筋》标准要求，结合预埋件的屈服强度、抗拉强度、伸长率、冷弯性能等指标要求，设想了2种实施方案，方案一为HPB300 ？椎8钢筋预埋件；方案二为HPB ？椎10 钢筋预埋件。

4）干掛城墙板的连接方式，设想了2种实施方案，方案一为焊接连接；方案二为螺栓连接。

2.4  试验分析

2.4.1  干掛城墙板龙骨、檩条、檩拖构造方式

1）计算依据。依据GB 50009—2022《建筑结构荷载规范》、GB 50017—2020《钢结构设计标准》、GB/T 6728—2017《结构用冷弯空心型钢》标准要求，为了确定檩条施工阶段、使用阶段在恒载、活载等荷载作用下不会产生变形，邀请合作方设计师对100 mm×100 mm×4 mm镀锌方钢强度进行验算，数据如下。

计算参考数据。墙梁跨度4.000 m；墙梁间距0.610 m；钢材钢号为Q235钢；拉条设置为不设置拉条；净截面系数为1.000；墙梁支承，水平挠度限值为1/200。

墙梁支撑墙板重量。①单侧掛墙板，墙梁上方一侧板重1.000 kN/m2；②建筑类型及分区为封闭式建筑，中间区。

各项荷载系数。基本风压0.350 kPa，风压调整系数1.500；风荷载高度变化系数1.130，风荷载系数（风压力）1.110；风荷载系数（风吸力）-1.210，风荷载标准值（风压力）0.659 kN/m2，荷载标准值（风吸力）-0.718 kN/m2。

截面及材料特性。墙梁形式为薄壁矩形钢管B100 mm×100 mm×4 mm，B=100.000，H=100.000，Tw=4.000，Tf=4.000，A=0.153 6E-02，Ix=0.235 9E-05，Iy=0.235 9E-05，W■=0.471 9E-04，W■=0.471 9E-04，W■=0.471 9E-04，W■=0.471 9E-04；钢材钢号为Q235钢，屈服强度fy=235.000 MPa；强度设计值f=205.000 MPa。

计算内力。①1.3恒载+1.5风压力组合。绕主惯性轴强轴弯矩设计值Mx=1.205 kN.m；绕主惯性轴弱轴弯矩设计值My=1.899 kN.m；水平剪力设计值Vx=1.205 kN；竖向剪力设计值Vy=1.899 kN。②1.3恒载+1.5风吸力组合。绕主惯性轴强轴弯矩设计值M■=-1.314 kN.m；绕主惯性轴弱轴弯矩设计值M■=1.899 kN.m；水平剪力设计值V■=1.314 kN；竖向剪力设计值V■=1.899 kN。③风压力作用验算。抗弯控制组合为1.3恒载+1.5风压力组合；有效截面特性计算结果为全截面有效；截面强度σmax=65.794 N/mm2≤205.000 N/mm2。④风吸力作用验算。组合为1.3恒载+1.5风吸力；截面强度σmax=68.095 N/mm2≤205.000 N/mm2；内翼缘受压稳定性验算包括整体稳定系数SF=1.000，整体稳定应力fstabw=68.095 N/mm2≤205.000 N/mm2。⑤荷载标准值作用下，挠度验算。竖向挠度fy=5.011 mm≤10.000 mm；水平挠度：fx=2.755 mm≤20.000 mm。

计算结果。经过上述计算，100 mm×100 mm×4 mm镀锌方钢强满足要求。

2）构造方式确定。结合以上材料的计算结果，选用100 mm×100 mm×4 mm镀锌方钢作为檩条。钢结构斜柱规格为镀锌方钢250 mm×250 mm×10 mm，檩拖长度采用250 mm长，檩拖规格为63 mm×63 mm×5 mm等边角钢。详情如图1所示。

图1  檩拖、檩条示意图

2.4.2  干掛城墙板形状、构造

参照JGJ/T 268—2012《现浇混凝土空心楼盖技术规程》标准要求，对外掛城墙板直槎、留槎2个式样进行外观检查，考虑增加板间整体性和稳定性，选用留槎外掛城墙板式样。如图2—图4所示。

图2  留槎仿古干掛城墙板

图3  外掛板规格示意图

图4  干掛城墙板体系示意图

依据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》试块强度进行力學性能测试，依据安全、经济、适用的原则，选用抗压强度等级大于等于20 MPa的外掛仿古城墙板。详见表1。

表1  仿古城墙砖抗压强度测试

2.4.3  干掛城墙板预埋件设置方式

依据GB/T 13788—2017《冷轧带肋钢筋》标准要求，对外掛城墙板预埋件钢筋直径分别为HPB300 ？椎8、HPB300 ？椎10试样进行屈服强度、抗拉强度、伸长率和冷弯性能检测，数据详见表2和图5所示。

表2  钢筋性能检测数据统计表

图5  仿古干掛城墙板预埋件示意图

初步估算仿古干掛城墙板48 kg/m2，根据试验数据，预埋件采用HPB300 ？椎8、HPB300 ？椎10试样均满足要求，依据经济适用原则，选用HPB300 ？椎8钢筋作为仿古城墙板预埋件。

2.4.4  古城墙钢结构干掛城墙板技术连接方式

古城墙钢结构干掛城墙板技术连接方式对比分析详见表3。

综上所述，保护古城墙干掛城墙板技术体系采用100 mm×100 mm×4 mm镀锌方钢作为檩条、63 mm×63 mm×5 mm等边角钢作为檩拖，间隔距离分别为610、400 mm，按墙面收分斜度安装龙骨，采用留槎仿古干掛城墙板形式，干掛城墙板预埋件为HPB300 ？椎8钢筋，骨架之间、骨架与干掛城墙板预埋件之间均采用焊接安装，从最底层依次向上安装，利用干掛城墙板预埋铁件与龙骨焊接，并作防腐处理，安装完成后进行填缝、画缝。

2.5  施工操作要点

原城墙外侧设置钢筋混凝土独立基础，加短柱，短柱内预埋地脚螺栓，当短柱混凝土强度满足要求后，安装工字型钢柱，连接柱间的钢梁，并及时校正，调整钢柱、钢梁的垂直度和水平标高，调整合格后，顶板架设楼承板浇筑混凝土，主体结构完成。钢柱、钢梁完成后安装干掛城墙板龙骨：100 mm×100 mm×4 mm镀锌方钢檩条、63 mm×63 mm×5 mm等边角钢，间隔距离分别为610、400 mm，按墙面收分斜度安装龙骨，拉通长筋核对。喷涂时，施工人员手持喷枪使喷束始终垂直于表面，并与受涂表面保持30～50 cm的均匀距离。每一喷道在前一喷道上重叠50%。喷涂防腐材料先喷底漆，使底层完全干燥后再进行中间漆的喷涂施工，等中间漆干燥后进行面漆喷涂，做到每道工序严格受控。钢结构表面处理与热喷涂施工的间隔时间，晴天或湿度不大的气候条件下不应超过12 h，雨天、潮湿、有盐雾的气候条件下不应超过2 h。安装干掛城墙板，从最底层依次向上安装，最后安装垛口，利用干掛城墙板预埋铁件与龙骨焊接，焊点作防腐处理，做法同龙骨防腐处理，安装完成后进行勾缝，然后安装城墻垛口。填缝、画缝采用黏接砂浆进行砖缝封堵，边角封堵，个别砖缝利用白色乳胶漆描绘，更接近古城墙白灰灌浆的效果。

3  该技术的创新点和先进性

3.1  本技术研究的创新点

首先对本真古城墙进行扣罩式保护的同时还原古城墙原貌。其次是钢结构为主框架，按照墙面收分斜度安装100 mm×100 mm×4 mm镀锌方钢龙骨，然后焊接干掛城墙板。干掛城墙板采用厂家预制，预制过程可与钢结构主体施工同时进行，缩短施工工期。

3.2  本技术研究的新颖性和先进性

采用钢结构作为骨架、外掛城墙板扣罩式对古城墙遗址进行保护，将遗址保护和形似逼真完美结合在一起；施工不受季节影响，工期短、土方使用量少，节约土地资源。

4  前景分析

扣罩式本真保护古城墙施工技术，在外形上看形似真正的古城墙，其实是一个外壳对本真古城墙遗址进行了扣罩式保护，形似逼真，完美解决了本真古城墙保护与还原古城原貌2个对立的难题，既保留了文化古迹，提高了考古依据，又真实地展示了古城墙原貌，加深了对古城墙的了解。

施工工序上需要完成独立基础、预留螺栓、钢结构主框架安装龙骨、干掛古城墙掛板、墙顶铺设海墁和填缝等工序操作，施工简单、周期短。

与传统的砌筑城墙砖工艺相比较，施工进度快、安全性能可靠、不受环境和季节影响，节省大量土方。

参考文献：

[1] 刘大可.中国古建筑瓦石营法[M].北京：中国建筑工业出版社，1993.

[2] 钢结构工程施工质量验收标准：GB 50205—2020[S].北京：中国计划出版社，2020.

[3] 建筑装饰装修工程质量验收标准：GB 50210—2018[S].北京：中国建筑工业出版社，2018.

[4] 混凝土结构工程施工规范：GB 50666—2011[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.