某優秀歷史建筑改造加固實例分析

白永莉 樊跟牛

(1.中國建筑設計咨詢公司，北京 100120;2.北京金港機場建設有限責任公司，北京 100000)

一個城市的建筑，記錄著城市發展的滄桑歲月。其中，那些標志著當時文化和科學水準，或者具有特殊人文意義的歷史建筑，會使人們看到城市綿延不斷的歷史，同時，也使一個城市永遠煥發著魅力和光彩。采用科學合理可靠的方法對優秀歷史建筑進行鑒定和加固是一項系統工程，具有重要的實際意義。本文以某優秀歷史建筑鑒定與加固技術為工程背景，深入研究優秀歷史建筑的安全性評估技術和修繕加固技術，不僅具有較強的理論意義，而且具有顯著的經濟效益和社會效益，對指導類似工程具有重要意義。

1 工程概況

該優秀歷史建筑在簡潔中合理運籌各項功能，建筑面積約5 050 m2，用作辦公樓。該樓建筑平面近似“H”形，主體為3層混凝土框架結構，主體結構底層層高4.1 m，其余均為3.9 m;建筑原主體結構共分為五大結構分區(A，B，C，D，E)，各結構分區間設有沉降縫，各分區之間的上部結構與基礎都相對獨立，基礎采用柱下鋼筋混凝土條形基礎，除A區外，底層的各地面架空層采用水泥砂漿砌短磚柱，短柱上架預制鋼筋混凝土梁，該區域地面架空層結構與主體結構分開，A區的底層階梯下的柱子采用現澆鋼筋混凝土短柱，現澆鋼筋混凝土梁一部分支撐在短柱上，一部分支撐在主體結構的折形連梁上。樓、屋面板為80 mm厚現澆板，板采用直徑6 mm～8 mm分離式配筋，原結構材料強度均不詳，主體結構分區如圖1所示。

圖1 主體結構分區

現該建筑需進行生態節能改造，需增加屋頂花園，部分房間功能的改變，都會使原結構所承受荷載增加，從而使部分結構構件在改造后不能夠滿足承載力的要求而需要加固，同時，該建筑使用年限已超過50年，使用過程中各種材料都會存在不同程度老化，材料強度一般都會變低，部分墻體粉刷層以及頂層的屋面梁還出現了裂縫。考慮到在改造過程中需要增設通風井道，這種情況下局部樓板需要開孔，開孔部位也需要進行加固處理。

綜合考慮上述各種因素，應對結構進行適當妥善的加固修繕處理，以確保該優秀歷史建筑順利改造，并保證改造后安全使用。

2 現場檢測情況與結果

經過現場勘查發現，該建筑主要存在如下問題:被抽查結構構件配筋和保護層厚度總體上符合原設計要求，但保護層厚度略低于現行規范的規定要求;部分雨篷有微小裂縫;C區所有的屋面框架主梁以及部分屋面梁梁底都產生了不同程度的裂縫，縫寬在0.1 mm～0.5 mm不等;C區范圍內的部分屋面板板底沿短跨方向出現裂縫，但裂縫沿整個截面高度范圍內沒有貫穿，主要是由于屋面板板底的鋼筋銹蝕引起，通過現場開鑿裂縫，發現裂縫處均有鋼筋，裂縫部位的鋼筋已經有銹蝕現象;C區的屋面板的鋼筋局部有外露且銹蝕的現象;其他區域的屋面板以及其他樓層的樓板未見混凝土剝落、鋼筋外露、鋼筋銹蝕及混凝土裂縫等損傷現象;個別柱子的牛腿發生混凝土剝落以及個別屋面梁存在鋼筋外露與孔洞現象;混凝土碳化深度檢測結果顯示，混凝土結構構件碳化深度較深均在6 mm以上，部分填充墻出現不同程度裂縫，但是鑿開墻體粉刷層后未見砌體裂縫貫穿。

現場采用光學經緯儀進行測量，該建筑南北方向向北的最大傾斜率為3.5%，東西方向向東最大傾斜率為2.3%，均在正常范圍之內。主樓結構構件的實際截面尺寸與結構布置情況與原設計基本吻合，被抽查結構構件的配筋和保護層的厚度基本符合原設計的要求，但是保護層厚度略低于現行規范的規定要求。現場測試混凝土結構構件碳化深度均在6 mm以上，采用回彈法與鉆芯修正法進行測試，推定混凝土強度等級為C17，采用里氏硬度法推定鋼筋強度250 MPa，滿足原設計要求。

3 加固改造設計方案選擇

3.1 加固改造原因與要求

通過本文第一章介紹，該建筑改造過程中荷載增加，使用年限已超過50年，材料老化強度下降，墻體粉刷層和屋面梁出現裂縫，局部鋼筋裸露。原設計未考慮抗震設防，抗震性能較差，在改造過程中需要增設通風井道，局部樓板需要開孔，開孔部位也需要進行加固處理。綜合考慮上述各種因素，應對結構進行適當妥善的加固修繕處理，以確保該優秀歷史建筑順利改造，并保證改造后安全使用。改造更新設計力圖做到不破壞原有建筑形式和結構體系，繼承和延續原歷史建筑精神與內涵，在當代技術、文化背景下探討現代主義理念的表達，力求做到簡潔和高效、美觀和經濟、文化傳承與生態環保的統一。

3.2 加固改造計算分析

由于建筑進行改造過程中，荷載有所增加，因此，根據建筑的現狀，按照國家標準GB 50009-2001建筑結構荷載規范(2006年版)的規定，分別考慮改造前后正常使用極限狀態還是承載力極限狀態進行驗算。

驗算時，材料強度根據現場檢測結果取為:混凝土強度等級按實測取為C17;粘土實心磚按照實測取為MU7.5;砌筑砂漿強度根據實測取為M2.5;原結構中的圓鋼按照Ⅰ級鋼筋其強度設計值，原結構中方鋼的強度設計值按照現場實測取280 MPa。構件截面尺寸按照設計取值，抗震驗算時按GB 50011-2010建筑抗震設計規范抗震設防考慮，采用PKPM軟件對該建筑進行結構驗算。

經驗算，建筑在現使用情況下，上部結構承載力均滿足要求，可以安全地使用。但考慮地震作用后，部分柱子實際配筋小于抗震計算要求配筋量，X方向最大層間位移角為1/242，Y方向的最大層間位移角為1/279，超過規范限值。建筑結構極限承載力無法滿足要求，但可以采取適當的加固措施來提高結構的承載能力。原設計未考慮抗震設防的要求，抗震構造措施不符合現行規范要求，如框架梁柱截面尺寸偏小，配筋率偏小，填充墻，墻體砌筑砂漿強度不符合抗震標準規定等，結構屬于典型的“強梁弱柱”。

3.3 方案選擇

如果按照現行規范要求，建筑需進行大規模改造，極有可能破壞建筑的原貌。參考國內外優秀歷史建筑修繕改造做法，多是在保證建筑物安全性、適用性前提下，對其原有構件不做重大改變適當提高其承載力，保留其原有的建筑風貌，達到保護優秀歷史建筑的目的。因此，在進行方案選擇時，不僅要考慮承載力的要求，還要考慮抗震構造措施，使得加固后結構的承載力和抗震性能都有所提高。

為保證該結構順利改造并保證修繕改造后的安全使用，提出如下加固處理方案:

1)對于需增加屋頂花園的部位，由于屋頂花園的恒載與活載都較大，而原結構相應位置處的梁板截面的尺寸較小，而且配筋又較少，因此需要加固。

建議方案一:增設鋼結構架空層，鋼結構架空層的支點直接作用在原結構的框架柱頂上，屋頂花園上的所有荷載直接作用在架空層上，再由架空層傳到柱子及基礎;該區域的框架柱建議采用單面(邊柱內面)加大柱截面或濕式外包鋼的方法進行加固。但是這種加固方案需要相應抬高屋頂花園的標高，鋼結構部分的防腐處理和后期維護比較麻煩，造價比較高。建議方案二:反梁復合加固法。在梁的上部增加截面高度250 mm～300 mm左右，再在梁面現澆60 mm～80 mm厚的鋼筋混凝土架空層;梁底用碳纖維和角鋼復合加固;柱子的處理與方案一相同。該方案需要抬高屋頂的標高，但是室內凈空影響不大，后期維護費用少;

2)中部(原結構C區)三樓屋面增加屋頂花園的部位在原屋面板上整澆一層現澆混凝土板或在板底粘貼鋼、碳纖維等材料進行加固;承載力不滿足要求的柱可以采取單面增大截面法、濕式外包角鋼法或粘貼碳纖維的方法進行加固;對于C區通風井處各層柱建議采用增大截面法加固，此法還可以提高結構的整體抗震能力;其他不滿足要求的梁可以采用粘貼碳纖維或粘貼鋼板的方法進行加固;

3)在改造過程中局部部位需要增加通風井道等設施進行樓板開洞，對于不超過300 mm的洞口采用粘貼鋼板或碳纖維的方法進行加固，超過300 mm的洞口建議增加鋼梁加固;

4)原結構墻體粉刷層裂縫只需做修繕處理即可，對于進主廳入口部位圓柱頂四周的雨篷混凝土裂縫可以先用結構膠灌實，再粘貼鋼板或碳纖維;對于原結構C區屋面梁裂縫，雖為非受力裂縫，但為防止進一步擴展，建議對裂縫作灌縫處理，并在局部粘貼鋼板或碳纖維;

5)由于原設計中未考慮抗震設防的要求，構造措施不符合現行規范要求，在本次改建過程中，可以在原有結構的基礎上適當提高該建筑的抗震性能，如可以增大柱截面，在輕質隔墻部位增加抗震耗能支撐或增加部分剪力墻，加強框架填充墻與框架梁柱之間的連接作用等;

6)由于建筑建造年代久遠，建議對裸露混凝土表面進行粉刷處理或涂刷其他具有保護作用的涂層，再進行修復。

處理方案1)提出的兩種建議方案均需要抬高屋頂的標高，對于原結構的改動較大，對于該歷史建筑的原有風貌有比較大的影響，且方案一由于采用鋼結構加固，其后期維護和防腐處理比較麻煩，造價也較高，不適合采用。

4 結語

優秀歷史建筑加固方案的選擇十分重要。加固方案的優劣，不僅影響資金的投入，更重要的是影響加固質量。合理的加固方案應該達到加固效果好，對使用功能影響小，技術可靠，施工簡便，經濟合理，外觀整齊。本文對某優秀歷史建筑現場檢測情況、計算分析和加固方案選擇，得出如下結論:

1)優秀歷史建筑改造工程中，需要盡量避免變動建筑原有的外貌，在滿足委托方所提出的改造要求和現行國家規范的前提下，選擇相對更合理、經濟、安全的結構加固方案，這不同于普通建筑的改建與擴建。

2)盡管按照本加固方案加固后的優秀歷史建筑抗震驗算依然無法滿足現行抗震規范的要求，但是，對于優秀歷史建筑而言，基于其自身的特點，在保證建筑物歷史文化底蘊和安全使用的前提下，保持其原有結構體系不變，適當提高其抗震承載能力，達到保護優秀歷史建筑的目的。

3)通過本實例涉及到的現場檢測情況、計算分析和加固方案選擇的總結，能夠指導同類工程的設計和施工。

［1］ JGJ 120-99，建筑基坑支護技術規程［S］.

［2］ 衛龍武，呂志濤，郭 彤.建筑物評估加固與改造［M］.第2版.南京：江蘇科學技術出版社，2006.

［3］ 唐業清，萬墨林.建筑物改造與病害處理［M］.北京：中國建筑工業出版社，2000.

［4］ 唐岱新，王鳳來.土木工程結構檢測鑒定與加固改造新進展及工程實例［M］.北京：中國建材工業出版社，2006.