同濟大學(xué)文遠樓歷史保護建筑檢測、鑒定與加固

■ 張克純 Zhang Kechun

0 引言

同濟大學(xué)文遠樓（建筑師為黃毓麟、哈雄文，結(jié)構(gòu)師為俞載道）建于1953年，是我國最早一棟典型包豪斯風(fēng)格的歷史文化建筑，它平面布局自由、功能流線合理、立面簡潔平整，在我國現(xiàn)代主義建筑發(fā)展史和現(xiàn)代主義建筑思想的傳播上具有重要的里程碑意義，隱含著重要的歷史文化價值，被列為上海市優(yōu)秀歷史保護建筑，保護要求為三類，所有外墻立面和框架結(jié)構(gòu)主體是重點保護部位，1999年獲“新中國50年上海經(jīng)典建筑”，并被載入《世界建筑史》（圖1）。由于歷史文化建筑生態(tài)節(jié)能改造與保護的需要，對文遠樓進行了全面的檢測、鑒定與加固處理，以確保結(jié)構(gòu)安全。

1 保護要求及檢測鑒定內(nèi)容

1.1保護要求

文遠樓的建筑結(jié)構(gòu)保護要點如下：①保護建筑南側(cè)花園綠地及老樹，保持其環(huán)境特征；②保留原主要觀賞建筑的開敞面，不可對建筑有大量遮蔽；③保持原建筑整體輪廓和觀感；④恢復(fù)原墻面特征及顏色；⑤保留原門、窗位置、大小、顏色、材質(zhì)、分隔、開啟方式；⑥保護及恢復(fù)立面細部裝飾圖案、紋樣處理；⑦保護原室內(nèi)空間格局；⑧保留原建筑結(jié)構(gòu)方式并展示該結(jié)構(gòu)；⑨保留原室內(nèi)樓梯和欄桿的細部做法，包括保留原欄桿扶手、踏步設(shè)置及水磨石面層；⑩保留原公共走道等部位的地面水磨石面層；1 1 恢復(fù)原通風(fēng)口裝置，外部保留混凝土隔柵，內(nèi)部按老圖紙恢復(fù)木構(gòu)隔柵，中間恢復(fù)換氣扇。外立面與框架結(jié)構(gòu)主體是重點保護內(nèi)容。

1.2 檢測內(nèi)容與方案

文遠樓檢測鑒定的具體內(nèi)容與方案如下：①根據(jù)優(yōu)秀歷史建筑的檢測要求，提出檢測方案，并報上海市房屋質(zhì)量檢測中心審批；②按批準(zhǔn)的檢測方案，查勘核查實際結(jié)構(gòu)與原圖紙是否相符；③全面檢查梁、板、柱以及墻體的裂縫、變形、蟻害以及局部損傷情況，檢測混凝土保護層厚度；④采用鉆芯法與超聲回彈綜合法，對該結(jié)構(gòu)梁、板、柱的混凝土強度進行現(xiàn)場和實驗室測試，采用超聲回彈綜合法、原位雙磚雙剪法及實驗室試驗相結(jié)合，檢測砌體磚與砂漿的強度，用里氏硬度法檢測鋼筋的強度；⑤對房屋傾斜以及不均勻沉降進行現(xiàn)場檢測，了解結(jié)構(gòu)的傾斜以及不均勻沉降是否符合要求；⑥按改造前和改造后兩種情況，分別對該結(jié)構(gòu)進行承載能力、正常使用性能及抗震能力進行驗算，對驗算不符合承載力要求和現(xiàn)行規(guī)范要求的部位提出相應(yīng)的加固處理方案；⑦根據(jù)現(xiàn)場檢測與結(jié)構(gòu)驗算結(jié)果，提出文遠樓檢測鑒定結(jié)論；⑧報告最終應(yīng)通過上海市房屋質(zhì)量檢測中心的技術(shù)審查。

2 房屋建筑結(jié)構(gòu)概況

2.1建筑與結(jié)構(gòu)概況

文遠樓是典型的三層不對稱錯層式、現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑面積5 050m2，現(xiàn)為同濟大學(xué)建筑與城規(guī)學(xué)院教學(xué)樓。底層層高為4.1m，二三層高均為3.9m；大階梯教室層高10.05 m，普通階梯教室層高5.35 m。由于該建筑年代久遠，建筑材料已經(jīng)發(fā)生不同程度的劣化，局部墻體已出現(xiàn)裂縫。房屋采用柱下條形基礎(chǔ)，樓、屋面板的厚度均為8cm，板的鋼筋直徑為6～8㎜，采用分離式配筋，外墻均為黏土青磚與混合砂漿砌筑而成的框架填充墻，內(nèi)墻為黏土磚墻或灰板輕質(zhì)隔墻，原結(jié)構(gòu)各材料強度等級不詳。

2.2 生態(tài)節(jié)能改造要求

文遠樓生態(tài)節(jié)能改造工程是同濟大學(xué)百年校慶重點工程，也是建設(shè)部生態(tài)節(jié)能改建示范工程和上海世博會生態(tài)節(jié)能改造項目的樣板工程，它是生態(tài)節(jié)能改建與優(yōu)秀歷史建筑保護的有機結(jié)合，在中國建筑史上尚無先例，文遠樓的生態(tài)節(jié)能更新將開創(chuàng)此領(lǐng)域的先河。文遠樓的生態(tài)節(jié)能更新項目要求選用地源熱泵技術(shù)、太陽能及燃氣補能系統(tǒng)、輻射吊頂技術(shù)、內(nèi)遮陽節(jié)能系統(tǒng)、綠色材料及保溫體系、屋頂花園、節(jié)能照明系統(tǒng)、智能控制即時展示系統(tǒng)、雨水收集系統(tǒng)、太陽能熱水系統(tǒng)十大綠色節(jié)能技術(shù)。這些生態(tài)節(jié)能技術(shù)的實施，使得作用在原結(jié)構(gòu)上的使用荷載有了不同程度的提高，這對結(jié)構(gòu)的安全性能也提出了更高的要求。按照上海市優(yōu)秀歷史文物建筑保護條例中的要求，文遠樓的外立面是重點保護部位，整個建筑的結(jié)構(gòu)體系也不得改變。

3 現(xiàn)場勘察與檢測

3.1 結(jié)構(gòu)復(fù)核與損傷狀況檢測

3.1.1 結(jié)構(gòu)復(fù)核與調(diào)查

在現(xiàn)場復(fù)核調(diào)查了結(jié)構(gòu)布置情況，并采用測距儀、樓板測厚儀、鋼筋探測儀等儀器對柱網(wǎng)、樓蓋結(jié)構(gòu)布置、構(gòu)件截面尺寸、節(jié)點構(gòu)造、混凝土構(gòu)件配筋、圍護及分隔墻等結(jié)構(gòu)狀況進行抽檢，各部位與原設(shè)計基本相同。梁柱的主要受力鋼筋為當(dāng)時蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)的方鋼，其力學(xué)性能介于現(xiàn)行一級鋼與二級鋼之間，梁柱的箍筋以及板的受力鋼筋均為一級圓鋼。現(xiàn)場調(diào)查表明，內(nèi)外墻（不含輕質(zhì)隔墻）的厚度、構(gòu)造與原設(shè)計基本一致。輕質(zhì)隔墻由于原土木工程學(xué)院在內(nèi)部裝修過程中有所改變，但是這些改變對原結(jié)構(gòu)承載體系沒有多大影響。

3.1.2 承重構(gòu)件損傷情況

經(jīng)現(xiàn)場查勘和測試，部分屋面梁存在寬0.1~0.5mm不等的裂縫，上下寬度一致，屋頂未做保溫措施（圖2），屬于溫度與收縮裂縫；部分屋面板沿短跨方向出現(xiàn)裂縫，但裂縫沒有上下貫穿，多為沿鋼筋底部的裂縫，裂縫處鋼筋已出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，此類裂縫對結(jié)構(gòu)的承載力影響不大，僅需作灌縫處理即可，但是灌縫前需先對裂縫處已經(jīng)銹蝕的鋼筋作除銹處理；其它部位梁、板、柱等承重構(gòu)件沒有發(fā)現(xiàn)明顯的混凝土剝落、鋼筋銹蝕、鋼筋外露以及混凝土裂縫等損傷情況；將濃度為1%的酚酞溶液注入鑿出的孔內(nèi)，用游標(biāo)卡尺量得混凝土碳化深度均在6mm以上。

3.1.3 非承重構(gòu)件的損壞情況

文遠樓外墻和部分填充墻不同程度出現(xiàn)裂縫，但鑿開墻體粉刷層后，未見裂縫貫穿，屬于粉刷層裂縫，對結(jié)構(gòu)安全沒有影響，只需將裂縫部位粉刷層作修復(fù)處理即可，現(xiàn)場檢測未發(fā)現(xiàn)房屋滲漏、白螞蟻蟲害等現(xiàn)象。

3.2 傾斜及相對不均勻沉降檢測

房屋向西最大傾斜率為3.44‰，向南最大傾斜率為2.30‰，均在正常范圍之內(nèi)，房屋最大相對不均勻沉降值約為0.195m，西南角沉降值大，東北角沉降值小，與傾斜趨勢基本相同。

3.3 材料強度檢測

3.3.1 混凝土強度檢測

采用超聲回彈綜合法對梁、板、柱混凝土強度進行綜合評定，并輔以鉆芯法進行修正，檢測結(jié)果表明各構(gòu)件混凝土強度可綜合評定為C17。

3.3.2 鋼筋強度檢測

由于現(xiàn)場無法直接在構(gòu)件中截取鋼筋帶回試驗室去做鋼筋材料的力學(xué)性能分析，因此此次檢測過程中采用了里氏硬度法抽樣檢測鋼筋（方鋼）的抗拉強度。按照規(guī)定，以檢測單體中測區(qū)抗拉強度的最小值作為鋼筋抗拉強度的代表值，鋼筋的屈服強度可以通過鋼筋的屈強比推定，考慮到20世紀(jì)50年代方鋼的強度是介于一級鋼和二級鋼之間，為安全起見，本工程中方鋼的屈強比偏安全地取一級鋼的上限或二級鋼的下限0.65，以此來推斷鋼筋的強度標(biāo)準(zhǔn)值，從而進一步確定鋼筋的強度設(shè)計值。由檢測結(jié)果可以看出，該樓方鋼的強度設(shè)計值最終可評定為280MPa。原結(jié)構(gòu)中的圓鋼按照一級鋼筋（HPB235）取其強度設(shè)計值（210 MPa）。

3.3.3 砌體材料強度測試

回彈綜合法測試磚強度等級約為MU7.5，用原位雙磚雙剪法檢測了砌體抗剪強度，并換算成砂漿強度，總體上砌筑砂漿的強度可達到M2.5。

3.4 混凝土保護層厚度檢測

現(xiàn)場檢測表明梁、板、柱混凝土保護層厚度均勻，梁、柱在25mm左右，板在15mm左右，總體上符合原設(shè)計，但略低于現(xiàn)行規(guī)范的要求。

4 結(jié)構(gòu)安全性計算分析

為了確保結(jié)構(gòu)在生態(tài)節(jié)能改建后的安全使用，結(jié)構(gòu)的安全性驗算按照改造前不考慮抗震、改造前考慮抗震、改造后不考慮抗震、改造后考慮抗震四種情況分別進行考慮。在驗算過程中，材料的強度、構(gòu)件的尺寸以現(xiàn)場實測作為標(biāo)準(zhǔn)，各荷載的取定以現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范作為基礎(chǔ)，再根據(jù)驗算分析結(jié)果，并結(jié)合文遠樓的實際現(xiàn)狀來對文遠樓的安全性能進行綜合評定，提出相應(yīng)的加固改造建議方案。

4.1 生態(tài)節(jié)能改造前的結(jié)構(gòu)計算分析

不考慮抗震時，部分梁柱的節(jié)點構(gòu)造不符合現(xiàn)行規(guī)范中有關(guān)構(gòu)造要求，但經(jīng)驗算，房屋在不改變現(xiàn)有使用功能和使用荷載的條件下，除個別梁柱稍微低于承載能力要求外，其它主要承重構(gòu)件的承載能力基本上滿足要求，只需對部分有初始損傷和不滿足構(gòu)造要求的構(gòu)件做局部加固修復(fù)就可以安全地使用。

考慮7度抗震時，由于原結(jié)構(gòu)沒有按抗震設(shè)防，抗震構(gòu)造不完全符合現(xiàn)行抗震規(guī)范要求，部分框架梁柱截面尺寸不滿足最小構(gòu)造要求，填充墻與框架沒有可靠連接，梁柱的節(jié)點構(gòu)造不符合現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定等，結(jié)構(gòu)屬于典型的“強梁弱柱”。計算結(jié)果表明，在地震作用下，部分梁柱抗震配筋不足，X方向的最大層間位移角為1/242，Y方向的最大層間位移角為1/279，遠遠大于規(guī)范規(guī)定的位移限值，總之，在保持現(xiàn)有的使用功能和使用荷載不變的條件下，結(jié)構(gòu)也無法滿足7度抗震設(shè)防的要求，若要提高結(jié)構(gòu)的抗震性能則必須進行加固處理。

4.2 生態(tài)節(jié)能改造后的結(jié)構(gòu)計算分析

由于生態(tài)節(jié)能改造后，采用了10項節(jié)能改造技術(shù)和使用功能的改變，使用荷載大幅度增加，導(dǎo)致文遠樓上部結(jié)構(gòu)中部分承重構(gòu)件承載能力已經(jīng)不能滿足要求，即使不考慮地震荷載整個結(jié)構(gòu)也需要作加固處理。同時，由于改造過程中，有些部位需要增加通風(fēng)井道等設(shè)施，局部樓板需要開洞，因此，需要作局部加固處理，以保證改建后結(jié)構(gòu)的安全使用（圖3）。

按照節(jié)能改造方案進行抗震驗算的結(jié)果表明，在地震荷載作用下許多梁柱的設(shè)計配筋遠遠小于抗震計算要求下的配筋量，X方向的最大層間位移角為1/167，Y方向為1/227，遠遠超過位移限值。在經(jīng)過生態(tài)節(jié)能改建后，由于局部使用功能的改變和使用荷載的增加，結(jié)構(gòu)無法滿足7度抗震設(shè)防的要求，若要提高結(jié)構(gòu)的抗震性能則必須進行大范圍的加固處理。

4.3 地基及基礎(chǔ)承載力驗算

框架柱基采用的是柱下聯(lián)合條形基礎(chǔ)，部分為柱下鋼筋混凝土獨立基礎(chǔ)，部分墻體的基礎(chǔ)是墻下條形磚基礎(chǔ)。驗算時，由于缺少原始地質(zhì)資料，根據(jù)上海的土質(zhì)特性，取地基承載力特征值為100kPa，經(jīng)驗算，該大樓地基基礎(chǔ)在現(xiàn)有使用條件下滿足承載力的要求。由于該樓建造已經(jīng)有50多年，基礎(chǔ)的沉降已基本完成，地基的承載力也比該樓建造初期有所增加，經(jīng)過生態(tài)節(jié)能改造后，其原有的地基承載能力足以抵抗由于結(jié)構(gòu)的豎向荷載增加而引起的附加荷載，生態(tài)節(jié)能改造后，地基無須作特殊的處理，地基基礎(chǔ)可以滿足改造后的承載力和變形要求。

5 加固處理方案

若按現(xiàn)行抗震規(guī)范對結(jié)構(gòu)進行全面抗震加固，則需對其結(jié)構(gòu)構(gòu)件和建筑內(nèi)部進行大幅度的修整，從而難以實現(xiàn)保護歷史建筑的原有風(fēng)貌和建筑特色的要求，不符合歷史保護建筑加固改造的相關(guān)要求。參考國內(nèi)外加固歷史保護建筑的做法，經(jīng)征求上海市優(yōu)秀歷史保護建筑檢測中心技術(shù)委員會專家和節(jié)能改造專家組的建議，最后確定可在保證建筑物安全性、適用性的前提下，適當(dāng)提高或改善房屋的抗震性能，對其原有構(gòu)件不做重大改變，保留其原有的建筑風(fēng)貌，達到保護優(yōu)秀歷史建筑的目的。通過對同濟大學(xué)文遠樓房屋進行現(xiàn)場檢測和結(jié)構(gòu)承載力驗算，并結(jié)合生態(tài)節(jié)能改造的具體要求和上海市優(yōu)秀歷史保護建筑相關(guān)保護條例的規(guī)定，采取了如下加固方案：

（1）對于需增加屋頂花園的部位，將原來有土栽培方案變更為無土栽培（圖4），減少荷載重量，對梁板采用碳纖維加固，對邊柱內(nèi)側(cè)單面用高強灌漿料加大柱截面積，內(nèi)植筋配筋。

（2）原160人階梯教室屋頂需要增加太陽能系統(tǒng)，為了減少對原結(jié)構(gòu)承載能力影響，采用鋼構(gòu)件架空的形式直接將太陽能系統(tǒng)的荷載傳到框架柱上，并對相應(yīng)部位的框架柱內(nèi)側(cè)單面采用高強灌漿料加大柱截面，內(nèi)植配筋。

（3）其它不滿足承載力要求的柱子采取高強灌漿料單面增大截面法（邊柱）或四面加大截面（中柱），不具備加大截面條件的中柱，采取包鋼法或黏貼碳纖維方法進行加固；對不滿足承載力要求的梁用梁底黏貼碳纖維進行加固（圖5）。

（4）由于在改造過程中，局部部位需要增加通風(fēng)井道等設(shè)施，這些部位相應(yīng)地需要進行樓板開洞，對于開洞部位的樓板四周需作加固處理。

（5）原結(jié)構(gòu)墻體粉刷層裂縫只需將裂縫作適當(dāng)修復(fù)處理；對于進主廳入口部位圓柱頂四周的雨蓬裂縫可以先用結(jié)構(gòu)膠灌實，再用碳纖維加固。

（6）對于產(chǎn)生裂縫的屋面梁和板，雖為非承載力裂縫，但為了防止裂縫進一步擴展，需要對裂縫環(huán)氧樹脂作灌縫處理，同時在梁、板底黏貼碳纖維對裂縫處作局部加固處理。

（7）由于該樓原設(shè)計為清水混凝土，為了減少空氣對結(jié)構(gòu)的侵蝕作用，對暴露在空氣中的混凝土用環(huán)氧樹脂自流平涂膜進行保護。

（8）對于有初始損傷或檢測時鉆芯取樣對結(jié)構(gòu)造成的局部損傷需作修復(fù)處理。

（9）為了適當(dāng)提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，局部采用加大柱截面、在輕質(zhì)隔墻部位增加抗震耗能支撐或增加部分剪力墻抗震等方案，并采取有效措施，加強框架填充墻與框架梁柱之間的連接作用。

6 結(jié)語

通過對同濟大學(xué)文遠樓進行全面調(diào)查、檢測鑒定與綜合分析，并按照歷史保護建筑的要求，在不破壞原建筑結(jié)構(gòu)的情況下，有針對性地采取了有效的加固處理措施，達到既能保護歷史文化，又能滿足生態(tài)節(jié)能改造要求，可為同類保護性建筑的檢測、鑒定與加固處理提供有益參考。