既有工業建筑非工業化改造技術研究*

劉伯英 胡戎睿 李 榮 吳方伯 胡建新 韋 拉

(1.清華大學建筑學院，北京 100084;2.中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088;3.湖南大學土木工程學院，長沙 410082;4.北京華清安地建筑設計有限公司，北京 100084)

伴隨著產業結構調整升級和城市工業用地的更新，傳統工業企業紛紛退出生產，大量工業建筑被閑置甚至荒廢。我國既有工業建筑面臨兩種出路：一是通過一系列技術措施滿足新型產業的需求，繼續為工業生產服務;二是非工業化利用，其中具有重要歷史文化價值的作為工業遺產進行保護，更多的是利用既有工業建筑的空間，通過適應性改造實現性能提升，通過功能轉換來滿足城市生活需求。

近年來，我國工業遺產保護工作取得了一定進展，閑置工業廠房從低價出租“吃瓦片”，到成為城市經濟的新寵——文化創意產業園，再到舊工業區整體更新推動城市綜合復興，使既有工業建筑的非工業化改造成為當前盤活存量資源和城市建設的重點。但是，由于工業遺產和工業資源的概念存在混淆，工業遺產保護往往被泛化或僵化，既有工業建筑的非工業化改造利用由于政策和標準的缺位，多數改造成為違章行為，或者被非專業人士任意改造，存在很大安全隱患。因此，基于生態友好、資源節約，工業建筑的全壽命周期的可持續發展等方面的考慮，建立系統的調查研究方法和科學的價值評價體系，總結工業建筑改造性能提升、功能置換、資源利用的模式和設計方法非常重要。此外，我國很多既有工業建筑經長期使用，或許已存在很大的安全問題，原有的結構設計也可能無法滿足新的技術標準要求，因此系統研究我國既有工業建筑結構安全鑒定和結構加固技術，為非工業化改造利用創造條件，是迫切需要解決的難題。

表1 我國1995—2017年工業建筑面積統計Table 1 Statistics of Chinese industrial building area in 1995-2017 億m2

圖1 建國后我國工業建筑規模的發展趨勢Fig.1 Development trend of Chinese industrial building

1 既有工業建筑結構體系分類調查研究

針對我國既有工業建筑結構類型和結構體系進行調查，對不同時期、不同地域、不同產業的既有工業建筑進行資源調查研究，形成一套完整和科學的調查流程及操作方法。

調查主要從以下方面入手：既有工業建筑類型等基本信息(建成年代、建筑面積、層數、層高等)、既有工業建筑結構形式、既有工業建筑結構構件及材料做法、既有工業建筑荷載作用、既有工業建筑環境作用、既有工業建筑設計標準應用、既有工業建筑損傷破壞。其中重點調查的內容是既有工業建筑結構形式、荷載作用和損傷破壞［1］。

1.1 我國既有工業建筑規模調查

隨著國民經濟的快速發展，我國工業建筑面積持續增長。1911年至2017年底，我國房屋竣工面積累計為555.79億 m2，其中工業建筑88.30億 m2，占16%。目前我國正處于向工業化、城鎮化發展的轉型期，建設規模和固定資產投資規模巨大，從1950年的0.6億 m2上升到2017年的 88.30億 m2(表 1、圖 1)。

1.2 我國既有工業建筑結構體系分類

我國既有工業建筑結構形式多樣，對我國既有工業建筑結構體系及構件類型進行梳理和歸納，主要從結構體系、結構構件以及材料進行劃分，系統總結了工業建筑的結構形式(圖2)。

1.2.1 工業建筑結構體系分類

工業建筑的結構體系可以劃分為平面結構、空間結構以及特種結構三類。其中，平面結構體系最為多見，包括混合結構、框架結構等，廣泛應用于各類大小跨度廠房;空間結構則主要應用于跨度較大的廠房中，包括網架結構、桁架結構等［2］;特種結構一般用于生產工藝有特殊要求的工業建筑中，在此暫不討論。

1.2.2 工業建筑結構構件分類

在結構構件方面，工業建筑的核心是骨架承重結構，主要的承重構件有屋架、柱、吊車梁、基礎等，在工業廠房中，除基礎無法直接看到外，其余三類均可通過外觀進行判斷［2］。

圖2 我國既有工業建筑結構體系分類Fig.2 Classification of existing industrial building structural systems in China

1.3 北京典型工業建筑結構體系調查研究

選取北京現存100個重點工業廠區中的工業建筑，作為重點考察對象和分析樣本，通過文獻研究和現場調查，調查了產業類型、建廠時間等基本信息，重點調查了結構類型、結構質量，歸納總結北京既有工業建筑結構體系的類型分布、質量等級分布。

1.3.1 北京典型既有工業建筑結構類型分布情況

1)工業建筑結構體系類型分布統計。通過對樣本廠區現存工業建筑結構體系類型進行統計，主要有鋼筋混凝土結構、鋼結構、磚混結構、磚木結構和混合結構5大類型(圖3)。由于鋼筋混凝土結構相較于其他結構類型具有堅固、耐久、防火性能好的優點，此類結構廠房占主要份額(48%)。

圖3 北京樣本廠區中結構體系類型整體比例分布Fig.3 Overall proportion distribution of structural system type in Beijing sample

2)工業建筑結構體系之產業類型分布統計。由于北京工業的產業特征，100個樣本廠區分為能源類、材料類、裝備制造類、加工類和交通類5大產業類型，以加工類與裝備制造類為主。在各產業類型的典型廠區中，除能源類廠區建筑以磚混結構為主，材料類、裝備制造類、加工類及交通類廠區建筑均以鋼筋混凝土結構為主，兩種結構類型的廠房均占各行業調研份額的60%以上(表2)。

表2 產業類型的結構形式Table 2 Industry and structure types of industrial construction in Beijing sample

3)工業建筑結構體系之建成年代分布統計。調查中廠區現存工業建筑建成年代從20世紀初到本世紀初，跨越近100年，各個年代分布不均勻現象突出，其中20世紀七八十年代時期建設的廠房最多。通過對北京樣本廠區中工業建筑的建成年代和結構體系類型進行合并列表(表3)分析可知，1949年以前，工業建筑結構體系類型以磚木結構體系、磚石結構體系為主，1949年后開始以鋼筋混凝土結構體系為主。納入改造利用的工業建筑主要以鋼筋混凝土結構、磚混結構和混合結構為主。

表3 北京樣本廠區工業建筑建成年代和結構體系類型Table 3 Construction age and structural system type of industrial buildings in Beijing sample

1.3.2 北京典型既有工業建筑結構質量等級分布

將樣本廠區中現存工業建筑按結構質量等級分為好、較好、一般、較差和差5等(圖4)。從中可見：廠區建筑結構質量“好”和“較好”的占到46%，具有非工業化改造再利用的條件和基礎;但結構質量評價“差”的建筑占到48%，改造再利用的難度加大。因此，對既有工業建筑非工業化改造結構診治技術的研究迫在眉睫。

1.3.3 北京典型既有工業建筑結構空間形態類型

通過對北京樣本廠區工業建筑的研究統計，以單層、多層廠房為主的建筑及構筑物樣本集合均呈現出多種結構類型：鋼結構、鋼筋混凝土結構、磚混結構、混合結構，其結構體系呈現如下空間形態，如圖5所示。

圖4 北京樣本廠區中工業建筑結構質量等級比例分布Fig.4 Proportion distribution of industrial building quality in Beijing sample

圖5 結構體系空間形態分類Fig.5 Classification of structural system space morphology

2 既有工業建筑非工業化改造綜合評價體系研究

通過對我國既有工業建筑的資源調查，形成一套規范化的調查流程，并在此基礎上建立既有工業建筑非工業化改造全周期的綜合評價體系及實施導則。

2.1 全周期綜合評價體系構建

既有工業建筑的非工業化改造過程繁冗復雜、綜合性強且富于變化，因此對其評價體系應當體現專業性、綜合性和全周期性。既有工業建筑的非工業化改造涉及到建筑本體、周邊環境要素以及相關的法規和政策等，實際操作中還需注重經濟效益、環境效益和社會效益等綜合效益［3］，其完成過程前后的適應性是評價其改造效果的重要指標。

在近年來相關評價方法的基礎上，結合系統性研究探索，以全周期綜合評價為目標，建立了既有工業建筑非工業化改造全周期的綜合評價體系，旨在為既有工業建筑非工業化改造的實踐活動提供科學決策依據。

2.2 綜合評價體系及評價方法集成

對既有工業建筑非工業化改造的全過程進行分解，建立不同實施階段和不同目標基礎上的多種評價方法，包括：工業建筑結構調研綜合評價、工業建筑現狀調研綜合評價、工業建筑非工業化改造價值評價、工業建筑適應性再利用潛力評價和工業建筑非工業化改造后評價(表4)。

表4 工業建筑非工業化改造綜合評價小結Table 4 Summary of comprehensive evaluation of non-industrial transformation of industrial buildings

本文提出的評價方法立足文獻和實地調研，采用統一有序的步驟流程和技術操作，有側重地涵蓋了既有工業建筑非工業化改造實施過程前后的關鍵步驟，從而構成既有非工業化改造全周期的綜合評價體系。

3 既有工業建筑非工業化改造功能轉換模式研究

對國內外案例進行調查分析，歸納總結既有工業建筑非工業化改造功能轉換與性能提升的模式類型、操作途徑和設計方法。

3.1 既有工業建筑功能轉型模式研究

3.1.1 宏觀改造策略

根據既有工業建筑資源再利用的可能性與適應性，在宏觀層面上，基于工業資源的突出價值，可以分為以下模式。

1)強調保護為主：主要作為工業博覽館、美術館等，如首鋼廠史館(圖6a);

2)強調建筑再利用為主：主要作為創意產業園、高新科技園區等，如京棉文化創意工業園(圖6b)、北京牡丹電子集團有限責任公司(圖6c);

3)強調景觀再利用為主：主要作為景觀公園及工業遺址旅游等，如中山岐江公園(圖6d)、北京焦化廠遺產公園(圖6e)。

3.1.2 微觀改造策略

在確定了宏觀再利用方向后，從微觀角度來看，既有工業建筑可以改造為居住、商業、辦公、文化等設施。以常見的一般形式的鋼筋混凝土結構排架結構單層廠房為例，按照廠房建筑單體置換后的功能不同，將其分為以下幾種模式(表5)。

圖6 宏觀層面工業區功能置換模式分類案例Fig.6 Classification of functional replacement modes in industrial estate at macro level

表5 工業廠房功能置換與再利用模式分類Table 5 Classification of functional replacement and reuse of industrial buildings

3.2 既有工業建筑空間轉型模式研究

3.2.1 碎片切割式

“碎片化”是空間轉型的顯著特征之一。對小尺度空間的需求導致工業建筑原本完整統一的空間被切割，瓦解的方式和程度可以根據使用者(業主)的具體要求的不同而改變。空間切割不僅在平面上劃分，還包括垂直方向上的獨立使用。工業建筑尺度以生產活動為依據，無論是室內還是室外尺度，都與普通民用建筑存在巨大差別，空間化整為零的利用，正是對空間尺度的重新確立(圖7)。

3.2.2 重組整合式

除了大尺度廠房“碎片化”的利用方式，對于小尺度的廠房還普遍存在著“化零為整”的利用方式。空間整合包括多組舊建筑之間的組合，也包括新建單體與舊建筑之間的混搭組合(圖8)。

4 既有工業建筑性能提升結構診治關鍵技術研究

針對既有工業建筑非工業化改造的功能轉換模式，根據既有工業建筑結構類型，提出結構診治方法，形成針對不同建構筑物類型及結構形式的改造技術體系，建立既有工業建筑非工業化改造關鍵技術體系和準則。

圖7 空間碎片切割式利用示意Fig.7 Schematic diagram of space debris cutting utilization

圖8 空間組合式利用示意Fig.8 Schematic diagram of space combination utilization

4.1 既有工業建筑結構安全性評價

針對我國不同地域、不同行業的工業建筑，結合其發展歷史，對既有工業建筑的結構體系進行調查，按照既有工業建筑的行業類型、結構形式、服役年限、使用狀況等分類，提出了既有工業建筑結構安全性模糊綜合評價方法。該方法通過模糊數學的方法，將定性的評價轉換為定量的評價。該方法可以作為GB 50144—2008《工業建筑可靠性鑒定標準》中提供方法的有益補充。

既有工業建筑的安全性影響因素有很多，分析時除了結構自身因素外，還考慮環境因素和人為因素對工業建筑安全的影響。結構自身因素分為三級，先由構件的各項屬性評價得到構件的評級，然后綜合各個構件得到結構的評級。環境因素主要指自然環境和工作環境，因為工業廠房在一些特殊生產過程中存在高溫、高壓等環境，需要考慮其影響。自然環境包括：酸堿腐蝕、干濕循環、凍融循環等，工作環境包括高溫、高壓、振動沖擊等。人為因素主要表現為使用荷載和設計荷載的不同，以及使用過程中不經意間對結構局部造成的損傷破壞，這一點在服役期較長的工業建筑中體現更為明顯。對于既有工業建筑安全性因素指標的權重確定，采用層次分析法，通過對每一層要素進行兩兩之間的比較，最終通過判斷矩陣運算，得到各個因子的權重分配，從而對既有工業建筑的安全性作出評價。

4.2 既有工業建筑非工業化改造加固關鍵技術

既有工業建筑因使用功能改變導致荷載增加、空間調整甚至結構體系改變。非工業化改造需要依據使用功能與相關規范的要求，進行必要的加固和改造。根據既有工業建筑非工業化改造新的功能要求，集成成熟改造加固技術并開發新型加固技術，建立一套完善的結構加固改造技術體系。

4.2.1 已有改造加固技術集成

針對既有工業建筑的非工業化改造需求，根據結構形式的不同，集成成熟改造加固技術如表6所示。

表6 已有改造加固技術Table 6 Existing reconstruction and reinforcement techniques

4.2.2 新型加固技術開發

纖維增強復合材料網格加固法(圖9)為使用配套錨固件將復材網格固定在墻體上，之后再噴涂聚合物砂漿，形成共同受力的加固體系。該加固技術施工過程中無需使用樹脂材料，故施工時不會產生刺激性氣味，也不會對施工人員及使用人員的健康造成影響，安全環保。加固工作完成后，墻面平整，無需進行進一步表面處理，類似新建混凝土墻面，可直接進行裝飾裝修。試驗結果表明，該加固方法可以提高墻體的抗剪承載力和抗震性能，加固效果顯著。相比于傳統加固方法，具有質量輕、強度高、耐腐蝕性強、耐久性好等特點。

圖9 纖維增強復合材料網格加固法示意Fig.9 Mesh strengthening method for fiber reinforced composite materials

5 結束語

既有工業建筑的非工業化改造是一個復雜的系統工程，涉及學科門類眾多，本文主要從建筑和結構兩個專業領域，提出系統解決辦法，對于全面認識既有工業建筑非工業化改造、工業遺產保護，具有重要的現實意義。

1)針對我國不同地域、不同行業，建立既有工業建筑調查的流程和方法、價值評價體系;建立既有工業建筑非工業化改造全壽命周期的綜合評價體系及實施導則，填補國內空白。

2)按照既有工業建筑的結構形式、服役年限等分類，提出既有工業建筑非工業化改造功能轉換和提升的方法和策略，促進城市規劃與建筑設計相關管理工作的調整和完善。

3)從文物保護、建筑設計、結構診治的綜合策略與系統技術措施出發，建立既有工業建筑非工業化改造的成套關鍵技術，形成針對不同建構筑物類型及結構形式的改造技術體系。

·信 息·

近年來，我國的土木工程事業發展迅速，而鋼-混凝土組合結構以其優越的性能得到廣大結構工程師的認可，被廣泛應用于各種工程結構中。為進一步推動鋼-混凝土組合結構的技術交流和應用推廣，中國鋼結構協會鋼-混凝土組合結構分會定于2019年11月15—17日在南京市明發珍珠泉大酒店(南京工業大學附近)召開第十七次學會會議，同時進行第四屆“組合結構杰出人才獎”和第九屆“精工杯青年優秀論文獎”評選。會議內容包括主題報告、研討、分組發言討論，將邀請國際和港澳臺專家進行專題報告，加強國際學術交流合作。

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