圓形筒倉類工業構筑物改造中的結構介入設計策略研究

田皓元 倪陽 TIAN Haoyuan,NI Yang

1 華南理工大學

2 華南理工大學建筑設計研究院有限公司

結構是呈現建筑形式的邏輯依托，也是塑造空間的一種重要方式。圓形筒倉類工業構筑物的內部空間與功能需求高度適應，具有極為鮮明的結構與形式特征。不同時代的建造技術決定了區別于其他時代的特有的結構特征。某種程度上，圓形筒倉類工業構筑物的結構特征代表了那一時代的工業建筑歷史（圖1，2）。基于結構理性的改造設計并非脫離對空間改造的思考，圓形筒倉類工業構筑物改造中的結構介入可以解決空間改造的技術難題。

1 圓形筒倉類工業構筑物及其空間特點

工業構筑物是在工業主體建筑的生產活動中起到輔助作用的、但不具備獨立開展生產活動的構筑物。筒倉是貯存散裝物料的倉庫，依據功能分為農業筒倉和工業筒倉兩大類；依據受力條件，按照計算高度H與內徑D之比，分為深倉（H/D≥1.5）與淺倉（H/D＜1.5）兩種（圖3）；依據筒倉的平面投影形狀，分為圓形、矩形、多邊形。本文選取的研究對象是平面投影為圓形的筒倉工業構筑物。

筒倉類工業構筑物的各組成部分均有特定的功能屬性，沒有附加的造型與空間處理，形式與功能高度契合。筒倉群通常由工作塔通過上下連廊連接，筒體部分由筒上建筑、進糧口、筒壁及筒下層組成，現存筒倉以單筒淺筒倉與多筒深筒倉群倉居多（圖4，5）。圓形筒倉類工業構筑物群倉由單倉組成，群倉的平面排布主要分為行列圓形筒倉群、斜交圓形筒倉群及分散式圓形筒倉群（圖6）。其中，行列和斜交的筒倉群布局方式可產生面積較大的星倉。

2 圓形筒倉類工業構筑物的結構特點

筒倉結構承受荷載主要包括可變荷載、永久荷載及地震作用。圓形筒倉結構是很典型的圓柱薄殼結構，主要為軸對稱受力，可分為砌體結構、鋼筋混凝土結構及鋼結構。鋼筋混凝土結構與鋼結構筒倉具有良好的結構穩固性與整體性，有較大的改造余地；而砌體結構只受壓、不能受彎與受拉，改造受限嚴重。

圓形筒倉類工業構筑物結構主要分為下部支撐結構及上部筒倉結構。倉下支撐結構一般采用筒壁支撐、柱支撐、筒壁與內柱共同支撐三種類型（圖7），筒壁支撐結構中環梁作為筒倉倉底圓錐形漏斗的支撐，環梁與倉壁交接處的剛度突變不明顯，可抵御較為強烈的地震作用；柱支撐結構即柱支撐在倉底漏斗平臺與平臺梁交接處，倉底梁與柱共同組成框架結構，傳遞地震的能力較為一般；筒壁與內柱共同支撐結構可以提升整體結構的剛度，結構受力邏輯更為明晰。

筒倉的倉底漏斗一般分為倒錐形與平底形，后者穩定性較好，利于支撐。如圖8所示，筒倉上部結構通常分為外切四邊形平面結構與內接四邊形平面結構，后者結構柱的分布使得筒倉壁與頂板的剛度一致，結構形式更為合理。

1 廣州南方面粉廠

2 大成面粉廠

3 單筒倉分析示意

4 群倉物料進出口工作流程

5 圓形筒倉類工業構筑物組成分解軸測圖

6 圓形筒倉類工業構筑物平面布局軸測圖

7 倉下支撐結構示意

8 筒倉上部平面結構示意

9 筒倉結構加固補強

3 圓形筒倉類工業構筑物結構受損規律

筒倉類工業構筑物結構重心較高，體積較大，在地震影響下會產生比較大的剪力及附加彎矩，容易發生巨大破壞。貯存物料會導致筒倉內部發生循環磨損，特殊情況下可能發生粉塵爆炸，同時地質、氣候的變化都會導致其整體結構性能減弱，出現橫向裂痕、保護層剝落、材料膨脹、鋼筋生銹及混凝土表面破損（表面裂縫、板角斷裂、橫向裂縫、交叉裂縫、縱向裂縫等）現象，從而造成筒倉洞口裂縫、頂部坍塌、筒壁剪切破壞及底部支撐破壞。

結構方面，隨著時間久遠，筒倉地下基礎會發生不均勻沉降，導致上部結構傾倒或斷裂，筒倉的破壞多發生在倉底的支撐結構上；筒壁結構會出現外側局部保護層脫落、鋼筋腐蝕或折斷、混凝土內壁橫向開裂等。抗震方面，柱式支撐結構傳遞地震能力較為一般，砌體結構或鋼筋混凝土的柱支撐結構對抗震均不太有利，很容易被破壞。

4 圓形筒倉類工業構筑物改造中結構介入策略

在圓形筒倉類工業構筑物改造中，新介入結構元素在保證新舊建筑結構受力體系合理安全的同時，應滿足設計在造型表達與空間塑造的需求。通過對圓形筒倉類工業構筑物空間與結構特征、結構受損規律的分析，結合國內外相關改造案例在結構設計方面進行總結，歸納圓形筒倉類工業構筑物改造中結構介入的策略方法——加固補強、依附拓展、獨立置入、切分開洞。

4.1 加固補強

基于材料的力學特性，充分利用原結構的承載力對不同的加固補強方式進行選擇。對于該類工業構筑物的加固補強主要包括筒倉基礎的優化、倉底支撐結構的補強及倉體的結構加固（圖9）。

4.1.1 清潔灌漿重塑

對原筒倉的結構破壞部位進行清潔，使用一定強度的混凝土對受損部位進行灌漿，達到重塑的效果，加固和補強原有結構，但此改造方法是不可逆的（圖10）。

4.1.2 擴大截面

增加型鋼、鋼筋混凝土及粘結纖維等材料構件，擴大原筒倉結構的截面面積，提升結構承載力。此方法不會改變原結構受力邏輯，適用于筒倉基礎加固、筒壁配置預應力鋼絞線加固或非預應力鋼筋加固，以擴大截面實現結構補強。

4.1.3 外包材料加固

通過增加筒體外預應力直接對原筒倉結構構件進行加固補強，常見有外包鋼、碳纖維、纖維復合材料。新舊材料存在差異，可以凸顯改造的可識別性。此方法受力更為可靠、施工難度小。

4.2 依附拓展

依附拓展型結構改造是將原建筑結構與新介入結構視作一體進行協同設計，充分利用原筒倉結構的荷載能力，且新增結構應減少由于依附拓展對原結構產生附加水平側推力與豎向荷載。

4.2.1 豎向結構拓展

此方法適用于原結構豎向荷載能力較好的情況，將上部建筑作為垂直拓展的基面或拆除樓板將筒體延伸，產生新舊關聯（圖11）。豎向結構拓展中，通常新增輕質結構以避免產生更多附加荷載，如在上海藝倉美術館中，設計通過新增框架結構來支撐新的桁架，再將橫向樓板層層掛起來，一側豎向受力為上部懸吊，一側與原筒倉結構相連（圖12）。

4.2.2 水平結構拓展

筒倉內部空間高大，提高空間使用效率常用的方法是置入水平結構，使原本各自獨立的單倉建立關聯，如上海灰倉美術館（圖13）新增的懸掛結構將原結構圍合。

并列拓展結構改造是在原筒倉群一側增加新的結構體系，新舊結構通過連廊或其他中介空間建立新的連接（圖14）。此方法對原結構的結構荷載影響較小，新增鋼結構框架或大跨度體系與原有筒倉組成新的結構整體，如悉尼夏季山面粉廠的筒倉改造（圖15）。

10 水泥廠圓筒改為買手店

11 筒倉結構豎向拓展

12 上海藝倉美術館

13 上海灰倉美術館

14 筒倉結構并列拓展

15 悉尼夏季山面粉廠的筒倉改造

16 圍合型拓展

17 丹麥哥本哈根Fr?siloen 圍合型筒倉改造

18 懸挑結構

19 上海民生碼頭八萬噸筒倉改造

20 筒倉結構獨立置入

21 上海油罐藝術中心

22 筒倉結構部分置換

23 比利時“Kanaal”工業筒倉巧妙改造成公寓

24 筒倉結構切分開洞

25 非洲當代藝術博物館

26 深圳大成面粉廠

4.2.3 懸挑結構

圍合型懸挑結構是基于筒倉的特殊結構形式在外部新增圍合型結構，利用原筒倉形成懸挑支撐，組成鋼結構框架+鋼筋混凝土筒體剪力墻受力體系（圖16，17）。懸挑結構多采用增加結構支撐點或獨立懸掛的形式，對原筒倉結構影響較小，如上海民生八萬噸筒倉改造（圖18，19）。

4.3 獨立置入

4.3.1 新構嵌入

在原筒倉內部置入新的結構體系增加空間的使用效率（圖20），以獨立的結構構件支撐新結構的承重荷載，實現對原結構的加固補強。上海油罐藝術中心改造在廢棄航油罐內部置入多種內部結構，且筒體與新結構設縫脫開（圖21）。

4.3.2 部分置換

針對群倉中部分嚴重破壞的筒倉結構，可將其拆除后置入新的結構，與現狀良好的筒倉部分形成新的受力體系（圖22）。比利時卡納爾工業筒倉改造拆除中，將兩個結構情況不佳的筒倉置換成新的方形體量，新增混凝土結構體量與原筒倉結構共同組成新的混凝土核心筒結構體系（圖23）。

4.4 切分開洞

切分開洞是筒倉類工業構筑物改造中較特殊的結構改造方法，即在不影響原結構荷載的前提下對筒倉內部進行切分，通常采用鋼線切割法、蝶式切割技術等，可將各獨立筒倉內部融合（圖24）。非洲當代藝術館將原筒體筒壁作為模版，在內側澆鑄鋼筋混凝土為襯筒，高度略升高后進行頂部連接，新舊混凝土筒體間通過抗剪鋼筋連接進行力學傳遞（圖25）。此方法適用于鋼筋混凝土筒倉結構，切分開洞部分體積受限，施工難度大（圖26）。

5 圓形筒倉類工業構筑物改造中結構介入設計方法與原則

加固補強方法更多適用于圓形筒倉類工業構筑物的局部受損改造，強調對筒倉受損部位的修復及加強整體結構的荷載能力。施工技術難點集中在補強使用的新材料與原結構材料的構造交接處理，該方法通常發生在改造伊始階段。依附拓展方法在圓形筒倉類工業構筑物結構改造中應用較廣泛，技術難點在于設計需求對新增結構選型的判斷選擇。在增加內部空間的豐富度、展現特殊結構形式之美等的同時，會減弱原結構的荷載能力與抗側推力，因此改造前通常需對基礎進行加固，帶來較高的造價負擔。獨立置入方法可以為圓形筒倉類工業構筑物改造提供巨大的設計自由度，對原建筑的保護程度相對較高，適用于原空間規模相對不受限、基礎結構荷載能力較好的情況，通常會選擇相對特殊的結構形式展開。切分開洞方法是群倉類工業構筑物改造的首選改造方式，可將原本獨立的單倉進行關聯融合，但施工難度較大。

6 結語

結構介入改造設計是一種回歸建筑本體的建筑改造思路，但需視改造對象的具體情況進行判斷，靈活配合運用，平衡技術難點，選取恰當的結構改造策略。對于筒倉類工業構筑物改造來說，基于結構理性進行改造設計并非脫離對空間的思考，而是解決空間改造的技術難題。