城市更新中歷史建筑的改造及加固設計研究

何天森，王瑞，張錦驍

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海 200092）

1 引言

隨著我國經濟社會發展，城市中出現了越來越多的歷史與文保建筑。歷史與文保建筑凝結了一座城市的歷史，他們的保護與更新對于城市而言有重要的經濟與文化效益。隨著產業的轉移和更新，這些既有建筑面臨著城市更新以及功能更新的需要，需要對它們進行改造加固[1]。

2 改造加固策略

隨著社會的發展需求，對既有建筑進行抗震鑒定及加固改造的工程項目越來越多。歷史建筑不同于普通的建筑，常規的建筑結構加固方法在用于歷史與文保建筑修繕時受到了諸多限制。因此，有必要對歷史建筑更新中結構加固設計問題做系統性的總結與研究。

一般而言，結構抗震加固方法可分為直接加固法和間接加固法[2]。直接加固法主要有加大截面、外包型鋼、粘貼鋼板及粘貼纖維復合材等加方法；間接加固法主要有改變結構體系、隔震及消能減震等加固方法。直接加固法一般針對結構構件進行加固，用以提高局部構件的承載力，解決構件承載力不足的問題；間接加固法是從提高結構的整體抗震性能出發，采取有效的加固措施，提高整體結構的抗震性能，或采取減震的措施降低地震作用對結構的影響，滿足包括規則性、強度、剛度、延性以及多道設防等各項要求[3]。

采取什么樣的加固方法，應視具體的工程特點，應根據項目的檢測鑒定的結果進行針對性的考慮，綜合各個因素采取合適的加固方法進行加固[4]。

3 煙草卷煙廠的修繕改造設計

3.1 項目概況

該項目地處上海市楊浦區，項目建筑單體最早為英國設計公司設計的原英美煙公司的發酵室與倉庫，建于1931年，最初設計時的建筑功能定為煙葉初加工車間。建筑為3層框架式結構，建筑面積為13 559 m2，建筑總高度為17.02 m。

本次改造將按照20世紀30年代的原建筑風格，以修舊如舊的原則完成，要恢復原建筑的歷史特色和面貌，同時對內部結構進行修繕，修復局部結構損壞部分、漏水的部位，并將最終功能定位為結構荷載要求更小的辦公建筑，作為企業品牌展示中心使用。

3.2 結構現狀

根據現場以及房屋的檢測報告，該建筑主要存在以下損傷現狀：

1）鋼筋混凝土梁、板構件出現不同程度的鐵脹和銹蝕現象，主要以屋面板和3層板底最為明顯，部分粉刷層及保護層脫落處，鋼筋已明顯銹蝕；

2）鋼筋混凝土梁、板構件存在不同程度的開裂現象，主要集中在南側2層、3層及屋面梁梁底及板底，從裂縫性狀分析，主要為承載不足引起的裂縫；

3）屋面存在不同程度的滲水現象，南側部分、連廊及北側部分屋面均存在滲水現象；

4）混凝土強度值較低，推定為C12；

5）鋼筋混凝土構件的碳化深度均超過保護層厚度，混凝土表面碳化情況較嚴重。

3.3 結構加固設計方案

根據整體結構計算的指標結果，結構整體剛度偏小，層間位移偏大，此外，在地震作用下的偶然偏小也比較大，因此，加固方案的確定需要提高結構的整體剛度，又要避免結構加固對原結構造成二次損傷，避免結構加固造成受力集中，提升整體的抗震設防能力，以及提升結構的整體耐久性[5]。

根據兩種加固方案的對比，即加大截面法加固框架、外包鋼加固框架與屈曲約束支撐組合兩種結構方案[6]。支撐方案中采取消能減震的屈曲約束支撐，并避免結構抗側剛度過于集中[7]。

根據結構方案對比，可以發現：

1）增設屈曲約束支撐后，相比傳統增大截面的方式，節省了大約410 t的混凝土用量。減少了大量模板工程和現場作業度。

2）結構X、Y方向層間位移角較增大截面法更小，對于結構的抗側剛度貢獻更大。

3）通過支撐的合理布置結構的抗扭剛度增強，周期比減小。

4）針對外包鋼加固框架與屈曲約束支撐組合方案進行了大震分析，發現在大震下大部分屈曲約束支撐構件先屈服，少量梁柱屈服，構件屈服順序為支撐—框梁—框柱機制時合理，塑性鉸首先出現在支撐上，隨后是框架梁出現塑性鉸，說明整個結構體系屈服機制合理。在大震下的彈塑性層間位移角為1/94，滿足規范要求，確保大震不倒的抗震設防標準[8]。

綜合考慮結構加固方案的合理性以及現場實施的可行性，最終選擇以外包鋼+防屈曲支撐加固的方案，減少現場濕作業，縮短工期，提高原結構的抗震能力。

3.4 結構構件的加固

對于梁柱構件，不滿足計算結果的情況，采取外包鋼的加固方式，外包鋼加固均采用Q235B鋼板及型鋼。

梁柱外包鋼加固的重點是，加固角鋼及鋼板在梁柱節點和柱腳的錨固，為了保證加固受力的連續性，以及荷載傳遞的可靠性，需要保證節點的連續和錨固的有效性。

3.5 耐久性的提升

根據檢測報告，原結構存在較為普遍的混凝土裂縫、鋼筋銹蝕及混凝土表面碳化現象，設計中進行了針對性的修復，以提高結構的耐久性。

由于構件修復與保養以隔絕空氣為主要出發點，同時剔除已受損部位，為了阻斷混凝土老化的進一步加劇，應對混凝土構件進行必要的保養防護，主要做法為在混凝土表面涂刷鋼筋阻銹劑，以便封閉混凝土內的微孔，阻斷空氣對混凝土本身及內部鋼筋的腐蝕。

4 新泰倉庫的修繕改造設計

4.1 項目概況

新泰倉庫位于上海市閘北區蘇河灣地區，新泰路57號，為上海市第四批優秀保護建筑，保護類別為三類，建于1920年，為3層磚、木混合結構，建筑面積約6 100 m2，修繕后擬用為創意辦公。根據客戶的要求，在建筑保護的基礎上對該歷史建筑進行修繕、更新。設計手段以修復為主，同時融入當代的設計細節和現代化的設施。賦予建筑新的生命，以打造蘇河灣沿岸標志性歷史保護建筑。

4.2 結構現狀

根據現場以及房屋的檢測報告，該建筑主要存在如下問題：

1）房屋采用磚墻、磚柱、木柱、木樓（屋）蓋混合承重的典型磚木結構，木樓蓋采用現有少存的橫向多跨連續木梁結構、縱向等間距木擱柵體系，整體抗震性能不佳，但代表了20世紀30年代磚木結構的設計水平，具有保留和保護價值。

2）房屋磚墻均采用黏土砂漿及青磚砌筑，砂漿強度評定值為M1.2，青磚強度評定值為MU7.5。房屋后加磚柱采用混合砂漿和紅磚砌筑，強度評定值為M10，紅磚強度評定值為MU10；后加混凝強度評定值為C15。

3）房屋多數木構件均存在縱向開裂，為材料干縮所致；少數木構件出現破損、脫皮等現象。部分墻面出現斜裂縫，部分墻面出現不規則裂縫、粉刷層剝落等現象，為材料收縮所致；部分墻面出現滲水霉變現象；房屋部分木樓（屋）面板腐蝕、水漬等。

4）計算結果表明，在改造后的未來使用荷載作用下，房屋一層門窗洞口間外墻及各層內墻加設窗戶處墻段大部分不能滿足豎向承載力要求，需做必要的加固處理，其余結構滿足承載力的計算要求。考慮到多數木構件存在縱向干縮裂縫，需采取必要措施進行修復加固處理。

5）房屋原設計未考慮抗震設防，房屋各層縱橫向墻段綜合抗震能力指數均小于1.0，即其抗震性能綜合評定為不能滿足國家標準GB 50023—2009《建筑抗震鑒定標準》對A類建筑、后續使用年限30年的要求。

4.3 結構修繕加固設計方案

4.3.1 主體結構加固設計1）磚墻、壁柱加固

本工程磚墻、壁柱加固將提高原有構件的承載力，滿足其豎向承載力的要求，在不影響保護目的的前提下，同時改善其抗震性能，磚墻壁柱加固主要包括：對存在裂縫的磚墻，采用壓力灌漿方法進行加固；對原建筑內墻采用雙側聚合物砂漿鋼絲網片加固；對原建筑外墻采用增設混凝土壁柱加固；門窗洞口進行周邊補強。

2）樓面結構加固

本工程樓板加固是為了修復木樓板，因為腐蝕木樓板的強度已削弱，其主要加固措施包括：對因為蟲害或腐蝕損壞嚴重的木樓板構件進行替換；木格柵不宜替換，而是采取相應的加固處理；所有替換或者新建樓面構件均滿足按現行設計規范的承載力驗算要求進行。

3）木構件加固

對原建筑開裂木柱外加鋼箍加固；對開裂木構件節點外加剛夾板加固；對腐蝕嚴重的木構件進行替換；原屋面損壞木望板拆除后替換；霉變及蟲蛀木構件采用防腐及防蟲藥物處理；對屋架增設側向支撐。

4）抗震構造措施

本工程增加抗震構造措施，在房屋整體結構抗震承載力滿足計算要求的前提下，通過增加抗震構造措施改善房屋整體結構的抗震性能。

4.3.2 屋架加固設計

利用SAP2000軟件，選取15.8 m和13.5 m兩個跨度的典型性屋架進行計算分析，可得屋面桁架下弦桿應力較大，承載力不足，下弦桿通長設置鋼夾板加固并與節點加固鋼夾板貫通處理。其他受壓木構件雖應力滿足要求，但對于局部開裂位置，需進行構造性加固，采用鋼箍板（鋼圍套）加固。

4.3.3 結構耐久性修繕方案

1）對木構件進行防腐和防蟲藥品處理。

2）對加固用的鐵構件進行相應的除銹工作，并重涂防腐涂料。

5 技能博物館的修繕改造設計

5.1 項目概況

技能博物館位于上海市楊樹浦路1578號，舊稱永安棧房，建筑主體建成于20世紀20年代，是由英商洋行負責整體規劃設計。原永安棧房分為東、西兩對稱建筑單體，本次改建主要針對建筑西側部分單體，屬于上海市第三批全國文物普查不可移動文物，結構為4層，主體1～3層為鋼筋混凝土板柱結構，4層為鋼筋混凝土框架結構。此次修繕改造工程旨在修繕現有建筑以保留其歷史遺產風貌的同時，在此基礎上，將永安棧房改造成世界技能博物館。

5.2 結構現狀

根據現場勘察以及房屋的檢測報告，該建筑主要存在以下如下問題：

1）結構體系上，根據現行抗震規范要求，抗震設防區不允許采用板柱結構體系，結構整體抗側剛度和抗震性能較差。

2）構件承載能力方面，2～4層邊梁梁面無配筋，梁底配筋不滿足計算要求。2～4層邊跨柱上板帶跨中配筋不滿足計算要求，邊跨跨中板帶跨中配筋不滿足計算要求。3層角柱、4層邊柱和角柱承載力不滿足；屋面層主梁縱筋和箍筋和次梁縱筋不滿足要求。

3）構件構造措施不足，通過復核柱截面的板底鋼筋總面積、框架梁、框架柱配筋，發現部分構件的構造要求、填充墻拉結構造措施等方面存在抗震構造措施的不足。

4）部分構件存在老化、損傷，外墻區域混凝土構件和室內柱和樓板等多處存在保護層脫落、鋼筋銹蝕、滲水、發霉、樓板開裂、墻體開裂、柱帽及托板裂縫等結構構件耐久性問題。

5.3 結構修繕加固設計方案

1）整體結構體系修繕加固。通過結合建筑樓梯的設置，新植入8個核心筒，形成板柱-抗震墻結構體系以提高結構抗震性能。

2）2～4 層邊梁梁面無配筋，梁底配筋不滿足計算要求。結合各層室內樓面架空層高度，在不破壞外立面的前提下對2～4層邊梁進行增大截面加固。

3）2～4 層邊跨柱上板帶跨中配筋不滿足計算要求，邊跨跨中板帶跨中配筋不滿足計算要求。按改造后荷載要求復核結果，局部邊跨板底配筋不足處及局部荷載較大處，采用板底粘貼碳纖維布方式進行結構補強。

4）板柱結構樓板沖切驗算。針對樓板開洞及樓面為無梁樓蓋問題，對樓板進行了局部的精細有限元分析，分析采用SAP 2000進行，驗算結果均滿足樓蓋的沖切要求。

5）屋面層主梁縱筋和箍筋及次梁縱筋不滿足要求，改造后原屋面改為不上人屋面，屋面活荷載均通過新增鋼架傳遞至豎向構件。考慮屋面板的有利作用、屋面荷載的減小后進行復核，屋面主次梁縱筋配置可基本滿足要求，對局部配筋不足的，采用增大截面法進行加固。

考慮到原屋面主梁箍筋未通長配置，與現行規范構造要求差別較大，對屋面主梁采用碳纖維布進行斜截面加固。

對其他梁柱構件，抗震構造措施不足進行針對性補強。

6 結論

對于歷史建筑，由于在新的時代下的城市更新以及功能更新的需要，需要進行整體改造或加固設計。

歷史保護建筑的修繕原真性，以真實、全面地保存并延續其歷史信息及全部價值為目的。除了原真性原則外，在歷史保護建筑設計中還應該遵循完整性原則、最小干預原則、可識別性原則和可逆性原則等[9]。考慮到房屋的結構現狀和建筑的文物特點，修繕加固設計需遵循如下原則：

1）盡量保護原有的結構體系，注意結構加固與原有結構形式和結構體系的關系，加強整體性、改善構件的受力狀況、提高綜合抗震能力。

2）滿足業主的使用要求，確保使用荷載作用下的結構安全，結構構件在使用荷載作用下的強度驗算滿足現行規范，對強度不足的構件進行加固，并適當留有余地。

3）加固或新增構件的布置，應消除或減少不利因素，防止局部加強導致結構剛度或強度突變、盡量少損傷原結構，并保留具有利用價值的結構構件，盡量利用原有結構的承載能力，避免不必要的拆除或更換。

4）加固方法以傳統成熟技術為主，確保加固設計安全、可靠、經濟。

經過加固后的歷史建筑，可以滿足城市更新以及功能更新的需要，同時又最小幅度改變原歷史建筑的特色結構體系。