城市更新中既有居住建筑抗震加固與節能改造研究

俞兆藩

（甘肅省建筑科學研究院（集團）有限公司，蘭州 730070）

城市更新是一種國際上普遍存在的城市改造現象，實施城市更新行動，推動城市結構調整優化和品質提升，轉變城市開發建設方式。對于全面提升城市發展質量、不斷滿足人民群眾日益增長的美好生活需要、促進經濟社會持續健康發展，具有重要而深遠的意義。大拆大建這種過度房地產化的開發模式，早已不適應新的發展形勢，取而代之的將是城市更新。我國既有建筑存量巨大，規模已經超過700 億m2，其中沒有達到節能標準的高耗能建筑至少有95%，因此，中國即將進入既有建筑節能改造的重要時期。

本文以蘭州某既有居住建筑為例，著重介紹在城市更新中既有居住建筑的抗震加固措施及節能改造相關內容。

1 項目情況

1.1 工程概況

舊住宅樓設計于1998 年，主體結構為砌體結構，層數為地上6 層；本樓各層層高為2.8 m，室內外高差0.15 m。建筑高度（主屋面）：16.95 m；建筑分類：多層居住建筑；建筑面積1 549.38 m2，該樓朝向為南北朝向；原墻體：±0.000 m 以上采用燒結多孔磚，外墻370 mm厚，內墻240 mm 厚。建筑平面布置及建筑模型軸測圖如圖1、圖2 所示。

圖1 建筑平面布置圖

圖2 建筑模型軸測圖

1.2 檢測鑒定情況

該樓建造年代較早，在改造前全面了解結構的安全性和抗震性能十分有必要，因此，建設單位委托第三方鑒定機構進行了鑒定。經鑒定，該樓地基基礎安全性評級為Bu級，上部結構安全性評級為Cu級，建筑整體評級為Csu級，即安全性不符合GB 50292—2015《民用建筑可靠性鑒定標準》[1]對Asu級的規定，顯著影響整體承載力。該樓抗震構造措施齊全，但一、二層抗震綜合能力指數小于1.0，建議在節能改造前先進行承載能力及抗震能力加固處理。

2 抗震加固

2.1 加固方法

根據GB 50702—2011《砌體結構加固設計規范》[2]和DB62/T 3159—2019《高延性混凝土應用技術標準》[3]，通常抗震加固主要采用混凝土面層或水泥砂漿面層，內配鋼筋網的加固方法，也可以采用近年推出的高延性混凝土進行加固。在結構加固設計前，為確定加固方案，小組羅列了常用的砌體結構抗震加固方法，并對不同方法的優缺點進行了對比，見表1。

表1 砌體結構抗震加固方法對比

鑒于本項目屬于居住建筑，建筑物內住戶仍然處于正常生活狀態，故工期短、施工簡便、對住戶影響小成為方案選擇的關鍵點。另外，本項目通過北京盈建科軟件股份有限公司開發的結構計算軟件分析，采用單面加固即可滿足抗震要求，因此，最終選擇高延性混凝土面層加固法進行加固處理，如圖3 所示。

圖3 1～2 層結構加固平面示意圖

2.2 砌體受壓加固

計算加固軸心受壓的砌體構件時，截面受壓承載力按下式驗算

式中：N 為構件加固后的軸心壓力設計值；φcom為軸心受壓構件的穩定系數；fm0為原構件砌體抗壓強度設計值；Am0為原構件截面面積；αd為高延性混凝土強度利用系數；Ad為新增高延性混凝土面層的截面面積；αs為鋼筋強度利用系數；f′y為新增豎向鋼筋抗壓強度設計值；A′s為新增受壓區豎向鋼筋截面面積。

2.3 砌體抗震加固

計算加固后砌體墻的抗震受剪承載力應符合下列條件

式中：VE為考慮地震組合的墻體剪力設計值；VME為原砌體截面抗震受剪承載力；Vd為采用高延性混凝土面層后墻體受剪承載力提高值；γRE為承載力抗震調整系數。

2.4 加固后砌體結構抗震能力計算

計算加固后的樓層和墻段的綜合抗震能力指數可按下式計算

式中：βs為加固后樓層或墻段的綜合抗震能力指數；η為加固增強系數；β0為樓層或墻段原有的抗震能力指數；ψ1、ψ2為體系影響系數和局部影響系數。

2.5 高延性混凝土施工要點及質量驗收

2.5.1 施工要點

①施工時要鏟除原墻抹灰至結構面層，清除殘灰后，澆水潤濕墻面。②為增強加固面層與原結構的粘接力，提高與原墻體的協同工作能力，可采用高延性混凝土嵌縫或高延性混凝土抗剪鍵，并且在墻面涂刷膠質界面劑。③高延性混凝土面層在轉角處應連續施工，不得在轉角處留施工冷縫。④高延性混凝土面層在壓抹收平后的半天以內開始保濕養護，時間至少7 d 以上，冬季施工時應有可靠的保溫措施。

2.5.2 質量驗收

施工質量驗收應按檢驗批進行，著重檢查高延性混凝土材料力學性能、加固面層與加固構件的結合面粘結質量、加固面層厚度和加固面層表面平整度等。

3 節能改造

3.1 節能改造方案

蘭州市屬于寒冷地區，在以往老舊小區節能改造中，對于既有居住建筑，主要從外墻保溫、屋面保溫及更換窗戶這幾方面入手。項目由于建造年代較早，外墻和屋面均未安裝保溫材料。因此，本次節能改造圍護結構中外墻保溫材料采用70 mm 熱固性改性聚苯保溫板[4]，可將外墻傳熱系數K 值由原來的0.959 降低至0.432；樓梯間內墻采用80 mm 鋼絲網復合巖棉板，可將外墻傳熱系數K 值由原來的1.258 降低至0.445；屋面采用90 mm 熱固性改性聚苯保溫板，可將外墻傳熱系數K 值由原來的0.812 降低至0.349。

節能分析采用DeST-h[5]，該軟件由清華大學建筑技術科學系研制開發，是集成于Auto CAD 上的面向住宅類建筑的設計、性能預測及評估的模擬計算軟件。

3.2 參數設定

3.2.1 氣象參數設定

根據DeST-h 軟件地理信息數據庫獲取蘭州市地理位置基本信息和蘭州市采暖期度日數和度小時數。當地太陽時日照陰影分析如圖4 所示。

圖4 當地太陽時日照陰影分析圖

3.2.2 房間功能設定

住宅樓房間功能設置為臥室、起居室、空房間3種。區別在于空房間設置為不安裝空調的房間，其余2種均為空調房。空房間還包括廚房及洗手間等。

在DeST-h 中有多種房間類型可供選擇。不同房間對應不同的情況，最終影響房間最終的負荷，主要表現在人員、燈光、設備及系統等。

房間內擾即不同影響因素對室內熱量的作用情況，體現在設備發熱、人員活動情況、空調系統開閉時間及溫度等方面。上述因素均會對自然室溫以及房間負荷的計算產生影響。在模擬分析中空調系統、人員及燈光的影響均需考慮，但室內家具家電對熱量的影響可不考慮，其影響系數取1.0。

3.3 模型計算及結果分析

對改造前、后的模型進行建筑室溫計算及住宅負荷分析，在計算過程中，采暖季設定為十一月中旬到三月中旬；空調季為六月初到八月末，同時將太陽遮擋的作用也計入其中。

計算出整個模型3 個對比對象的相關節能指標，3個對比對象為房間、系統和整個建筑。

根據建筑節能相關規定需計算改造前后的節能率，且節能率需達到規范要求。節能率計算公式為

式中：Qq為采用節能技術前的建筑能耗；Qh為采用節能技術后的建筑能耗。

R-A、R-B 表示改造前、后的房間編碼；S-A、S-B表示改造前、后系統選擇與房間相對應的空調系統。對比指標：①房間的自然室溫度小時數；②采暖季最大熱負荷和空調季冷負荷；③供暖季能耗；④空調季能耗；⑤全年能耗。

3.3.1 自然室溫度小時數對比

一年中，室內小時平均溫度介于某個溫度范圍之內的總小時數，稱為介于這個溫度范圍之內的自然室溫度小時數。自然室溫度小時數可以間接反映圍護結構的保溫性能。介于16～29 ℃之間度小時數越多，說明圍護結構的保溫性能越好[6]。房間R-A 和R-B 全年自然室溫的度小時數見表2。

表2 房間R-A 和R-B 全年自然室溫的度小時數

房間R-A 介于16～29 ℃之間的度小時數比R-B多了288 h，說明一體化改造后圍護結構保溫性能有所改善。

3.3.2 熱負荷對比

從表3 可以看出房間R-B 在整個采暖季累計熱負荷比房間R-A 減少了9.79 W/m2，節能率為65.5%，滿足節能標準65%的要求。

表3 房間R-A 和R-B 在整個采暖季的能耗情況

3.3.3 系統能耗對比

從表4 中可以看出，系統S-A 在整個采暖季累計能耗比系統S-B 減少了13.59 kW·h/m2，節能率為65.7%，滿足節能標準65%的要求。

表4 系統S-A 和S-B 在整個采暖季的能耗情況

3.3.4 建筑能耗對比分析

從表5 中可以看出，住宅樓改造前后的全年累計熱負荷分別為88 356.39、28 680.65 kW·h，其差值為59 675.74 kW·h，節能率為67.54%，達到了國家要求的標準。

3.3.5 系統能耗對比

自然室溫是建筑在沒有采暖和空調條件下的室溫，本文分別選取住宅樓4 層西北角的臥室，改造前的房間設為R4-A，改造后的代號設為R4-B 對1 月份的房間溫度進行統計并分析。由圖5 可知室內自然溫度比節能改造前平均提高5 ℃，最高提高7 ℃，總體來看改造后對室內熱環境提高效果較為顯著。

圖5 房間改造前后溫度曲線

表5 住宅樓一體化改造前后能耗模擬結果

4 結束語

蘭州市屬于高烈度、寒冷地區，在城市更新中，不能只關注既有居住建筑的節能改造或抗震加固某一方面，需要進行一體化研究。通過工程實例可得出如下結論。

1）在既有居住建筑改造提升中，將抗震加固與節能改造合并考慮，以避免重復工作，減少施工對環境的影響，同時，也可降低施工成本，節約建筑資源。

2）在既有居住建筑抗震加固中，傳統方法和新材料之間的施工優缺點區分明顯，而建筑物也是一棟一個特點，因此在設計時，可根據施工便捷性、施工造價、施工對周邊環境影響情況等多方面進行選擇，讓設計在城市更新中發揮應有的作用。

3）節能改造后，既有居住建筑可滿足節能標準65%的要求，這對于建筑節能降耗減碳有十分重要的意義，也為助推雙碳戰略的實施作出了切實的貢獻。