某优秀历史建筑改造加固实例分析

白永莉 樊跟牛

(1.中国建筑设计咨询公司，北京 100120;2.北京金港机场建设有限责任公司，北京 100000)

一个城市的建筑，记录着城市发展的沧桑岁月。其中，那些标志着当时文化和科学水准，或者具有特殊人文意义的历史建筑，会使人们看到城市绵延不断的历史，同时，也使一个城市永远焕发着魅力和光彩。采用科学合理可靠的方法对优秀历史建筑进行鉴定和加固是一项系统工程，具有重要的实际意义。本文以某优秀历史建筑鉴定与加固技术为工程背景，深入研究优秀历史建筑的安全性评估技术和修缮加固技术，不仅具有较强的理论意义，而且具有显著的经济效益和社会效益，对指导类似工程具有重要意义。

1 工程概况

该优秀历史建筑在简洁中合理运筹各项功能，建筑面积约5 050 m2，用作办公楼。该楼建筑平面近似“H”形，主体为3层混凝土框架结构，主体结构底层层高4.1 m，其余均为3.9 m;建筑原主体结构共分为五大结构分区(A，B，C，D，E)，各结构分区间设有沉降缝，各分区之间的上部结构与基础都相对独立，基础采用柱下钢筋混凝土条形基础，除A区外，底层的各地面架空层采用水泥砂浆砌短砖柱，短柱上架预制钢筋混凝土梁，该区域地面架空层结构与主体结构分开，A区的底层阶梯下的柱子采用现浇钢筋混凝土短柱，现浇钢筋混凝土梁一部分支撑在短柱上，一部分支撑在主体结构的折形连梁上。楼、屋面板为80 mm厚现浇板，板采用直径6 mm～8 mm分离式配筋，原结构材料强度均不详，主体结构分区如图1所示。

图1 主体结构分区

现该建筑需进行生态节能改造，需增加屋顶花园，部分房间功能的改变，都会使原结构所承受荷载增加，从而使部分结构构件在改造后不能够满足承载力的要求而需要加固，同时，该建筑使用年限已超过50年，使用过程中各种材料都会存在不同程度老化，材料强度一般都会变低，部分墙体粉刷层以及顶层的屋面梁还出现了裂缝。考虑到在改造过程中需要增设通风井道，这种情况下局部楼板需要开孔，开孔部位也需要进行加固处理。

综合考虑上述各种因素，应对结构进行适当妥善的加固修缮处理，以确保该优秀历史建筑顺利改造，并保证改造后安全使用。

2 现场检测情况与结果

经过现场勘查发现，该建筑主要存在如下问题:被抽查结构构件配筋和保护层厚度总体上符合原设计要求，但保护层厚度略低于现行规范的规定要求;部分雨篷有微小裂缝;C区所有的屋面框架主梁以及部分屋面梁梁底都产生了不同程度的裂缝，缝宽在0.1 mm～0.5 mm不等;C区范围内的部分屋面板板底沿短跨方向出现裂缝，但裂缝沿整个截面高度范围内没有贯穿，主要是由于屋面板板底的钢筋锈蚀引起，通过现场开凿裂缝，发现裂缝处均有钢筋，裂缝部位的钢筋已经有锈蚀现象;C区的屋面板的钢筋局部有外露且锈蚀的现象;其他区域的屋面板以及其他楼层的楼板未见混凝土剥落、钢筋外露、钢筋锈蚀及混凝土裂缝等损伤现象;个别柱子的牛腿发生混凝土剥落以及个别屋面梁存在钢筋外露与孔洞现象;混凝土碳化深度检测结果显示，混凝土结构构件碳化深度较深均在6 mm以上，部分填充墙出现不同程度裂缝，但是凿开墙体粉刷层后未见砌体裂缝贯穿。

现场采用光学经纬仪进行测量，该建筑南北方向向北的最大倾斜率为3.5%，东西方向向东最大倾斜率为2.3%，均在正常范围之内。主楼结构构件的实际截面尺寸与结构布置情况与原设计基本吻合，被抽查结构构件的配筋和保护层的厚度基本符合原设计的要求，但是保护层厚度略低于现行规范的规定要求。现场测试混凝土结构构件碳化深度均在6 mm以上，采用回弹法与钻芯修正法进行测试，推定混凝土强度等级为C17，采用里氏硬度法推定钢筋强度250 MPa，满足原设计要求。

3 加固改造设计方案选择

3.1 加固改造原因与要求

通过本文第一章介绍，该建筑改造过程中荷载增加，使用年限已超过50年，材料老化强度下降，墙体粉刷层和屋面梁出现裂缝，局部钢筋裸露。原设计未考虑抗震设防，抗震性能较差，在改造过程中需要增设通风井道，局部楼板需要开孔，开孔部位也需要进行加固处理。综合考虑上述各种因素，应对结构进行适当妥善的加固修缮处理，以确保该优秀历史建筑顺利改造，并保证改造后安全使用。改造更新设计力图做到不破坏原有建筑形式和结构体系，继承和延续原历史建筑精神与内涵，在当代技术、文化背景下探讨现代主义理念的表达，力求做到简洁和高效、美观和经济、文化传承与生态环保的统一。

3.2 加固改造计算分析

由于建筑进行改造过程中，荷载有所增加，因此，根据建筑的现状，按照国家标准GB 50009-2001建筑结构荷载规范(2006年版)的规定，分别考虑改造前后正常使用极限状态还是承载力极限状态进行验算。

验算时，材料强度根据现场检测结果取为:混凝土强度等级按实测取为C17;粘土实心砖按照实测取为MU7.5;砌筑砂浆强度根据实测取为M2.5;原结构中的圆钢按照Ⅰ级钢筋其强度设计值，原结构中方钢的强度设计值按照现场实测取280 MPa。构件截面尺寸按照设计取值，抗震验算时按GB 50011-2010建筑抗震设计规范抗震设防考虑，采用PKPM软件对该建筑进行结构验算。

经验算，建筑在现使用情况下，上部结构承载力均满足要求，可以安全地使用。但考虑地震作用后，部分柱子实际配筋小于抗震计算要求配筋量，X方向最大层间位移角为1/242，Y方向的最大层间位移角为1/279，超过规范限值。建筑结构极限承载力无法满足要求，但可以采取适当的加固措施来提高结构的承载能力。原设计未考虑抗震设防的要求，抗震构造措施不符合现行规范要求，如框架梁柱截面尺寸偏小，配筋率偏小，填充墙，墙体砌筑砂浆强度不符合抗震标准规定等，结构属于典型的“强梁弱柱”。

3.3 方案选择

如果按照现行规范要求，建筑需进行大规模改造，极有可能破坏建筑的原貌。参考国内外优秀历史建筑修缮改造做法，多是在保证建筑物安全性、适用性前提下，对其原有构件不做重大改变适当提高其承载力，保留其原有的建筑风貌，达到保护优秀历史建筑的目的。因此，在进行方案选择时，不仅要考虑承载力的要求，还要考虑抗震构造措施，使得加固后结构的承载力和抗震性能都有所提高。

为保证该结构顺利改造并保证修缮改造后的安全使用，提出如下加固处理方案:

1)对于需增加屋顶花园的部位，由于屋顶花园的恒载与活载都较大，而原结构相应位置处的梁板截面的尺寸较小，而且配筋又较少，因此需要加固。

建议方案一:增设钢结构架空层，钢结构架空层的支点直接作用在原结构的框架柱顶上，屋顶花园上的所有荷载直接作用在架空层上，再由架空层传到柱子及基础;该区域的框架柱建议采用单面(边柱内面)加大柱截面或湿式外包钢的方法进行加固。但是这种加固方案需要相应抬高屋顶花园的标高，钢结构部分的防腐处理和后期维护比较麻烦，造价比较高。建议方案二:反梁复合加固法。在梁的上部增加截面高度250 mm～300 mm左右，再在梁面现浇60 mm～80 mm厚的钢筋混凝土架空层;梁底用碳纤维和角钢复合加固;柱子的处理与方案一相同。该方案需要抬高屋顶的标高，但是室内净空影响不大，后期维护费用少;

2)中部(原结构C区)三楼屋面增加屋顶花园的部位在原屋面板上整浇一层现浇混凝土板或在板底粘贴钢、碳纤维等材料进行加固;承载力不满足要求的柱可以采取单面增大截面法、湿式外包角钢法或粘贴碳纤维的方法进行加固;对于C区通风井处各层柱建议采用增大截面法加固，此法还可以提高结构的整体抗震能力;其他不满足要求的梁可以采用粘贴碳纤维或粘贴钢板的方法进行加固;

3)在改造过程中局部部位需要增加通风井道等设施进行楼板开洞，对于不超过300 mm的洞口采用粘贴钢板或碳纤维的方法进行加固，超过300 mm的洞口建议增加钢梁加固;

4)原结构墙体粉刷层裂缝只需做修缮处理即可，对于进主厅入口部位圆柱顶四周的雨篷混凝土裂缝可以先用结构胶灌实，再粘贴钢板或碳纤维;对于原结构C区屋面梁裂缝，虽为非受力裂缝，但为防止进一步扩展，建议对裂缝作灌缝处理，并在局部粘贴钢板或碳纤维;

5)由于原设计中未考虑抗震设防的要求，构造措施不符合现行规范要求，在本次改建过程中，可以在原有结构的基础上适当提高该建筑的抗震性能，如可以增大柱截面，在轻质隔墙部位增加抗震耗能支撑或增加部分剪力墙，加强框架填充墙与框架梁柱之间的连接作用等;

6)由于建筑建造年代久远，建议对裸露混凝土表面进行粉刷处理或涂刷其他具有保护作用的涂层，再进行修复。

处理方案1)提出的两种建议方案均需要抬高屋顶的标高，对于原结构的改动较大，对于该历史建筑的原有风貌有比较大的影响，且方案一由于采用钢结构加固，其后期维护和防腐处理比较麻烦，造价也较高，不适合采用。

4 结语

优秀历史建筑加固方案的选择十分重要。加固方案的优劣，不仅影响资金的投入，更重要的是影响加固质量。合理的加固方案应该达到加固效果好，对使用功能影响小，技术可靠，施工简便，经济合理，外观整齐。本文对某优秀历史建筑现场检测情况、计算分析和加固方案选择，得出如下结论:

1)优秀历史建筑改造工程中，需要尽量避免变动建筑原有的外貌，在满足委托方所提出的改造要求和现行国家规范的前提下，选择相对更合理、经济、安全的结构加固方案，这不同于普通建筑的改建与扩建。

2)尽管按照本加固方案加固后的优秀历史建筑抗震验算依然无法满足现行抗震规范的要求，但是，对于优秀历史建筑而言，基于其自身的特点，在保证建筑物历史文化底蕴和安全使用的前提下，保持其原有结构体系不变，适当提高其抗震承载能力，达到保护优秀历史建筑的目的。

3)通过本实例涉及到的现场检测情况、计算分析和加固方案选择的总结，能够指导同类工程的设计和施工。

［1］ JGJ 120-99，建筑基坑支护技术规程［S］.

［2］ 卫龙武，吕志涛，郭 彤.建筑物评估加固与改造［M］.第2版.南京：江苏科学技术出版社，2006.

［3］ 唐业清，万墨林.建筑物改造与病害处理［M］.北京：中国建筑工业出版社，2000.

［4］ 唐岱新，王凤来.土木工程结构检测鉴定与加固改造新进展及工程实例［M］.北京：中国建材工业出版社，2006.