同济大学文远楼历史保护建筑检测、鉴定与加固

■ 张克纯 Zhang Kechun

0 引言

同济大学文远楼（建筑师为黄毓麟、哈雄文，结构师为俞载道）建于1953年，是我国最早一栋典型包豪斯风格的历史文化建筑，它平面布局自由、功能流线合理、立面简洁平整，在我国现代主义建筑发展史和现代主义建筑思想的传播上具有重要的里程碑意义，隐含着重要的历史文化价值，被列为上海市优秀历史保护建筑，保护要求为三类，所有外墙立面和框架结构主体是重点保护部位，1999年获“新中国50年上海经典建筑”，并被载入《世界建筑史》（图1）。由于历史文化建筑生态节能改造与保护的需要，对文远楼进行了全面的检测、鉴定与加固处理，以确保结构安全。

1 保护要求及检测鉴定内容

1.1保护要求

文远楼的建筑结构保护要点如下：①保护建筑南侧花园绿地及老树，保持其环境特征；②保留原主要观赏建筑的开敞面，不可对建筑有大量遮蔽；③保持原建筑整体轮廓和观感；④恢复原墙面特征及颜色；⑤保留原门、窗位置、大小、颜色、材质、分隔、开启方式；⑥保护及恢复立面细部装饰图案、纹样处理；⑦保护原室内空间格局；⑧保留原建筑结构方式并展示该结构；⑨保留原室内楼梯和栏杆的细部做法，包括保留原栏杆扶手、踏步设置及水磨石面层；⑩保留原公共走道等部位的地面水磨石面层；1 1 恢复原通风口装置，外部保留混凝土隔栅，内部按老图纸恢复木构隔栅，中间恢复换气扇。外立面与框架结构主体是重点保护内容。

1.2 检测内容与方案

文远楼检测鉴定的具体内容与方案如下：①根据优秀历史建筑的检测要求，提出检测方案，并报上海市房屋质量检测中心审批；②按批准的检测方案，查勘核查实际结构与原图纸是否相符；③全面检查梁、板、柱以及墙体的裂缝、变形、蚁害以及局部损伤情况，检测混凝土保护层厚度；④采用钻芯法与超声回弹综合法，对该结构梁、板、柱的混凝土强度进行现场和实验室测试，采用超声回弹综合法、原位双砖双剪法及实验室试验相结合，检测砌体砖与砂浆的强度，用里氏硬度法检测钢筋的强度；⑤对房屋倾斜以及不均匀沉降进行现场检测，了解结构的倾斜以及不均匀沉降是否符合要求；⑥按改造前和改造后两种情况，分别对该结构进行承载能力、正常使用性能及抗震能力进行验算，对验算不符合承载力要求和现行规范要求的部位提出相应的加固处理方案；⑦根据现场检测与结构验算结果，提出文远楼检测鉴定结论；⑧报告最终应通过上海市房屋质量检测中心的技术审查。

2 房屋建筑结构概况

2.1建筑与结构概况

文远楼是典型的三层不对称错层式、现浇钢筋混凝土框架结构，建筑面积5 050m2，现为同济大学建筑与城规学院教学楼。底层层高为4.1m，二三层高均为3.9m；大阶梯教室层高10.05 m，普通阶梯教室层高5.35 m。由于该建筑年代久远，建筑材料已经发生不同程度的劣化，局部墙体已出现裂缝。房屋采用柱下条形基础，楼、屋面板的厚度均为8cm，板的钢筋直径为6～8㎜，采用分离式配筋，外墙均为黏土青砖与混合砂浆砌筑而成的框架填充墙，内墙为黏土砖墙或灰板轻质隔墙，原结构各材料强度等级不详。

2.2 生态节能改造要求

文远楼生态节能改造工程是同济大学百年校庆重点工程，也是建设部生态节能改建示范工程和上海世博会生态节能改造项目的样板工程，它是生态节能改建与优秀历史建筑保护的有机结合，在中国建筑史上尚无先例，文远楼的生态节能更新将开创此领域的先河。文远楼的生态节能更新项目要求选用地源热泵技术、太阳能及燃气补能系统、辐射吊顶技术、内遮阳节能系统、绿色材料及保温体系、屋顶花园、节能照明系统、智能控制即时展示系统、雨水收集系统、太阳能热水系统十大绿色节能技术。这些生态节能技术的实施，使得作用在原结构上的使用荷载有了不同程度的提高，这对结构的安全性能也提出了更高的要求。按照上海市优秀历史文物建筑保护条例中的要求，文远楼的外立面是重点保护部位，整个建筑的结构体系也不得改变。

3 现场勘察与检测

3.1 结构复核与损伤状况检测

3.1.1 结构复核与调查

在现场复核调查了结构布置情况，并采用测距仪、楼板测厚仪、钢筋探测仪等仪器对柱网、楼盖结构布置、构件截面尺寸、节点构造、混凝土构件配筋、围护及分隔墙等结构状况进行抽检，各部位与原设计基本相同。梁柱的主要受力钢筋为当时苏联标准的方钢，其力学性能介于现行一级钢与二级钢之间，梁柱的箍筋以及板的受力钢筋均为一级圆钢。现场调查表明，内外墙（不含轻质隔墙）的厚度、构造与原设计基本一致。轻质隔墙由于原土木工程学院在内部装修过程中有所改变，但是这些改变对原结构承载体系没有多大影响。

3.1.2 承重构件损伤情况

经现场查勘和测试，部分屋面梁存在宽0.1~0.5mm不等的裂缝，上下宽度一致，屋顶未做保温措施（图2），属于温度与收缩裂缝；部分屋面板沿短跨方向出现裂缝，但裂缝没有上下贯穿，多为沿钢筋底部的裂缝，裂缝处钢筋已出现锈蚀现象，此类裂缝对结构的承载力影响不大，仅需作灌缝处理即可，但是灌缝前需先对裂缝处已经锈蚀的钢筋作除锈处理；其它部位梁、板、柱等承重构件没有发现明显的混凝土剥落、钢筋锈蚀、钢筋外露以及混凝土裂缝等损伤情况；将浓度为1%的酚酞溶液注入凿出的孔内，用游标卡尺量得混凝土碳化深度均在6mm以上。

3.1.3 非承重构件的损坏情况

文远楼外墙和部分填充墙不同程度出现裂缝，但凿开墙体粉刷层后，未见裂缝贯穿，属于粉刷层裂缝，对结构安全没有影响，只需将裂缝部位粉刷层作修复处理即可，现场检测未发现房屋渗漏、白蚂蚁虫害等现象。

3.2 倾斜及相对不均匀沉降检测

房屋向西最大倾斜率为3.44‰，向南最大倾斜率为2.30‰，均在正常范围之内，房屋最大相对不均匀沉降值约为0.195m，西南角沉降值大，东北角沉降值小，与倾斜趋势基本相同。

3.3 材料强度检测

3.3.1 混凝土强度检测

采用超声回弹综合法对梁、板、柱混凝土强度进行综合评定，并辅以钻芯法进行修正，检测结果表明各构件混凝土强度可综合评定为C17。

3.3.2 钢筋强度检测

由于现场无法直接在构件中截取钢筋带回试验室去做钢筋材料的力学性能分析，因此此次检测过程中采用了里氏硬度法抽样检测钢筋（方钢）的抗拉强度。按照规定，以检测单体中测区抗拉强度的最小值作为钢筋抗拉强度的代表值，钢筋的屈服强度可以通过钢筋的屈强比推定，考虑到20世纪50年代方钢的强度是介于一级钢和二级钢之间，为安全起见，本工程中方钢的屈强比偏安全地取一级钢的上限或二级钢的下限0.65，以此来推断钢筋的强度标准值，从而进一步确定钢筋的强度设计值。由检测结果可以看出，该楼方钢的强度设计值最终可评定为280MPa。原结构中的圆钢按照一级钢筋（HPB235）取其强度设计值（210 MPa）。

3.3.3 砌体材料强度测试

回弹综合法测试砖强度等级约为MU7.5，用原位双砖双剪法检测了砌体抗剪强度，并换算成砂浆强度，总体上砌筑砂浆的强度可达到M2.5。

3.4 混凝土保护层厚度检测

现场检测表明梁、板、柱混凝土保护层厚度均匀，梁、柱在25mm左右，板在15mm左右，总体上符合原设计，但略低于现行规范的要求。

4 结构安全性计算分析

为了确保结构在生态节能改建后的安全使用，结构的安全性验算按照改造前不考虑抗震、改造前考虑抗震、改造后不考虑抗震、改造后考虑抗震四种情况分别进行考虑。在验算过程中，材料的强度、构件的尺寸以现场实测作为标准，各荷载的取定以现行相关规范作为基础，再根据验算分析结果，并结合文远楼的实际现状来对文远楼的安全性能进行综合评定，提出相应的加固改造建议方案。

4.1 生态节能改造前的结构计算分析

不考虑抗震时，部分梁柱的节点构造不符合现行规范中有关构造要求，但经验算，房屋在不改变现有使用功能和使用荷载的条件下，除个别梁柱稍微低于承载能力要求外，其它主要承重构件的承载能力基本上满足要求，只需对部分有初始损伤和不满足构造要求的构件做局部加固修复就可以安全地使用。

考虑7度抗震时，由于原结构没有按抗震设防，抗震构造不完全符合现行抗震规范要求，部分框架梁柱截面尺寸不满足最小构造要求，填充墙与框架没有可靠连接，梁柱的节点构造不符合现行规范规定等，结构属于典型的“强梁弱柱”。计算结果表明，在地震作用下，部分梁柱抗震配筋不足，X方向的最大层间位移角为1/242，Y方向的最大层间位移角为1/279，远远大于规范规定的位移限值，总之，在保持现有的使用功能和使用荷载不变的条件下，结构也无法满足7度抗震设防的要求，若要提高结构的抗震性能则必须进行加固处理。

4.2 生态节能改造后的结构计算分析

由于生态节能改造后，采用了10项节能改造技术和使用功能的改变，使用荷载大幅度增加，导致文远楼上部结构中部分承重构件承载能力已经不能满足要求，即使不考虑地震荷载整个结构也需要作加固处理。同时，由于改造过程中，有些部位需要增加通风井道等设施，局部楼板需要开洞，因此，需要作局部加固处理，以保证改建后结构的安全使用（图3）。

按照节能改造方案进行抗震验算的结果表明，在地震荷载作用下许多梁柱的设计配筋远远小于抗震计算要求下的配筋量，X方向的最大层间位移角为1/167，Y方向为1/227，远远超过位移限值。在经过生态节能改建后，由于局部使用功能的改变和使用荷载的增加，结构无法满足7度抗震设防的要求，若要提高结构的抗震性能则必须进行大范围的加固处理。

4.3 地基及基础承载力验算

框架柱基采用的是柱下联合条形基础，部分为柱下钢筋混凝土独立基础，部分墙体的基础是墙下条形砖基础。验算时，由于缺少原始地质资料，根据上海的土质特性，取地基承载力特征值为100kPa，经验算，该大楼地基基础在现有使用条件下满足承载力的要求。由于该楼建造已经有50多年，基础的沉降已基本完成，地基的承载力也比该楼建造初期有所增加，经过生态节能改造后，其原有的地基承载能力足以抵抗由于结构的竖向荷载增加而引起的附加荷载，生态节能改造后，地基无须作特殊的处理，地基基础可以满足改造后的承载力和变形要求。

5 加固处理方案

若按现行抗震规范对结构进行全面抗震加固，则需对其结构构件和建筑内部进行大幅度的修整，从而难以实现保护历史建筑的原有风貌和建筑特色的要求，不符合历史保护建筑加固改造的相关要求。参考国内外加固历史保护建筑的做法，经征求上海市优秀历史保护建筑检测中心技术委员会专家和节能改造专家组的建议，最后确定可在保证建筑物安全性、适用性的前提下，适当提高或改善房屋的抗震性能，对其原有构件不做重大改变，保留其原有的建筑风貌，达到保护优秀历史建筑的目的。通过对同济大学文远楼房屋进行现场检测和结构承载力验算，并结合生态节能改造的具体要求和上海市优秀历史保护建筑相关保护条例的规定，采取了如下加固方案：

（1）对于需增加屋顶花园的部位，将原来有土栽培方案变更为无土栽培（图4），减少荷载重量，对梁板采用碳纤维加固，对边柱内侧单面用高强灌浆料加大柱截面积，内植筋配筋。

（2）原160人阶梯教室屋顶需要增加太阳能系统，为了减少对原结构承载能力影响，采用钢构件架空的形式直接将太阳能系统的荷载传到框架柱上，并对相应部位的框架柱内侧单面采用高强灌浆料加大柱截面，内植配筋。

（3）其它不满足承载力要求的柱子采取高强灌浆料单面增大截面法（边柱）或四面加大截面（中柱），不具备加大截面条件的中柱，采取包钢法或黏贴碳纤维方法进行加固；对不满足承载力要求的梁用梁底黏贴碳纤维进行加固（图5）。

（4）由于在改造过程中，局部部位需要增加通风井道等设施，这些部位相应地需要进行楼板开洞，对于开洞部位的楼板四周需作加固处理。

（5）原结构墙体粉刷层裂缝只需将裂缝作适当修复处理；对于进主厅入口部位圆柱顶四周的雨蓬裂缝可以先用结构胶灌实，再用碳纤维加固。

（6）对于产生裂缝的屋面梁和板，虽为非承载力裂缝，但为了防止裂缝进一步扩展，需要对裂缝环氧树脂作灌缝处理，同时在梁、板底黏贴碳纤维对裂缝处作局部加固处理。

（7）由于该楼原设计为清水混凝土，为了减少空气对结构的侵蚀作用，对暴露在空气中的混凝土用环氧树脂自流平涂膜进行保护。

（8）对于有初始损伤或检测时钻芯取样对结构造成的局部损伤需作修复处理。

（9）为了适当提高结构的抗震性能，局部采用加大柱截面、在轻质隔墙部位增加抗震耗能支撑或增加部分剪力墙抗震等方案，并采取有效措施，加强框架填充墙与框架梁柱之间的连接作用。

6 结语

通过对同济大学文远楼进行全面调查、检测鉴定与综合分析，并按照历史保护建筑的要求，在不破坏原建筑结构的情况下，有针对性地采取了有效的加固处理措施，达到既能保护历史文化，又能满足生态节能改造要求，可为同类保护性建筑的检测、鉴定与加固处理提供有益参考。