历史建筑保护修缮中的技术创新——以上海美丰洋行历史建筑保留外墙改造为例

蔡颖佶

（上海建为历保科技股份有限公司，上海 200120）

1 背景介绍

近30年来城市化的快速发展造成大量有价值的历史街区成片消失、历史建筑彻底拆除。近年来城市化进程也逐渐向城市更新方向转移，对既有建筑合理的改造利用成为城市可持续发展的重要方向，历史建筑的活化利用成为建筑工程领域新的课题。但不可否认的是，从实用的角度出发，除了保存较好的优秀历史建筑、文物建筑之外，更多的历史建筑残存的价值降低、现状堪忧。原因是多方面的，如建造时间久远，历经数十年乃至近百年的过度使用，功能结构多次改变造成损毁过大，又如年久失修、结构安全性下降、内部设施陈旧等原因已无法满足现代化功能的使用等等[1]。而价值降低的历史建筑往往得不到有效保护，以往不少国内外城市及地区都有此类反面教材。

在当今大规模城市更新的时代背景下，人们越来越认识到，城市的发展不应该以隔断城市的文脉为代价，应该寻求一个合理的平衡点，历史建筑的残余价值也日益受到重视。上海的保护观念从“拆、改、留”到“留、改、拆”，采用以保留保护为主的创新工作方法。尊重每个改造案例的独特性，尊重历史还原真实的历史风貌环境，以便延续城市文脉、激发城市活力，实现城市面貌有序、有价值的新陈代谢。

而对那些整体保留价值不大但对街巷空间的历史环境塑造起重要作用或者承载有人们久远历史回忆的历史建筑来说，现在也摆脱了以往只能被拆除的命运——采用技术协同创新的手段，一是将历史建筑有价值的外墙修缮保留，恢复其原有肌理和质感。二是在原有的场所空间营造更新的结构体系并重置建筑功能要求。在满足城市更新的需求下，有效地保持沿街风貌在近人尺度上无可复制的历史氛围，保留原有的沧桑感的城市肌理[2]。

2 创新思维的应用

习近平总书记在2013年3月6日指出：“要突破自身发展瓶颈、解决深层次矛盾和问题，根本出路就在于创新，关键要靠科技力量。中国未来发展的出路——创新。”

创新是一个价值实现的过程，通常分为5个部分：即问题解析（需求分析）→提出创新方案（创意分析）→形成创新方案（小试、中试）→实施创新方案（商业化、实现价值）→评价创新方案（过程分析）。经济学家熊彼特J.Schumpeter将创新分为产品创新、工艺创新、市场创新、生产要素创新、组织创新5个类型。

在历史建筑保护修缮的细分领域，创新往往体现在工艺创新也就是生产方法创新，即新产品、新过程、新系统和新服务的首次商业性转化。这可以是一个跨界整合的过程overcross，或者说结合其他领域的技术“拿来主义”以形成协同创新，在前人发现或发明的基础上，创造性地提出新的发现、发明和新的改进、革新方案，最终寻求到一种有效的对策，解决城市更新中历史风貌的保护的与城市发展的需求之间的矛盾，例如原用于船舶技术的三维激光扫描技术用于历史建筑保护领域的原始信息数据采集。

根据著名的创新理论奥斯本检核表法和阿奇舒勒的TRIZ方法导论可知：解决创新问题、实施技术创新的过程基本是发现问题——找出解决问题的方法——解决问题的方案。而历史建筑保护修缮的专业特性以及专家评审会的方式，也恰巧与创新方法中团队应用六顶思考帽的方式不谋而合（表1）。

表1 六顶帽子法的创新方法

创新方法中使用6项帽子方法的主要目的是：聚焦并且改进想法的过程、鼓励创造性、平行和水平思考、改进沟通、加速做决定等。这种方式体现在历史建筑保护修缮的管理实践中则进一步保证了历史的真实性、技术的安全可靠性。

国外的历史建筑修缮在保护古建筑与现代发展之间采取一种折衷的办法——外墙主义facadism。在《美国传统英语字典》中定义为“保护著名旧建筑的前面并拆除其后面，经常在旧外墙的后面修建现代内部的实践”。这些实践今天看来虽然莫衷一是，但对我国的历史建筑保护能够起到借鉴作用。同样可以借鉴的是，由于火灾而形成其独有价值的世界文化遗产澳门大三巴牌坊，是一处呈现文艺复兴时期建筑风格与东方传统文化有机融合的façade wall（天主教圣保禄大教堂前墙）。“他山之石可以攻玉”，我国的历史建筑保护技术多年来也取得了长足的发展，下文以实践案例进行分析。

3 实例分析

3.1 原历史建筑概况

美丰洋行原名Andrew & George Building，为外滩商业核心区一栋百年历史建筑风貌保留建筑，始建于1897年，原为3层砖木结构的维多利亚风格的洋行建筑。清水红砖外墙带有精美的雕饰，老虎窗带有巴洛克风格，沿北京东路的南立面采用连续券柱式构图，非常独特而具有保护价值（图1、图2）。平面布局呈现殖民地外廊式特征，后期封设外窗并局部加建。加建部分的外观与原有建筑的反差较大。解放后政府把楼层重新分割，改为十余套住宅使用。百年来由于年久失修，内部楼板及楼梯损毁严重、屋面塌陷严重，90年代开始空置，因无人维护而损坏加剧。除外墙基本保存完整外，内部空间已不能正常使用①《美丰洋行历史建筑房屋质量检测与评估报告》.上海市建筑科学研究院房屋质量检测站 2007.7.6。。随着本地块城市更新的计划，需在完整保留此楼外墙条件下原地新建14层办公楼，并在实现风貌保护基础上保证新建筑获得最大限度的地上面积②《优秀历史建筑修缮技术规程》上海市标准（DGJ08-108-2004）。。

图1 南侧沿街的连续券柱式构图façade wall（来源：刘焕新摄）

图2 东侧沿街立面façade wall

3.2 工程特殊性和主要难点分析

根据地块的功能定位以及该历史建筑的现状查勘情况和价值评估，大楼改造采用的方法为：在现有基础上保留南侧及东侧两面沿街的历史外墙，原有建筑范围内残损的结构及其余外立面拆除并实现结构托换，原址新建-8.55 m深的2层地下室及60 m高的钢筋混凝土结构塔楼，并将保留的两面历史墙体修缮后作为新建筑下部的外围围护墙（图3、图4）。

图3 改造后的美丰大楼南向沿街效果图

图4 改造后的美丰大楼剖面示意图③《美丰洋行历史建筑方案设计》ARQ，2007.12。

将残留历史建筑外墙与新建筑融合的保护性开发模式，即以技术手段将有保留价值的历史建筑外墙脱离原结构体，再与新建筑相结合成为其外围护墙的一部分的建造模式。此过程也被称作“结构换胆”。保留3层砖木结构的清水花饰外墙，在其围合的空间范围内贴邻建造60 m高且带两层地下室的高层建筑，这种创新的处理手法在上海尚属首例。

然而本案的特点基本也都是技术上的难点：

(1)历史建筑外墙为清水砖墙砌筑，自身存在强度差、整体性差、抗变形能力差的问题。

(2)所处的历史地段环境较为复杂，façade 立面两面临街，东侧直接临步行空间，南侧临车流较大的主要城市道路，历史外墙侧地下管线密集且无施工操作面。

(3)外墙内侧4.3 m的狭窄空间内需实现加固、保护、托换、打桩及基坑维护体等复杂工序

(4)建筑两面临人流密集道路，安全性尤为重要。单片历史墙体高达3层，要确保其稳定不倒且不发生形变。

(5)老砖墙和新浇筑混凝土衬墙拉结要考虑可靠措施。

3.3 创新技术的风险

将历史建筑沿街的外墙原位保留，拆掉内部结构，新建建筑并将历史外墙附着于新建筑上，使得新旧融为一体。其分离-保护-拆除-新建-融合的过程业内称为“结构换胆”。实现这一过程必须依托一套可靠有效的外墙支护系统，基本要求是保持墙体自身稳定性和安全性，确保不倒塌、不解体、不倾覆、损伤和变形可控。

国外成熟案例的支护都有一个共同的特点，即支护体钢架放在墙体的外侧、支护体不会干扰施工作业、且施工场地足够大，可以满足安全性、稳定性要求。但美丰洋行案例的特殊性恰恰在于周边环境条件局促，东、西、南三面没有任何作业空间，施工场地被局限在红线范围以内，施工机械进出也仅有北侧一个出口④Züblin International GmbH 有关技术资料。。

因此提出对支护系统必须强制性满足的要求为：支护只能放在外墙内侧、施工工艺设备适应狭小场地、施工流程要考虑频繁交叉作业影响。显然，内侧支护方式导致了狭小空间多工种频繁交叉作业，在此种情况下实施“结构换胆”虽然是兼顾保护和开发的理想的解决方案，但技术难度极大，伴随创新而来的就是不容忽视的风险：

(1)基础掏砖置换阶段，墙体因扰动过大而倒塌；

(2)压桩阶段，墙体因局部应力突增而变形开裂；

(3)内部结构拆除阶段，墙体因失去侧向约束而失稳；

(4)深基坑施工阶段，临近基坑墙体因土体变形而产生不均匀沉降。

可见，单纯应用常规的施工技术措施难以确保换胆过程的安全，必须因地制宜地考虑有效的技术措施。

3.4 关键技术创新思路

经过科研、设计、施工的结果，最终美丰洋行采用协同创新的技术路线（图5），通过新的托换、加固技术解决换胆施工技术难题：采用集加固、托换、保护性拆除、桩基、基坑、动态监测、土建施工、老墙修缮于一体的方案。其核心内容是保留墙体基础托换以及新老结构结合过程中所采用的型钢夹梁墙体保护等关键技术。而此项技术适用的必要条件为：

(1)结构体系为砖混结构或砖木结构。

(2)原建筑外墙基本完整，抗压抗剪强度满足加固规范要求，内部结构虽破坏严重但采取卸载和简单加固措施后仍能维持自身稳定。

(3)新建筑为钢筋混凝土框架或框剪结构体系的多高层建筑。

(4)基础采用桩基，新建地下室少于2层。

(5)新建筑底部各层层高与保留外墙原有层高一致。

(6)新建筑支撑老墙的悬挑结构具备足够的刚度，保证新老结构协同工作。

(7)保留墙体室外一侧有0.8～1 m的施工作业面，满足浅层开挖和锚杆桩施工要求。

(8)地下室外墙至保留墙体净距满足基础托换需求且不小于3.5 m。

(9)基坑部分围护桩可兼做工程桩；基坑施工优先采用逆作法。

图5 协同创新技术路线[6]

3.5 施工流程控制

根据历史建筑保护原则，施工前对原状的检测及三维扫描数据的采集（图6）是有效控制历史环境原貌的必要措施。随后则是环环相扣的一系列的流程⑤《现有基础再开挖及托换设计规范》（德国DIN 4123: 12-2008）。：

(1)加固。保留外墙门窗洞口以增强其整体性和纵向刚度，底层洞口用与老墙等厚的砌块墙封堵，以上各层洞口用木支架加固；门窗洞口上方的拱券始终保持砖拱侧推力是保证砖拱完好的必要条件。窗洞采用木结构进行支撑，使砖券结构的拱卷能通过木结构传递压力，同时不会被顶坏。外墙内侧以钢桁架支撑结构以便承受墙体上的所有水平荷载。

(2)卸载。保留内外承重墙及楼面梁，拆除分隔墙、屋面瓦、吊顶、设备管道等非承重构件，清空楼面垃圾。

(3)消除施工安全隐患。修补内外承重墙已严重破损部位或采取临时支护措施。

(4)开施工洞。于底层内横墙与外墙交界处开施工洞，尺寸应满足后续夹梁安装、掏砖、浇筑底板等工序要求。

(5)安装夹梁。沿保留外墙底部安装二道型钢夹梁，对穿螺丝固定夹紧墙体（图7）。

图6 笔者对美丰洋行保护外墙及屋顶进行3Dscan数据现场采集（来源：杨阳拍摄）

图7 施工中的托换钢梁[3]

(6)室内外同时开挖，暴露保留外墙大放脚基础。

(7)安装监测设备，开始实时监测工作。

(8)内横墙上对应基础底板中心标高开200 mm×300 mm洞口，穿型钢。

(9)按批次分段掏去夹梁以下砖墙（图8），同一批次间隔2个窗洞以上。每段掏砖尺寸不大于600 mm×500 mm，掏砖后立即安放钢筋笼、预留压桩孔和锚栓、支模浇筑砼。如此循环往复，直至保留墙体下大放脚基础全部置换为砼底板。

图8 保护外墙掏砖分批示意图⑥美丰洋行历史建筑测绘图纸,上海章明建筑设计事务所，2007.4。

(10)底板养护达到设计强度后，进行锚杆桩压桩、桩基检测、桩头螺栓锚固。

(11)加固保留外墙，外墙内侧增设钢筋混凝土板墙和壁柱，新建筑楼面标高预留连接钢筋。

(12)安装钢格构柱作为施工期间独立外墙侧向支撑结构，格构柱仅约束外墙水平位移，竖向变形彼此独立（图9）。

图9 拆除原内部结构后可见的保留外墙北侧的钢格构柱（来源：作者自摄）

(13)拆除原建筑内部承重结构及楼面，腾空新建筑施工所需作业场地。

(14)新建筑桩基、基坑围护施工。

(15)新建筑基坑开挖、基础及地下室结构施工。

(16)将步骤9已完成的保留外墙基础底板与新建地下室顶板的外挑部分连成一体，保留墙体通过此悬挑结构与新建筑结合，达到协调沉降目的。

(17)拆除步骤 10完成的锚杆桩封桩锚栓。

(18)新建筑地上结构施工至与保留外墙各楼层标高处，将楼面梁与外墙壁柱连为一体。至此，新建筑主体结构替代了钢格构柱，成为保留外墙永久的侧向支撑（图10）。

(19)新建筑继续施工直至结构封顶。

(20)待沉降稳定后，按保护修缮原则进行保留外墙立面修缮。

图10 拆除空间的新浇筑钢筋混凝土结构与保留外墙的桁架支撑体系（来源：刘焕新摄）

3.6 关键技术及其实施过程

3.6.1 型钢夹梁墙体加强技术

在外墙门窗洞口处对应夹梁的位置做砌体封堵，材料水泥砌块Mu10混合砂浆M5.0，厚度与原有墙体一致，养护至新砌体达到原有墙体相同强度后，在夹梁部位的砖体灰缝处钻D14的对穿孔洞，上下间距为250 mm，纵向间距为600 mm。老砖风化层部分，必须先剔除风化层对墙体两侧支模封堵，以灌浆料灌实，以提高墙体的整体性，保障砌体共同工作。

在室内沿外纵墙及横墙先开挖土，宽1.5 m，深至原有基础顶面（需要暴露出原有基础顶面）。夹梁穿越横墙范围开施工洞并用木方加固。在纵墙两侧安装工字钢夹梁及木垫块（图11），夹梁型号采用I63c热轧普通工字钢，木垫块采用花旗松材质的木方，在螺杆与工字钢腹板处增设80 mm×80 mm×10 mm的钢垫片，并对每个螺杆施加45～55 kN的预拉力。为保证螺杆施加的拉力达到设计标准，选取内墙部位模拟实际工况，配合力传感器、采集仪等设备测定对应于设计预拉力的相对扭矩。然后采用普通扭力扳手上紧螺帽，再根据测定的扭矩值再采用带数显控制的扭力扳手对每个螺帽进行预拉力的校准。由于木材为柔性材料，根据实验得到经验，螺杆拉力会产生缓慢的下降，所以需要每72 h重新对螺杆进行一次扭矩的校准。

图11 型钢夹梁安装示意图

3.6.2 分批次基础置换技术

掏砖过程采取分段分批的方法，一共分3个阶段:

(1)墙角与横墙处外墙掏砖。首先，掏位于转角处的墙角和横墙处的外墙。转角处的外纵墙及外横墙掏出约宽1 000 mm、高500 mm的砖洞，至现有基础底面；横墙处的外纵墙掏出约600 mm宽，500 mm高的砖洞，至现有基础底面，洞周砖面保持粗糙状态。在每一个掏砖阶段中，施工时掏砖的范围及高度可根据砖的模数和原基础顶标高进行适当的调整。

掏砖结束后，立纵向模板，纵模板与内侧夹梁相距300 mm，此为预留的混凝土浇筑和振捣的入口，绑扎钢筋，为了避免预留钢筋影响掏砖的工作面，所有钢筋不伸出模板，钢筋连接采用机械连接方式。浇筑混凝土，振捣，按规范养护。当混凝土强度达到设计强度50%后再进行下一步工作。

(2)窗间墙掏砖。开挖位于窗间墙两侧覆土，再在外墙基础内掏出约600 mm宽、500 mm高的砖洞，至现有基础底面。支模、钢筋笼、浇筑混凝土和养护要求同上一阶段。

(3)窗下外墙掏砖。将窗下外墙掏出约600 mm宽、500 mm高的砖洞，至现有基础底面。支模、钢筋笼、浇筑混凝土和养护要求同上一阶段。

3.7 技术实施效果

项目实施后可以看出，采用了此项技术之后，实际效果是比较安全并合乎预期的。与初始状态相比结构沉降、倾斜和裂缝未发生明显变化，未出现新的明显损伤，原有损伤未显著发展，结构未发生严重破坏和刚度下降，整体性保持良好。技术实施取得预期效果。具体表现在：

(1)墙体倾斜状态未发生根本改变。墙体出平面变形值小于初始倾斜导致的出平面变形值，整体稳定性保持良好。

(2)墙体应力分布有所改变，峰值有所增加，但绝对值较小，未产生明显影响。

(3)监测数据表明荷载与倾斜是导致墙体变形的主因，沉降影响较小。

(4)夹紧桁架部位的等效应力值分布均匀，应力值明显高于墙体其他部位。夹紧桁架起到了增加底部刚度的作用，桁架起到了分担新增应力和减少不均匀沉降作用。

(5)在施工过程中各测点频率值基本未发生变化。说明夹梁有效地降低了施工扰动，墙体整体性保持较好。

(6)体的刚度基本保持不变，这是监测频率变化不大的重要原因。

(7)随着施工的进展，墙体变形没有显著增大，反而略有减小，说明墙体的变形得到了有效的控制。

4 经验与思考

上文描述了城市更新中的对历史建筑外墙保留的技术路线、适用条件和运用方式。采用创新思路形成的对策及在实施过程中总结的技术经验获得了时间的检验，并综合了涉及建筑、修缮、结构、材料、监测等专业的多元化技术手段。实际应用于不同城市及不同结构体系、建筑规模的历史建筑时，还需结合建筑、地质、环境等具体情况进行改进优化，形成完整的设计、施工方案后实施。

而实践证明，保留外墙的历史建筑为维系城市历史文脉项目的实施具有良好的示范效应。举两个例子说明。例一为同样位于外滩历史风貌保护区的上海市优秀历史建筑中央商场，这一组保留原有爱德华新古典主义风格的建筑群曾经承载着老上海近百年历史记忆中著名小商品零售和修配两大业态。在由南京东路-四川中路-九江路-江西中路”围合的南京东路179号街坊成片改造工程中，现存4组美伦大楼、新康大楼、华侨大楼、中央商场历史建筑都建成于1911-1930年间。其中结合老建筑群的综合更新改造将贴邻建造一栋大型商业单体。在保留建筑历史表皮的前提下对建筑内部进行拆除重建，采用的技术手段则更有突破，不仅实施范围更大且有条件采取双面保护钢架（图12）。

图12 中央商场街区改造外墙保护钢架

例二为中国实业银行仓库大楼，是始建于1922年德国青年先锋派风格建筑，建筑面积约8 000 m2。结构形式复杂，由钢筋混凝土、钢柱、木结构、承重砖墙等混合而成。由于损毁严重，历史建筑已经不能满足现代化使用需求。内部功能提升为现代化需求的上海市苏河湾艺术馆，内部结构体系更新为框架结构。受美丰洋行首创技术的启发，施工中分别对东西两侧外墙和南北侧外墙采用不同的钢结构换撑加固方案，保持历史外墙在仓库内部施工期间的稳定性解决新老结构置换的技术。

由此可见，技术创新是可以因其自身需要而不断演化的。习近平总书记高瞻远瞩地指出“科技成果只有同国家需要、人民要求、市场需求相结合，完成从科学研究、实验开发、推广应用的三级跳，才能真正实现创新价值、实现创新驱动发展”。创新就是要把个人的兴趣与国家的需要结合起来，当作一种责任坚持下去，如何将协同创新在历史建筑保护修缮领域中不断发扬光大将是一个恒久的命题。