老旧高层行政大楼改造方案优选与施工技术研究

李明锋 钱 晶 顾天熊

苏州中固建筑科技股份有限公司 江苏 苏州 215152

目前大部分的改造项目具有规模较小、施工专业工程单一的特点，国内关于构件层次的加固方法已经有较多的研究，但关于结构层次的概念设计优化研究较少。近年来大型综合改造项目越来越多，有必要从改造项目的结构体系入手，首先进行概念设计优化；同时在构件加固方法的选择以及施工实施方案中，既要综合考虑实体项目操作空间的可行性，也要根据改造项目的造价要求，进行实施过程中措施项目的比选、优化。

1 工程概况

某行政办公楼为框-剪结构，建于1996年，建筑总长106 m，宽23.4 m，建筑面积为35 000 m2，地下室2层，地上18层，采用桩筏基础。建筑平面上设置2个结构伸缩缝，结构抗震设防烈度为7度，基本加速度为0.1g，设防类别为乙类。原结构混凝土强度1～6层为C40，7～18层为C35。

现由于改变结构使用荷载以及建筑功能需求，需对该行政楼进行结构加固、新增结构构件等施工内容，同时进行建筑外立面防水保温等施工。

建筑主要改造内容如下：建筑外墙新增保温层；18层平屋面上新增钢结构金属坡屋面；既有室内装饰及相关管道的拆除；地下1层～地上4层北侧，平面布局上新增梁板，填补此处原有的凹陷区；地下室2层北侧，新增地下室连廊通道，与北侧地库相互连接。项目改造情况如图1～图4所示。

图1 改造前标准层平面

2 结构鉴定计算

图3 改造施工立面

图4 改造后立面效果

根据既有结构的鉴定数据，采用YJK计算软件对既有结构进行翻样、建模、计算（图5），分析既有结构在竖向荷载以及地震作用下的响应。原结构地上部分通过抗震缝分为3个独立的部分，均为框剪结构，鉴定结果如下：结构整体指标方面，局部竖向构件扭转位移比数值为1.5，超限；屋面水箱荷载过大，局部原屋面梁板配筋不足；书库、档案馆等局部楼层荷载较大处，梁配筋不满足受力要求；1～16层，梁柱节点核心区抗剪超限；1～6层，大量框架柱抗弯配筋不足；框-剪结构四周边框梁，顶部负弯矩钢筋配置不足；地下2层～地上1层标高范围内的剪力墙边缘构件不符合现行规范的构造要求。

图5 原结构YJK模型

3 结构改造方案的优化

原结构建成于20世纪90年代，当时的结构计算主要以平面单榀计算为主，很难考虑结构的水平以及竖向刚度在空间上的合理布置。

现行最新的结构设计规范对空间模型提出较多的要求，比如结构位移比控制在1.4以内，所以在对原结构进行改造设计时，需要从结构的概念设计入手，在原有结构的水平、竖向刚度上优化模型的刚度分布，使得改造之后的结构具备更好的抗震性能，同时良好的结构概念布置，也能大大地减少结构构件层次的加固数量，具备较好的经济效益。

3.1 平面规则性优化

原结构采用YJK软件建模，计算结果显示扭转周期在第二周期，位移比最大值1.5，表明整个结构平面布置上的抗扭刚度不足，同时标准层的刚度中心与质量中心有较大偏差。现根据上述试算结果，在结构标准层四周做如下结构加固调整：在1～17层标准层，四周新增双连梁，增强双肢剪力墙的抗侧刚度；在1～6层，东西两侧边跨新增2个短肢剪力墙（图6）。

图6 模型标准层四周抗扭刚度加强布置

基于上述改造加固，结构模型前2个周期为平动周期，第三周期为扭转周期，扭转系数为0.95，同时最大扭转位移比为1.18。调整后的结构模型扭转指标满足规范要求。

3.2 竖向规则性优化

原结构为框-剪结构，按照现行规范JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》中8.1.3条文增设框架柱二道防线的抗力设计要求，原结构模型计算结果显示，8～17层大量的梁柱节点核心区抗剪承载力不足，分析发现主要是由于框架柱分配的0.2V0剪力较大导致。

为减小楼框柱分配的剪力，在1～4层的楼层内局部新增梁板柱（图7），拓宽1～4层的建筑面积，这样就可以根据上述规范8.1.3的要求，将楼层内的框架最小剪力值分成2段来调整（图8），从而降低上部楼层框架柱的剪力分配值，规避大量的框柱核心区抗剪加固施工，节约资源，具备较好的经济效益。

图7 1～4层局部新增梁板柱

图8 0.2V0剪力调整段划分

4 施工技术重点控制

4.1 地下室剪力墙边缘构件加固

按规范要求，1层框柱加大截面的新增纵筋需要延伸至地下室筏板顶，原结构改造图纸在地下室的边缘构件做法如图9所示。这种做法需要凿除剪力墙凹槽内的高强混凝土，施工难度较大，而且在施工过程中，存在破坏挡土剪力墙的风险，有可能出现外墙裂缝开展、渗水等问题。

图9 边缘构件加固大样

现在对此处边缘构件节点优化处理，扩大此处边缘构件加大截面的尺寸[1]，使得新增纵向钢筋在楼层交界处进行弯折延伸处理，具体做法大样如图10所示。

图10 边缘构件加固优化做法

4.2 地下室筏板植筋

剪力墙边缘构件的新增纵筋需要植筋至筏板里。现场施工时发现，凿除30 cm厚度的建筑地坪后，结构筏板里有渗水情况，植筋环境无法保持干燥。采用国产胶水，在潮湿有水的环境中，植筋拉拔力将无法满足设计要求。

根据既有的工程经验，建议此处地下室2层的筏板植筋采用进口植筋胶。喜利得植筋胶HILTI-RE50能够在恶劣环境中使用，比如在水下植筋也能满足锚固设计要求。在特殊环境中采用特殊性能的材料，具有较好的经济效益，可加快施工工期。

4.3 既有外墙抹灰表面粘贴保温层

4.3.1 既有抹灰不铲除分析

本项目原外墙抹灰层厚度为3～5 cm，其中1～2层抹灰厚度为5 cm，3～18层抹灰厚度为3 cm。原外墙抹灰做法：1∶3水泥砂浆打底，1∶2水泥砂浆面层（拉毛）。现在根据建筑要求，外墙需要新增粘贴厚80 mm的保温岩棉带。

考虑原外墙抹灰平整度等观感质量较好。现场对既有抹灰层考察发现，剥除既有抹灰层时，由于抹灰层黏结强度较高，在剥离抹灰层时，既有红砖面层被剥离，所以为节约资源，尽可能利用原有外墙抹灰层，建议保留既有抹灰层。

同时，委托质量检测中心对既有外墙抹灰砂浆拉伸黏结强度做检测，检测3组，每组7个拉拔点，共21个拉拔点（重点选择3个部位的墙体，即东西山墙、窗间墙、层间墙）。检测结论：3个检验批次的拉拔黏结强度均为0.3 MPa以上，满足JGJ/T 220—2010《抹灰砂浆技术规程》要求，即可以在外墙既有抹灰层表面粘贴岩棉带。

基于上述分析，可以保留既有抹灰层，避免大面积铲除既有抹灰层，很好地控制了现场扬尘问题，同时缩短施工工期，具有较好的经济效益。

4.3.2 粘贴保温层的加强构造措施

原外墙抹灰层表面涂有弹性涂料，此弹性涂料与既有抹灰粘贴强度高，不易剥落。本项目在既有弹性涂料表面涂刷一层溶剂型抗碱封闭底漆，其具有涂膜致密、抗碱性、封闭性好、渗透性强的优点，此抗碱渗透底漆能够渗透既有弹性涂料进入既有抹灰层中，同时能够与新增保温带的胶面砂浆具备很高的相容性。此措施可避免铲除既有弹性涂料，加快施工进度，具有很好的经济效益。

考虑保温岩棉厚度较厚，同时既有抹灰层保留不铲除等原因，建议在粘贴保温层施工时，在楼层标高处设置支托架，用此构造措施来保证外墙保温的整体性（图11、图12）。

图11 增设支托架做法大样

图12 增设支托架施工现场

5 施工措施项目实施优化

5.1 外脚手架搭设方案

5.1.1 悬挑扣件脚手架的分析

本项目为既有建筑改造，现场不设置塔吊，在选择脚手架类型时，需要综合考虑材料的垂直运输费用、拆除架体后脚手眼的修补费用、钢管租金等因素。本结构地上为18层，标准层层高3.5 m，建筑高度为67 m，如果采用钢管脚手架，每6层悬挑一次，需要悬挑3段。由于现场不设置塔吊，导致此方案出现如下2个问题：大量的悬挑工字钢需要汽车吊垂直运输，运输费用高；由于是既有项目改造，拆除悬挑工字钢后，外墙洞口修补的数量较多，需要加设吊篮采用混凝土浇筑修补洞口，消耗大量人工。

5.1.2 落地盘扣脚手架的论证

基于上述问题的分析，本项目采用落地盘扣脚手架搭设。同时为了施工段之间的衔接或交叉，本项目采用落地架、局部悬挑架2种形式（图13、图14），落地架立杆间距900 mm，步距1 500 mm，全高范围内设置连续剪刀撑。

情况一：沿着建筑四周搭设落地盘扣钢管脚手架。

情况二：建筑北侧 ～ 轴区域，在14层楼面标高（离地面47.6 m高）以上搭设悬挑扣件式钢管脚手架（为满足施工工序的交叉要求，此区域悬挑架拆除时间晚于落地架拆除时间）。

图13 落地架搭设平面布置

图14 悬挑架搭设布置示意

本项目脚手架搭设高度为67 m，属于超限搭设，架体连墙件的设置显得尤为重要，计算要求两步两跨设置连墙件。本项目结合既有外窗洞口的位置，采用拉窗件、植筋预埋板拉结2种方式，2种方式连墙件交错设置（图15、图16）。

图16 连墙件做法大样二

图15 连墙件做法大样一

5.2 节点核心区加固模板

本项目涉及很多梁柱节点核心区抗剪超限问题，设计方案采用加大截面的方法来有效地控制抗剪超限的问题，节点做法如图17所示。

由于此新增柱帽为多边形，采用传统的木板支模时，木板拼料较多，需要耗费较多人工，故引入3D打印技术。根据现场实际尺寸，在工厂里采用树脂材料加工成模板，同时加工支托架等配件（图18），树脂壁厚10 mm。采用此3D打印树脂模板，安装简单，具有很好的经济效益，既节约资源，又缩短了施工工期。

图17 框架节点核心区加固大样

图18 节点核心区树脂模板安装示意

6 结语

1）在改造项目的设计阶段，要从概念设计入手，首先考虑调整其水平、竖向的刚度规则性，同时良好的结构概念布置，也能大大地减小结构构件层次的加固数量，提升经济效益，使得结构具有较好的抗震性能。

2）在进行构件加固方法的选择时，往往需要比选各个加固方法的优、缺点以及经济性，在优选的过程中可以引进价值工程、决策树等方法[2]。

3）由于实际情况与图纸存在局部不符，改造项目需要根据现场实际情况，对拟加固工艺实施优化处理，采用新型加固材料，节约工期，从而满足安全文明施工的要求。

4）关于改造工程的措施项目，应该评估各个措施的经济性，采用造价最小、同时满足施工要求的措施项目。

5）本项目改造过程中的概念设计以及施工技术问题解决方案，可以推广至框-剪结构、剪力墙结构的综合改造项目中应用，能够在设计、施工阶段很好地控制工程造价。