圆形筒仓类工业构筑物改造中的结构介入设计策略研究

田皓元 倪阳 TIAN Haoyuan,NI Yang

1 华南理工大学

2 华南理工大学建筑设计研究院有限公司

结构是呈现建筑形式的逻辑依托，也是塑造空间的一种重要方式。圆形筒仓类工业构筑物的内部空间与功能需求高度适应，具有极为鲜明的结构与形式特征。不同时代的建造技术决定了区别于其他时代的特有的结构特征。某种程度上，圆形筒仓类工业构筑物的结构特征代表了那一时代的工业建筑历史（图1，2）。基于结构理性的改造设计并非脱离对空间改造的思考，圆形筒仓类工业构筑物改造中的结构介入可以解决空间改造的技术难题。

1 圆形筒仓类工业构筑物及其空间特点

工业构筑物是在工业主体建筑的生产活动中起到辅助作用的、但不具备独立开展生产活动的构筑物。筒仓是贮存散装物料的仓库，依据功能分为农业筒仓和工业筒仓两大类；依据受力条件，按照计算高度H与内径D之比，分为深仓（H/D≥1.5）与浅仓（H/D＜1.5）两种（图3）；依据筒仓的平面投影形状，分为圆形、矩形、多边形。本文选取的研究对象是平面投影为圆形的筒仓工业构筑物。

筒仓类工业构筑物的各组成部分均有特定的功能属性，没有附加的造型与空间处理，形式与功能高度契合。筒仓群通常由工作塔通过上下连廊连接，筒体部分由筒上建筑、进粮口、筒壁及筒下层组成，现存筒仓以单筒浅筒仓与多筒深筒仓群仓居多（图4，5）。圆形筒仓类工业构筑物群仓由单仓组成，群仓的平面排布主要分为行列圆形筒仓群、斜交圆形筒仓群及分散式圆形筒仓群（图6）。其中，行列和斜交的筒仓群布局方式可产生面积较大的星仓。

2 圆形筒仓类工业构筑物的结构特点

筒仓结构承受荷载主要包括可变荷载、永久荷载及地震作用。圆形筒仓结构是很典型的圆柱薄壳结构，主要为轴对称受力，可分为砌体结构、钢筋混凝土结构及钢结构。钢筋混凝土结构与钢结构筒仓具有良好的结构稳固性与整体性，有较大的改造余地；而砌体结构只受压、不能受弯与受拉，改造受限严重。

圆形筒仓类工业构筑物结构主要分为下部支撑结构及上部筒仓结构。仓下支撑结构一般采用筒壁支撑、柱支撑、筒壁与内柱共同支撑三种类型（图7），筒壁支撑结构中环梁作为筒仓仓底圆锥形漏斗的支撑，环梁与仓壁交接处的刚度突变不明显，可抵御较为强烈的地震作用；柱支撑结构即柱支撑在仓底漏斗平台与平台梁交接处，仓底梁与柱共同组成框架结构，传递地震的能力较为一般；筒壁与内柱共同支撑结构可以提升整体结构的刚度，结构受力逻辑更为明晰。

筒仓的仓底漏斗一般分为倒锥形与平底形，后者稳定性较好，利于支撑。如图8所示，筒仓上部结构通常分为外切四边形平面结构与内接四边形平面结构，后者结构柱的分布使得筒仓壁与顶板的刚度一致，结构形式更为合理。

1 广州南方面粉厂

2 大成面粉厂

3 单筒仓分析示意

4 群仓物料进出口工作流程

5 圆形筒仓类工业构筑物组成分解轴测图

6 圆形筒仓类工业构筑物平面布局轴测图

7 仓下支撑结构示意

8 筒仓上部平面结构示意

9 筒仓结构加固补强

3 圆形筒仓类工业构筑物结构受损规律

筒仓类工业构筑物结构重心较高，体积较大，在地震影响下会产生比较大的剪力及附加弯矩，容易发生巨大破坏。贮存物料会导致筒仓内部发生循环磨损，特殊情况下可能发生粉尘爆炸，同时地质、气候的变化都会导致其整体结构性能减弱，出现横向裂痕、保护层剥落、材料膨胀、钢筋生锈及混凝土表面破损（表面裂缝、板角断裂、横向裂缝、交叉裂缝、纵向裂缝等）现象，从而造成筒仓洞口裂缝、顶部坍塌、筒壁剪切破坏及底部支撑破坏。

结构方面，随着时间久远，筒仓地下基础会发生不均匀沉降，导致上部结构倾倒或断裂，筒仓的破坏多发生在仓底的支撑结构上；筒壁结构会出现外侧局部保护层脱落、钢筋腐蚀或折断、混凝土内壁横向开裂等。抗震方面，柱式支撑结构传递地震能力较为一般，砌体结构或钢筋混凝土的柱支撑结构对抗震均不太有利，很容易被破坏。

4 圆形筒仓类工业构筑物改造中结构介入策略

在圆形筒仓类工业构筑物改造中，新介入结构元素在保证新旧建筑结构受力体系合理安全的同时，应满足设计在造型表达与空间塑造的需求。通过对圆形筒仓类工业构筑物空间与结构特征、结构受损规律的分析，结合国内外相关改造案例在结构设计方面进行总结，归纳圆形筒仓类工业构筑物改造中结构介入的策略方法——加固补强、依附拓展、独立置入、切分开洞。

4.1 加固补强

基于材料的力学特性，充分利用原结构的承载力对不同的加固补强方式进行选择。对于该类工业构筑物的加固补强主要包括筒仓基础的优化、仓底支撑结构的补强及仓体的结构加固（图9）。

4.1.1 清洁灌浆重塑

对原筒仓的结构破坏部位进行清洁，使用一定强度的混凝土对受损部位进行灌浆，达到重塑的效果，加固和补强原有结构，但此改造方法是不可逆的（图10）。

4.1.2 扩大截面

增加型钢、钢筋混凝土及粘结纤维等材料构件，扩大原筒仓结构的截面面积，提升结构承载力。此方法不会改变原结构受力逻辑，适用于筒仓基础加固、筒壁配置预应力钢绞线加固或非预应力钢筋加固，以扩大截面实现结构补强。

4.1.3 外包材料加固

通过增加筒体外预应力直接对原筒仓结构构件进行加固补强，常见有外包钢、碳纤维、纤维复合材料。新旧材料存在差异，可以凸显改造的可识别性。此方法受力更为可靠、施工难度小。

4.2 依附拓展

依附拓展型结构改造是将原建筑结构与新介入结构视作一体进行协同设计，充分利用原筒仓结构的荷载能力，且新增结构应减少由于依附拓展对原结构产生附加水平侧推力与竖向荷载。

4.2.1 竖向结构拓展

此方法适用于原结构竖向荷载能力较好的情况，将上部建筑作为垂直拓展的基面或拆除楼板将筒体延伸，产生新旧关联（图11）。竖向结构拓展中，通常新增轻质结构以避免产生更多附加荷载，如在上海艺仓美术馆中，设计通过新增框架结构来支撑新的桁架，再将横向楼板层层挂起来，一侧竖向受力为上部悬吊，一侧与原筒仓结构相连（图12）。

4.2.2 水平结构拓展

筒仓内部空间高大，提高空间使用效率常用的方法是置入水平结构，使原本各自独立的单仓建立关联，如上海灰仓美术馆（图13）新增的悬挂结构将原结构围合。

并列拓展结构改造是在原筒仓群一侧增加新的结构体系，新旧结构通过连廊或其他中介空间建立新的连接（图14）。此方法对原结构的结构荷载影响较小，新增钢结构框架或大跨度体系与原有筒仓组成新的结构整体，如悉尼夏季山面粉厂的筒仓改造（图15）。

10 水泥厂圆筒改为买手店

11 筒仓结构竖向拓展

12 上海艺仓美术馆

13 上海灰仓美术馆

14 筒仓结构并列拓展

15 悉尼夏季山面粉厂的筒仓改造

16 围合型拓展

17 丹麦哥本哈根Frøsiloen 围合型筒仓改造

18 悬挑结构

19 上海民生码头八万吨筒仓改造

20 筒仓结构独立置入

21 上海油罐艺术中心

22 筒仓结构部分置换

23 比利时“Kanaal”工业筒仓巧妙改造成公寓

24 筒仓结构切分开洞

25 非洲当代艺术博物馆

26 深圳大成面粉厂

4.2.3 悬挑结构

围合型悬挑结构是基于筒仓的特殊结构形式在外部新增围合型结构，利用原筒仓形成悬挑支撑，组成钢结构框架+钢筋混凝土筒体剪力墙受力体系（图16，17）。悬挑结构多采用增加结构支撑点或独立悬挂的形式，对原筒仓结构影响较小，如上海民生八万吨筒仓改造（图18，19）。

4.3 独立置入

4.3.1 新构嵌入

在原筒仓内部置入新的结构体系增加空间的使用效率（图20），以独立的结构构件支撑新结构的承重荷载，实现对原结构的加固补强。上海油罐艺术中心改造在废弃航油罐内部置入多种内部结构，且筒体与新结构设缝脱开（图21）。

4.3.2 部分置换

针对群仓中部分严重破坏的筒仓结构，可将其拆除后置入新的结构，与现状良好的筒仓部分形成新的受力体系（图22）。比利时卡纳尔工业筒仓改造拆除中，将两个结构情况不佳的筒仓置换成新的方形体量，新增混凝土结构体量与原筒仓结构共同组成新的混凝土核心筒结构体系（图23）。

4.4 切分开洞

切分开洞是筒仓类工业构筑物改造中较特殊的结构改造方法，即在不影响原结构荷载的前提下对筒仓内部进行切分，通常采用钢线切割法、蝶式切割技术等，可将各独立筒仓内部融合（图24）。非洲当代艺术馆将原筒体筒壁作为模版，在内侧浇铸钢筋混凝土为衬筒，高度略升高后进行顶部连接，新旧混凝土筒体间通过抗剪钢筋连接进行力学传递（图25）。此方法适用于钢筋混凝土筒仓结构，切分开洞部分体积受限，施工难度大（图26）。

5 圆形筒仓类工业构筑物改造中结构介入设计方法与原则

加固补强方法更多适用于圆形筒仓类工业构筑物的局部受损改造，强调对筒仓受损部位的修复及加强整体结构的荷载能力。施工技术难点集中在补强使用的新材料与原结构材料的构造交接处理，该方法通常发生在改造伊始阶段。依附拓展方法在圆形筒仓类工业构筑物结构改造中应用较广泛，技术难点在于设计需求对新增结构选型的判断选择。在增加内部空间的丰富度、展现特殊结构形式之美等的同时，会减弱原结构的荷载能力与抗侧推力，因此改造前通常需对基础进行加固，带来较高的造价负担。独立置入方法可以为圆形筒仓类工业构筑物改造提供巨大的设计自由度，对原建筑的保护程度相对较高，适用于原空间规模相对不受限、基础结构荷载能力较好的情况，通常会选择相对特殊的结构形式展开。切分开洞方法是群仓类工业构筑物改造的首选改造方式，可将原本独立的单仓进行关联融合，但施工难度较大。

6 结语

结构介入改造设计是一种回归建筑本体的建筑改造思路，但需视改造对象的具体情况进行判断，灵活配合运用，平衡技术难点，选取恰当的结构改造策略。对于筒仓类工业构筑物改造来说，基于结构理性进行改造设计并非脱离对空间的思考，而是解决空间改造的技术难题。