某体育馆修缮改造工程

于 虹，李德志，丁保华

（1.北京大学基建工程部，北京 100871；2.中国建筑技术集团有限公司，北京 100013）

0 引言

第二体育馆（以下简称“二体”）建造于 20 世纪 30 年代，为历史文物保护建筑。二体已有近 90 年的历史，使用方除对原有结构进行修缮与加固，来提高结构性能及抗震能力外，还要求对原结构首层及地下室进行加固、改造，新建、增加地下使用空间，从而使二体的建筑功能总体上得到提升。具体包括以下 3 方面内容。①对原地下室结构进行加固改造，拆除原地下室内部承重结构，新建两个大跨度地下使用空间。为满足层高使用要求，将地下室的层高从 3 m 增加至 5.3～6.96 m。②在二体中部，拆除首层承重结构，新建从首层通向地下室直径为 13.5 m 的旋转楼梯。③在二体南侧 5.05 m 处新建层高 1.86～7.20 m 的纯地下结构，并与改造后的地下室设置联络通道。

二体加固改造增加了建筑的使用面积，并使二体的建筑功能得到较大的提升。本文介绍了二体修缮与加固改造的建筑结构及上部结构荷载托换方案，对二体修缮与加固改造经验进行了总结。

1 建筑结构概况

二体（见图 1）地上建筑东西方向长约 46 m，南北方向宽约 19.1 m。二体地上 3 层，首层为办公室，层高约 3.66 m，二层为篮球场（东、西两端为看台），层高约 6.4 m，三层为坡屋盖，层高约 7 m；地下 1 层，层高约 3 m，在主楼地下室东、西两端外部各有宽约 5.3 m 的纯地下 1 层结构。

图1 二体外观旧照

由于二体已建成近 90 年，原建筑、结构设计图纸几乎全部缺失，按照既有建筑加固改造要求，对二体原结构进行了检测鉴定，由于结构形式复杂，尚难以全面掌握结构现状及其性能。

二体地上为钢筋混凝土、砌体混合结构。自室外地面下约 1.0 m 处至首层顶，外墙全部为条石饰面。地下室为素混凝土结构，基础为素混凝土条形基础。既有建筑地下室结构平面如图 2 所示。地下室南、北侧素混凝土外墙（主楼下）底部厚度约 0.95 m，顶部厚度约 0.65 m，素混凝土条形基础宽约 1.15 m（放脚高度约 1 m，宽度约 0.10 m）；地下室东、西侧素混凝土外墙（主楼下）厚度约 1.05 m，素混凝土条形基础宽约 1.25 m （放脚高度约 0.3 m，宽度约 0.13 m）；地下室内部墙体厚度 0.4 m，基础宽度 0.6 m。

图2 二体地下室结构平面图

2 修缮与加固改造建筑方案

二体修缮改造的主要建筑方案及设计参数如下：

1）二体加固改造后的±0.000 m 为原首层室内建筑地面标高，改造后地下室基底相对标高-5.246～-6.96 0 m；二体南侧新建纯地下下沉庭院距离二体 5.05 m，基底相对标高-1.86～-7.20 m；

2）二体首层及地下室中部新建旋转楼梯直径 13.5 m，旋转楼梯东、西两侧新建大跨度地下结构尺寸为 15.5 m×14.5 m；

3）二体改造后地下室与南侧新建下沉庭院之间联络通道宽度为 4.8 m。

修缮改造后地下室建筑平面图、东西向建筑剖面图、南北向（中轴部位）建筑剖面图分别如图3～5 所示。

图3 改造后地下室建筑平面图

图4 改造后南北向（中轴）建筑剖面图

图5 改造后东西向（二体中部）建筑剖面图

3 修缮与加固改造结构方案

二体为历史文物保护建筑，其结构形式十分复杂，为素混凝土、钢筋混凝土、砌体组合结构形式。在近 90 年的使用期内，承载结构构件已经有一定程度老化和功能损伤。历史文物建筑的修缮、保护，一般严禁对其原有装饰、外围景观等造成破坏或进行改造。二体首层外立面为条石饰面，二体南侧紧挨外墙有 4 棵古树，在二体修缮与加固改造过程中对二体外装饰、古树及外围景观均需要妥善保护。二体的结构、装饰等对地基变形均十分敏感，加上对古树、外围景观的保护要求，使得二体的修缮与加固改造的技术难度及实施难度非常大。既不能因加固改造对二体结构造成损伤，也要妥善保护紧邻的古树及外围景观的历史风貌。综合考虑对二体结构、古树及外围景观等的保护要求、施工条件限制、技术经济条件等，经参建各方反复研究论证，最终确定在二体原地下室内部采用新建内嵌式地下结构的加固改造方案，来实现使用方对二体修缮改造的要求及建筑设计方案。

为实现二体的建筑功能改造要求，需要确定相应的结构实施方案。

1）在二体地下室内侧施工钢管桩［1，2］，钢管桩既作为上部结构荷载托换体系的一部分，也是土方开挖过程中二体原地基基础的托换结构，如图 6 所示。

图6 钢管桩与上部结构荷载托换结构

2）在二体地下室内部新建上部结构荷载托换结构（标高 -3.0 m 以上、在地下室内部新建的梁、板结构），如图 6 所示，上部结构荷载托换结构也是新建地下室的一部分。为降低托换结构变形对首层结构的影响，托换结构与首层内承重墙无连接，托换梁通过墙体开洞施工，托换板与墙之间设置后浇缝。

3）托换结构完成自重变形后，进行首层墙体与托换结构的连接施工，封闭托换梁与首层墙体之间的后浇缝，然后进行托换结构与首层墙体后浇带施工。

4）拆除二体地下室内部全部承重墙、地下室梁、板构件。拆除旋转楼梯范围内二体首层承重结构构件，包括首层墙、柱及楼板。

5）地下室内部土方分层开挖，同步、分层进行地基基础托换结构钢花管施工，如图 7 所示。

6）土方分步开挖至基底后，进行 -3.0 m 以下部分新建地下室结构施工，与 -3.0 m 以上托换结构完成连接施工。同步进行中部旋转楼梯的结构施工。

图7 二体地下室内部钢管桩典型剖面（单位：mm）

7）二体南侧新建纯地下结构的土体开挖与二体地下室内部土方开挖同步进行，如图 8 所示。土方分步开挖至基底后，进行南侧新建纯地下结构及其与二体地下室之间联络通道的施工。

图8 二体与南侧下沉庭院间钢管桩剖面（单位：mm）

4 修缮与加固改造托换方案与荷载传递

4.1 结构托换方案

二体地下结构加固改造的实施过程，既是二体原有结构构件拆除、新建结构构件的建造过程，也是重建原结构上部结构荷载向新建地基基础传递路径和体系的过程。为实现结构加固改造施工过程中上部结构荷载的可靠转移和传递，需要构建上部结构荷载的托换结构及相应的传递路径。

图9 结构荷载传递路径

1）位于原地下室顶板部位的上部结构荷载托换体系，即新建的地下室梁、板、墙结构，其作用是承载首层上部结构荷载，并在新建地下室完成后通过地下室结构传递到地基基础上。

2）钢管桩托换结构体系，其作用是在新建地下室土方向下开挖、新建地下室结构完成前，将上部结构托换结构及其分担的首层荷载传递到地基中去，托换桩结构同时还要承担由于土方开挖引起的不平衡土压力、水压力荷载。

4.2 荷载传递路径

二体上部结构荷载转换与传递包括3个阶段。

第 1 阶段：新建上部结构荷载托换体系完成后，将首层内墙分担的荷载转移到托换结构上。

第 2 阶段：地下室内承重墙拆除后，上部结构荷载托换结构及其分担的首层荷载转移到托换桩上。

第 3 阶段：新建地下室结构完成，首层内墙荷载、新建地下室荷载通过基础传递至地基上。

上述第 2 阶段中，托换桩还要承担原结构外墙基础传来的上部结构荷载及土方开挖产生的土压力、水压力荷载。

上述结构实施方案过程中，既有建筑荷载的传递路径如图 9 所示。

5 加固改造的工程经验

二体结构修缮与加固改造工程使用自 2014 年 9 月开工，2015 年 8 月完工并投入使用，实施效果良好，整个加固改造施工过程中，未对原结构造成新增损伤，较好地实现了建筑结构设计方案，满足使用方对二体修缮与加固改造的要求。通过二体修缮与加固改造项目的成功实施，可以得到以下几点经验与认识。

1）既有建筑修缮改造项目，特别历史建筑、文物保护建筑，加固改造方案选择的限制因素较多，应综合考虑既有建筑保护、施工条件、技术条件及经济条件进行方案比选，确保既有建筑的安全。

2）很多历史建筑、文物保护建筑，虽建造年代久远，现今使用状况仍然良好。为保护这些历史建筑、文物建筑而对其进行修缮与加固改造，即能实现对既有建筑的保护，又能延长建筑的使用寿命，改善建筑的使用功能。通过加固改造增加地上、地下使用空间，对于缓解城市土地用地紧张矛盾也具有社会、经济意义。

3）历史建筑的修缮保护工作，由于建造年代久远，往往图纸缺失或没有设计图纸，其结构形式一般是对变形极为敏感的砌体或木石结构。在修缮改造之前，应进行详尽的既有结构及地基基础的查勘及鉴定工作，方案的选择应以保护为出发点，采用严于现代建筑的方案及措施，确保既有建筑的安全。

4）历史建筑的修缮改造，既要按照建筑保护要求，保证建筑的结构安全、外观完好，还要考虑新建部分与原有部分的统一、协调与融合，真正做到修缮保护与开发利用的高度统一。

6 结语

二体修缮与加固改造工程，采用结构托换技术，通过构建可靠的荷载传递结构体系，实现了二体地下室加固改造过程中上部结构荷载向新建地基基础的可靠传递，为新建地下室土体向下开挖、新建地下室结构施工提供了保证条件。二体地下室加固改造，增加了二体建筑使用面积，并使得二体的建筑功能得到较大的提升。二体地下室改造项目的成功实施，为既有建筑修缮改造和功能提升提供了一种新的方案与思路，对于类似既有建筑加固改造工程具有参考借鉴价值。Q