大型公共建筑加固改造若干问题的思考

程绍革

(中国建筑科学研究院有限公司工程抗震研究所，北京 100013)

0 概述

我国的城市建设发展正处在由以增量建设为主向存量提质改造与增量结构并重的阶段，随着网络经济的崛起，实体经济受到巨大冲击，城市大批的商业建筑将逐步改造为办公建筑、养老设施等。建筑功能的变化必然引起对原有建筑进行大规模的改造，由此也形成了以“结构安全为主的加固+局部建筑功能的改造”模式向以“大拆大改为主+被动性结构加固”模式的转变，结构加固的难度与复杂性大大增加，这无疑对结构工程师提出了严峻的挑战。

国家现行标准《建筑抗震鉴定标准》(GB 50023—2009)、《建筑抗震加固技术规程》(JGJ 116—2009)实施了十年之久，已不能完全胜任当下大型公共建筑的抗震鉴定与加固。例如：加固设计的标准适用性问题，抗震设防标准问题，地震作用计算问题，加固改造设计的后续使用年限问题等。

本文将针对上述工程中遇到的实际问题提出相应的解决方案，同时对一些特殊的大型公共建筑提出性能化的抗震鉴定与加固方法，供结构鉴定与加固设计技术员参考。

1 既有建筑的定义

1.1 定义既有建筑的意义

既有建筑是相对于新建建筑而言的，新建建筑的设计毫无疑问应该严格执行现行的国家标准，从抗震设计的角度，包括抗震概念设计、地震动参数取值、抗震措施等都必须符合《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版)(简称2016年版抗规)的规定。

既有建筑的加固改造，其设计标准可略低于新建工程，对于有些工程很难判定是新建工程还是属于既有建筑，这类工程的加固改造如按新建工程对待，则实施的可能性几乎为零。例如某工程原设计作为宾馆使用，已完成了全部的精装修工程，而后业主拟改为养老设施，设计单位若按新建工程考虑，则由于抗震措施的提高，大量的梁、柱配筋都不满足计算要求需进行加固，并且还要增加上百个防屈曲约束支撑进行抗震加固，原有精装修需全部拆除。后经专家论证，认为该工程可作为既有建筑考虑，并经大震弹塑性计算分析后，仅对少量的框架柱进行适当加固即可。由此可见给出既有建筑的一个合理定义至关重要。

1.2 我国现行标准中的定义

《民用建筑可靠性鉴定标准》(GB 50292—1999)[1]中定义既有建筑为“已建成二年且已投入使用的建筑物”，表示整体完工满二年(可能有未进行竣工验收的嫌疑)，但已经使用的房屋，至于建成二年的要求，标准的编制者主要是考虑到建成的房屋需要进行经过一段使用时间的考验，特别是地基基础的考验。《危险房屋鉴定标准》(JGJ 125—2016)[2]中既有建筑的定义与此相同。《民用建筑可靠性鉴定标准》(GB 50292—2015)[3]将既有建筑定义修改为“已建成可以验收的和已投入使用的非生产性的居住建筑和公共建筑”，明确了可以是未进行竣工验收，但达到了竣工验收的要求，至于是否投入使用无所谓，因此时间节点是工程完工，关键词是“达到工程验收条件”。后一个关键词“已投入使用”则隐含着未通过工程验收而投入使用。

《工业建筑可靠性鉴定标准》(GB 50144—2008)[4]定义既有建筑为“已存在的、为工业生产服务，可以进行和实现各种生产工艺过程”的建筑，关键词是“已存在的”，对于建造过程不予考究，对是否已投入使用也不关心，《工业建筑可靠性鉴定标准》(GB 50144—2019)[5]只是将关键词“已存在的”改为“已建成的”，与2008年版标准没有实质性的变化。

1.3 对既有建筑定义的商榷

从我国现有的技术标准来看，既有建筑主要还是按建筑在全生命周期(图1)中所处的阶段来定义的，可以是开工、基础施工、出地面、主体结构封顶、主体结构验收、建筑整体竣工、建筑整体竣工验收、建筑交付使用、后期改造。

图1 建筑全寿命过程图

多数人的观点是以建筑交付使用(H)作为分界点，其出发点是建筑需要经过使用荷载作用下承载能力考验，然而有些建筑在建成后可能需要改变使用功能，因此，这种定义不完全合理。如前述某建筑已完工并通过了整体竣工验收，但还没有正式投入使用前因为业主希望改变功能，导致设防标准提高，若按既有建筑考虑，可在保证结构安全的前提下大大减少结构的加固工作量。

也有观点认为既有建筑应以通过竣工验收作为分界点，这个观点也不尽合理。一是以主体结构验收(E)点还是以整体竣工验收(G)点作为分界线；二是我国早期的工程建设并没有竣工验收制度，文物建筑就是一个极端例子。

至于“已建成的”这种说法，相对比较合理，但我国建筑的现状比较复杂，一些特殊情况(如烂尾楼)并不能涵盖其中。如：

(1)某建筑按《建筑抗震设计规范》(GBJ 11—89)(简称89版抗规)设计，结构已经封顶(是否经过主体结构验收不详)，后因种种原因停工，至今已矗立二十多年。显然该楼不属于“已建成的”，若该楼要续建，如按新建工程的要求，可实施的可能性几乎是零。这种情况下以主体结构封顶(D)点作为分界点更为合理。

(2)有些建筑主体结构还未封顶就停止施工，搁置数年后重新施工时不再继续往上建，这类建筑虽不属于按原设计“已建成的”，但仍可作为既有建筑对待。如果要续建则应仍按原设计继续往上建造，应属于“新建工程”。

笔者认为，既有建筑可定义为“出地面且主体结构不再续建拟投入使用的建筑”，即在图中分界点C和D之间的建筑物即为既有建筑。

2 加固改造中的标准适用性

2.1 几个关键性标准的变化

《建筑结构可靠性设计统一标准》(GB 50068—2018)[6]和上一版《建筑结构可靠度设计标准》(GB 50068—2001)的差别在于：1)恒荷载分项系数由1.2提高到1.3，活荷载分项系数由1.4提高到1.5；2)结构的安全等级对于2016年版抗规中的甲、乙类建筑(大型公共建筑)安全等级提高为一级，重要性系数取1.1。

《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2001)进行了两次修订，2010年版相比2001年版提高了抗震措施(内力调整系数的变化)，2016年版中抗震设防烈度按《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)进行了调整，随着抗震设防烈度的提高，地震作用增大，抗震措施提高。

2.2 标准变化对安全性评级的影响

《民用建筑可靠性鉴定标准》(GB 50292—2015)规定按国家现行设计规范进行构件承载力的验算：

(1)结构构件验算采用的结构分析方法，应符合国家现行设计规范的规定。

(2)作用的组合、作用的分项系数及组合值系数，应按现行国家标准《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)[7](简称荷载规范)的规定执行。

(3)结构构件的安全性鉴定，应按承载能力、构造、不适于承载的位移或变形、裂缝或其他损伤等四个检查项目，分别评定每一受检构件的等级，并取其中最低一级作为该构件安全性等级。

由于鉴定标准要求按国家现行设计规范进行构件承载力的验算，随着荷载分项系数的提高、结构重要性系数的提高，不少构件按承载力评定等级降低，从au，bu级降至cu甚至du级是很正常的，构件的最后评级取最低一级也就成了cu或du级，最后有可能导致鉴定单元评定为Csu或Dsu级。而Dsu级的房屋标准中要求“必须立即采取措施”，但现场调查时发现构件完全处于正常使用状态，对于既有建筑加固改造来说还真是一件很麻烦的事。

2.3 解决问题的办法

造成上述现象的原因主要有三个：1)既有建筑加固改造的标准适用性，一律采用现行标准判定是否可行；2)构件的安全性等级评定方法，取四个检查项目中的最低一级作为该构件的安全性等级是否合理；3)一些鉴定人员缺乏工程设计经验，不理解新建工程设计与既有建筑加固改造的差别。

笔者建议：1)对于加固改造工程，构件的恒、活荷载分项系数仍按《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB 50068—2001)规定取值，特别重要的构件按《建筑结构可靠性设计统一标准》(GB 50068—2018)规定取值；结构重要性系数按原设计标准取值，一般情况下取1.0，尽可能减少基础加固工作量。2)正确理解“结构构件验算使用的计算模型，应符合其实际受力与构造状况”，同一构件在新建工程和加固改造工程中的受力状况、边界条件是不同的，而且也与具体采用的加固技术和施工工艺有关。3)不要盲目相信软件分析结果，计算软件只是一个辅助工具，一个优秀的结构工程师应具有对结构分析中出现异常现象的分析判断能力。4)重视现场调查，结构构件的安全性等级应根据承载能力、构造、不适宜承载的位移和变形、裂缝和其他损伤，根据现场调查结果结合计算分析进行综合评定，而不是取最低等级。

3 加固改造中的后续使用年限

3.1 后续使用年限是否要保留

《建筑抗震鉴定标准》(GB 50023—2009)引入了后续使用年限的概念，不同时期的建筑依据不同的标准进行鉴定加固，为既有建筑的加固改造起到了“辟新径、保底线”的作用。近年来，不少设计人员对抗震加固设计中是否要明确后续使用年限提出了质疑，本文从以下几个角度来说明后续使用年限的重要性。

(1)关于设计使用年限

《建筑结构可靠性设计统一标准》(GB 50068—2018)第3.3.2条规定：建筑结构设计时，应规定结构的设计使用年限。设计使用年限指“设计规定的结构或构件不需进行大修即可按预定目的使用的年限”。结构在规定的设计使用年限内应具有足够的可靠性，满足安全性、适用性和耐久性的功能要求，当房屋建筑达到设计使用年限后，经过鉴定和维修，仍可继续使用，设计使用年限随建筑结构的重要性而不同。《建筑结构可靠性设计统一标准》(GB 50068—2018)规定：建筑结构的设计使用年限应按表1采用。对于加固改造工程，后续使用年限即为设计使用年限，在设计总说明中必须给予明确。

建筑结构的设计使用年限 表1

(2)构件承载能力极限状态验算公式

荷载规范给出了承载能力极限状态下的设计表达式：

γ0Sd≤Rd

(1)

式中：γ0为结构重要性系数；Sd为作用组合的效应设计值；Rd为结构或结构构件的抗力设计值。

对于由可变荷载控制的效应设计值，其荷载基本组合公式为：

(2)

式中：γGj为第j个永久荷载的分项系数；SGjk为按第j个永久荷载标准值计算的荷载效应值；γQi为第i个可变荷载的分项系数；γLi为第i个可变荷载考虑设计使用年限的调整系数；SQik为按第i个可变荷载标准值Qik计算的荷载效应值；φci为第i个可变荷载的组合值系数。

Qik是在一个固定年限内对大量实测数据进行统计分析的基础上提出来的，一般情况下不能随便更改，我国的工程建设技术标准规定的固定年限为50年，即设计基准期，《建筑结构可靠性设计统一标准》(GB 50068—2018)第3.3.1条规定：建筑结构的设计基准期为50年，荷载规范第3.1.3条规定：确定可变荷载代表值时应采用50年基准期。

注意到式(2)中的系数γLi为考虑设计使用年限的调整系数，荷载规范第3.2.5条根据可靠性统一标准规定的设计使用年限给出了调整系数取值，见表2。

活荷载考虑设计使用年限的调整系数 表2

由此可见，设计基准期是用于确定可变作用及与时间相关的材料特性取值而选用的时间参数，其取值会影响到式(1)中的Sd和Rd。如设计时需要采用其他设计基准期，则必须确定在该基准期内结构材料性能和最大荷载的概率分布及相应的统计参数。

(3)考虑地震作用时的效应基本组合

2016年版抗规第5.4.1条规定：结构构件的地震作用效应和其他荷载效应的基本组合，应按下式计算：

S=γGSGE+γEhSEhk+γEvSEvk+ψwγwSwk

(3)

式中各符号含义见2016年版抗规。

式(3)中地震作用作为可变荷载的一种，自然也可以根据设计使用年限的不同进行调整，但和式(2)不同的是，式(3)中没有可变荷载调整系数，唯一的处理办法就是对地震作用标准值的效应进行调整。地震作用和普通活荷载有很大的不同：首先大量的研究表明地震作用的分布符合极值Ⅱ型分布，其次考虑不同设计使用年限的地震作用差别比普通活荷载变化要大得多，研究表明按100年设计使用年限设计时的地震作用约是按50年设计的1.4倍。

抗震鉴定标准的处理方法与荷载规范采用的50年设计基准期不同，抗震鉴定标准的处理方法是延用了2016年版抗规中的设计基准期内具有等效超越概率来确定地震动参数的方法，这就为抗震鉴定与加固时地震动参数取值找到了理论依据，这也是抗震鉴定标准的特色之处。

3.2 不同后续使用年限的地震作用

我国早期的抗震鉴定标准中对地震作用的折减主要是依据震害教训和专家经验确定的，自《建筑抗震鉴定标准》(GB 50023—95)实施后，开始了不同后续使用年限地震作用的计算理论研究，大致可分为三个阶段。

3.2.1 筑梦阶段

戴国莹等[8]提出了“抗震鉴定与加固时可考虑后续设计工作寿命期的不同建立相应的鉴定用地震动参数。新建工程按50年设计工作寿命期内超越概率10%确定其设计所用的抗震设防烈度，对于已经使用了T1年的现有建筑，可按(50-T1)年内超越概率10%确定其鉴定与加固时所用的设防烈度，再确定对应的地震动参数”的重要思想，为地震作用的计算奠定了理论基础，从而使地震作用的折减系数的专家经验法过渡到半经验半理论方法。

这一阶段的重要贡献在于，借助于地震危险性分析，在潜在震源、地震活动性、衰减规律的基础上，可得到某个地区以年超越概率P(I>i)表示的地震危险性，再根据给定期限T年内发生大于某一烈度的超越概率P(I>i|T)与年超越概率的关系，确定不同期限内在给定超越概率下的地震烈度。超越概率P(I>i|T)定义为：

P(I>i|T)=1-[1-P(I>i)]T

但上述观点也存在着一些问题：1)用结构的剩余使用年限代替后续使用年限；2)根据剩余使用年限折减设防烈度，进而对地震作用进行折减。

以北京地区为例，已经使用了20年的建筑，烈度降0.3，地震作用可取0.8的折减系数；使用了30年的建筑，烈度降0.8，地震作用折减系数可取0.57！

3.2.2 解梦阶段

毋剑平等[9]基于我国华北、西北和西南45个城镇以及新疆地区20个城镇的地震危险性分析结果，提出50年地震烈度的概率符合极值Ⅲ型分布，进而得到不同后续使用年限内在给定概率下的地震烈度，从而确定不同后续使用年限所对应的地震作用的参数。分别求出45个城镇在不同设计使用年限内超越概率为63.2%的地震烈度，然后分别对6，7，8，9度区取平均值，得出不同基本烈度地区在不同后续使用年限内超越概率为63.2%的众值地震烈度。

有了不同后续使用年限的小震烈度，采用刘恢先教授给出的地面运动加速度峰值与基本烈度的关系式就可以以设计基准期50年为基准，计算得到不同后续使用年限的地震影响系数比值，见表3，相应的曲线见图2。

不同后续使用年限的地震影响系数比值 表3

图2 不同后续使用年限与地震影响系数比值关系曲线

白雪霜等[10]按照等超越概率原则确定了不同后续使用年限在不同设防水准下(小震、中震、大震)等效超越概率、地震动参数(水平地震影响系数、地面峰值加速度)的取值，并给出了三水准的地震作用折减系数建议值(表4与图3)。

不同后续使用年限各水准地震作用折减系数建议值 表4

图3 三水准的地震作用折减系数建议值与后续使用年限的关系曲线

3.2.3 圆梦阶段

以往的地震作用调整系数均是先对设防烈度进行调整，然后根据调整后的设防烈度确定地震作用。然而作为工程技术人员更为关心的是直接可用于设计的地震作用，众多学者的研究表明：地震作用服从极值Ⅱ型分布，地震烈度服从极值Ⅲ型分布。

(1)地震作用分布规律

程绍革等[11]研究了点震源、线震源、面震源及复合震源的地震发震机制及传播规律，推导出地震动参数的累积分布函数F(A)可统一表达为：

F(A)=exp[-CGAk]

(4)

式中：C为与震级相关的系数；G为与场地位置相关的系数；A为地震动参数；k为指数，k<0,说明地震作用的确服从极值Ⅱ型分布。

此外，程绍革等还对我国大陆地区1913～1963年、1967～2016年两个50年间的最大震级地震及相应的烈度和地面峰值加速度进行了数据拟合，进一步验证了地震烈度服从极值Ⅲ型分布，地面峰值加速度服从极值Ⅱ型分布。

(2)不同设计使用年限的地震作用计算方法[12]

第一步：构造地震动参数的累积分布函数统一表达式。

(5)

式中：A为地面峰值加速度；σ为尺度参数；k为地震动参数分布形状参数。

第二步：计算以50年为基准期的不同设计使用年限的等效超越概率。

Pi/T=1-(1-Pi/T(50))50/T

(6)

式中：i为1，2，3，分别对应小震、中震和大震，相应的超越概率分别为63.2%，10%和2%～3%；T为设计使用年限，年；Pi/T(50)为抗震设防水准为i，设计使用年限为50年的超越概率。

第三步：计算三水准地面峰值加速度Ai,T。

Ai,T=σ·[-ln(1-Pi/T)]1/k

(7)

式中Pi/T为后续使用年限为T年的等效超越概率。

第四步：以50年为基准期计算地震作用调整系数α。

α=Ai,T/Ai,T(50)=(T/50)1/k

(8)

式中Ai,T(50)为后续使用年限为50年的地面峰值加速度。

显然，调整系数α与设防水准无关，烈度影响参数k对其影响不大，主要与设计使用年限有关，不同设计使用年限的地震作用调整系数见表5。

建议今后鉴定标准修订时，后续使用年限30，40，50年的地震作用折减系数分别取0.8，0.9，1.0。

不同设计使用年限对应地震作用的调整系数 表5

4 C类建筑加固改造设防标准

4.1 问题的由来

《建筑抗震鉴定标准》(GB 50023—2009)中第1.0.4条第3款规定：在2001年以后(按当时的抗震设计规范系列设计)建造的现有建筑，后续使用年限宜采用50年。第1.0.5条第3款又规定：后续使用年限50年的建筑(简称C类建筑)，应按现行国家标准《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)的要求进行抗震鉴定。

《建筑抗震鉴定标准》(GB 50023—2009)已实施了10多年了，按2001年版抗规建造的房屋(所谓的C类建筑)也已经使用了20年，在此期间《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB 50068—2001)进行了修订，《建筑抗震设计规范》GB 50011进行了3次修订，包括2008年版、2010年版、2016年版，在设计地震动参数、抗震措施方面都有了很大变化。

这类所谓的C类建筑抗震加固又如何确定抗震设防标准呢？如果能适当降低设防标准，又如何把握尺度？

4.2 C类建筑加固的原则与方法

(1)基本原则

C类建筑加固时需坚守以下原则：1)不得突破鉴定标准的红线要求，即后续使用年限不得低于30年；2)不得低于原设计设防标准的底线要求，即加固改造后的设防标准要高于原设计的标准，对原结构设计不足之处要有明显的改善。

(2)合理的设防标准确定

在基本原则的基础上，根据工程加固改造的具体情况可采取相应的灵活处理方式，如：1)后续使用年限的确定；2)对地震作用进行适当的折减；3)寻找降低抗震措施的途径。

4.3 典型C类建筑加固改造案例

目前按2016年版抗规设计建造的房屋一般情况下改造的难度不大，多为局部改造，在遇到特殊情况，如功能改变和设防标准提高时，按2016年版抗规执行即可，不再特殊介绍。本文主要介绍下按2010年版抗规、2001年版抗规、89版抗规设计建造的房屋加固改造案例。

4.3.1 按2010年版抗规设计建造的房屋

这类建筑的主要问题是抗震设防烈度的提高，导致地震作用增大和抗震等级提高，且这类建筑基本已投入使用近10年，按原设计使用年限50年算起则后续使用年限还有40年。

解决方案：

(1)地震作用。对于设计基本加速度提高0.05g、0.10g的地区，在构件抗震承载力验算时，地震作用可以乘上0.9的折减系数(6度区不得折减)，但总的地震作用不得低于原设计水平。

(2)抗震措施。在对结构进行大震下的弹塑性变形验算时，当大震下结构的层间位移角远小于规范限值时(如混凝土结构1/100)，抗震等级可按现行抗规降低一级考虑，但不得低于2010年版抗规所对应的抗震等级。

(3)后续使用年限。加固改造后的设计使用年限维持原设计不变或40年，但此40年非B类建筑之40年。

4.3.2 按2001年版抗规设计建造的房屋

这类房屋的问题比较复杂，首先2010年版抗规较2001年版抗规提高了抗震措施，2016年版抗规对设防烈度进行了调整，抗震等级进一步提高，地震作用增大，即便设防烈度不变但由于设计地震分组调整，反应谱下降段地震作用影响系数仍有所增大。

解决方案：

(1)地震作用。考虑这一类房屋已投入使用20年，剩余使用年限30年，因此建议在构件抗震承载力验算时，折减系数可分别按0.9，0.8进行分析(折减后的总地震作用仍不得小于原按2001年版抗规的计算结果)，综合考虑经济与技术因素确定折减系数取值，同样6度区不得折减。

当折减系数取0.9时，则在设计总说明上明确设计使用年限40年；当折减系数取0.8时，则在设计总说明上明确设计使用年限30年。

(2)抗震措施。标准的修订引起的抗震等级的提高是制约既有建筑改造的最大障碍，而抗震等级的确定是与地震作用计算的方法选择要配套协调。

若地震作用折减系数取0.9，则相应的抗震措施宜根据2016年版抗规的地震动参数按2010年版抗规确定抗震等级，这样加固改造的后续使用年限为40年。

若地震作用折减系数取0.8，则相应的抗震措施宜根据2016年版抗规的地震动参数按2001年版抗规确定抗震等级，这样加固改造的后续使用年限为30年且维持原设计使用年限不变。

4.3.3 按89版抗规设计建造的房屋

对于抗震鉴定标准中按89版抗规设计建造的已明确规定其后续使用年限为40年的建筑(B类建筑)，由于现阶段建筑改造形势已和以前有很大的不同，结构变化很大，如大量抽梁拔柱、楼板开大洞严重不连续，仍按B类建筑的要求进行鉴定和加固，其抗震安全性是不够的。此外，这一时期建成的房屋同样面临着设防烈度的提高，且89版抗规中对某些抗震概念设计的内容也缺少量化标准。对于这一类建筑，建议与按2001年版抗规设计建造的房屋采用相同的处理方法，同时还应对建筑加固改造前后的抗震性能进行对比，确保加固后的规则性比加固前有明显的改善，但不一定必须达到现行规范的规则性要求，当楼层的弹性层间位移角较小时，可适当放松扭转规则性要求，当楼层的大震弹塑性层间位移角较小时，可适当降低抗震措施的要求。

5 结论

本文针对既有大型公共建筑抗震鉴定与加固改造工程的几个热点问题进行了分析，提出了相应的解决方案，具体内容如下：

(1)对既有建筑的定义进行了探讨，为后续加固改造采取的设防标准和确定提供了依据。

(2)对既有建筑鉴定与加固改造的采用标准的适用性进行了探讨，在确保结构安全的基础上大大减少了加固工作量。

(3)基于地震作用符合极值Ⅱ型分布的特点，给出了抗震加固中三水准设防的地震作用折减系数取值。

(4)对当前城市大型公共建筑加固改造的疑难问题进行了分类，并提出了相应的解决方案。