既有建筑结构加固改造中的结构置换

既有建筑结构加固改造中的结构置换

沈南生

沈南生

（上海现代建筑设计集团工程建设咨询有限公司，上海，200041）

【摘要】本文结合上海外滩地区保护建筑改扩建工程设计实例，侧重介绍了既有建筑改造加固整体结构体系置换的思路和设计、施工方法，同时探讨了不同结构体系之间的保留部分的保护和置换结构的相互关系和连接。通过项目的检测和使用情况观察，项目加固改造取得了预期的效果，可为同类工程提供有益参考。

【关键词】加固改造；保护建筑；墙体托换；施工方法

一、概述

上海外滩地区存在着大量的优秀既有建筑，或文艺复兴风格、或带有巴洛克符号的新古典主义，其沿街的建筑风貌具有历史保护价值。实际项目的开发都需要本着“重现风貌、重塑功能”的原则，保留具有文化价值的外立面及特色室内装饰及构造做法，以保持外滩地区建筑风貌为重点。

此类建筑一般以砖木为主的混合结构多层房屋为主。经过多年代的使用和不断改造搭建，经常呈现出主要为砖墙承重体系，局部为钢筋混凝土梁、柱和钢梁、柱承重结构，而楼盖承重体系有混凝土、钢、木结构等三种结构形式。本文实例中原结构都存在抗侧构件布置不均匀，局部为大空间体系，多种结构体系混用，南北侧抗侧刚度有较大变化，且局部墙体竖向不连续；房屋屋顶高度和层高均超出了规范要求；房屋北侧抗震横墙的间距大于规范要求；楼屋盖无圈梁；房屋墙体砌筑用砖和砂浆的强度较低，一层墙体有酥碱现象，部分楼、屋盖的木构件有腐朽现象；后加墙体与四周墙体没有可靠连接，屋盖位置未设置圈梁。房屋目前的抗震性能不能满足现行抗震鉴定规范中A类建筑的要求。

此类项目的结构修缮改造不能仅从结构受力或抗震性能角度出发设计改造方案，更重要的是如何保留原有构件，对其进行加固、卸载、通过新结构组成协同工作来确保结构性能和延长使用年限，由使老建筑满足新功能的要求，换发新的活力。下面从几个实例中分析在既有建筑改造中结构托转的方法和实用性。

二、原益丰洋行老楼托换

（一）项目概述

本项目为外滩源综合改造开发项目一期工程的主要项目之一。总用地面积6482.1平方米。建设基地内现有四栋老建筑，沿北京东路的益丰洋行为上海市优秀历史建筑，建于1911年，五层砖木结构。其沿街的建筑风貌具有历史保护价值，保护级别为三级，保护要求为三类。主立面朝向北京东路，长约124m、高约22m（女儿墙顶标高）。该建筑采用纵墙承重的结构体系，各层楼板为木结构；基地南面的圆明园路50号楼和北京东路47号楼，是普通多层旧建筑，已相当破旧。圆明园路34号为一幢四层砖混—内框架结构房屋，保存较好，立面有一定特色。[1]

图1底层平面布置图

根据三类保护建筑[2]的要求及现行功能需要，经有关专家多次研讨，决定保留原益丰洋行的主要外墙，将建筑内部进行改造；拆除南面的圆明园路50号和北京东路47号两栋旧建筑，在原址新建一幢五层楼建筑，新建筑的一、二、三层与原益丰洋行连成一体，保留老楼原南立面局部墙体；四、五层通过连廊与老楼连接，便于新老楼沟通及商业人流进出、疏散。圆明园路34号仅保留其外立面，内部结构及平面功能按需要进行全面改造。

益丰洋行大楼需要保留的外墙在不破坏外立面的前提下结合内部改建先进行加固，保证内部改造期间外墙安全，然后按保护建筑有关要求进行修复，对损坏的外墙线脚、花饰按原样恢复，对原有外墙门窗按原有建筑风格，并按改建后建筑设计要求进行修复、调整。大楼保护修缮还需结合大楼结构改建，对大楼的外立面进行跟踪保护修缮。

（二）益丰洋行老楼改造托换

分析方案确定经本次改建后，本大楼内部结构主要受力改造为五层钢筋混凝土框架-剪力墙结构，现浇楼板。基础采用300x300预制方桩静压锚杆桩筏基础，单桩抗压承载力设计值为727KN，总桩数约400根。加固托换做法如下：

1．首先在各原始的承重墙之间的空间部位，浇捣新的钢筋混凝土梁式片筏基础，虽然新的筏板在施工期间暂时被原大楼的承重墙分隔成数块，但可以采用“切割墙洞”法通过新的钢筋混凝土筏板基础梁，将整个筏板基础连成一个整体。新的筏板基础下部设置锚杆静压桩桩基，以有效地控制新旧结构之间的沉降差。基础筏板钢筋施工时，在原砖墙处采用电钻钻孔，筏板筋从钻孔处穿过，按施工图设置筏板内钢筋,并浇捣混凝土，待原有砖墙拆除后，再采用C35混凝土进行底板的补缺浇灌，其构造同后浇带。

2．上部结构施工时，先拆除其二层楼面的原有木楼板及混凝土楼板，暂时保留全部的二层木搁栅，进行新的一层钢筋混凝土框架柱的施工，同时对该大楼的一层需要保留的原外砖墙采用C30细石混凝土钢筋网片层对其进行抗震加固。加固必须在其室内进行，不能影响到建筑物的外立面。待一层钢筋混凝土框架柱及原砖墙无收缩灌浆料钢筋网片加固层施工到拟建新的二层钢筋混凝土梁的梁底标高后，再拆除原有的二层木搁栅，进行新的二层钢筋混凝土梁板的施工。施工时采用“切割墙洞”法，使新梁穿墙而过，通过新的二层框架梁将整个新的二层楼面结构连成一个完整的整体。然后依此类推，逐层建造起新的钢筋混凝土框架结构体系，直到新的框架结构封顶。

图2墙体加固示意图

3．本次维修加固工程，对必须保留的各原外砖墙，在其内侧采用C30细石混凝土钢筋网片层进行单面加固。当砖墙有裂缝时，先对裂缝压力灌浆后再进行加固，施工前先把原有墙面抹灰铲除，砖缝剔深10毫米。

C30细石混凝土钢筋网片层内配置双向钢筋网片，通过专业的砖墙植筋法和原外砖墙进行可靠的连接。同时通过钢筋和新浇的钢筋混凝土框架结构体系进行可靠的锚固。

4．待新的结构体系全部施工完毕，且其混凝土强度达到设计强度后，再自上而下的逐层拆除需要拆除的原有承重砖墙结构构件。

5．待需要拆除的原有承重砖墙全部拆除完毕后，再采用C35混凝土进行基础筏板的补缺浇灌。

6．待基础筏板的补缺浇灌全部施工完毕，且其混凝土强度完全达到设计强度后，开始锚杆静压桩的施工。

7．新增电梯井道围护体系全部荷载均由新的钢筋混凝土框架结构承受,电梯基坑采用钢筋混凝土，施工采用“逆作法”，待各锚杆静压桩全部施工完毕后，再开始电梯基坑的开挖。

（三）圆明园路34号改造托换

圆明园路34号工程共四层，建筑面积1700m2，原来为内框砖木混合结构，因建筑方案设计基本与原结构布局一致，结构改造重复利用这一点，采取内部加大混凝土柱截面（原柱子为250X250，新柱子为550X550）加上外墙新增壁柱形成混凝土框架受力体系，也解决缺少圈梁构造柱的问题，并对墙体做板墙加固保护。本加固方案利用原有梁柱对外墙的支撑，除对内框住保护固定外不需要新增临时支撑体系，层层托换，置换成新混凝土受力结构。具体做法如下：

1、施工流程图：

2．老房子基础加固施工，先底层内墙粉刷铲除。

凿除底层混凝土地坪挖至老基础底部。清除破碎建筑垃圾，进行回填土，填至基础梁底部并进行夯实处理。定出轴线，机械开出老墙上的洞口。采用切割墙洞法使扁担梁穿越原有的基础墙，帮扎钢筋，先浇筑这部位混凝土。预留钢筋按要求留设，这样避免墙基掏空而失稳。然后老房子筏板基础钢筋及地梁钢筋施工，柱子处采用人工加机械的方法切除旧柱子的局部大放脚，先采用机械切出凹槽，再用人工进行凿除，应尽量避免切除范围外的大放角的稳定性，减少对大放脚的影响。

3．施工首层框架柱，同时在外墙内侧灰缝、砖榫开槽，之后采用C30细钢筋网片砼100厚进行加固，框架柱和加固工作均施工至一层框架梁底。施工过程中遇到危险的老墙一定要先加固支撑，才能进行后序施工。不能盲目乱敲洞。

4．拆除原二层楼面木格栅及梁，原梁采用机械切割法分段切割。保留原有柱子，施工一层框架梁、板；施工顺序同以上工况相同。

5．二层框架柱、外墙内侧C30细石混凝土钢筋网片层加强施工至三层框架梁梁底；

6．拆除原三层楼面木格栅、施工二层框架梁、板及外墙加强层；

7．重复上述工况至屋面层框架梁梁底；

8．养护四层框架结构，待强度达到设计要求后，拆除原屋面结构。

9．由上至下逐层拆除原1~2轴、2~3轴、3~4轴预留的六根混凝土柱，承重墙，同时补缺先前穿墙的结构；

三、汉口路50号大楼改造托换

本项目造于1908年，为一幢五层的以砖木为主的混合结构房屋，由通和洋行设计，建筑面积为6856.9m2。房屋的结构形式比较复杂，其中房屋南侧主要为砖墙承重，北侧除中部为砖墙承重外，其余部位主要为框架承重体系。房屋为第四批上海市优秀近代建筑。保护要求为：建筑立面和结构体系不得改变，建筑内部允许改变。根据上海市相关管理部门提供的文件可知，汉口路50号大楼的保护部位为：(1)南、西立面，塔楼；(2)入口门厅，楼梯、地面等特色装饰。

图3西南立面现状图

据检测及鉴定报告[2]，由于原房屋的抗侧构件布置不均匀，南侧墙体布置密集，北侧则主要为大空间体系，多种结构体系混用，且局部墙体竖向不连续；房屋层高较高，北侧横墙的间距较大，后期经过多次搭建、加建，整体结构体系存在严重不合理，已不能满足现行抗震鉴定规范中A类建筑的抗震要求。加固建议，房屋内部墙体有较大程度的调整，在房屋内部尽量采用框架机构体系，原楼屋盖没有足够的平面刚度传递水平力协调竖向构件变形的能力，建议拆除原木楼板，采用混凝土楼盖，以加强房屋的整体性。保留墙体采用钢筋混凝土板墙加固，并在适当位置加强配筋，保留外墙内侧设框架梁柱，使得新加楼面荷载不要直接作用在保留外墙上，房屋整体结构仍保持剪力墙为主要抗侧力构件的刚性结构体系。

基础采用静压锚杆桩加混凝土条形基础加固，控制沉降。

图4结构平面布置图

本次改造，设计从房屋整体结构体系调整着手，兼顾完善结构抗震措施，保护部位修缮加固及造施工合理可行等方面，采用下如下方案开展：

1．保留全部砌体外墙，对抗震承载力或砂浆强度等不足处采取加固措施，内部100厚C30细石混凝土钢筋网片层内配置双向钢筋网片加固，并在外墙内侧新增边框梁、框柱，提高原外墙的整体性。

2．在兼顾建筑功能使用的情况下，原钢柱、组合柱框架区域以及新增局部空间均改造成混凝土框架梁、柱来传递竖向荷载至基础。墙体在每个楼层处设置混凝土梁连接，在墙体角部及主梁与砌体外墙搭接处设置混凝土柱。

3．拆除一部分内部墙体，新增部分混凝土剪力墙，调整整体刚度，在需要大空间的部分形成框架，总体上形成框架-抗震墙结构体系。设计使墙体抗倾覆力矩占总体的比重大于70%，墙体是主要的抗侧力构件，这样减少结构水平位移，保证了结构变形与保护墙体协调工作，严格控制改造后结构层间位移角最大不超过1/2000。原外墙砌体部分不再计入抗地震水平作用，仅作为围护结构使用。改造后结构基本满足现行抗震规范要求。

4．原楼屋盖没有足够的平面刚度传递水平力协调竖向构件变形的能力，楼屋盖拟拆除原木楼板，采用现浇混凝土楼盖，与墙体、圈梁、构造柱可靠连接以加强房屋的整体性。

5．房屋总体不设缝，改造施工中采用分段施工、增加后浇带、科学养护等措施减少混凝土温度应力和收缩应力。

6．对于原存在的铸铁梁、柱构件，后期作为装饰构件酌情保留。屋面塔楼同样采用板墙加固措施，原位保留。

整体托换加固施工顺序如下：

1．静压锚杆桩与老墙不冲突的部位先施工

2．部分基础梁施工

3．部分剪力墙先行施工，对外墙形成水平约束，加强层、钢支撑随后施工

4．加强层、钢支撑逐层向上施工。

5．屋顶保护性拆除，穹顶原位保护。

6．四至一层非保留结构逐层拆除。

7．非保留结构全部拆除后，进行第二阶段的管桩沉桩施工。

8．第二阶段的管桩沉桩完成后，进行第二阶段的基础施工。

9．结构逐层向上施工。

10．钢支撑自上而下逐层拆除。

图5三层非保留结构拆除图

四、保护墙体设计方法

原外墙作为历史建筑不得损坏或重建，上述方法在保留墙体托换、完成整体浇注的基础上，必须防止地基沉降，结构变形，温度收缩等方面引起的老墙开裂。

1．因保护墙体超长超高，不能独立设置，新浇注结构需作为老墙的稳定支撑存在，并不得反作用影响其安全，因此在确保墙体和新建建筑可靠连为整体的基础上将原老墙天然基础托换，使其具有同样的基础类型-桩基，以避免不均匀沉降。

2．老墙经历上百年后地基沉降相当稳定，为减小沉降差异，严格控制新建结构总沉降量，同时通过调整桩位布置，使桩位形心与荷载中心基本重合。

3．使用阶段，砌体墙变形能力很低，为防止新建结构水平变形迫使墙体开裂，需控制结构的侧向刚度，因此采用框架剪力墙结构体系，并严格控制小震下结构层间位移角小于1/2000。

五、结论

1．既有建筑外墙保护需综合考虑建筑和结构相结合、设计与施工相结合的原则进行设计。

2．采用桩基减少最大沉降与差异沉降，混凝土结构控制水平位移，使保护墙体与新建筑结合为稳定可靠整体是有效的保护方法。

3．托换保护墙体，根据项目特点从下至上优化施工顺序，可采用原内部砖墙作为保留墙体的未定支撑，也可以采用原有梁板体系或新增加钢结构支撑体系，但一定要设计与施工结合保证实现设计意图。

参考文献：

[1]同济大学房屋质量检测站.北京东路31～91号（原益丰洋行）房屋质量检测评定报告.（沪房鉴（003）证字第2007-08-号）

[2]上海市建筑科学研究院房屋质量检测站.汉口路50号房屋抗震鉴定报告.（沪抗鉴（99004）证字第2014-010号）