歷史建筑保護修繕中的技術創新
——以上海美豐洋行歷史建筑保留外墻改造為例

蔡穎佶

（上海建為歷保科技股份有限公司，上海 200120）

1 背景介紹

近30年來城市化的快速發展造成大量有價值的歷史街區成片消失、歷史建筑徹底拆除。近年來城市化進程也逐漸向城市更新方向轉移，對既有建筑合理的改造利用成為城市可持續發展的重要方向，歷史建筑的活化利用成為建筑工程領域新的課題。但不可否認的是，從實用的角度出發，除了保存較好的優秀歷史建筑、文物建筑之外，更多的歷史建筑殘存的價值降低、現狀堪憂。原因是多方面的，如建造時間久遠，歷經數十年乃至近百年的過度使用，功能結構多次改變造成損毀過大，又如年久失修、結構安全性下降、內部設施陳舊等原因已無法滿足現代化功能的使用等等[1]。而價值降低的歷史建筑往往得不到有效保護，以往不少國內外城市及地區都有此類反面教材。

在當今大規模城市更新的時代背景下，人們越來越認識到，城市的發展不應該以隔斷城市的文脈為代價，應該尋求一個合理的平衡點，歷史建筑的殘余價值也日益受到重視。上海的保護觀念從“拆、改、留”到“留、改、拆”，采用以保留保護為主的創新工作方法。尊重每個改造案例的獨特性，尊重歷史還原真實的歷史風貌環境，以便延續城市文脈、激發城市活力，實現城市面貌有序、有價值的新陳代謝。

而對那些整體保留價值不大但對街巷空間的歷史環境塑造起重要作用或者承載有人們久遠歷史回憶的歷史建筑來說，現在也擺脫了以往只能被拆除的命運——采用技術協同創新的手段，一是將歷史建筑有價值的外墻修繕保留，恢復其原有肌理和質感。二是在原有的場所空間營造更新的結構體系并重置建筑功能要求。在滿足城市更新的需求下，有效地保持沿街風貌在近人尺度上無可復制的歷史氛圍，保留原有的滄桑感的城市肌理[2]。

2 創新思維的應用

習近平總書記在2013年3月6日指出：“要突破自身發展瓶頸、解決深層次矛盾和問題，根本出路就在于創新，關鍵要靠科技力量。中國未來發展的出路——創新。”

創新是一個價值實現的過程，通常分為5個部分：即問題解析（需求分析）→提出創新方案（創意分析）→形成創新方案（小試、中試）→實施創新方案（商業化、實現價值）→評價創新方案（過程分析）。經濟學家熊彼特J.Schumpeter將創新分為產品創新、工藝創新、市場創新、生產要素創新、組織創新5個類型。

在歷史建筑保護修繕的細分領域，創新往往體現在工藝創新也就是生產方法創新，即新產品、新過程、新系統和新服務的首次商業性轉化。這可以是一個跨界整合的過程overcross，或者說結合其他領域的技術“拿來主義”以形成協同創新，在前人發現或發明的基礎上，創造性地提出新的發現、發明和新的改進、革新方案，最終尋求到一種有效的對策，解決城市更新中歷史風貌的保護的與城市發展的需求之間的矛盾，例如原用于船舶技術的三維激光掃描技術用于歷史建筑保護領域的原始信息數據采集。

根據著名的創新理論奧斯本檢核表法和阿奇舒勒的TRIZ方法導論可知：解決創新問題、實施技術創新的過程基本是發現問題——找出解決問題的方法——解決問題的方案。而歷史建筑保護修繕的專業特性以及專家評審會的方式，也恰巧與創新方法中團隊應用六頂思考帽的方式不謀而合（表1）。

表1 六頂帽子法的創新方法

創新方法中使用6項帽子方法的主要目的是：聚焦并且改進想法的過程、鼓勵創造性、平行和水平思考、改進溝通、加速做決定等。這種方式體現在歷史建筑保護修繕的管理實踐中則進一步保證了歷史的真實性、技術的安全可靠性。

國外的歷史建筑修繕在保護古建筑與現代發展之間采取一種折衷的辦法——外墻主義facadism。在《美國傳統英語字典》中定義為“保護著名舊建筑的前面并拆除其后面，經常在舊外墻的后面修建現代內部的實踐”。這些實踐今天看來雖然莫衷一是，但對我國的歷史建筑保護能夠起到借鑒作用。同樣可以借鑒的是，由于火災而形成其獨有價值的世界文化遺產澳門大三巴牌坊，是一處呈現文藝復興時期建筑風格與東方傳統文化有機融合的fa?ade wall（天主教圣保祿大教堂前墻）。“他山之石可以攻玉”，我國的歷史建筑保護技術多年來也取得了長足的發展，下文以實踐案例進行分析。

3 實例分析

3.1 原歷史建筑概況

美豐洋行原名Andrew & George Building，為外灘商業核心區一棟百年歷史建筑風貌保留建筑，始建于1897年，原為3層磚木結構的維多利亞風格的洋行建筑。清水紅磚外墻帶有精美的雕飾，老虎窗帶有巴洛克風格，沿北京東路的南立面采用連續券柱式構圖，非常獨特而具有保護價值（圖1、圖2）。平面布局呈現殖民地外廊式特征，后期封設外窗并局部加建。加建部分的外觀與原有建筑的反差較大。解放后政府把樓層重新分割，改為十余套住宅使用。百年來由于年久失修，內部樓板及樓梯損毀嚴重、屋面塌陷嚴重，90年代開始空置，因無人維護而損壞加劇。除外墻基本保存完整外，內部空間已不能正常使用①《美豐洋行歷史建筑房屋質量檢測與評估報告》.上海市建筑科學研究院房屋質量檢測站 2007.7.6。。隨著本地塊城市更新的計劃，需在完整保留此樓外墻條件下原地新建14層辦公樓，并在實現風貌保護基礎上保證新建筑獲得最大限度的地上面積②《優秀歷史建筑修繕技術規程》上海市標準（DGJ08-108-2004）。。

圖1 南側沿街的連續券柱式構圖fa?ade wall（來源：劉煥新攝）

圖2 東側沿街立面fa?ade wall

3.2 工程特殊性和主要難點分析

根據地塊的功能定位以及該歷史建筑的現狀查勘情況和價值評估，大樓改造采用的方法為：在現有基礎上保留南側及東側兩面沿街的歷史外墻，原有建筑范圍內殘損的結構及其余外立面拆除并實現結構托換，原址新建-8.55 m深的2層地下室及60 m高的鋼筋混凝土結構塔樓，并將保留的兩面歷史墻體修繕后作為新建筑下部的外圍圍護墻（圖3、圖4）。

圖3 改造后的美豐大樓南向沿街效果圖

圖4 改造后的美豐大樓剖面示意圖③《美豐洋行歷史建筑方案設計》ARQ，2007.12。

將殘留歷史建筑外墻與新建筑融合的保護性開發模式，即以技術手段將有保留價值的歷史建筑外墻脫離原結構體，再與新建筑相結合成為其外圍護墻的一部分的建造模式。此過程也被稱作“結構換膽”。保留3層磚木結構的清水花飾外墻，在其圍合的空間范圍內貼鄰建造60 m高且帶兩層地下室的高層建筑，這種創新的處理手法在上海尚屬首例。

然而本案的特點基本也都是技術上的難點：

(1)歷史建筑外墻為清水磚墻砌筑，自身存在強度差、整體性差、抗變形能力差的問題。

(2)所處的歷史地段環境較為復雜，fa?ade 立面兩面臨街，東側直接臨步行空間，南側臨車流較大的主要城市道路，歷史外墻側地下管線密集且無施工操作面。

(3)外墻內側4.3 m的狹窄空間內需實現加固、保護、托換、打樁及基坑維護體等復雜工序

(4)建筑兩面臨人流密集道路，安全性尤為重要。單片歷史墻體高達3層，要確保其穩定不倒且不發生形變。

(5)老磚墻和新澆筑混凝土襯墻拉結要考慮可靠措施。

3.3 創新技術的風險

將歷史建筑沿街的外墻原位保留，拆掉內部結構，新建建筑并將歷史外墻附著于新建筑上，使得新舊融為一體。其分離-保護-拆除-新建-融合的過程業內稱為“結構換膽”。實現這一過程必須依托一套可靠有效的外墻支護系統，基本要求是保持墻體自身穩定性和安全性，確保不倒塌、不解體、不傾覆、損傷和變形可控。

國外成熟案例的支護都有一個共同的特點，即支護體鋼架放在墻體的外側、支護體不會干擾施工作業、且施工場地足夠大，可以滿足安全性、穩定性要求。但美豐洋行案例的特殊性恰恰在于周邊環境條件局促，東、西、南三面沒有任何作業空間，施工場地被局限在紅線范圍以內，施工機械進出也僅有北側一個出口④Züblin International GmbH 有關技術資料。。

因此提出對支護系統必須強制性滿足的要求為：支護只能放在外墻內側、施工工藝設備適應狹小場地、施工流程要考慮頻繁交叉作業影響。顯然，內側支護方式導致了狹小空間多工種頻繁交叉作業，在此種情況下實施“結構換膽”雖然是兼顧保護和開發的理想的解決方案，但技術難度極大，伴隨創新而來的就是不容忽視的風險：

(1)基礎掏磚置換階段，墻體因擾動過大而倒塌；

(2)壓樁階段，墻體因局部應力突增而變形開裂；

(3)內部結構拆除階段，墻體因失去側向約束而失穩；

(4)深基坑施工階段，臨近基坑墻體因土體變形而產生不均勻沉降。

可見，單純應用常規的施工技術措施難以確保換膽過程的安全，必須因地制宜地考慮有效的技術措施。

3.4 關鍵技術創新思路

經過科研、設計、施工的結果，最終美豐洋行采用協同創新的技術路線（圖5），通過新的托換、加固技術解決換膽施工技術難題：采用集加固、托換、保護性拆除、樁基、基坑、動態監測、土建施工、老墻修繕于一體的方案。其核心內容是保留墻體基礎托換以及新老結構結合過程中所采用的型鋼夾梁墻體保護等關鍵技術。而此項技術適用的必要條件為：

(1)結構體系為磚混結構或磚木結構。

(2)原建筑外墻基本完整，抗壓抗剪強度滿足加固規范要求，內部結構雖破壞嚴重但采取卸載和簡單加固措施后仍能維持自身穩定。

(3)新建筑為鋼筋混凝土框架或框剪結構體系的多高層建筑。

(4)基礎采用樁基，新建地下室少于2層。

(5)新建筑底部各層層高與保留外墻原有層高一致。

(6)新建筑支撐老墻的懸挑結構具備足夠的剛度，保證新老結構協同工作。

(7)保留墻體室外一側有0.8～1 m的施工作業面，滿足淺層開挖和錨桿樁施工要求。

(8)地下室外墻至保留墻體凈距滿足基礎托換需求且不小于3.5 m。

(9)基坑部分圍護樁可兼做工程樁；基坑施工優先采用逆作法。

圖5 協同創新技術路線[6]

3.5 施工流程控制

根據歷史建筑保護原則，施工前對原狀的檢測及三維掃描數據的采集（圖6）是有效控制歷史環境原貌的必要措施。隨后則是環環相扣的一系列的流程⑤《現有基礎再開挖及托換設計規范》（德國DIN 4123: 12-2008）。：

(1)加固。保留外墻門窗洞口以增強其整體性和縱向剛度，底層洞口用與老墻等厚的砌塊墻封堵，以上各層洞口用木支架加固；門窗洞口上方的拱券始終保持磚拱側推力是保證磚拱完好的必要條件。窗洞采用木結構進行支撐，使磚券結構的拱卷能通過木結構傳遞壓力，同時不會被頂壞。外墻內側以鋼桁架支撐結構以便承受墻體上的所有水平荷載。

(2)卸載。保留內外承重墻及樓面梁，拆除分隔墻、屋面瓦、吊頂、設備管道等非承重構件，清空樓面垃圾。

(3)消除施工安全隱患。修補內外承重墻已嚴重破損部位或采取臨時支護措施。

(4)開施工洞。于底層內橫墻與外墻交界處開施工洞，尺寸應滿足后續夾梁安裝、掏磚、澆筑底板等工序要求。

(5)安裝夾梁。沿保留外墻底部安裝二道型鋼夾梁，對穿螺絲固定夾緊墻體（圖7）。

圖6 筆者對美豐洋行保護外墻及屋頂進行3Dscan數據現場采集（來源：楊陽拍攝）

圖7 施工中的托換鋼梁[3]

(6)室內外同時開挖，暴露保留外墻大放腳基礎。

(7)安裝監測設備，開始實時監測工作。

(8)內橫墻上對應基礎底板中心標高開200 mm×300 mm洞口，穿型鋼。

(9)按批次分段掏去夾梁以下磚墻（圖8），同一批次間隔2個窗洞以上。每段掏磚尺寸不大于600 mm×500 mm，掏磚后立即安放鋼筋籠、預留壓樁孔和錨栓、支模澆筑砼。如此循環往復，直至保留墻體下大放腳基礎全部置換為砼底板。

圖8 保護外墻掏磚分批示意圖⑥美豐洋行歷史建筑測繪圖紙,上海章明建筑設計事務所，2007.4。

(10)底板養護達到設計強度后，進行錨桿樁壓樁、樁基檢測、樁頭螺栓錨固。

(11)加固保留外墻，外墻內側增設鋼筋混凝土板墻和壁柱，新建筑樓面標高預留連接鋼筋。

(12)安裝鋼格構柱作為施工期間獨立外墻側向支撐結構，格構柱僅約束外墻水平位移，豎向變形彼此獨立（圖9）。

圖9 拆除原內部結構后可見的保留外墻北側的鋼格構柱（來源：作者自攝）

(13)拆除原建筑內部承重結構及樓面，騰空新建筑施工所需作業場地。

(14)新建筑樁基、基坑圍護施工。

(15)新建筑基坑開挖、基礎及地下室結構施工。

(16)將步驟9已完成的保留外墻基礎底板與新建地下室頂板的外挑部分連成一體，保留墻體通過此懸挑結構與新建筑結合，達到協調沉降目的。

(17)拆除步驟 10完成的錨桿樁封樁錨栓。

(18)新建筑地上結構施工至與保留外墻各樓層標高處，將樓面梁與外墻壁柱連為一體。至此，新建筑主體結構替代了鋼格構柱，成為保留外墻永久的側向支撐（圖10）。

(19)新建筑繼續施工直至結構封頂。

(20)待沉降穩定后，按保護修繕原則進行保留外墻立面修繕。

圖10 拆除空間的新澆筑鋼筋混凝土結構與保留外墻的桁架支撐體系（來源：劉煥新攝）

3.6 關鍵技術及其實施過程

3.6.1 型鋼夾梁墻體加強技術

在外墻門窗洞口處對應夾梁的位置做砌體封堵，材料水泥砌塊Mu10混合砂漿M5.0，厚度與原有墻體一致，養護至新砌體達到原有墻體相同強度后，在夾梁部位的磚體灰縫處鉆D14的對穿孔洞，上下間距為250 mm，縱向間距為600 mm。老磚風化層部分，必須先剔除風化層對墻體兩側支模封堵，以灌漿料灌實，以提高墻體的整體性，保障砌體共同工作。

在室內沿外縱墻及橫墻先開挖土，寬1.5 m，深至原有基礎頂面（需要暴露出原有基礎頂面）。夾梁穿越橫墻范圍開施工洞并用木方加固。在縱墻兩側安裝工字鋼夾梁及木墊塊（圖11），夾梁型號采用I63c熱軋普通工字鋼，木墊塊采用花旗松材質的木方，在螺桿與工字鋼腹板處增設80 mm×80 mm×10 mm的鋼墊片，并對每個螺桿施加45～55 kN的預拉力。為保證螺桿施加的拉力達到設計標準，選取內墻部位模擬實際工況，配合力傳感器、采集儀等設備測定對應于設計預拉力的相對扭矩。然后采用普通扭力扳手上緊螺帽，再根據測定的扭矩值再采用帶數顯控制的扭力扳手對每個螺帽進行預拉力的校準。由于木材為柔性材料，根據實驗得到經驗，螺桿拉力會產生緩慢的下降，所以需要每72 h重新對螺桿進行一次扭矩的校準。

圖11 型鋼夾梁安裝示意圖

3.6.2 分批次基礎置換技術

掏磚過程采取分段分批的方法，一共分3個階段:

(1)墻角與橫墻處外墻掏磚。首先，掏位于轉角處的墻角和橫墻處的外墻。轉角處的外縱墻及外橫墻掏出約寬1 000 mm、高500 mm的磚洞，至現有基礎底面；橫墻處的外縱墻掏出約600 mm寬，500 mm高的磚洞，至現有基礎底面，洞周磚面保持粗糙狀態。在每一個掏磚階段中，施工時掏磚的范圍及高度可根據磚的模數和原基礎頂標高進行適當的調整。

掏磚結束后，立縱向模板，縱模板與內側夾梁相距300 mm，此為預留的混凝土澆筑和振搗的入口，綁扎鋼筋，為了避免預留鋼筋影響掏磚的工作面，所有鋼筋不伸出模板，鋼筋連接采用機械連接方式。澆筑混凝土，振搗，按規范養護。當混凝土強度達到設計強度50%后再進行下一步工作。

(2)窗間墻掏磚。開挖位于窗間墻兩側覆土，再在外墻基礎內掏出約600 mm寬、500 mm高的磚洞，至現有基礎底面。支模、鋼筋籠、澆筑混凝土和養護要求同上一階段。

(3)窗下外墻掏磚。將窗下外墻掏出約600 mm寬、500 mm高的磚洞，至現有基礎底面。支模、鋼筋籠、澆筑混凝土和養護要求同上一階段。

3.7 技術實施效果

項目實施后可以看出，采用了此項技術之后，實際效果是比較安全并合乎預期的。與初始狀態相比結構沉降、傾斜和裂縫未發生明顯變化，未出現新的明顯損傷，原有損傷未顯著發展，結構未發生嚴重破壞和剛度下降，整體性保持良好。技術實施取得預期效果。具體表現在：

(1)墻體傾斜狀態未發生根本改變。墻體出平面變形值小于初始傾斜導致的出平面變形值，整體穩定性保持良好。

(2)墻體應力分布有所改變，峰值有所增加，但絕對值較小，未產生明顯影響。

(3)監測數據表明荷載與傾斜是導致墻體變形的主因，沉降影響較小。

(4)夾緊桁架部位的等效應力值分布均勻，應力值明顯高于墻體其他部位。夾緊桁架起到了增加底部剛度的作用，桁架起到了分擔新增應力和減少不均勻沉降作用。

(5)在施工過程中各測點頻率值基本未發生變化。說明夾梁有效地降低了施工擾動，墻體整體性保持較好。

(6)體的剛度基本保持不變，這是監測頻率變化不大的重要原因。

(7)隨著施工的進展，墻體變形沒有顯著增大，反而略有減小，說明墻體的變形得到了有效的控制。

4 經驗與思考

上文描述了城市更新中的對歷史建筑外墻保留的技術路線、適用條件和運用方式。采用創新思路形成的對策及在實施過程中總結的技術經驗獲得了時間的檢驗，并綜合了涉及建筑、修繕、結構、材料、監測等專業的多元化技術手段。實際應用于不同城市及不同結構體系、建筑規模的歷史建筑時，還需結合建筑、地質、環境等具體情況進行改進優化，形成完整的設計、施工方案后實施。

而實踐證明，保留外墻的歷史建筑為維系城市歷史文脈項目的實施具有良好的示范效應。舉兩個例子說明。例一為同樣位于外灘歷史風貌保護區的上海市優秀歷史建筑中央商場，這一組保留原有愛德華新古典主義風格的建筑群曾經承載著老上海近百年歷史記憶中著名小商品零售和修配兩大業態。在由南京東路-四川中路-九江路-江西中路”圍合的南京東路179號街坊成片改造工程中，現存4組美倫大樓、新康大樓、華僑大樓、中央商場歷史建筑都建成于1911-1930年間。其中結合老建筑群的綜合更新改造將貼鄰建造一棟大型商業單體。在保留建筑歷史表皮的前提下對建筑內部進行拆除重建，采用的技術手段則更有突破，不僅實施范圍更大且有條件采取雙面保護鋼架（圖12）。

圖12 中央商場街區改造外墻保護鋼架

例二為中國實業銀行倉庫大樓，是始建于1922年德國青年先鋒派風格建筑，建筑面積約8 000 m2。結構形式復雜，由鋼筋混凝土、鋼柱、木結構、承重磚墻等混合而成。由于損毀嚴重，歷史建筑已經不能滿足現代化使用需求。內部功能提升為現代化需求的上海市蘇河灣藝術館，內部結構體系更新為框架結構。受美豐洋行首創技術的啟發，施工中分別對東西兩側外墻和南北側外墻采用不同的鋼結構換撐加固方案，保持歷史外墻在倉庫內部施工期間的穩定性解決新老結構置換的技術。

由此可見，技術創新是可以因其自身需要而不斷演化的。習近平總書記高瞻遠矚地指出“科技成果只有同國家需要、人民要求、市場需求相結合，完成從科學研究、實驗開發、推廣應用的三級跳，才能真正實現創新價值、實現創新驅動發展”。創新就是要把個人的興趣與國家的需要結合起來，當作一種責任堅持下去，如何將協同創新在歷史建筑保護修繕領域中不斷發揚光大將是一個恒久的命題。