老建筑原位保護及與新建建筑結合的設計

何四祥

(悉地國際設計顧問(深圳)有限公司,上海 200433)

0 引 言

隨著我國商品經濟的發展,作為城市核心的商業街區發展不斷加快,導致老商業街區的歷史建筑保護改造也逐步增多。由于歷史建筑很多是磚木結構,安全冗余度較小,且使用時間較長,如何在滿足新建建筑功能的需求下,又能確保歷史保護建筑的安全,是擺在工程師面前的一個課題。國內外學者已經在磚木結構加固改造的工程應用[1]、砌體結構改造托換技術[2-3]、砌體結構加固承載力及抗震性能[4]等方面取得了一定的研究成果。但對利用老建筑的砌體結構外墻作為原地新建高層建筑物的裝飾外墻(同時由于施工場地條件限制及新建建筑基坑開挖增加了原位保護難度),國內還缺乏類似的設計及施工經驗。本文的設計方法對古建筑的原位保護設計有一定的參考意義。

1 工程概況

美豐洋行建造于 1897年,是一棟維多利亞式風格的三層建筑,為磚木結構(屋面另設一層閣樓),結構原始圖紙已全部缺失。

該結構縱橫墻承重,平面基本為矩形。房屋東西向總長約39.4 m,南北向總寬約21.0 m,一層至閣樓層層高實測值,從下至上依次為5.50 m,4.92 m,4.39 m和3.58 m。

根據改造規劃,現擬保留房屋東面和南面兩個里面的外墻,其余部分拆除,擬保留墻體所在位置見圖1。同時在原位置將新建一棟高度約為60 m (地上14層、地下1層)的綜合樓。保留墻體將作為新建筑的外圍護墻,與新建建筑連為一體,如圖2所示。

圖1 擬保留墻體平面位置示意圖Fig.1 Plane position of reserved exterior walls

圖2 保留外墻與新建筑關系圖Fig.2 Relationship between reserved external walls and new building

2 工程特點

2.1 老墻的現狀

《北京東路100～114號美豐洋行(局部)房屋質量檢測與評估報告》指出,結構整體性差,無圈梁、構造柱。且該建筑經過多次局部改建,受力歷史復雜。擬保留外墻墻面損傷明顯,一層出現多處豎向裂縫,二層和屋面外墻處木格柵端部已經腐爛,部分墻面滲水嚴重,門窗洞口變形明顯,截面被大幅削弱。房屋整體向西北方向傾斜,向西傾斜率約 10‰,向北傾斜率約為 4‰。砂漿強度偏低,強度評定值0.3～0.7 MPa。

2.2 原位保護的要求

根據改造規劃要求,擬保留兩片外墻需要原位保護,但這樣會導致保留墻體在內部建筑拆除后,保留墻體的無支撐自由長度將超過14 m,無法保證自身穩定,因此須要對保留墻體進行加固與保護處理。

在內部墻體拆除前,設計擬采用一個空間支撐結構來支撐保留外墻,使保留外墻在舊建筑拆除和新建筑施工階段不倒塌,確保兩片墻體在使用階段有良好的抗震性能。同時空間支撐結構的跨度和高度,將依據現有的橫墻和樓板間距與高度進行設計,使保留外墻與現有受力情況盡量一致。

2.3 施工空間的限制

根據建筑紅線,只能在保留外墻的內側進行開挖施工,且由于保留外墻外部管線密布、埋深較淺,導致保留墻體外部不能布置空間支撐結構的基礎,空間支撐結構的基礎只能設置在保留墻體的內側。同時考慮到新建建筑內部結構和基坑開挖機械的場地要求,空間支撐結構的布置必須保證不影響新建建筑施工。

2.4 基礎托換

由于新建建筑層數地上為14層,荷載比較大,必須由樁基礎來承受新建筑的上部荷載。為了保證保留外墻與新建筑的變形協調性,滿足保留外墻在施工階段不倒塌及使用階段不產生新的結構裂縫,保留外墻原有的磚基礎必須進行逐步托換,并與新建筑的樁板基礎應形成一個整體,保留墻體在基坑施工階段簡圖如圖3所示。

圖3 保留外墻在基坑施工階段簡圖Fig.3 Wall in construction stage of foundation pit

2.5 新基坑開挖對保留外墻的影響

由于新建筑的基坑圍護施工以及基坑開挖,會對保留外墻產生較大的擾動,墻下基礎會產生沉降,為了降低基坑開挖對保留外墻的影響,基坑開挖前利用靜壓鋼管樁托換保留外墻(圖3),同時對外墻進行實時監測,如果不均勻累積沉降或沉降速率達到設計的報警值時,及時采取預備措施。

3 工程措施

3.1 施工流程

綜合考慮保護外墻在各個工作狀況時的受力情況,同時結合新建建筑物的施工,設計一共采用12個施工步驟,分別簡述如下:①加固保留外墻門窗洞口;②開挖保留外墻室內側土,安裝夾緊桁架;③澆筑壓樁底板,施工鋼管樁;④掏磚并置換基礎;⑤加固保留外墻,增設混凝土框架柱和梁;⑥安裝鋼支撐結構;⑦拆除保留建筑的內部結構;⑧圍護樁及新建建筑工程樁施工;⑨基坑開挖及支護,新建建筑地下一層的施工;⑩新建建筑頂板與保留外墻的底板連接成一體;新建建筑地上一層至3層的施工;拆除鋼桁架支撐結構。在所有的施工步驟中,均對墻體的關鍵指標(墻體應變、變形、傾斜、沉降、裂縫等)進行全程監測。

3.2 關鍵節點圖

保留墻體門窗洞口處加固示意圖如圖4所示。掏磚并置換基礎時保留外墻的加固示意圖如圖5所示。保留外墻、增設混凝土柱、梁及鋼支撐結構示意圖如圖6所示。

圖4 門窗洞口處的加固示意圖Fig.4 Reinforcement of door and window openings of reserved wall

圖5 掏磚并置換基礎時外墻的加固示意圖(單位:mm)Fig.5 Scheme of brick replacement and reinforcement of foundation of reserved walls (Unit:mm)

圖6 加固保留外墻,增設混凝土柱、梁及鋼支撐結構示意圖Fig.6 Additional concrete columns,beams and steel support structure for reserved walls

4 計算分析

4.1 掏磚施工過程墻體的數值仿真模擬

為了預估分段置換基礎(每次置換600 mm)對保留墻體的影響,對保留外墻在置換基礎時的具體情況進行了數值仿真模擬,采用通用有限元軟件MIDAS/Gen7.8.0版本,模擬出窗間墻在分段置換前后墻體的應力變化情況。取一段典型的窗間柱,模擬底部邊界由固定端變成自由端時外墻的應力變化,得到不同階段單元的最大應力云圖及數值(應力以拉為正),發現每段掏磚600 mm時,掏磚前和掏磚后的應力變化很小,說明分段置換基礎對保留墻體產生的影響極小,對比結果見圖7。

圖7 典型墻段掏磚應力對比圖Fig.7 Typical wall substitution cloud chart and numerical comparison

4.2 基坑施工期間墻體的仿真模擬

由于基坑施工時間長,對基礎及外墻的擾動也比較大,故模擬了保留外墻在基坑施工期間的受力情況,假定基坑施工期間對外墻產生2 cm的不均勻沉降,通過計算分析可知,內襯墻體的最大拉應力為1.41 N/mm2,最大壓應力為1 N/mm2,滿足C30混凝土內襯墻體的抗拉及抗壓強度設計值,混凝土內襯墻體不會開裂,南立面內襯墻體在不均勻沉降下的最大主應力見圖8。

圖8 南立面內襯墻體不均勻沉降下下的最大主應力圖Fig.8 The maximum principal stress of lining wall of south facade under uneven settlement

4.3 內部墻體拆除后保留墻體在極端風載作用下的仿真模擬

在施工期間,保留墻體在極端風荷載的作用下的工作性能非常重要,風荷載主要通過保留墻體傳遞給新增設的混凝土內襯墻體及混凝土梁和柱,再傳遞給支撐鋼結構,通過計算分析,墻體在風荷載作用下,最大位移值7.0 mm,位移角是1/2 140,遠小于規范允許的剪力墻結構的位移角限值。對墻體在風荷載和墻體自身偏心荷載共同作用下計算分析,混凝土墻體最大的壓應力為0.95 N/mm2,最大的拉應力為0.87 N/mm2。小于C30混凝土的抗拉及抗壓強度設計值,混凝土內襯墻體不會開裂。內襯墻體在不同方向風載作用下的變形如圖9所示。

圖9 保留墻體在風荷載作用下的變形Fig.9 Deformation of reserved walls under wind load from east and south directions

5 試驗驗證

5.1 基礎置換試驗方案

為了更好地了解外墻在基礎置換時的真實反映,以及了解和完善掏磚施工工藝。在美豐洋行現有建筑內部,取一段以后將被拆除的墻體進行掏磚試驗(圖10),同時在整個試驗過程中對外墻進行全程監測。

圖10 墻體掏磚試驗照片Fig.10 Photo of wall cutting test

5.2 基礎置換試驗試驗結論

沉降、傾斜和頻率等整體監測數據,對于掏磚各工序下墻體的狀態不太敏感,說明本次掏土實驗夾梁的剛度和承載力滿足要求。局部監測數據,特別是接近夾梁處的應變數據和部分門窗洞口處的變形數據,在拆除夾梁時有明顯反應,這些測點捕捉到了應變和變形的敏感部位。如果墻體有破壞,將在這些部位最先發生。因此,建議在拆除夾梁前對夾梁上部墻體進行適當加固。

5.3 室內壓樁試驗方案

因為本工程壓樁在室內,室內分割墻較多,施工空間狹小,同時鋼管樁樁長及樁徑均較大,且要求保留建筑不得作為壓樁反力,為了確保室內壓樁在正式施工時能順利進行,且為了預估室內壓樁對保留外墻產生的真實反應,在美豐洋行現有建筑內部,試壓3根直徑為φ426的鋼管樁(圖11),由于底板不能提供足夠的壓樁反力,故采用φ95×8的鋼管樁作為反力樁。

圖11 室內壓樁試驗照片Fig.11 Photo of indoor piling test

5.4 室內壓樁試驗結論

室內壓樁試驗表明(表1),在該建筑物內部利用錨桿樁及壓樁底板來提供壓樁反力是可行的,鋼管樁樁長及承載力能達到設計要求(設計承載力極限值2 200 kN),同時監測數據表明,沉降觀測值發展趨勢明顯,同時靠近壓樁位置的位移計觀測值和應變觀測值反應明顯,但無達到報警值的突變。沉降發展有典型的先發生拖帶沉降后回彈的趨勢。說明壓樁對墻體局部有擾動;但擾動量值較小,說明在橫墻、樓板和夾梁的可靠約束下,壓樁施工擾動不會導致墻體失穩。

表1壓樁試驗結果

Table 1 Result of piling test

6 結 論

保留墻體的現狀不容樂觀,且由于場地條件限制以及新建建筑物的使用及施工要求,使得對保留墻體的保護變得非常復雜,保留墻體的整個施工工序環環相扣,且基礎置換、鋼管樁施工、內部墻體拆除以及基坑開挖均會對現有墻體產生不利影響。

但通過對保留墻體進行合理的加固,制定合適的施工工序,輔以計算分析以及試驗驗證,同時對整個施工過程進行動態監測以及制定應急措施,可以減小施工過程中不利因素對保留墻體造成的損傷,使利用現有墻體作為新建筑的裝飾外墻變成現實。同時也給類似的工程提供了寶貴的經驗。

致謝 感謝悉地國際沈淳在本項目設計和實施過程中給與的指導,同時本論文的構思、撰寫到最終定稿都離不開他的指導和熱情幫助。