老舊高層行政大樓改造方案優選與施工技術研究

李明鋒 錢 晶 顧天熊

蘇州中固建筑科技股份有限公司 江蘇 蘇州 215152

目前大部分的改造項目具有規模較小、施工專業工程單一的特點，國內關于構件層次的加固方法已經有較多的研究，但關于結構層次的概念設計優化研究較少。近年來大型綜合改造項目越來越多，有必要從改造項目的結構體系入手，首先進行概念設計優化；同時在構件加固方法的選擇以及施工實施方案中，既要綜合考慮實體項目操作空間的可行性，也要根據改造項目的造價要求，進行實施過程中措施項目的比選、優化。

1 工程概況

某行政辦公樓為框-剪結構，建于1996年，建筑總長106 m，寬23.4 m，建筑面積為35 000 m2，地下室2層，地上18層，采用樁筏基礎。建筑平面上設置2個結構伸縮縫，結構抗震設防烈度為7度，基本加速度為0.1g，設防類別為乙類。原結構混凝土強度1～6層為C40，7～18層為C35。

現由于改變結構使用荷載以及建筑功能需求，需對該行政樓進行結構加固、新增結構構件等施工內容，同時進行建筑外立面防水保溫等施工。

建筑主要改造內容如下：建筑外墻新增保溫層；18層平屋面上新增鋼結構金屬坡屋面；既有室內裝飾及相關管道的拆除；地下1層～地上4層北側，平面布局上新增梁板，填補此處原有的凹陷區；地下室2層北側，新增地下室連廊通道，與北側地庫相互連接。項目改造情況如圖1～圖4所示。

圖1 改造前標準層平面

2 結構鑒定計算

圖3 改造施工立面

圖4 改造后立面效果

根據既有結構的鑒定數據，采用YJK計算軟件對既有結構進行翻樣、建模、計算（圖5），分析既有結構在豎向荷載以及地震作用下的響應。原結構地上部分通過抗震縫分為3個獨立的部分，均為框剪結構，鑒定結果如下：結構整體指標方面，局部豎向構件扭轉位移比數值為1.5，超限；屋面水箱荷載過大，局部原屋面梁板配筋不足；書庫、檔案館等局部樓層荷載較大處，梁配筋不滿足受力要求；1～16層，梁柱節點核心區抗剪超限；1～6層，大量框架柱抗彎配筋不足；框-剪結構四周邊框梁，頂部負彎矩鋼筋配置不足；地下2層～地上1層標高范圍內的剪力墻邊緣構件不符合現行規范的構造要求。

圖5 原結構YJK模型

3 結構改造方案的優化

原結構建成于20世紀90年代，當時的結構計算主要以平面單榀計算為主，很難考慮結構的水平以及豎向剛度在空間上的合理布置。

現行最新的結構設計規范對空間模型提出較多的要求，比如結構位移比控制在1.4以內，所以在對原結構進行改造設計時，需要從結構的概念設計入手，在原有結構的水平、豎向剛度上優化模型的剛度分布，使得改造之后的結構具備更好的抗震性能，同時良好的結構概念布置，也能大大地減少結構構件層次的加固數量，具備較好的經濟效益。

3.1 平面規則性優化

原結構采用YJK軟件建模，計算結果顯示扭轉周期在第二周期，位移比最大值1.5，表明整個結構平面布置上的抗扭剛度不足，同時標準層的剛度中心與質量中心有較大偏差。現根據上述試算結果，在結構標準層四周做如下結構加固調整：在1～17層標準層，四周新增雙連梁，增強雙肢剪力墻的抗側剛度；在1～6層，東西兩側邊跨新增2個短肢剪力墻（圖6）。

圖6 模型標準層四周抗扭剛度加強布置

基于上述改造加固，結構模型前2個周期為平動周期，第三周期為扭轉周期，扭轉系數為0.95，同時最大扭轉位移比為1.18。調整后的結構模型扭轉指標滿足規范要求。

3.2 豎向規則性優化

原結構為框-剪結構，按照現行規范JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結構技術規程》中8.1.3條文增設框架柱二道防線的抗力設計要求，原結構模型計算結果顯示，8～17層大量的梁柱節點核心區抗剪承載力不足，分析發現主要是由于框架柱分配的0.2V0剪力較大導致。

為減小樓框柱分配的剪力，在1～4層的樓層內局部新增梁板柱（圖7），拓寬1～4層的建筑面積，這樣就可以根據上述規范8.1.3的要求，將樓層內的框架最小剪力值分成2段來調整（圖8），從而降低上部樓層框架柱的剪力分配值，規避大量的框柱核心區抗剪加固施工，節約資源，具備較好的經濟效益。

圖7 1～4層局部新增梁板柱

圖8 0.2V0剪力調整段劃分

4 施工技術重點控制

4.1 地下室剪力墻邊緣構件加固

按規范要求，1層框柱加大截面的新增縱筋需要延伸至地下室筏板頂，原結構改造圖紙在地下室的邊緣構件做法如圖9所示。這種做法需要鑿除剪力墻凹槽內的高強混凝土，施工難度較大，而且在施工過程中，存在破壞擋土剪力墻的風險，有可能出現外墻裂縫開展、滲水等問題。

圖9 邊緣構件加固大樣

現在對此處邊緣構件節點優化處理，擴大此處邊緣構件加大截面的尺寸[1]，使得新增縱向鋼筋在樓層交界處進行彎折延伸處理，具體做法大樣如圖10所示。

圖10 邊緣構件加固優化做法

4.2 地下室筏板植筋

剪力墻邊緣構件的新增縱筋需要植筋至筏板里。現場施工時發現，鑿除30 cm厚度的建筑地坪后，結構筏板里有滲水情況，植筋環境無法保持干燥。采用國產膠水，在潮濕有水的環境中，植筋拉拔力將無法滿足設計要求。

根據既有的工程經驗，建議此處地下室2層的筏板植筋采用進口植筋膠。喜利得植筋膠HILTI-RE50能夠在惡劣環境中使用，比如在水下植筋也能滿足錨固設計要求。在特殊環境中采用特殊性能的材料，具有較好的經濟效益，可加快施工工期。

4.3 既有外墻抹灰表面粘貼保溫層

4.3.1 既有抹灰不鏟除分析

本項目原外墻抹灰層厚度為3～5 cm，其中1～2層抹灰厚度為5 cm，3～18層抹灰厚度為3 cm。原外墻抹灰做法：1∶3水泥砂漿打底，1∶2水泥砂漿面層（拉毛）。現在根據建筑要求，外墻需要新增粘貼厚80 mm的保溫巖棉帶。

考慮原外墻抹灰平整度等觀感質量較好。現場對既有抹灰層考察發現，剝除既有抹灰層時，由于抹灰層黏結強度較高，在剝離抹灰層時，既有紅磚面層被剝離，所以為節約資源，盡可能利用原有外墻抹灰層，建議保留既有抹灰層。

同時，委托質量檢測中心對既有外墻抹灰砂漿拉伸黏結強度做檢測，檢測3組，每組7個拉拔點，共21個拉拔點（重點選擇3個部位的墻體，即東西山墻、窗間墻、層間墻）。檢測結論：3個檢驗批次的拉拔黏結強度均為0.3 MPa以上，滿足JGJ/T 220—2010《抹灰砂漿技術規程》要求，即可以在外墻既有抹灰層表面粘貼巖棉帶。

基于上述分析，可以保留既有抹灰層，避免大面積鏟除既有抹灰層，很好地控制了現場揚塵問題，同時縮短施工工期，具有較好的經濟效益。

4.3.2 粘貼保溫層的加強構造措施

原外墻抹灰層表面涂有彈性涂料，此彈性涂料與既有抹灰粘貼強度高，不易剝落。本項目在既有彈性涂料表面涂刷一層溶劑型抗堿封閉底漆，其具有涂膜致密、抗堿性、封閉性好、滲透性強的優點，此抗堿滲透底漆能夠滲透既有彈性涂料進入既有抹灰層中，同時能夠與新增保溫帶的膠面砂漿具備很高的相容性。此措施可避免鏟除既有彈性涂料，加快施工進度，具有很好的經濟效益。

考慮保溫巖棉厚度較厚，同時既有抹灰層保留不鏟除等原因，建議在粘貼保溫層施工時，在樓層標高處設置支托架，用此構造措施來保證外墻保溫的整體性（圖11、圖12）。

圖11 增設支托架做法大樣

圖12 增設支托架施工現場

5 施工措施項目實施優化

5.1 外腳手架搭設方案

5.1.1 懸挑扣件腳手架的分析

本項目為既有建筑改造，現場不設置塔吊，在選擇腳手架類型時，需要綜合考慮材料的垂直運輸費用、拆除架體后腳手眼的修補費用、鋼管租金等因素。本結構地上為18層，標準層層高3.5 m，建筑高度為67 m，如果采用鋼管腳手架，每6層懸挑一次，需要懸挑3段。由于現場不設置塔吊，導致此方案出現如下2個問題：大量的懸挑工字鋼需要汽車吊垂直運輸，運輸費用高；由于是既有項目改造，拆除懸挑工字鋼后，外墻洞口修補的數量較多，需要加設吊籃采用混凝土澆筑修補洞口，消耗大量人工。

5.1.2 落地盤扣腳手架的論證

基于上述問題的分析，本項目采用落地盤扣腳手架搭設。同時為了施工段之間的銜接或交叉，本項目采用落地架、局部懸挑架2種形式（圖13、圖14），落地架立桿間距900 mm，步距1 500 mm，全高范圍內設置連續剪刀撐。

情況一：沿著建筑四周搭設落地盤扣鋼管腳手架。

情況二：建筑北側 ～ 軸區域，在14層樓面標高（離地面47.6 m高）以上搭設懸挑扣件式鋼管腳手架（為滿足施工工序的交叉要求，此區域懸挑架拆除時間晚于落地架拆除時間）。

圖13 落地架搭設平面布置

圖14 懸挑架搭設布置示意

本項目腳手架搭設高度為67 m，屬于超限搭設，架體連墻件的設置顯得尤為重要，計算要求兩步兩跨設置連墻件。本項目結合既有外窗洞口的位置，采用拉窗件、植筋預埋板拉結2種方式，2種方式連墻件交錯設置（圖15、圖16）。

圖16 連墻件做法大樣二

圖15 連墻件做法大樣一

5.2 節點核心區加固模板

本項目涉及很多梁柱節點核心區抗剪超限問題，設計方案采用加大截面的方法來有效地控制抗剪超限的問題，節點做法如圖17所示。

由于此新增柱帽為多邊形，采用傳統的木板支模時，木板拼料較多，需要耗費較多人工，故引入3D打印技術。根據現場實際尺寸，在工廠里采用樹脂材料加工成模板，同時加工支托架等配件（圖18），樹脂壁厚10 mm。采用此3D打印樹脂模板，安裝簡單，具有很好的經濟效益，既節約資源，又縮短了施工工期。

圖17 框架節點核心區加固大樣

圖18 節點核心區樹脂模板安裝示意

6 結語

1）在改造項目的設計階段，要從概念設計入手，首先考慮調整其水平、豎向的剛度規則性，同時良好的結構概念布置，也能大大地減小結構構件層次的加固數量，提升經濟效益，使得結構具有較好的抗震性能。

2）在進行構件加固方法的選擇時，往往需要比選各個加固方法的優、缺點以及經濟性，在優選的過程中可以引進價值工程、決策樹等方法[2]。

3）由于實際情況與圖紙存在局部不符，改造項目需要根據現場實際情況，對擬加固工藝實施優化處理，采用新型加固材料，節約工期，從而滿足安全文明施工的要求。

4）關于改造工程的措施項目，應該評估各個措施的經濟性，采用造價最小、同時滿足施工要求的措施項目。

5）本項目改造過程中的概念設計以及施工技術問題解決方案，可以推廣至框-剪結構、剪力墻結構的綜合改造項目中應用，能夠在設計、施工階段很好地控制工程造價。