某歷史保護建筑外墻裝配式復(fù)原技術(shù)研究

叢開良

上海市建工設(shè)計研究總院有限公司 上海 200235

磚砌墻體，尤其是清水磚墻，在傳統(tǒng)施工過程中，對工藝要求較高，整體性能較鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)差，在地震等的破壞作用下，極易出現(xiàn)碎裂、倒塌破壞現(xiàn)象，威脅周邊人群安全。磚墻砌筑施工周期較長，傳統(tǒng)做法是待外側(cè)磚墻砌筑完成后才能進行內(nèi)部裝修施工，從而將大大拉長整體施工周期，一定程度上增加了項目投資費用，不利于節(jié)省項目整體成本。

在清水磚墻四周采用鋼筋混凝土梁柱外框架作為單元依托，框架內(nèi)部采用磚砌筑制作而成的單元墻，可以因鋼筋混凝土的存在，有效增強整體性，增加結(jié)構(gòu)剛度；又因裝配式拼裝速度較快，可以大幅縮短實施周期，且單元墻作為內(nèi)外裝飾裝修施工的界面分隔，室內(nèi)室外同期施工，互不影響，則能夠大大縮短總施工周期，并有效解決技術(shù)安全性、經(jīng)濟性和施工周期等問題。

因此，老磚墻復(fù)原設(shè)計對結(jié)構(gòu)安全、施工工藝要求較高，在要求施工周期較短的條件下，清水老磚墻的裝配式工藝作為方案，可以有效地解決現(xiàn)有技術(shù)中的安全性、整體性和施工周期要求所帶來的問題。

1 工程概況

工程位于上海市虹口區(qū)北外灘揚子江路段附近，工程基地呈東西向狹長形分布。本工程為重建項目，主體由3幢多層建筑組成，地上為3層鋼框架結(jié)構(gòu)，沿江東西向呈一字形分布，地下為3層地下室。

其中，原建筑部分外墻為民國時期的風(fēng)格，需要保留復(fù)原歷史風(fēng)貌，相關(guān)風(fēng)貌外墻部分建筑最大高度39 m，采用地上、地下同步逆序施工。

2 技術(shù)背景

2.1歷史建筑保護

本工程設(shè)計采用“熱水瓶換膽”的設(shè)計思路，保留原建筑外墻體，內(nèi)部新建，待內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工完畢后將保留外墻與主體結(jié)構(gòu)固定連接。本著歷史建筑保護一般按照“修舊如舊”的原則，要保持原外觀風(fēng)貌不變。針對老磚墻復(fù)原，尤其是代表近代上海風(fēng)貌的清水墻復(fù)原更應(yīng)秉承歷史文脈。

根據(jù)上海相關(guān)規(guī)定[1]，關(guān)于歷史建筑保護的原則為真實性、最小干預(yù)性，在符合安全性要求的同時要保持老墻的施工工藝、砌筑樣式，最大程度上還原老建筑的風(fēng)采。

2.2裝配式技術(shù)

本工程老墻單元屬于骨架板材建筑，由預(yù)制的骨架和內(nèi)磚墻組成，在城市更新建設(shè)方面兼顧安全性和先進性，其承重結(jié)構(gòu)由柱、梁組成承重框架，再與主體建筑框架結(jié)構(gòu)體系連接。承重骨架為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，骨架內(nèi)為填充磚墻，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，內(nèi)部磚墻分隔靈活，經(jīng)濟、高效且適用。

裝配式老墻技術(shù)符合國家相關(guān)部門從2015年開始推動的裝配式建筑發(fā)展要求，包括《工業(yè)化建筑評價標準》《建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展綱要》《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》《國務(wù)院辦公廳關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》和《關(guān)于加快新型建筑工業(yè)化發(fā)展的若干意見》在內(nèi)的多個文件，明確提出在全國范圍內(nèi)推廣裝配式建筑，加大力度發(fā)展裝配式建筑[2]，推動建筑產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的全面調(diào)整和升級。

3 風(fēng)貌外墻裝配式復(fù)原技術(shù)

本文分析研究了關(guān)于清水磚墻的結(jié)構(gòu)裝配式復(fù)原技術(shù)體系，屬于工程設(shè)計領(lǐng)域。歷史保護建筑清水磚墻裝配式技術(shù)，充分考慮歷史保護建筑外觀還原的效果、施工工藝、工期和新建筑使用要求等因素，科學(xué)合理地進行裝配式老墻與新建筑結(jié)構(gòu)連接節(jié)點深化，以及墻體板塊間的防水、保溫處理方式。墻體結(jié)構(gòu)單元外邊設(shè)鋼筋混凝土梁柱，內(nèi)部為磚砌的單元墻結(jié)構(gòu)，單元墻體頂部和底部與樓層主體結(jié)構(gòu)邊梁連接固定，相鄰兩側(cè)單元墻設(shè)變形縫，作為裝配安裝的拼縫調(diào)節(jié)空間（圖1、圖2）。

圖1 原始（局部）

圖2 單元墻立面

3.1外墻研究單元劃分

以本工程為例，原歷史風(fēng)貌經(jīng)保護性拆除后，由專業(yè)人員修復(fù)加工成為單元磚墻，與主體通過鋼銷連接。選定立面標準單元分段進行分析研究，按照圖3所示劃分幕墻裝配式單元。磚墻單元四周以鋼筋混凝土梁柱單榀框架作為外骨架，中間為原清水磚砌墻。

圖3 單元墻示意

結(jié)合工程實例，外墻單元長5.37 m，高8 m，混凝土梁截面200 mm×300 mm，混凝土柱截面400 mm×350 mm。構(gòu)件混凝土強度均為C30，按照國標規(guī)范，柱與墻體連接處應(yīng)砌成馬牙槎，并沿墻高設(shè)置水平通長拉結(jié)筋，來增強單元墻的整體性[3-4]。

外混凝土框架中間為原清水老磚砌磚墻，砌筑磚墻厚度240 mm，磚強度MU10，砌筑砂漿強度M10。沿外側(cè)為清水磚砌筑，外混凝土框架的梁柱外表面采用磚片粘貼，保持原有立面風(fēng)格不變。

3.2單元墻體力學(xué)分析

本工程位于臨江側(cè)，建筑最高高度39 m，結(jié)構(gòu)計算主要受風(fēng)荷載控制，按相關(guān)規(guī)范將單元墻體結(jié)構(gòu)引入模型進行模擬計算。墻體單元結(jié)構(gòu)框架頂部、底部與主樓鋼框架連接，單元墻頂部沿墻長方向設(shè)置4組預(yù)埋鐵件與結(jié)構(gòu)柱梁用鋼銷拉結(jié)，兩側(cè)設(shè)變形縫與主體結(jié)構(gòu)脫離，沿墻面向磚墻按相關(guān)技術(shù)要求設(shè)置砌筑拉結(jié)筋。采用SAP2000結(jié)構(gòu)計算軟件平臺進行內(nèi)力模擬計算，相關(guān)內(nèi)力包絡(luò)圖如圖4～圖9所示，構(gòu)件內(nèi)力極限值匯總?cè)绫?所示。

表1 構(gòu)件內(nèi)力匯總

圖4 平面外剪力

圖5 平面內(nèi)剪力

圖6 平面外彎矩

圖7 平面內(nèi)彎矩

圖8 軸力

圖9 節(jié)點反力

取各內(nèi)力中最大值作為研究分析基礎(chǔ)，在多種工況模擬下，按相關(guān)的配筋抵抗不利工況下的荷載，可分析得到梁柱的配筋面積。根據(jù)計算分析，單元墻體結(jié)構(gòu)裝配式拼裝技術(shù)方案滿足相關(guān)技術(shù)要求，相關(guān)數(shù)據(jù)可作為方案設(shè)計的有力支撐，為外墻裝配式技術(shù)實施提供了理論依據(jù)，也為國內(nèi)歷史風(fēng)貌墻的修復(fù)和城市更新積累了相關(guān)工程經(jīng)驗。

3.3單元墻相關(guān)建筑功能分析

根據(jù)以上計算分析，結(jié)構(gòu)計算分析滿足整體性、可靠性和安全性的要求，由此探索建筑相關(guān)做法就成為下一步分析的要求，建筑功能也要得到保障，結(jié)合工程本地經(jīng)驗和相關(guān)外觀、防水、保溫和節(jié)能等要求（圖10），具體細節(jié)做法分析有以下3點：

圖10 節(jié)點詳圖

1）相鄰單元墻頂端、底端之間留有寬約20 mm空隙，作為安裝對縫和立面微調(diào)的空間。空隙填充聚苯板塞縫，聚苯板與框架梁或墻頂端之間的間隙填充聚氨酯發(fā)泡劑做二次封堵，最后室外側(cè)采用聚硅氧烷等效密封油膏嵌縫。

2）相鄰單元墻的兩側(cè)之間留有寬20 mm空隙，作為水平沿墻向變形縫。縫隙填充同樣用厚15 mm的聚苯板，聚苯板單元墻之間的間隙填充聚氨酯發(fā)泡劑做二次封堵，室外側(cè)采用聚硅氧烷等效密封油膏嵌縫。

3）單元墻與主體梁柱的縫隙嵌縫處理同上。

3.4單元墻體的研究

根據(jù)以上系統(tǒng)分析，對于歷史風(fēng)貌外墻的復(fù)原，通過對原有結(jié)構(gòu)采用激光掃描等手段進行記錄，在對原有外墻進行保護性拆除后，在專業(yè)工廠內(nèi)進行分割并制作單元墻體，運輸?shù)浆F(xiàn)場后通過吊裝進行拼裝，使外墻與主體結(jié)構(gòu)形成可靠連接，充分發(fā)揮裝配式優(yōu)勢，同時具備不改變原歷史風(fēng)貌外觀的要求，并科學(xué)合理地分割室內(nèi)外實施界面，縮短工期，提高施工效率，具有安全可靠、整體性好、縮短周期、科學(xué)經(jīng)濟的優(yōu)點。

3.5技術(shù)方案推廣

根據(jù)風(fēng)貌墻磚墻質(zhì)量，如果因成本或技術(shù)力量薄弱，運輸和安裝有困難，現(xiàn)場可先施工框架吊裝，進行框架的立面定位后再分區(qū)砌磚墻；或者將單元格再次剖分，例如以半個單元來制作外框，根據(jù)外框尺寸，可采用裝配式，進一步將梁和柱拆分，而后在現(xiàn)場組裝并砌磚墻等。

4 結(jié)語

綜上所述，歷史風(fēng)貌墻裝配式技術(shù)，尤其清水老磚墻的裝配式技術(shù)，與主體結(jié)構(gòu)可形成柔性可靠連接，與外墻形成整體，且不改變主體結(jié)構(gòu)的剛度，在施工過程中可以作為內(nèi)外裝飾裝修的分割界面，可滿足結(jié)構(gòu)安全、施工工藝和施工周期的要求，內(nèi)外同時施工，大大縮短工期。