旧工业建筑加层改造结构设计

一、引言

旧工业厂房改造与再利用是面对产业结构调整和城市更新的需求，综合考虑经济和社会等诸多因素而采用的一种方法和策略。从经济效益、环境意义、历史意义和文化意义等方面综合考虑，旧建筑增层改造和扩建更新有着显著的意义。

二、当前加层改造建筑的技术方法

当前加层改造建筑的技术方法以是否改变建筑高度可分为两大类。

不改变原建筑高度的加层改造形式

（1）新旧建筑结构构件相连接的加层法新建建筑物与原结构相连接的加层设计是在挖掘原厂房排架结构柱的受力潜能的情况下，使之与新建柱共同承担新建建筑的加层方法。此加层方法是将原来的排架结构改变成为框架结构，改变了原厂房的结构受力体系。

（2）原建筑内部直接新建框架柱的增层、隔层法此加层方法是利用原建筑作为一个外围框体，新建的内部加层建筑和原结构柱之间无连接或者无传力链接，原工业厂房起一个“避风港”的作用。

（3）局部构件连接的加层法钢结构局部加层法是在原厂房内部局部进行加层设计，局部与原结构柱相连接，形成了错层的空间体系，有较强的空间层次感。

2.增加原建筑高度的加层改造方法

（1）挖潜直接加层法挖潜直接加层法是通过挖掘原建筑结构的剩余承载力，在地基变形、基础承载力、主体结构不需要加固或不需要做太多加固的情况下，在原建筑顶部直接新起建筑的加层改造方式。

（2）改变荷载传递加层法该加层改造是在原有建筑物基础承载力或承重结构不能满足加层后承载力的要求，或因加层改造后使用功能的改变，需要对原结构的平立面做较大的调整，以满足现使用功能的要求，此种加层方法需要对原构件进行一定的加固处理或增设传力构件，可以改善原建筑的受力体系。

（3）外套结构加层法外套结构加层法可使加层层数不受限制，充分满足平面布置上的使用要求。在加层施工过程中不影响旧房的正常使用，加固新建互不干扰。

三、旧工业建筑的加层改造实例调研分析

1.西安建筑科技大学华清学院教学楼

西安建筑科技大学华清学院的一号二号教学楼和图书馆均由旧厂房改建而成，原厂房为单层排架结构，两栋建筑对称布置，单栋占地面积约2500m2，其中跨度为18m，柱距为6m，排架柱高9m，现功能为学校的主要教学楼。原厂房沿高度方向分隔成两层的框架结构，层高分别为一层4.2m，二层3.6m，上部留有1.8m的建筑空间，二层楼面采用轻质材料，借助于原厂房屋架体系，不做屋面的保温处理，加层设计的主要方式是在原厂房内部进行建筑加层，内部沿跨度方向新增设两排柱子，新建轴心柱距为12m，两边各自外伸3m，外伸部分与原结构柱无受力连接，即新建梁为外伸梁，如图1所示。从建筑结构设计的角度分析，该加层改造体系有以下几个特点：

（1）主体结构的保持传承着旧工业建筑的历史文化。

（2）新旧结构体系的分工与共存。该厂房加层设计为厂房的内部增层设计（一变二），此加层方法是利用原建筑作为一个外围框体，借助原排架结构其大空间的特点，在排架内部实现加层、隔层。

（3）灵活方便的布置形式。教学楼沿结构纵向为外双廊式，如此设计是因为受到了原厂房跨度的影响和教学楼开间的需要，内部楼梯设计灵活，形式简单快捷。

2.北京“798”艺术区

“798”即原国营798电子工业的老厂区，位于北京东北方向大山子地区。其结构是由相似的单元简单重复排列而成，主要分为砌体结构单层厂房和钢筋混凝土结构单层厂房。跨度和纵向长度较现阶段的工业厂房要小，尤其是建筑长度很少能达到60m以上，厂房的建筑高度集中在6～9m之间。厂房内部改造分隔为两层，局部一层，内部结构多采用钢结构体系，以此减轻结构的自重，同时也便于构件的连接，每个单元通风采光条件的一致性和空间高度为改造提供了可能性。

从结构设计的角度分析，北京“798”艺术区的厂房改建工程具有几个共同的特点：改变使用功能而未改变受力结构；拆除原有一些附加结构，使竖向空间增大；内部做局部的分隔，形成了带有阁楼气息的建筑风格。有的加层改造工程是在原厂房内部局部添加钢结构体系。“798”艺术区由于厂房内部的加层改造形成一个复式结构体系，局部构件与原厂房柱子相连接，但对原结构受力无太大的影响。厂房的改造从整体上将原有厂房内部分隔成3个层高，受力体系联系到了原排架柱，新旧结构柱形成统一的受力体系。

3.内蒙古工业大学建筑馆

内蒙古工业大学的建筑馆，曾经属于该校机械厂的铸造车间。其加层改造将原来的废旧的单层排架结构厂房改造成局部为四层的框架结构建筑馆，内部层次错落，改造后构件的传力明确，受力合理，厂房原建筑面积为2746m2，改造后建筑面积为5960m2，改造中废旧材料占整体用材的90%以上，该厂房的加层改造获得了良好的经济效果，建筑造价仅为600元/m2左右，节约造价约1500元/m2。内蒙古工业大学建筑馆的成功改造塑造了典型具有人文记忆的建筑品质，营造了开放交流的空间氛围，挖掘了较多的潜在资源，突出了空间优先的设计过程。在结构设计方面突出特点：

（1）错层、隔层的空间阁楼体系。改造设计保留原有空间的前提下，采用局部加层、隔层的改造方式，形成了整个空间在竖向存在着错落层次感，加层改造后最高层数达到了四层，大厅的位置保留着原建筑高度，以最少的用功创造最大化的空间使用模式，如图5所示。

（2）新旧结构相连接的改造形式。此次厂房加层改造设计中通过挖掘原主体排架结构柱的承载力，新建钢梁与原排架柱相连接，使得新旧体系同时受力、传力，这不但减少了新建结构柱的造价，同时新旧结构的相连也更加统一了加层改造的整体性。

（3）加层加固相结合的处理方式。当对原结构进行加层改造后，由于某些构件因外加荷载的作用，承载力不满足要求，进行了对原结构进行加固处理。加层改造工程对原有的屋架体系进行钢结构的加固处理，如图7所示。同时在钢梁与柱的链接部位对原工字型截面柱作加大截面的加固处理，连接节点处将柱在上下500m距离加大截面形成矩形截面，这种加层与加固相配合进行，节约加层费用的同时整体性更加良好。

本文分析加层改造的可行性和合理性，以及探索其在结构设计上的突破是加层改造的核心问题，从促使旧工业建筑加层改造再利用的原因入手，在总结当前加层改造建筑的技术方法的基础上，通过对西安建筑科技大学华清学院教学楼、北京“798”艺术区以及内蒙古工业大学建筑馆加层改造实例的调研。

总结出旧工业建筑的加层改造在结构上呈现出以下特点：华清学院教学楼的加层改造工程属于在厂房内部新建混凝土框架结构的加层改造，新建的内部框架结构在节点上与原厂房完全分离，内部形成单跨的两端外伸的两层框架结构，原厂房的外围墙体全部拆除，构筑成双外廊的教学楼，其真正的使用面积率不高；而北京“798”艺术区大部分则是厂房内部局部新起钢构柱，形成夹层以满足艺术画展的需求，结构上无太大的突破。

内蒙古工业大学建筑馆的加层改造属于内部新建建筑局部构件节点与原厂房柱相连接，且对原厂房的排架柱和屋架都做了一定的加固处理，在空间的分割上更为灵活多变，同时挖掘了原厂房承载潜力，使得新旧体系更好的形成统一体。对旧工业建筑的加层改造，在建筑学的特点及改造的原因分析方面已有相对较多的研究，但在加层改造的结构特点分析方面相对欠缺。希望通过对已加层实例的特点分析，能够为我国旧工业建筑加层改造提供一定的参考价值。

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浅谈工业厂房改造中的混凝土结构加固

通过上海能源大屯选煤厂主厂房工程进行加固，对框架梁柱加大截面法、框架柱外包钢加固法、框架梁底粘钢、梁板贴碳纤维复合材料加固法等各种混凝土结构加固技术特点及其适用场合的介绍,为实际工程合理地选择加固方案提供参考。对钢筋混凝土各种加固方法进行分析，从而为更好完成类似工程结构体系的加固改造方案提供经验。

1工程概况

上海能源大屯选煤厂主厂房始建于1979年，为多层框架结构，南北四跨，柱距7米，东西18跨，柱距7米，层高4~9米不等，总建筑高度33.40米。设计混凝土为200号（早期的混凝土强度标号），厂房由于年代久远，期间经历过多次工艺改造，导致内部结构荷载已经较原设计布置变化非常大，多处混凝土框架梁柱存在破坏迹象，经过中国建筑科学院上海分院进行结构鉴定，必须对该工程混凝土结构进行加固。

2该工程由于是工业厂房，内部生产设备早已就位，且厂方要求工程加固不能影响生产设备的正常运转，故该工程根据厂房内部设备空间和部位，采取了不同的加固工艺。

2.1混凝土框架柱加大截面加固法

加大截面加固法即包混凝土加固法,是通过在原混凝土构件外叠浇新的钢筋混凝土,增加构件的截面积和配筋,从而达到提高构件的承载力和刚度,降低柱子长细比,达到对原有构件进行加固的目的。采用加大截面法加固时,可根据原构件的受力性质、构造特点和加固要求不同,采取了单面加大、两面加大、三面加大和四面加大等构造形式。加大截面法是一种传统的加固方法,工艺简单,适用面广,可广泛用于梁、板、柱、墙等混凝士结构的加固,其优点是可以在提高构件承载力的同时增大其刚度和变形能力,部分情况下也可以加强连接的可靠性。但现场湿作业工作量较大,养护期较长,对生产和生活有一定影响。另外,截面增大,还存在施工时侧向稳定等问题,且加固后对原结构外观及房屋净空也有一定影响。

在进行混凝土构件截面加大施工中有一关键工序就化学植筋技术，植筋新技术是运用高强度的化学粘合剂，使钢筋、螺杆等与混凝土产生握固力，从而达到预期效果。施工后产生高负荷承载力，不易产生移位、拔出，并且密着性能良好，无需作任何防水处理。由于其通过化学粘合固定，不但对基材不会产生膨胀破坏，而且对结构有补强作用。施工简便迅速，安全并符合环保要求，是建筑工程中钢筋混凝土结构加固的最有效的方法。

2.2混凝土框架柱外包钢加固法

外包钢加固法是把型钢或钢板等材料包在被加固的钢筋混凝土构件外侧,通过外包钢与原有构件的共同作用,提高构件的承载力和刚度,达到加固的目的。此方法主要是通过约束原构件来提高其承载力和变形能力,可以大幅度提高构件的承载力,多用于柱子加固,也可用于梁的加固。对于矩形截面柱,一般在其四脚外包角钢,横向用缀板焊接成整体;对于圆形截面柱,多用扁钢加套箍;对于梁可仅在受拉边外包角钢加固。外包钢加固法又分为干式和湿式两种:干式外包法是角钢直接外包于被加固构件四周;湿式外包法是在角钢和被加固构件之间留有一定间距,中间浇筑混凝土,这实际上是一种外包钢和外包混凝土相结合的复合加固方法。湿式外包钢加固由于可大幅提高构件的承载能力,主要用来加固承受很大荷载的受压构件。外包钢加固法受力可靠、施工简便、现场工作量较小,但用钢量较大;适用于在使用上不允许显著增大原构件截面尺寸,但又要求大幅度提高其承载能力的混凝土结构构件加固。

2.3混凝土框架梁粘钢加固法

此法施工较为简单。一要特别注意对混凝土和钢板的表面处理。对于旧、脏严重的混凝土构件的粘合面，先用硬毛刷沾高效洗涤剂清洗，刷除表面油垢污物后用水冲洗，再对粘合面进行打磨，除去2～3mm厚表层，露出平整新面，将粉尘清除干净，再用丙酮擦拭表面；对于混凝土表面较干净的，则可直接对粘合面进行打磨，去掉1～2mm厚表层，使之平整，清去粉尘，再用丙酮擦试表面。钢板表面处理应根据其绣蚀情况，可用喷砂、砂布、砂轮机打磨，使钢板出现金属光泽，打磨纹路尽量与受力方向垂直，然后用丙酮擦拭干净。二要注意对胶粘剂的选择。目前国内市场建筑结构胶粘剂鱼龙混杂，对胶粘剂的选择一定要慎重。三要注意在配胶、粘贴过程中的细节。胶粘剂要严格按照说明书要求的比例配制，尤其是要掌握好固化剂的用量，搅拌要均匀，同时在粘贴时要保证粘贴面的饱满、密实。四要注意在固化阶段不能对钢板有任何扰动。

结构粘钢加固方法，与其他的加固方法比较，有许多独特的优点和先进性，主要有：

1、坚固耐用：经过多年来的工程实践，已经证明完全能保证加固工程的质量，结构的强度和刚度都能满足设计的要求。施工工艺精巧，质量优秀，工程合格率为100%。胶粘剂30年老化试验耐久性能满足要求。粘钢加固后的结构试验，也证明强度和刚度的设计方法是正确的和可靠的。

2、施工快速：在保证粘钢加固结构质量的前提下，快速完成施工任务，并能根据业务要求，在不停产不影响使用的情况下完成施工，受到用户的普遍赞扬。

3、简洁轻巧：与其它加固方法比较，粘钢加固的施工，干净利落，比较简便，现场无湿作业。完成加固后的结构外观不改变，比较轻巧，钢板薄，结构自重增加极微，不会导致建筑物内其他构件的连锁加固。

4、灵活多样：粘钢加固法的适应性很强，能够解决生产上和生活上各种有关问题。粘贴钢板的方案多种多样，灵活巧妙。还可粘贴型钢、加固钢结构及砖砌体结构等。

5、经济合理：由于施工快，避免或减少工厂停产时间，节约加固材料，与其它加固方法比较，粘钢加固的费用大为节省，经济效益很高。

2.4混凝土框架梁底碳纤维加固技术

碳纤维布加固技术是利用碳素纤维布和专用结构胶对建筑构件进行加固处理，该技术采用的碳素纤维布强度是普通二级钢的10倍左右。具有强度高、重量轻、耐腐蚀性和耐久性强等优点。厚度仅为2mm左右，基本上不增加构件截面，能保证碳素纤维布与原构件共同工作。是近年来逐渐发展起来的混凝土结构加固新技术,与传统混凝土结构加固技术相比具有明显的优越性。

根据结构鉴定情况，对厂房内部分框架梁底和顶部进行粘贴碳纤维布，部分楼面由于工艺改造增加荷载，需要在混凝土板底粘贴碳纤维布。

外贴碳纤维复合材料加固法除具有粘贴钢板加固法的优点外,还具有很高的抗化学腐蚀能力和对被加固结构的保护能力,提高了结构耐久性;材料强度高,外贴加固用量少(厚度小);荷载增加极少,几乎不改变原有结构的外形和尺寸;施工便捷、施工周期短;加固时噪音小、灰尘少,对结构的使用环境影响较小。

仅仅依靠碳纤维片本身并不能充分发挥其强大的力学特性及优越的耐久性能，只有通过环氧树脂将碳纤维片粘附于钢筋混凝土结构表面并与之紧密地结合在一起形成整体共同工作，才能达到补强的目的。因此，环氧树脂的性能是重要的关键之一。环氧树脂因类型不同而有不同的性能，适应于各个部位的不同要求。例如底涂树脂对混凝土具有良好的渗透作用，能渗入到混凝土内一定深度；粘贴碳纤维片的环氧树脂易于“透”过碳纤维片，有很强的粘结力。依使用温度的不同，树脂还分为夏用及冬用类树脂。我公司使用的各类树脂规格及性能（包括底层涂料的规格及性能、环氧腻子的规格及性能、粘结树脂的规格及性能等均有详细表格资料、以备索取）。

浸渗粘着树脂除渗透到碳纤维片内，还具有粘着剂的功能。与腻子、底涂同样，必须具有把因载荷作用等在混凝土表面上发生的应变确实传递到碳纤维片上的力学性能。

3结束语

根据不同加固工艺要求，严格控制关键节点和工序，由于厂方生产设备正常运转施工，施工难度较大，且时间紧迫，因此，各方案的选择及优化就显得非常重要。在实际施工中，采用本文所述方案既满足了工期要求，又降低了施工难度，改造后的厂房运行至今，未发现任何异常现象，运行良好，取得了明显的经济效益和社会效益。

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