城市更新策略背景下老工业建筑结构改造再利用

文／罗锐跃、付美、张柔佳、张金磊 辽宁省建筑设计研究院有限责任公司 辽宁沈阳 110005

引言：

辽宁省建筑设计研究院建筑文化交流中心暨刘鸿典建筑博物馆前身为辽宁省建筑设计研究院内旧锅炉房，位于沈阳市和平区海口街39 号。这个建造在上个世纪70 年代，面积约300 多平的普普通通的清水红砖小房子，已然成为那个年代一个城市计划经济和工业色彩的浓厚缩影。那个年代，锅炉房就是一个简简单单的供暖设施，为这座城市居民度过寒冷又漫长的冬季送去温暖，冬季里，烟囱里冒着的浓烟承载着人们心里的归属感，居民们基本围绕着锅炉房开展着生产生活，那根高耸的烟囱也成了人们回家的坐标，只有当每年冬去春来、百花争艳之时，锅炉房才逐渐安静下来。

时过境迁，随着辽宁省重新供暖的热改政策以及大气污染治理的“蓝天工程”政策出台，沈阳数以千计的小锅炉房逐渐完成了时代赋予的历史使命，纷纷闲置下来。闲置之后的锅炉房去向该是哪里？如何进行二次设计再利用，赋予它新变化新功能、赋予它第二次生命，是一个值得研究的课题。2016 年末，辽宁省建筑设计研究院有限责任公司与西冶（“西冶”为西安冶金建筑学院的简称，后更名为西安建筑科技大学）沈阳校友合作研究，决定将该锅炉房重新设计改造，改造成省院建筑文化交流中心暨刘鸿典建筑博物馆（以下简称建筑博物馆），改造后的建筑博物馆设有展厅、报告厅、会议室等，成为省院建筑作品展览、接待企业考察、学术交流、开办大型会议等的综合活动场所，也成为西冶沈阳校友会进行专业研讨、休闲交流以及社会公益服务场馆。历经1 年筹备和设计，半年时间的施工，于2017 年11 月11 日以建筑展览馆的崭新形象重新亮相。

1.工程概况

原锅炉房建筑为一层层高为6.6m 的砖混结构，局部有夹层，夹层层高3.6m。屋盖采用梯形钢屋架，屋面板预制混凝土屋面板。

结构的设计使用年限为50 年，建筑安全等级为二级，抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7 度，设计地震加速度为0.10g，地震设计分组为第一组，水平地震影响系数αmax=0.08。50 年重现期基本风压为0.55kN/m3，地面粗糙度为B 类，风荷载体型系数为1.3。锅炉房原状照片如图1 所示。

图1 锅炉房原状照片

2.结构改造内容

该锅炉房由原有的300m2的旧建筑，改造为600 m2的辽宁省建筑设计研究院建筑文化交流中心暨刘鸿典建筑博物馆，结构主要改造内容有：

（1）增加一层钢结构夹层，夹层顶标高为3.0m。楼板采用钢筋混凝土楼板。夹层作为布展、会议及茶歇场所使用。新加夹层钢梁、楼板与原建筑相连，形成整体。原建筑一独立砖柱在增加荷载后基底面积及基础冲切不满足设计要求，进行了加固。

（2）增加地面一层直通夹层的大台阶，大台阶采用钢斜梁+钢踏步板组成，踏步板上铺木质面层。钢斜梁下端支撑在新加的钢筋混凝土基础上，上端支撑在夹层钢梁上。大台阶用做报告厅观众席。

（3）屋面增加了保温、找平以及细石混凝土保护层，对原钢屋架节点进行了加固。

（4）二层紧贴原建筑新增一间展览室，展览室利用成品旧集装箱，通过从地面竖起的V 性钢架支撑，实现与原建筑的衔接。

3.结构改造设计

（1）夹层结构设计。新加夹层采用钢框架结构，在一层室内新增两根钢框柱，截面采用热轧宽翼缘H 型钢，截面为HW250x250,框架梁采用热轧窄翼缘H型钢HN250x125，框架梁间的密肋次梁主要截面为HN200x100，材料均选用Q345B。框架梁柱采用刚接连接，次梁与框架梁采用铰接连接。柱基础采用新增柱下独立基础。由于原锅炉房承重墙为烧结普通砖，钢框梁与承重砖墙通过后锚固做法进行连接存在砖墙基材破坏[3]、锚栓拔出破坏等不利情况，故采用了在砖墙内开凿小洞口，将钢梁一端伸入墙内，并在钢梁下设置刚性梁垫的做法，施工简便，安全可靠。做法见图2 示意：

图2 钢梁与砖墙连接做法

夹层新加楼板采用钢筋混凝土楼板，板厚为100mm，板内设置双层双向C8@200 钢筋网，楼板与钢梁采用抗剪栓钉连接。另外，楼板需要支撑在承重砖墙中，这就需要在新增夹层的楼板高度在原砖墙中，切割出深不小于120mm，高度同新增夹层楼板厚度的通长凹槽，在凹槽内布置新加夹层楼板受力钢筋，再整体浇筑夹层楼板混凝土。由于在墙体切割出的通长凹槽，影响上部砌体结构的安全性，故在砌体墙切出凹槽前，需要在墙体内，每隔一定距离设置钢撑来支撑上部墙体传来的荷载，待砌体墙内凹槽切割完成后，浇筑楼板混凝土，钢撑埋入在混凝土中。钢撑（通常采用圆管或方管）的主要缺点在于钢撑对凹槽上下方的砌体的局压，由于钢撑的截面较小，局部受压面积上的压强大，在上部荷载作用大的情况下容易造成砌体墙的局压破坏。该施工方法不适宜大面积夹层同时施工，需分段施工。因仅靠钢撑承载上部结构全部荷载，刚度很弱，安全储备不足，施工隐患大。在充分考虑了结构的安全性、施工难易程度，造价更省，结合本工程实际情况，设计了一款轻型槽钢支撑简易装置，取代圆管或者方管钢撑，并能使得夹层楼板与承重砖墙的连接连续施工，该装置采用切肢的轻型槽钢+加劲肋+可旋转拼接五金件组成，每段轻型槽钢不大于500mm，设两道横向加劲肋，槽钢两端切肢，并在腹板上打孔，一端安装可旋转拼接五金件,施工时，先在砌体墙内切出一个轻型槽钢支撑装置标准段长度的凹槽，安装本轻型槽钢支撑装置，再切出下一个标准段长度的凹槽，依次类推。该轻型槽钢支撑装置是均匀受荷,局部压强大大减小，同时，轻型槽钢支撑装置连续布置时，可承受上部结构荷载，可连续施工。新加夹层楼板顶部钢筋可焊接在轻型槽钢上，充当负弯矩筋。该装置在施工中的应用良好，操作简便，节省工期和造价，并向国家知识产权局申报了实用新型专利，专利名为：“一种用于老工业建筑新加夹层轻型槽钢支撑件”。该装置如图3 示意：

图3 轻型槽钢支撑件

（2）独立砖柱加固设计。原室内一根独立砖柱基础面积及基础冲切不满足设计要求，对独立砖柱基础进行增大面积加固，基础增大面积时，新增的基础钢筋如何在砖柱中锚固[1]，实现有效传力，是设计需要解决的问题。经反复推敲论证，采用一种新型的钢筋锚固套环有效的解决了钢筋传力问题。该钢筋锚固套环由钢套筒+水平连接环板+竖向加劲肋组成。不破坏原独立砖柱,并为新增的基础钢筋做锚固端。套环现场可分三段拼接，三段锚固环现场剖口熔透焊合拢。其中，水平连接环板用于和新增基础钢筋焊接，水平连接板通过自身和竖向钢套筒实现钢筋传力。为防止套管受力变形，沿钢套管外侧每隔60°设置竖向加劲肋。钢筋锚固套环在施工现场合拢完毕后，将套环和砖柱间的空隙采用细石混凝土或者灌浆料填实。该做法钢筋传力直接且不破坏原独立砖柱，已向国家知识产权局申报了实用新型专利，专利名为：“一种用于老旧厂房独立砖柱基础加固的钢筋锚固套环”，该装置如图4示意：

图4 独立砖柱基础钢筋锚固套环做法

（3）屋架加固设计。原锅炉房屋面结构采用梯形钢屋架，上铺预制板。使用多年后，屋面少量漏水，保温性能差。本次改造将屋面重新修缮，重新做防水，增加了保温、找平层以及细石混凝土保护层，屋面材料增加重量约1.2KN/m2，经核算，原结构梯形屋架杆件承载力满足要求，弦杆与腹杆交点处的连接板强度及稳定承载力不满足设计要求，需要进行加固。常规的加固方法为：将屋架弦杆、腹杆连接节点切除，重新制作一段加固节点组合钢件，与原屋架节点重新焊接。此做法需对原钢架进行临时支撑，需要工程技术人员进行钢杆件的切割，工程量较大，经济性差。本工程经过分析比较，采用一种新型的节点加强环进行加固，原钢屋架不需进行切割，不需对屋架进行临时支撑，仅需将加强节点板从屋架弦杆及腹杆填板空隙穿过，并与原钢架角钢焊接，加强环装置可补充原节点板的承载力[2]，甚至可代替原节点板的作用，并使得屋架节点刚度提高，承载力提高，安全性有很大提升。并大大节省了施工周期，节约造价。该做法经施工方反馈良好，并向国家知识产权局申报了实用新型专利，专利名为：“一种用于加固老工业建筑钢屋架节点的加强环装置”，该装置如图5 示意：

图5 钢屋架节点加强环加固做法

（4）大台阶设计。大台阶从地面一层直通夹层，承重结构由钢斜梁+钢踏步板组成，钢斜梁采用热轧普通工字钢I20a,踏步板采用4mm 厚花纹钢板，上铺木质面层。钢斜梁下端支撑在新增的钢筋混凝土条形基础，上端与夹层钢梁铰接。改造后的大台阶实景图如图6。

图6 大台阶实景图

结语：

建筑博物馆于2017年11月11日开馆，在“修旧如旧”的设计理念指导下，尽量保持原始建筑的历史风貌，并在细节处蕴涵巧思，修旧如旧的同时注入现代化元素。已经接待数十批企业单位考察，成功举办了一系列诸如“‘上升的一代’法国获奖青年建筑作品展”、“辽宁省建筑设计研究院有限责任公司62 周年建筑文化与传承作品展”、“老工业建筑展”、“名师讲堂”等建筑和景观作品展览、学术交流，开展了数期“印象沈阳”讲座，常有企业为企业团建活动慕名而来，西冶沈阳校友会的会议、校友交流也选择在这里。随着建筑博物馆影响力的不断提升，越来越吸引沈阳市民的目光，使的这座“不起眼”的小小锅炉房从内到外都焕发出生机和活力，得以涅槃重生。正如《沈阳晚报》在对建筑博物馆的评价中写的那样：“这处旧锅炉房改的建筑博物馆值得看，今后，沈阳又多了一个建筑学术交流和建筑师活动的重要场所”。