于 虹，李德志，丁保華

（1.北京大學(xué)基建工程部，北京 100871；2.中國(guó)建筑技術(shù)集團(tuán)有限公司，北京 100013）

0 引言

第二體育館（以下簡(jiǎn)稱“二體”）建造于 20 世紀(jì) 30 年代，為歷史文物保護(hù)建筑。二體已有近 90 年的歷史，使用方除對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行修繕與加固，來提高結(jié)構(gòu)性能及抗震能力外，還要求對(duì)原結(jié)構(gòu)首層及地下室進(jìn)行加固、改造，新建、增加地下使用空間，從而使二體的建筑功能總體上得到提升。具體包括以下 3 方面內(nèi)容。①對(duì)原地下室結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固改造，拆除原地下室內(nèi)部承重結(jié)構(gòu)，新建兩個(gè)大跨度地下使用空間。為滿足層高使用要求，將地下室的層高從 3 m 增加至 5.3～6.96 m。②在二體中部，拆除首層承重結(jié)構(gòu)，新建從首層通向地下室直徑為 13.5 m 的旋轉(zhuǎn)樓梯。③在二體南側(cè) 5.05 m 處新建層高 1.86～7.20 m 的純地下結(jié)構(gòu)，并與改造后的地下室設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道。

二體加固改造增加了建筑的使用面積，并使二體的建筑功能得到較大的提升。本文介紹了二體修繕與加固改造的建筑結(jié)構(gòu)及上部結(jié)構(gòu)荷載托換方案，對(duì)二體修繕與加固改造經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)。

1 建筑結(jié)構(gòu)概況

二體（見圖 1）地上建筑東西方向長(zhǎng)約 46 m，南北方向?qū)捈s 19.1 m。二體地上 3 層，首層為辦公室，層高約 3.66 m，二層為籃球場(chǎng)（東、西兩端為看臺(tái)），層高約 6.4 m，三層為坡屋蓋，層高約 7 m；地下 1 層，層高約 3 m，在主樓地下室東、西兩端外部各有寬約 5.3 m 的純地下 1 層結(jié)構(gòu)。

圖1 二體外觀舊照

由于二體已建成近 90 年，原建筑、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙幾乎全部缺失，按照既有建筑加固改造要求，對(duì)二體原結(jié)構(gòu)進(jìn)行了檢測(cè)鑒定，由于結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，尚難以全面掌握結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀及其性能。

二體地上為鋼筋混凝土、砌體混合結(jié)構(gòu)。自室外地面下約 1.0 m 處至首層頂，外墻全部為條石飾面。地下室為素混凝土結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為素混凝土條形基礎(chǔ)。既有建筑地下室結(jié)構(gòu)平面如圖 2 所示。地下室南、北側(cè)素混凝土外墻（主樓下）底部厚度約 0.95 m，頂部厚度約 0.65 m，素混凝土條形基礎(chǔ)寬約 1.15 m（放腳高度約 1 m，寬度約 0.10 m）；地下室東、西側(cè)素混凝土外墻（主樓下）厚度約 1.05 m，素混凝土條形基礎(chǔ)寬約 1.25 m （放腳高度約 0.3 m，寬度約 0.13 m）；地下室內(nèi)部墻體厚度 0.4 m，基礎(chǔ)寬度 0.6 m。

圖2 二體地下室結(jié)構(gòu)平面圖

2 修繕與加固改造建筑方案

二體修繕改造的主要建筑方案及設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

1）二體加固改造后的±0.000 m 為原首層室內(nèi)建筑地面標(biāo)高，改造后地下室基底相對(duì)標(biāo)高-5.246～-6.96 0 m；二體南側(cè)新建純地下下沉庭院距離二體 5.05 m，基底相對(duì)標(biāo)高-1.86～-7.20 m；

2）二體首層及地下室中部新建旋轉(zhuǎn)樓梯直徑 13.5 m，旋轉(zhuǎn)樓梯東、西兩側(cè)新建大跨度地下結(jié)構(gòu)尺寸為 15.5 m×14.5 m；

3）二體改造后地下室與南側(cè)新建下沉庭院之間聯(lián)絡(luò)通道寬度為 4.8 m。

修繕改造后地下室建筑平面圖、東西向建筑剖面圖、南北向（中軸部位）建筑剖面圖分別如圖3～5 所示。

圖3 改造后地下室建筑平面圖

圖4 改造后南北向（中軸）建筑剖面圖

圖5 改造后東西向（二體中部）建筑剖面圖

3 修繕與加固改造結(jié)構(gòu)方案

二體為歷史文物保護(hù)建筑，其結(jié)構(gòu)形式十分復(fù)雜，為素混凝土、鋼筋混凝土、砌體組合結(jié)構(gòu)形式。在近 90 年的使用期內(nèi)，承載結(jié)構(gòu)構(gòu)件已經(jīng)有一定程度老化和功能損傷。歷史文物建筑的修繕、保護(hù)，一般嚴(yán)禁對(duì)其原有裝飾、外圍景觀等造成破壞或進(jìn)行改造。二體首層外立面為條石飾面，二體南側(cè)緊挨外墻有 4 棵古樹，在二體修繕與加固改造過程中對(duì)二體外裝飾、古樹及外圍景觀均需要妥善保護(hù)。二體的結(jié)構(gòu)、裝飾等對(duì)地基變形均十分敏感，加上對(duì)古樹、外圍景觀的保護(hù)要求，使得二體的修繕與加固改造的技術(shù)難度及實(shí)施難度非常大。既不能因加固改造對(duì)二體結(jié)構(gòu)造成損傷，也要妥善保護(hù)緊鄰的古樹及外圍景觀的歷史風(fēng)貌。綜合考慮對(duì)二體結(jié)構(gòu)、古樹及外圍景觀等的保護(hù)要求、施工條件限制、技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件等，經(jīng)參建各方反復(fù)研究論證，最終確定在二體原地下室內(nèi)部采用新建內(nèi)嵌式地下結(jié)構(gòu)的加固改造方案，來實(shí)現(xiàn)使用方對(duì)二體修繕改造的要求及建筑設(shè)計(jì)方案。

為實(shí)現(xiàn)二體的建筑功能改造要求，需要確定相應(yīng)的結(jié)構(gòu)實(shí)施方案。

1）在二體地下室內(nèi)側(cè)施工鋼管樁［1，2］，鋼管樁既作為上部結(jié)構(gòu)荷載托換體系的一部分，也是土方開挖過程中二體原地基基礎(chǔ)的托換結(jié)構(gòu)，如圖 6 所示。

圖6 鋼管樁與上部結(jié)構(gòu)荷載托換結(jié)構(gòu)

2）在二體地下室內(nèi)部新建上部結(jié)構(gòu)荷載托換結(jié)構(gòu)（標(biāo)高 -3.0 m 以上、在地下室內(nèi)部新建的梁、板結(jié)構(gòu)），如圖 6 所示，上部結(jié)構(gòu)荷載托換結(jié)構(gòu)也是新建地下室的一部分。為降低托換結(jié)構(gòu)變形對(duì)首層結(jié)構(gòu)的影響，托換結(jié)構(gòu)與首層內(nèi)承重墻無連接，托換梁通過墻體開洞施工，托換板與墻之間設(shè)置后澆縫。

3）托換結(jié)構(gòu)完成自重變形后，進(jìn)行首層墻體與托換結(jié)構(gòu)的連接施工，封閉托換梁與首層墻體之間的后澆縫，然后進(jìn)行托換結(jié)構(gòu)與首層墻體后澆帶施工。

4）拆除二體地下室內(nèi)部全部承重墻、地下室梁、板構(gòu)件。拆除旋轉(zhuǎn)樓梯范圍內(nèi)二體首層承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件，包括首層墻、柱及樓板。

5）地下室內(nèi)部土方分層開挖，同步、分層進(jìn)行地基基礎(chǔ)托換結(jié)構(gòu)鋼花管施工，如圖 7 所示。

6）土方分步開挖至基底后，進(jìn)行 -3.0 m 以下部分新建地下室結(jié)構(gòu)施工，與 -3.0 m 以上托換結(jié)構(gòu)完成連接施工。同步進(jìn)行中部旋轉(zhuǎn)樓梯的結(jié)構(gòu)施工。

圖7 二體地下室內(nèi)部鋼管樁典型剖面（單位：mm）

7）二體南側(cè)新建純地下結(jié)構(gòu)的土體開挖與二體地下室內(nèi)部土方開挖同步進(jìn)行，如圖 8 所示。土方分步開挖至基底后，進(jìn)行南側(cè)新建純地下結(jié)構(gòu)及其與二體地下室之間聯(lián)絡(luò)通道的施工。

圖8 二體與南側(cè)下沉庭院間鋼管樁剖面（單位：mm）

4 修繕與加固改造托換方案與荷載傳遞

4.1 結(jié)構(gòu)托換方案

二體地下結(jié)構(gòu)加固改造的實(shí)施過程，既是二體原有結(jié)構(gòu)構(gòu)件拆除、新建結(jié)構(gòu)構(gòu)件的建造過程，也是重建原結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)荷載向新建地基基礎(chǔ)傳遞路徑和體系的過程。為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)加固改造施工過程中上部結(jié)構(gòu)荷載的可靠轉(zhuǎn)移和傳遞，需要構(gòu)建上部結(jié)構(gòu)荷載的托換結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的傳遞路徑。

圖9 結(jié)構(gòu)荷載傳遞路徑

1）位于原地下室頂板部位的上部結(jié)構(gòu)荷載托換體系，即新建的地下室梁、板、墻結(jié)構(gòu)，其作用是承載首層上部結(jié)構(gòu)荷載，并在新建地下室完成后通過地下室結(jié)構(gòu)傳遞到地基基礎(chǔ)上。

2）鋼管樁托換結(jié)構(gòu)體系，其作用是在新建地下室土方向下開挖、新建地下室結(jié)構(gòu)完成前，將上部結(jié)構(gòu)托換結(jié)構(gòu)及其分擔(dān)的首層荷載傳遞到地基中去，托換樁結(jié)構(gòu)同時(shí)還要承擔(dān)由于土方開挖引起的不平衡土壓力、水壓力荷載。

4.2 荷載傳遞路徑

二體上部結(jié)構(gòu)荷載轉(zhuǎn)換與傳遞包括3個(gè)階段。

第 1 階段：新建上部結(jié)構(gòu)荷載托換體系完成后，將首層內(nèi)墻分擔(dān)的荷載轉(zhuǎn)移到托換結(jié)構(gòu)上。

第 2 階段：地下室內(nèi)承重墻拆除后，上部結(jié)構(gòu)荷載托換結(jié)構(gòu)及其分擔(dān)的首層荷載轉(zhuǎn)移到托換樁上。

第 3 階段：新建地下室結(jié)構(gòu)完成，首層內(nèi)墻荷載、新建地下室荷載通過基礎(chǔ)傳遞至地基上。

上述第 2 階段中，托換樁還要承擔(dān)原結(jié)構(gòu)外墻基礎(chǔ)傳來的上部結(jié)構(gòu)荷載及土方開挖產(chǎn)生的土壓力、水壓力荷載。

上述結(jié)構(gòu)實(shí)施方案過程中，既有建筑荷載的傳遞路徑如圖 9 所示。

5 加固改造的工程經(jīng)驗(yàn)

二體結(jié)構(gòu)修繕與加固改造工程使用自 2014 年 9 月開工，2015 年 8 月完工并投入使用，實(shí)施效果良好，整個(gè)加固改造施工過程中，未對(duì)原結(jié)構(gòu)造成新增損傷，較好地實(shí)現(xiàn)了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，滿足使用方對(duì)二體修繕與加固改造的要求。通過二體修繕與加固改造項(xiàng)目的成功實(shí)施，可以得到以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)與認(rèn)識(shí)。

1）既有建筑修繕改造項(xiàng)目，特別歷史建筑、文物保護(hù)建筑，加固改造方案選擇的限制因素較多，應(yīng)綜合考慮既有建筑保護(hù)、施工條件、技術(shù)條件及經(jīng)濟(jì)條件進(jìn)行方案比選，確保既有建筑的安全。

2）很多歷史建筑、文物保護(hù)建筑，雖建造年代久遠(yuǎn)，現(xiàn)今使用狀況仍然良好。為保護(hù)這些歷史建筑、文物建筑而對(duì)其進(jìn)行修繕與加固改造，即能實(shí)現(xiàn)對(duì)既有建筑的保護(hù)，又能延長(zhǎng)建筑的使用壽命，改善建筑的使用功能。通過加固改造增加地上、地下使用空間，對(duì)于緩解城市土地用地緊張矛盾也具有社會(huì)、經(jīng)濟(jì)意義。

3）歷史建筑的修繕保護(hù)工作，由于建造年代久遠(yuǎn)，往往圖紙缺失或沒有設(shè)計(jì)圖紙，其結(jié)構(gòu)形式一般是對(duì)變形極為敏感的砌體或木石結(jié)構(gòu)。在修繕改造之前，應(yīng)進(jìn)行詳盡的既有結(jié)構(gòu)及地基基礎(chǔ)的查勘及鑒定工作，方案的選擇應(yīng)以保護(hù)為出發(fā)點(diǎn)，采用嚴(yán)于現(xiàn)代建筑的方案及措施，確保既有建筑的安全。

4）歷史建筑的修繕改造，既要按照建筑保護(hù)要求，保證建筑的結(jié)構(gòu)安全、外觀完好，還要考慮新建部分與原有部分的統(tǒng)一、協(xié)調(diào)與融合，真正做到修繕保護(hù)與開發(fā)利用的高度統(tǒng)一。

6 結(jié)語

二體修繕與加固改造工程，采用結(jié)構(gòu)托換技術(shù)，通過構(gòu)建可靠的荷載傳遞結(jié)構(gòu)體系，實(shí)現(xiàn)了二體地下室加固改造過程中上部結(jié)構(gòu)荷載向新建地基基礎(chǔ)的可靠傳遞，為新建地下室土體向下開挖、新建地下室結(jié)構(gòu)施工提供了保證條件。二體地下室加固改造，增加了二體建筑使用面積，并使得二體的建筑功能得到較大的提升。二體地下室改造項(xiàng)目的成功實(shí)施，為既有建筑修繕改造和功能提升提供了一種新的方案與思路，對(duì)于類似既有建筑加固改造工程具有參考借鑒價(jià)值。Q