装配式技术在文保建筑修缮保护中的应用_林祯杉.pdf

2023 年第 06 期总第 300 期福 建 建 筑Fujian Architecture&ConstructionNo 062023Vol300装配式技术在文保建筑修缮保护中的应用林祯杉(福建建工装配式建筑研究院有限公司 福建福州 350001)摘 要:采用装配式技术对船政工业建筑遗产进行修缮和保护,与船政文化“工业化”精神和特征相契合。根据马尾船政铁胁厂现状,创新性提出铸钢节点+空间网格斜交钢框架结构体系,通过小截面锚杆静压桩等方法,减少对原结构的扰动。整体技术方案既呼应了原铁胁厂的历史,又展示了钢结构装配式技术的发展,对同类文保建筑具有良好的参考价值。关键词:文保建筑;装配式钢结构;空间网格斜交钢框架中图分类号:TU3 文献标识码:A 文章编号:1004-6135(2023)06-0069-05Application of assembly technology in the protection of cultural preservation buildingsLIN Zhenshan(FCEC Prefabricated Building Research Institute Co.,Ltd.,Fuzhou 350001)Abstract:The use of assembly technology for the restoration and protection of the industrial heritage is in line with the spirit and character-istics of the industrialization of the shipping culture.Based on the current situation of the Iron Factory,this paper proposed an innovativespace grid diagonal steel frame structure system with cast steel joint,and reduced the disturbance to the original structure by means of small-section anchor piles.The overall technical solution not only echoed the history of the Iron factory,but also demonstrated the developmentof steel assembly technology,and provided a reference for similar cultural preservation buildings.Keywords:Cultural preservation building;Assembled steel structure;Space grid diagonal steel frame作者简介:林祯杉(1987.07-),男,工程师。E-mail:收稿日期:2023-04-140 引言近年来,随着经济的发展和可持续发展理念的贯彻,社会各界对历史工业建筑的保护与再利用越来越加以关注。马尾船政造船厂作为中国近代工业建筑遗产的辉煌代表,见证了近现代中国社会的巨大变革,留下了丰富而又宝贵的物质与精神遗产,具有重要的保护与传承价值1。船政铁胁厂已有近 120 年历史,是中国最早的近代西式铁构架厂房之一,也是中国最早的飞机制造车间2。铁胁厂建设之初,是木构建筑,后改为钢构厂房,抗日战争期间被日军轰炸得只剩钢构架,1947 年又重建改造3。它见证了中国近现代工业的荣辱兴衰。本团队在福建省勘察设计大师任彧的带领下,充分考虑铁胁厂的历史沿革现状特征、保存价值,在坚持文物保护“原真性”“整体性”“可持续性”原则的同时,结合文物保护专家的意见,制定了能最大限度的保存原铁胁厂的修缮保护方案,取得了良好的实施效果。1 铁胁厂概况铁胁厂为单层双坡屋面的轻钢结构厂房(图 1),厂房内设 3 排、每排 15 根“工字型”铁柱支撑,柱子根部埋入洋灰拌碎石颗粒地面。钢构件均采用铆钉连接。图 1 铁胁厂整体现状70 福 建 建 筑2023 年 铁胁厂南侧车间柱下独立基础采用毛石和料石,北侧车间柱下独立基础采用混凝土结构。基础与基础之间无基础梁连接,整体性较差。铁胁厂的结构可靠性等级评定为四级,极不符合国家现行规范的可靠性要求。主要问题如下:(1)测点的结构倾斜值均超过现行工业建筑可靠性鉴定标准(GB 50144)4的限值,最大测点倾斜值为 H/87。(2)钢柱和屋架的防腐措施已破坏失效,出现不同程度的锈蚀。锈蚀最严重的区域主要在钢柱根部,截面出现明显削弱,个别构件连接铆钉松动、缺失,如图 2 图 3 所示。图 2 屋架和钢柱上部锈蚀情况图 3 钢柱根部损伤锈蚀严重(3)未设置柱间支撑,A-B 轴未设置屋面支撑,支撑系统不完整。(4)屋面支撑、屋檩、墙檩普遍锈蚀,强度不满足规范要求。(5)围护墙未与主体有效连接,粉刷层空鼓脱落,砂浆风化,墙体开裂,如图 4 所示。图 4 外围护墙破损铁胁厂的钢板检测结果为:碳含量为 0.01%,硫含量 为 0.005%,磷 含 量 为 0.016%,硅 含 量 为0.07%,锰含量 0.006%。碳、硫、磷等含量均远低于常用建筑钢材,其成分与原料纯铁(GB/T 9971)5中的 YT1 较为接近。铁胁厂接近纯铁的材质,使其在漫长且恶劣的环境下,总体得到了较好的保存。纯铁有良好的可焊性,钢柱的锈蚀可采用焊补加固,但要避免对原结构的过多改变。2 修缮保护方案铁胁厂属于文物建筑,修缮保护应严格遵守中华人民共和国文物保护法6“对不可移动文物进行修缮、保养、迁移,必须遵守不改变文物原状的原则”和中国文物古迹保护准则7的“必须原址保护”“一切技术措施应当不妨碍再次对原物进行保护处理”等相关规定。由于铁胁厂的基础与主要构件承载力已远不能满足作为正常建筑的需要,为避免对原结构进行过多的更换与加固,根据“不改变原状”,符合“原真性”“整体性”“可持续性”原则,结合文物专家意见,在原结构外部新建完整的装配式钢结构“保护罩”,将原铁胁厂的主要构件以文物展品的形式进行保存,是保持铁胁厂现状,且不妨碍再次对原物进行保护处理的最佳方案。在原址修缮保护的项目中,应用装配式技术是必然选择。其优点主要包括:(1)应用装配式技术实现了现场免模免撑,消除了模板、支撑与文保建筑之间的磕碰风险,同时也解决了支模和拆模的困难;(2)装配式建造方式无需现场切割,减少了现场的建筑垃圾和粉尘,改善了施工阶段文物建筑的周边环境;(3)围护及内隔墙采用非砌筑的玻璃幕墙和轻钢龙骨隔墙,避免了墙体砌筑或抹灰过程中的砂浆掉落,以及硬化过程产生的水汽对文物建筑的损害;(4)部品部件通过工厂加工和现场快速安装完成,缩短了现场工期,减少了文物建筑暴露在露天环境的时间;(5)通过 BIM 技术的应用,避免设备管线等与文保建筑的冲突,降低了返工风险。在铁胁厂外部新建“保护罩”后,旧的屋面、墙面建筑功能失去。考虑到屋面板、外墙均为后期改建,历史价值低且损害严重,经研究,决定将其拆除,以减少主结构和基础承受的荷载,便于修缮保护的施工以及原结构的展示,且基础不需再加固。此外,对锈蚀较轻的铁胁厂原构件,采用人工除锈+透明阻锈剂处理;对锈蚀较严重的钢柱下半段,临时支撑后,除锈和焊接补强,柱根采用外包混凝土保护。2023 年 06 期 总第 300 期林祯杉装配式技术在文保建筑修缮保护中的应用71 3 装配式钢结构“保护罩”3.1 结构概况本项目的建筑抗震设防类别为丙类,抗震设防烈度为 7 度(0.10 g),设计地震分组为第三组,场地类别为三类,特征周期 0.65 s。50 年一遇的基本风压为0.70 kN/m2,地面粗糙度为 A 类。根据建筑外形需要,外设的“保护罩”采用单层双坡钢结构,新建建筑的顶部比原结构高约 2.5 m,使文物本体和保护建筑在视觉上能有效分离,如图 5所示。图 5 钢框架剖面关系主体采用了首创的铸钢节点+空间网格斜交钢框架结构体系(图6)。基于原铁胁厂钢柱间距4.44 m 的特点,新建钢结构采用 8.88 m 柱距,与原钢柱均匀错位,在最大限度上避免了与原铁胁厂上部主体的碰撞。框架柱为圆钢管柱,框架梁为箱形截面,以提高构件抗扭能力和面外稳定性。屋脊和中柱节点均采用铸钢节点,提高了多构件交汇节点的可靠性。此外,现代铸钢技术、螺栓、焊接技术与原结构铆钉连接方式形成对比,可以直观地展示不同时代钢结构技术的发展与演变。图 6 空间网格斜交钢框架3.2 主要技术要点(1)项目场地有12 m 25 m 厚的淤泥层,采用浅基础,需大范围的地基加固处理,对原结构影响过大。此外,铁胁厂的原址保护限制了传统灌注桩、管桩施工机械的进场。因此,设计团队选用小截面预制锚杆静压桩方案(图 7),持力层为粉质粘土层,柱下采用多桩联合承台形成的桩基础,以满足承载力需求。单节锚杆桩长度取 2 m 2.5 m,降低对施工设备的要求,且在最大程度上减少对原基础的扰动。(a)首节桩大样(b)中间节桩大样图 7 锚杆静压桩基础避让原结构(2)为降低承台开挖的影响,采用半埋入式柱脚,以减少承台厚度与埋深。另外,嵌于淤泥层的锚杆静压桩基础,对上部结构的约束可能无法达到完全刚接。因此,上部结构考虑柱脚刚接、铰接两种条件,利用 SAP2000 软件进行包络设计(图 8),最大层间位移角为 X 向 1/2595、Y 向 1/1652,主要构件应力比均不大于 0.7,满足规范要求。图 8 Y 向风荷载下柱脚刚接、铰接时的弯矩(3)铸钢节点是主体结构设计的关键部位。设计团队对铸钢节点进行反复优化(图 9),通过节点闭口、线条平滑过渡、缩短肢长和增加空腔等方法,实现了提高防腐防火、增加节点美观性、减轻重量和降低成本的效果。(4)对铸钢节点受力情况进行有限元分析。将在柱脚刚接、铰接两种条件下,铸钢节点所连接构件各组合下的杆端内力施加到铸钢节点上。钢铸件的72 福 建 建 筑2023 年材质为 G20Mn5QT,其抗拉、抗压和抗弯强度设计值均为 235 MPa。有限元分析结果表明:铸钢件在设计荷载下均处于弹性阶段,最大应力为 162.8 MPa,满足设计要求,如图 10 所示。图 9 铸钢节点优化图 10 铸钢节点应力云图(5)为确保铸钢件的加工质量,进行铸造工艺分析。用铸件色温分布图,形象地表现铸件凝固过程中温度的变化(图 11)。模拟结果显示:凝固过程中出现了部分的孤立液相,基本都在冒口上,符合铸造要求。铸钢节点进行了全数检测,连接部位质量等级均达到一级,其他部位均达到二级,满足规范要求。图 11 铸件色温分布3.3 装配式陶土砖幕墙结合铁胁厂木构到钢构的发展过程,在南北立面的玻璃幕墙外,设置装配式陶土砖装饰墙,由西到东演绎从古到今的迭代更新过程,如图 12 所示。装配式陶土砖幕墙采用自拉锁+竖向钢龙骨的自平衡系统(图 13)。拉锁相当于弓弦,竖向龙骨相当于弓身,拉锁的张紧拉力,通过上下水平钢杆,转化成竖向龙骨的压力,而不对主体结构和基础产生额外负担,传递到主体结构的只有自重与风荷载。图 12 陶土砖幕墙立面2023 年 06 期 总第 300 期林祯杉装配式技术在文保建筑修缮保护中的应用73 图 13 自平衡拉锁陶土砖幕墙系统4 主体装配式应用“船政文化马尾造船厂片区保护建设工程项目”,是福建省首个在加固改造工程中,综合应用装配式技术的项目。铁胁厂外保护建筑采用的装配式方案为:(1)主体结构采用钢结构,水平构件采用轻钢玻璃屋面;(2)围护墙采用玻璃幕墙与装配式陶土砖幕墙结合的装配式外墙,内隔墙采用轻钢龙骨隔墙,均符合非砌筑要求;(3)设计及施工阶段均采用 BIM 技术,充分避免了新建结构与设备安装可能对原铁胁厂的碰撞,建模细度达到 LOD4.0 标准,如图 14 所示。图 14 铁胁厂整体 BIM 模型根据福建省装配式建筑评价管理办法(试行)8,项目的装配率达到 63%,符合一星级装配式建筑标准,修缮保护取得了良好的实施效果,如图15 所示。图 15 修缮保护后实景5 结语本项目采用装配式钢结构技术,对铁胁厂进行修缮与保护,正契合船政的“工业化”的发展精神与初衷,也是新型工业化与近现代早期工业化的一种呼应。装配式建筑在文保建筑中的应用,可以有效避免支撑、模板以及湿作业对文保建筑可能造成的损害。BIM 技术的应用,可以有效避免新建筑与原文保建筑可能发生的碰撞。任彧大师创新性提出的铸钢节点+空间网格斜交钢框架结构体系,既呼应了原铁胁厂的历史特征,又展示了钢结构技术的延伸与发展。基础和主体结构设计过程中,充分考虑了现场基础条件差的特点,采取了扰动最小的方案,同时,通过包络设计,确保了结构的安全性,具有很好的参考价值和借鉴作用。参 考 文 献1 林新媚.社会学维度的马尾船政文化研究D.福州:福建师范大学,2008.2 朱寿榕.福建船政局中铁胁厂与飞机制造车间的新发现J.福建文博,2010(2):83-84.3 黄平.基于“绿色再生”理念下的船政文化马尾造船厂片区工业遗产保护实践J.福建建筑,2021(5):32-35.4 GB50144-2019 工业建筑可靠性鉴定标准S.北京:中国建筑工业出版社,2019.5 GB/T 9971-2017 原料纯铁S.北京:中国标准出版社,2019.6 全国人民代表大会常务委员会,中华人民共和国文物保护法Z.北京,2017.7 国际古迹遗址理事会中国国家委员会,中国文物古迹保护准则M.北京:文物出版社,2015.8 福建省住房和城乡建设厅,福建省装配式建筑评价管理办法(试行)Z.福州,2020.