理論與實踐:既有低矮房屋大幅加層的關(guān)鍵技術(shù)及工程實踐
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作者；張毅
在很多城市的中心地區(qū)又有大量低矮的多層房屋坐落于林立的高樓之間。這些低矮房屋的存在，一方面導(dǎo)致了城市土地資源某種程度上的“浪費”；另一方面又造成了城市景觀環(huán)境的不協(xié)調(diào)。目前，我國針對這些低矮房屋的處理大致有兩種，其一是異址新建，在郊區(qū)占用大量農(nóng)田和耕地形成新的城區(qū)，其二是大規(guī)模拆除重建。前者因為要占用大量土地資源，不符合可持續(xù)發(fā)展的政策，已經(jīng)引起國家和各地政府的高度重視。后者通過拆除容積率偏低的低矮房屋，建造高層房屋，增大建筑容積率，對緩解城市中心地帶用地緊張的問題有一定作用。但拆除重建會帶來一系列社會問題：首先是拆除重建，原有的正常居住與生活難以保障，勢必會造成大量的拆遷補(bǔ)償甚至更深層次的社會穩(wěn)定問題；其次，拆除重建會造成大量建筑垃圾難以處理，給城市及其周邊環(huán)境造成嚴(yán)重污染；三是多數(shù)城市中心地區(qū)低矮房屋質(zhì)量完好，全部拆除勢必造成嚴(yán)重的浪費，給國家和地方造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。
為解決城市建設(shè)需求與低矮房屋現(xiàn)狀之間的矛盾，近來一些學(xué)者提出“多層變高層，向空間要面積”的設(shè)想，即對城市中心區(qū)的低矮房屋進(jìn)行大幅度加層改造，既可以避免大面積拆遷帶來的社會問題，又可以減少環(huán)境污染，避免浪費，真正做到工程的綠色與環(huán)保建設(shè)。應(yīng)該說這一設(shè)想符合我國的可持續(xù)發(fā)展、建設(shè)和諧社會等相關(guān)政策要求，但是由于這類房屋加層的層數(shù)普遍較多，一般均在10層以上，技術(shù)難度遠(yuǎn)大于一般的房屋加層工程，因此，實際的工程應(yīng)用很少。
本文結(jié)合具體的工程實踐，對城市中心地區(qū)低矮房屋大幅加層工程中的地基基礎(chǔ)處理技術(shù)、新舊結(jié)構(gòu)連接處理技術(shù)、加層建筑方案和結(jié)構(gòu)體系以及新舊建筑抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述，以期為此類工程提供有價值的參考。
1 既有建筑加層改造的基本流程
一般來說，既有建筑進(jìn)行加層改造時，應(yīng)按如下流程和步驟進(jìn)行：
1)前期資料收集與準(zhǔn)備階段，這一階段需要收集的資料和準(zhǔn)備的工作包括：現(xiàn)有房屋的建筑、結(jié)構(gòu)等專業(yè)竣工圖紙；原設(shè)計的地質(zhì)勘察資料；現(xiàn)有建筑場區(qū)的現(xiàn)狀資料；預(yù)期的加層改造需求信息資料；結(jié)構(gòu)構(gòu)件質(zhì)量檢測和結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀的安全性鑒定；在原設(shè)計的地勘資料基礎(chǔ)上，根據(jù)加層需要補(bǔ)充必要的現(xiàn)場勘察內(nèi)容，對擬加層場地的巖土特性、地震效應(yīng)等進(jìn)行評價；項目前期的其他資料等。
2)加層結(jié)構(gòu)方案比選階段，這一階段的主要工作是：依據(jù)前述資料進(jìn)行不同加層方案的技術(shù)可行性分析，初步確定若干具有一定可行性的加層結(jié)構(gòu)方案；對上述初步確定的加層結(jié)構(gòu)方案進(jìn)一步進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、環(huán)境以及相關(guān)政策法規(guī)的適宜性評價分析，確定2-3個適宜的加層結(jié)構(gòu)方案。
3)地基基礎(chǔ)方案比選階段，這一階段的主要工作有：根據(jù)擬加層場地的勘察成果對上述確定的2-3個加層結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行地基基礎(chǔ)方案設(shè)計；從既有建筑的現(xiàn)場條件、當(dāng)?shù)毓こ痰墓芾硪?guī)定、施工可行性、工期以及經(jīng)濟(jì)代價等角度對各加層方案的地基基礎(chǔ)方案進(jìn)行比選分析。如地基基礎(chǔ)方案不具備現(xiàn)場施工的可行性，則應(yīng)調(diào)整加層的幅度（需求）和方案，重新設(shè)計。
4)確定加層方案，依據(jù)上述比選分析結(jié)果，篩選確定最終的加層結(jié)構(gòu)方案和地基基礎(chǔ)方案。
5)加層結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化配置，對上述確定的加層結(jié)構(gòu)方案進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化配置，包括：加層結(jié)構(gòu)的總體抗震設(shè)防目標(biāo)以及新舊建筑和連接過渡部分的具體執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)；抗側(cè)力構(gòu)件的平立面布局及薄弱環(huán)節(jié)的針對性措施；既有建筑部分的加固對策及措施；新舊結(jié)構(gòu)連接與構(gòu)造措施等。
6)施工圖設(shè)計，按上述確定的加層結(jié)構(gòu)體系及針對性的設(shè)計措施，進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)的施工圖設(shè)計；根據(jù)最終的結(jié)構(gòu)體系和篩選確定的地基基礎(chǔ)方案，進(jìn)行地基基礎(chǔ)（加固）設(shè)計；建筑等其他專業(yè)的施工圖設(shè)計。
7)組織施工，按施工圖紙編制施工組織，實施加層改造。
2 大幅加層改造工程的技術(shù)難點與對策
從目前的工程實踐來看，影響和制約大幅加層技術(shù)推廣和應(yīng)用的關(guān)鍵因素是公眾和決策層最為擔(dān)心的工程安全問題。因此，對于此類工程而言，如何解決以下幾個技術(shù)難點，就成為了工程能否安全、合理、可靠地實施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
2.1 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)
既有建筑大幅加層，加層面積一般超過原房屋面積的1倍甚至2倍以上。按我國目前建筑工程管理法規(guī)的規(guī)定，此類工程均按改建、擴(kuò)建工程對待，應(yīng)按現(xiàn)行的工程建設(shè)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計和施工。對于加層改造工程，新加部分按現(xiàn)行的工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，問題不大，但新舊建筑結(jié)合部分以及既有建筑的區(qū)域要完全滿足現(xiàn)行的工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)幾乎是不可能的，比如既有建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件箍筋間距與肢距、節(jié)點構(gòu)造等抗震構(gòu)造措施基本上都不滿足現(xiàn)行
《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)要求。另外，加層后建筑的規(guī)模和功能均發(fā)生很大變化，其原屬的抗震設(shè)防類別也可能會發(fā)生變化；而且加層改造工程的抗震構(gòu)造措施及現(xiàn)場施工要求，均與新建建筑存在較大不同。因此，加層改造工程的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)考慮各方面的要求以及工程的特殊性和實際可操作性等因素綜合研究確定，工程實踐時可按表1采用。
2.2地基基礎(chǔ)處理
對于城市中心地帶低矮房屋大幅加層工程來說，加層后基礎(chǔ)總的持荷需求一般會達(dá)到原建筑荷載的2-3倍，甚至更多，常規(guī)加層工程的地基基礎(chǔ)加固處理方法已很難滿足要求。此時，應(yīng)結(jié)合上部加層結(jié)構(gòu)體系的配置需要，從工程安全的角度出發(fā)，采取相對穩(wěn)妥可靠的工程對策與措施。
1)直接加層工程的地基基礎(chǔ)設(shè)計
采用直接加層的方法進(jìn)行大幅加層時，地基基礎(chǔ)應(yīng)按下述步驟進(jìn)行設(shè)計：
①按原房屋的基礎(chǔ)形式、地基承載力設(shè)計值或單樁承載力設(shè)計值以及加層后的荷載復(fù)核原建筑地基的承載能力能否滿足增層的需要。
②當(dāng)原建筑的地基承載力滿足加層需要時，應(yīng)進(jìn)一步復(fù)核加層后的地基變形是否滿足增層要求，并結(jié)合上部結(jié)構(gòu)體系采取增加基礎(chǔ)整體剛度的加固方案和措施。
③當(dāng)原建筑的地基承載力不滿足加層需要時，應(yīng)結(jié)合上部加層體系改變原房屋的基礎(chǔ)形式，對原建筑地基進(jìn)行適當(dāng)加固或采取增加樁基的方法以提高地基承載力。
④按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第12.1.8條等規(guī)定復(fù)核基礎(chǔ)的埋置深度是否符合要求，并采取相應(yīng)的措施。
⑤對上述第②步或第③步確定的基礎(chǔ)方案，進(jìn)行地基基礎(chǔ)的詳細(xì)設(shè)計和施工工序設(shè)計。
2)外套加層工程的地基基礎(chǔ)設(shè)計
采用外套加層的方法進(jìn)行大幅加層時，地基基礎(chǔ)應(yīng)按下述步驟進(jìn)行設(shè)計：
①按加層后的荷載要求確定外套結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)方案。確定外套結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)方案時應(yīng)注意采取可靠措施，保證基礎(chǔ)的整體性。
②按新增荷載全部由新基礎(chǔ)承擔(dān)的原則，計算新基礎(chǔ)的沉降變形，驗算外套結(jié)構(gòu)的沉降變形差是否滿足要求。
③驗算外套結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)變形對既有建筑和周邊既有管線的影響，采取措施確保外套加層施工期間和加層后既有建筑及周邊管線的安全性。
④按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第12.1.8條等規(guī)定復(fù)核基礎(chǔ)的埋置深度是否符合要求，并采取相應(yīng)的措施。
⑤進(jìn)行外套地基基礎(chǔ)的詳細(xì)設(shè)計和施工工序設(shè)計。
2.3加層結(jié)構(gòu)體系
與常規(guī)的加層工程相比，大幅加層工程由于層數(shù)增加較多，常見的結(jié)構(gòu)加層方案無法滿足相應(yīng)的強(qiáng)度和剛度要求，因此，在進(jìn)行加層結(jié)構(gòu)方案比選時，應(yīng)結(jié)合具體的工程實際，從技術(shù)安全性、經(jīng)濟(jì)合理性和施工可行性等角度進(jìn)行全方位、多方案分析。目前，各種加層結(jié)構(gòu)方案的技術(shù)要點和適用范圍詳見表2。
3 工程實踐案例
3.1直接加層案例——莆田鴻立大廈加層工程
1)工程概況
鴻立大廈位于福建省莆田市中心，該地區(qū)設(shè)防烈度為7度，場地類別為二類。本項目是舊城改造、加固、加建綜合樓工程。大廈是在原有一幢7層住宅樓（其中一層為半地下室）的基礎(chǔ)上加建16層，加層后總層數(shù)為23層，總高度為73. 75m。原建筑為6層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)（見圖1），原建筑面積4900m2，加層改造后為23層鋼筋混凝土框架·剪力墻結(jié)構(gòu)（見圖2），總建筑面積約25000m2，新增建筑面積約20000m2。
2)結(jié)構(gòu)方案
經(jīng)多方案論證，結(jié)合加層后建筑使用功能的需要，確定采用直接加層的方案，結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系采用鋼筋混凝土框架一抗震墻結(jié)構(gòu)。原結(jié)構(gòu)框架間隔一榀向上延伸，相應(yīng)位置的原框架柱擴(kuò)截面加固，原框架梁適當(dāng)加固，同時，在縱橫向設(shè)置一定數(shù)量抗震墻�？紤]到上部新增結(jié)構(gòu)的柱子數(shù)量相對于下部結(jié)構(gòu)減少較多，沿豎向抗震墻截面厚度不變化。圖3、圖4為加層改造前后結(jié)構(gòu)平面布置情況。
框架間隔一榀向上延伸后，未延伸的柱與延伸的柱在豎向荷載下的壓縮變形不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致原樓面梁兩端的豎向位移不一致，存在較大的豎向位移差，致使梁的一端支座（延伸柱處）出現(xiàn)較大相對位移，設(shè)計時要慎重對待（見圖5）。為此，考慮可以采用以下兩種方式之一解決：方案一，在上下部新舊結(jié)構(gòu)之間的過渡樓層設(shè)置部分支撐以平衡相鄰柱間的豎向壓縮變形差，圖6為支撐的豎向布置簡圖；方案二，采取上部結(jié)構(gòu)施工完畢后待樓體沉降基本完成后再進(jìn)行梁加固的施工等措施。最后考慮房屋的使用功能需要，采用了方案二的方式進(jìn)行施工。
3)基礎(chǔ)方案
地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為乙級；采用樁筏基礎(chǔ)，筏板厚h= 1800mm，混凝土強(qiáng)度等級C30。人工挖孔灌注樁，樁徑d= lOOOmm，擴(kuò)大頭直徑D=2000mm，樁長約13m，樁端持力層為碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，樁身混凝土為C30。單樁豎向承載力特征值不小于9000kN。圖7所示為樁位布置圖，圖8為柱腳節(jié)點大樣簡圖。
3.2外套加層案例——某磚混辦公樓加層工程
1)工程概況
該辦公樓為磚砌體結(jié)構(gòu)，建于1975年，分為三個單體（見圖9），中間5層，兩側(cè)4層，總建筑面積約為8070m2�，F(xiàn)擬進(jìn)行加層改建，改建后總層樓為10層，局部9層，總建筑面積約為19670m2。
2)結(jié)構(gòu)方案
該辦公樓原結(jié)構(gòu)為5層砌體結(jié)構(gòu)，加至10層后，總高度42. 40m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過規(guī)范規(guī)定的砌體房屋總高度和層數(shù)的限制，維持原有結(jié)構(gòu)體系直接加層不可行�？紤]到該項目位于大院內(nèi)，可以根據(jù)需要適當(dāng)外擴(kuò)，并且業(yè)主要求在加層擴(kuò)建的同時，該建筑使用功能不能中斷，因此，分離式外套法加層方案較為合適。辦公樓需要的大房間可布置在房屋中上部新加層部分，消防、疏散、設(shè)備等所需新開的洞口可在外擴(kuò)部分布置，對原結(jié)構(gòu)的影響最小。該房屋原結(jié)構(gòu)橫向?qū)挾燃s為15m，外套結(jié)構(gòu)考慮采用框架一抗震墻結(jié)構(gòu)，在原結(jié)構(gòu)上部設(shè)置轉(zhuǎn)換層，外擴(kuò)部分新做基礎(chǔ)，新基礎(chǔ)獨立承擔(dān)外套結(jié)構(gòu)的全部荷載。在外套結(jié)構(gòu)施工過程中采取必要的安全防護(hù)措施，保證原建筑不中斷使用，待外套加層工程完成后，原建筑的使用功能上移到上部新建樓層，然后對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的抗震加固處理。
經(jīng)多方案比較，并綜合考慮建筑布局要求，采用不分縫的外套加層方案，即外套結(jié)構(gòu)僅采用一個單體，基本為一字型，原結(jié)構(gòu)局部拆除，拆除部位布置新的樓、電梯間，結(jié)構(gòu)平面布置如圖10所示。原結(jié)構(gòu)局部拆除后外套結(jié)構(gòu)跨度減小，兩端采用井字梁樓蓋結(jié)構(gòu)，不需托換，僅在中部采用型鋼混凝土桁架做轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，采用普通大尺寸框架柱�？傮w上，該方案施工操作簡便，設(shè)計經(jīng)驗相對成熟，具備工程可行性。
3)基礎(chǔ)方案
該建筑原結(jié)構(gòu)為條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深1. 5m，根據(jù)原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)現(xiàn)狀和加層擴(kuò)建需要，外套結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)采用樁筏基礎(chǔ)。新基礎(chǔ)的筏板頂部標(biāo)高與原條形基礎(chǔ)頂部標(biāo)高一致，并與原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)脫開，承擔(dān)新擴(kuò)建及加層部分的全部荷載。因緊鄰既有建筑進(jìn)行施工，考慮到場地因素對大型施工機(jī)具的限制，新增樁建議采用人工挖孔灌注樁。根據(jù)地勘報告，選擇密實卵石層為人工挖孔灌注樁的持力層。柱或墻下豎向荷載由單樁全部承擔(dān)，采用較大直徑樁（主樁），大直徑樁外側(cè)設(shè)置較小直徑樁（輔樁）以平衡墻（柱）在水平力作用下的彎矩和基礎(chǔ)偏心產(chǎn)生的附加內(nèi)力�；A(chǔ)平面布置及做法示意圖如圖11、圖12所示。
4 結(jié)語
本文首先對既有房屋建筑加層改造的基本流程進(jìn)行了闡述，其次，對低矮房屋大幅加層中的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、地基基礎(chǔ)處理、加層結(jié)構(gòu)體系等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述和總結(jié)，最后，結(jié)合具體的工程實踐分別給出直接加層和外套加層的工程案例，可為此類工程提供一定參考。
5[摘要]本文首先對既有建筑加層改造的基本流程進(jìn)行了闡述，其次，對低矮房屋大幅加層中的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、地基基礎(chǔ)處理、加層結(jié)構(gòu)體系等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述和總結(jié)，最后，結(jié)合具體的實踐活動分別給出直接加層和外套加層的工程案例，可為此類工程提供一定參考。
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