劉伯英 胡戎睿 李 榮 吳方伯 胡建新 韋 拉

(1.清華大學(xué)建筑學(xué)院，北京 100084;2.中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088;3.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，長沙 410082;4.北京華清安地建筑設(shè)計有限公司，北京 100084)

伴隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整升級和城市工業(yè)用地的更新，傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)紛紛退出生產(chǎn)，大量工業(yè)建筑被閑置甚至荒廢。我國既有工業(yè)建筑面臨兩種出路：一是通過一系列技術(shù)措施滿足新型產(chǎn)業(yè)的需求，繼續(xù)為工業(yè)生產(chǎn)服務(wù);二是非工業(yè)化利用，其中具有重要歷史文化價值的作為工業(yè)遺產(chǎn)進行保護，更多的是利用既有工業(yè)建筑的空間，通過適應(yīng)性改造實現(xiàn)性能提升，通過功能轉(zhuǎn)換來滿足城市生活需求。

近年來，我國工業(yè)遺產(chǎn)保護工作取得了一定進展，閑置工業(yè)廠房從低價出租“吃瓦片”，到成為城市經(jīng)濟的新寵——文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園，再到舊工業(yè)區(qū)整體更新推動城市綜合復(fù)興，使既有工業(yè)建筑的非工業(yè)化改造成為當(dāng)前盤活存量資源和城市建設(shè)的重點。但是，由于工業(yè)遺產(chǎn)和工業(yè)資源的概念存在混淆，工業(yè)遺產(chǎn)保護往往被泛化或僵化，既有工業(yè)建筑的非工業(yè)化改造利用由于政策和標(biāo)準(zhǔn)的缺位，多數(shù)改造成為違章行為，或者被非專業(yè)人士任意改造，存在很大安全隱患。因此，基于生態(tài)友好、資源節(jié)約，工業(yè)建筑的全壽命周期的可持續(xù)發(fā)展等方面的考慮，建立系統(tǒng)的調(diào)查研究方法和科學(xué)的價值評價體系，總結(jié)工業(yè)建筑改造性能提升、功能置換、資源利用的模式和設(shè)計方法非常重要。此外，我國很多既有工業(yè)建筑經(jīng)長期使用，或許已存在很大的安全問題，原有的結(jié)構(gòu)設(shè)計也可能無法滿足新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，因此系統(tǒng)研究我國既有工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)安全鑒定和結(jié)構(gòu)加固技術(shù)，為非工業(yè)化改造利用創(chuàng)造條件，是迫切需要解決的難題。

表1 我國1995—2017年工業(yè)建筑面積統(tǒng)計Table 1 Statistics of Chinese industrial building area in 1995-2017 億m2

圖1 建國后我國工業(yè)建筑規(guī)模的發(fā)展趨勢Fig.1 Development trend of Chinese industrial building

1 既有工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)體系分類調(diào)查研究

針對我國既有工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)類型和結(jié)構(gòu)體系進行調(diào)查，對不同時期、不同地域、不同產(chǎn)業(yè)的既有工業(yè)建筑進行資源調(diào)查研究，形成一套完整和科學(xué)的調(diào)查流程及操作方法。

調(diào)查主要從以下方面入手：既有工業(yè)建筑類型等基本信息(建成年代、建筑面積、層數(shù)、層高等)、既有工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)形式、既有工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件及材料做法、既有工業(yè)建筑荷載作用、既有工業(yè)建筑環(huán)境作用、既有工業(yè)建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用、既有工業(yè)建筑損傷破壞。其中重點調(diào)查的內(nèi)容是既有工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)形式、荷載作用和損傷破壞［1］。

1.1 我國既有工業(yè)建筑規(guī)模調(diào)查

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國工業(yè)建筑面積持續(xù)增長。1911年至2017年底，我國房屋竣工面積累計為555.79億 m2，其中工業(yè)建筑88.30億 m2，占16%。目前我國正處于向工業(yè)化、城鎮(zhèn)化發(fā)展的轉(zhuǎn)型期，建設(shè)規(guī)模和固定資產(chǎn)投資規(guī)模巨大，從1950年的0.6億 m2上升到2017年的 88.30億 m2(表 1、圖 1)。

1.2 我國既有工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)體系分類

我國既有工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)形式多樣，對我國既有工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)體系及構(gòu)件類型進行梳理和歸納，主要從結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及材料進行劃分，系統(tǒng)總結(jié)了工業(yè)建筑的結(jié)構(gòu)形式(圖2)。

1.2.1 工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)體系分類

工業(yè)建筑的結(jié)構(gòu)體系可以劃分為平面結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)以及特種結(jié)構(gòu)三類。其中，平面結(jié)構(gòu)體系最為多見，包括混合結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)等，廣泛應(yīng)用于各類大小跨度廠房;空間結(jié)構(gòu)則主要應(yīng)用于跨度較大的廠房中，包括網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)等［2］;特種結(jié)構(gòu)一般用于生產(chǎn)工藝有特殊要求的工業(yè)建筑中，在此暫不討論。

1.2.2 工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件分類

在結(jié)構(gòu)構(gòu)件方面，工業(yè)建筑的核心是骨架承重結(jié)構(gòu)，主要的承重構(gòu)件有屋架、柱、吊車梁、基礎(chǔ)等，在工業(yè)廠房中，除基礎(chǔ)無法直接看到外，其余三類均可通過外觀進行判斷［2］。

圖2 我國既有工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)體系分類Fig.2 Classification of existing industrial building structural systems in China

1.3 北京典型工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)體系調(diào)查研究

選取北京現(xiàn)存100個重點工業(yè)廠區(qū)中的工業(yè)建筑，作為重點考察對象和分析樣本，通過文獻研究和現(xiàn)場調(diào)查，調(diào)查了產(chǎn)業(yè)類型、建廠時間等基本信息，重點調(diào)查了結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)質(zhì)量，歸納總結(jié)北京既有工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)體系的類型分布、質(zhì)量等級分布。

1.3.1 北京典型既有工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)類型分布情況

1)工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)體系類型分布統(tǒng)計。通過對樣本廠區(qū)現(xiàn)存工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)體系類型進行統(tǒng)計，主要有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)5大類型(圖3)。由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相較于其他結(jié)構(gòu)類型具有堅固、耐久、防火性能好的優(yōu)點，此類結(jié)構(gòu)廠房占主要份額(48%)。

圖3 北京樣本廠區(qū)中結(jié)構(gòu)體系類型整體比例分布Fig.3 Overall proportion distribution of structural system type in Beijing sample

2)工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)體系之產(chǎn)業(yè)類型分布統(tǒng)計。由于北京工業(yè)的產(chǎn)業(yè)特征，100個樣本廠區(qū)分為能源類、材料類、裝備制造類、加工類和交通類5大產(chǎn)業(yè)類型，以加工類與裝備制造類為主。在各產(chǎn)業(yè)類型的典型廠區(qū)中，除能源類廠區(qū)建筑以磚混結(jié)構(gòu)為主，材料類、裝備制造類、加工類及交通類廠區(qū)建筑均以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主，兩種結(jié)構(gòu)類型的廠房均占各行業(yè)調(diào)研份額的60%以上(表2)。

表2 產(chǎn)業(yè)類型的結(jié)構(gòu)形式Table 2 Industry and structure types of industrial construction in Beijing sample

3)工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)體系之建成年代分布統(tǒng)計。調(diào)查中廠區(qū)現(xiàn)存工業(yè)建筑建成年代從20世紀(jì)初到本世紀(jì)初，跨越近100年，各個年代分布不均勻現(xiàn)象突出，其中20世紀(jì)七八十年代時期建設(shè)的廠房最多。通過對北京樣本廠區(qū)中工業(yè)建筑的建成年代和結(jié)構(gòu)體系類型進行合并列表(表3)分析可知，1949年以前，工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)體系類型以磚木結(jié)構(gòu)體系、磚石結(jié)構(gòu)體系為主，1949年后開始以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系為主。納入改造利用的工業(yè)建筑主要以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)為主。

表3 北京樣本廠區(qū)工業(yè)建筑建成年代和結(jié)構(gòu)體系類型Table 3 Construction age and structural system type of industrial buildings in Beijing sample

1.3.2 北京典型既有工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量等級分布

將樣本廠區(qū)中現(xiàn)存工業(yè)建筑按結(jié)構(gòu)質(zhì)量等級分為好、較好、一般、較差和差5等(圖4)。從中可見：廠區(qū)建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量“好”和“較好”的占到46%，具有非工業(yè)化改造再利用的條件和基礎(chǔ);但結(jié)構(gòu)質(zhì)量評價“差”的建筑占到48%，改造再利用的難度加大。因此，對既有工業(yè)建筑非工業(yè)化改造結(jié)構(gòu)診治技術(shù)的研究迫在眉睫。

1.3.3 北京典型既有工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)空間形態(tài)類型

通過對北京樣本廠區(qū)工業(yè)建筑的研究統(tǒng)計，以單層、多層廠房為主的建筑及構(gòu)筑物樣本集合均呈現(xiàn)出多種結(jié)構(gòu)類型：鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)、混合結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)體系呈現(xiàn)如下空間形態(tài)，如圖5所示。

圖4 北京樣本廠區(qū)中工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量等級比例分布Fig.4 Proportion distribution of industrial building quality in Beijing sample

圖5 結(jié)構(gòu)體系空間形態(tài)分類Fig.5 Classification of structural system space morphology

2 既有工業(yè)建筑非工業(yè)化改造綜合評價體系研究

通過對我國既有工業(yè)建筑的資源調(diào)查，形成一套規(guī)范化的調(diào)查流程，并在此基礎(chǔ)上建立既有工業(yè)建筑非工業(yè)化改造全周期的綜合評價體系及實施導(dǎo)則。

2.1 全周期綜合評價體系構(gòu)建

既有工業(yè)建筑的非工業(yè)化改造過程繁冗復(fù)雜、綜合性強且富于變化，因此對其評價體系應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)專業(yè)性、綜合性和全周期性。既有工業(yè)建筑的非工業(yè)化改造涉及到建筑本體、周邊環(huán)境要素以及相關(guān)的法規(guī)和政策等，實際操作中還需注重經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益等綜合效益［3］，其完成過程前后的適應(yīng)性是評價其改造效果的重要指標(biāo)。

在近年來相關(guān)評價方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合系統(tǒng)性研究探索，以全周期綜合評價為目標(biāo)，建立了既有工業(yè)建筑非工業(yè)化改造全周期的綜合評價體系，旨在為既有工業(yè)建筑非工業(yè)化改造的實踐活動提供科學(xué)決策依據(jù)。

2.2 綜合評價體系及評價方法集成

對既有工業(yè)建筑非工業(yè)化改造的全過程進行分解，建立不同實施階段和不同目標(biāo)基礎(chǔ)上的多種評價方法，包括：工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)調(diào)研綜合評價、工業(yè)建筑現(xiàn)狀調(diào)研綜合評價、工業(yè)建筑非工業(yè)化改造價值評價、工業(yè)建筑適應(yīng)性再利用潛力評價和工業(yè)建筑非工業(yè)化改造后評價(表4)。

表4 工業(yè)建筑非工業(yè)化改造綜合評價小結(jié)Table 4 Summary of comprehensive evaluation of non-industrial transformation of industrial buildings

本文提出的評價方法立足文獻和實地調(diào)研，采用統(tǒng)一有序的步驟流程和技術(shù)操作，有側(cè)重地涵蓋了既有工業(yè)建筑非工業(yè)化改造實施過程前后的關(guān)鍵步驟，從而構(gòu)成既有非工業(yè)化改造全周期的綜合評價體系。

3 既有工業(yè)建筑非工業(yè)化改造功能轉(zhuǎn)換模式研究

對國內(nèi)外案例進行調(diào)查分析，歸納總結(jié)既有工業(yè)建筑非工業(yè)化改造功能轉(zhuǎn)換與性能提升的模式類型、操作途徑和設(shè)計方法。

3.1 既有工業(yè)建筑功能轉(zhuǎn)型模式研究

3.1.1 宏觀改造策略

根據(jù)既有工業(yè)建筑資源再利用的可能性與適應(yīng)性，在宏觀層面上，基于工業(yè)資源的突出價值，可以分為以下模式。

1)強調(diào)保護為主：主要作為工業(yè)博覽館、美術(shù)館等，如首鋼廠史館(圖6a);

2)強調(diào)建筑再利用為主：主要作為創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園、高新科技園區(qū)等，如京棉文化創(chuàng)意工業(yè)園(圖6b)、北京牡丹電子集團有限責(zé)任公司(圖6c);

3)強調(diào)景觀再利用為主：主要作為景觀公園及工業(yè)遺址旅游等，如中山岐江公園(圖6d)、北京焦化廠遺產(chǎn)公園(圖6e)。

3.1.2 微觀改造策略

在確定了宏觀再利用方向后，從微觀角度來看，既有工業(yè)建筑可以改造為居住、商業(yè)、辦公、文化等設(shè)施。以常見的一般形式的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)排架結(jié)構(gòu)單層廠房為例，按照廠房建筑單體置換后的功能不同，將其分為以下幾種模式(表5)。

圖6 宏觀層面工業(yè)區(qū)功能置換模式分類案例Fig.6 Classification of functional replacement modes in industrial estate at macro level

表5 工業(yè)廠房功能置換與再利用模式分類Table 5 Classification of functional replacement and reuse of industrial buildings

3.2 既有工業(yè)建筑空間轉(zhuǎn)型模式研究

3.2.1 碎片切割式

“碎片化”是空間轉(zhuǎn)型的顯著特征之一。對小尺度空間的需求導(dǎo)致工業(yè)建筑原本完整統(tǒng)一的空間被切割，瓦解的方式和程度可以根據(jù)使用者(業(yè)主)的具體要求的不同而改變?？臻g切割不僅在平面上劃分，還包括垂直方向上的獨立使用。工業(yè)建筑尺度以生產(chǎn)活動為依據(jù)，無論是室內(nèi)還是室外尺度，都與普通民用建筑存在巨大差別，空間化整為零的利用，正是對空間尺度的重新確立(圖7)。

3.2.2 重組整合式

除了大尺度廠房“碎片化”的利用方式，對于小尺度的廠房還普遍存在著“化零為整”的利用方式?？臻g整合包括多組舊建筑之間的組合，也包括新建單體與舊建筑之間的混搭組合(圖8)。

4 既有工業(yè)建筑性能提升結(jié)構(gòu)診治關(guān)鍵技術(shù)研究

針對既有工業(yè)建筑非工業(yè)化改造的功能轉(zhuǎn)換模式，根據(jù)既有工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)類型，提出結(jié)構(gòu)診治方法，形成針對不同建構(gòu)筑物類型及結(jié)構(gòu)形式的改造技術(shù)體系，建立既有工業(yè)建筑非工業(yè)化改造關(guān)鍵技術(shù)體系和準(zhǔn)則。

圖7 空間碎片切割式利用示意Fig.7 Schematic diagram of space debris cutting utilization

圖8 空間組合式利用示意Fig.8 Schematic diagram of space combination utilization

4.1 既有工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)安全性評價

針對我國不同地域、不同行業(yè)的工業(yè)建筑，結(jié)合其發(fā)展歷史，對既有工業(yè)建筑的結(jié)構(gòu)體系進行調(diào)查，按照既有工業(yè)建筑的行業(yè)類型、結(jié)構(gòu)形式、服役年限、使用狀況等分類，提出了既有工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)安全性模糊綜合評價方法。該方法通過模糊數(shù)學(xué)的方法，將定性的評價轉(zhuǎn)換為定量的評價。該方法可以作為GB 50144—2008《工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》中提供方法的有益補充。

既有工業(yè)建筑的安全性影響因素有很多，分析時除了結(jié)構(gòu)自身因素外，還考慮環(huán)境因素和人為因素對工業(yè)建筑安全的影響。結(jié)構(gòu)自身因素分為三級，先由構(gòu)件的各項屬性評價得到構(gòu)件的評級，然后綜合各個構(gòu)件得到結(jié)構(gòu)的評級。環(huán)境因素主要指自然環(huán)境和工作環(huán)境，因為工業(yè)廠房在一些特殊生產(chǎn)過程中存在高溫、高壓等環(huán)境，需要考慮其影響。自然環(huán)境包括：酸堿腐蝕、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)等，工作環(huán)境包括高溫、高壓、振動沖擊等。人為因素主要表現(xiàn)為使用荷載和設(shè)計荷載的不同，以及使用過程中不經(jīng)意間對結(jié)構(gòu)局部造成的損傷破壞，這一點在服役期較長的工業(yè)建筑中體現(xiàn)更為明顯。對于既有工業(yè)建筑安全性因素指標(biāo)的權(quán)重確定，采用層次分析法，通過對每一層要素進行兩兩之間的比較，最終通過判斷矩陣運算，得到各個因子的權(quán)重分配，從而對既有工業(yè)建筑的安全性作出評價。

4.2 既有工業(yè)建筑非工業(yè)化改造加固關(guān)鍵技術(shù)

既有工業(yè)建筑因使用功能改變導(dǎo)致荷載增加、空間調(diào)整甚至結(jié)構(gòu)體系改變。非工業(yè)化改造需要依據(jù)使用功能與相關(guān)規(guī)范的要求，進行必要的加固和改造。根據(jù)既有工業(yè)建筑非工業(yè)化改造新的功能要求，集成成熟改造加固技術(shù)并開發(fā)新型加固技術(shù)，建立一套完善的結(jié)構(gòu)加固改造技術(shù)體系。

4.2.1 已有改造加固技術(shù)集成

針對既有工業(yè)建筑的非工業(yè)化改造需求，根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，集成成熟改造加固技術(shù)如表6所示。

表6 已有改造加固技術(shù)Table 6 Existing reconstruction and reinforcement techniques

4.2.2 新型加固技術(shù)開發(fā)

纖維增強復(fù)合材料網(wǎng)格加固法(圖9)為使用配套錨固件將復(fù)材網(wǎng)格固定在墻體上，之后再噴涂聚合物砂漿，形成共同受力的加固體系。該加固技術(shù)施工過程中無需使用樹脂材料，故施工時不會產(chǎn)生刺激性氣味，也不會對施工人員及使用人員的健康造成影響，安全環(huán)保。加固工作完成后，墻面平整，無需進行進一步表面處理，類似新建混凝土墻面，可直接進行裝飾裝修。試驗結(jié)果表明，該加固方法可以提高墻體的抗剪承載力和抗震性能，加固效果顯著。相比于傳統(tǒng)加固方法，具有質(zhì)量輕、強度高、耐腐蝕性強、耐久性好等特點。

圖9 纖維增強復(fù)合材料網(wǎng)格加固法示意Fig.9 Mesh strengthening method for fiber reinforced composite materials

5 結(jié)束語

既有工業(yè)建筑的非工業(yè)化改造是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及學(xué)科門類眾多，本文主要從建筑和結(jié)構(gòu)兩個專業(yè)領(lǐng)域，提出系統(tǒng)解決辦法，對于全面認(rèn)識既有工業(yè)建筑非工業(yè)化改造、工業(yè)遺產(chǎn)保護，具有重要的現(xiàn)實意義。

1)針對我國不同地域、不同行業(yè)，建立既有工業(yè)建筑調(diào)查的流程和方法、價值評價體系;建立既有工業(yè)建筑非工業(yè)化改造全壽命周期的綜合評價體系及實施導(dǎo)則，填補國內(nèi)空白。

2)按照既有工業(yè)建筑的結(jié)構(gòu)形式、服役年限等分類，提出既有工業(yè)建筑非工業(yè)化改造功能轉(zhuǎn)換和提升的方法和策略，促進城市規(guī)劃與建筑設(shè)計相關(guān)管理工作的調(diào)整和完善。

3)從文物保護、建筑設(shè)計、結(jié)構(gòu)診治的綜合策略與系統(tǒng)技術(shù)措施出發(fā)，建立既有工業(yè)建筑非工業(yè)化改造的成套關(guān)鍵技術(shù)，形成針對不同建構(gòu)筑物類型及結(jié)構(gòu)形式的改造技術(shù)體系。

·信 息·

近年來，我國的土木工程事業(yè)發(fā)展迅速，而鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)以其優(yōu)越的性能得到廣大結(jié)構(gòu)工程師的認(rèn)可，被廣泛應(yīng)用于各種工程結(jié)構(gòu)中。為進一步推動鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的技術(shù)交流和應(yīng)用推廣，中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)分會定于2019年11月15—17日在南京市明發(fā)珍珠泉大酒店(南京工業(yè)大學(xué)附近)召開第十七次學(xué)會會議，同時進行第四屆“組合結(jié)構(gòu)杰出人才獎”和第九屆“精工杯青年優(yōu)秀論文獎”評選。會議內(nèi)容包括主題報告、研討、分組發(fā)言討論，將邀請國際和港澳臺專家進行專題報告，加強國際學(xué)術(shù)交流合作。

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