于 虹，李德志，丁保華

（1.北京大學基建工程部，北京 100871；2.中國建筑技術集團有限公司，北京 100013）

0 引言

第二體育館（以下簡稱“二體”）建造于 20 世紀 30 年代，為歷史文物保護建筑。二體已有近 90 年的歷史，使用方除對原有結構進行修繕與加固，來提高結構性能及抗震能力外，還要求對原結構首層及地下室進行加固、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 方面內容。①對原地下室結構進行加固改造，拆除原地下室內部承重結構，新建兩個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，拆除首層承重結構，新建從首層通向地下室直徑為 13.5 m 的旋轉樓梯。③在二體南側 5.05 m 處新建層高 1.86～7.20 m 的純地下結構，并與改造后的地下室設置聯(lián)絡通道。

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構及上部結構荷載托換方案，對二體修繕與加固改造經驗進行了總結。

1 建筑結構概況

二體（見圖 1）地上建筑東西方向長約 46 m，南北方向寬約 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（東、西兩端為看臺），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 層結構。

圖1 二體外觀舊照

由于二體已建成近 90 年，原建筑、結構設計圖紙幾乎全部缺失，按照既有建筑加固改造要求，對二體原結構進行了檢測鑒定，由于結構形式復雜，尚難以全面掌握結構現(xiàn)狀及其性能。

二體地上為鋼筋混凝土、砌體混合結構。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構，基礎為素混凝土條形基礎。既有建筑地下室結構平面如圖 2 所示。地下室南、北側素混凝土外墻（主樓下）底部厚度約 0.95 m，頂部厚度約 0.65 m，素混凝土條形基礎寬約 1.15 m（放腳高度約 1 m，寬度約 0.10 m）；地下室東、西側素混凝土外墻（主樓下）厚度約 1.05 m，素混凝土條形基礎寬約 1.25 m （放腳高度約 0.3 m，寬度約 0.13 m）；地下室內部墻體厚度 0.4 m，基礎寬度 0.6 m。

圖2 二體地下室結構平面圖

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計參數如下：

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

2）二體首層及地下室中部新建旋轉樓梯直徑 13.5 m，旋轉樓梯東、西兩側新建大跨度地下結構尺寸為 15.5 m×14.5 m；

3）二體改造后地下室與南側新建下沉庭院之間聯(lián)絡通道寬度為 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 修繕與加固改造結構方案

二體為歷史文物保護建筑，其結構形式十分復雜，為素混凝土、鋼筋混凝土、砌體組合結構形式。在近 90 年的使用期內，承載結構構件已經有一定程度老化和功能損傷。歷史文物建筑的修繕、保護，一般嚴禁對其原有裝飾、外圍景觀等造成破壞或進行改造。二體首層外立面為條石飾面，二體南側緊挨外墻有 4 棵古樹，在二體修繕與加固改造過程中對二體外裝飾、古樹及外圍景觀均需要妥善保護。二體的結構、裝飾等對地基變形均十分敏感，加上對古樹、外圍景觀的保護要求，使得二體的修繕與加固改造的技術難度及實施難度非常大。既不能因加固改造對二體結構造成損傷，也要妥善保護緊鄰的古樹及外圍景觀的歷史風貌。綜合考慮對二體結構、古樹及外圍景觀等的保護要求、施工條件限制、技術經濟條件等，經參建各方反復研究論證，最終確定在二體原地下室內部采用新建內嵌式地下結構的加固改造方案，來實現(xiàn)使用方對二體修繕改造的要求及建筑設計方案。

為實現(xiàn)二體的建筑功能改造要求，需要確定相應的結構實施方案。

1）在二體地下室內側施工鋼管樁［1，2］，鋼管樁既作為上部結構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的托換結構，如圖 6 所示。

圖6 鋼管樁與上部結構荷載托換結構

2）在二體地下室內部新建上部結構荷載托換結構（標高 -3.0 m 以上、在地下室內部新建的梁、板結構），如圖 6 所示，上部結構荷載托換結構也是新建地下室的一部分。為降低托換結構變形對首層結構的影響，托換結構與首層內承重墻無連接，托換梁通過墻體開洞施工，托換板與墻之間設置后澆縫。

3）托換結構完成自重變形后，進行首層墻體與托換結構的連接施工，封閉托換梁與首層墻體之間的后澆縫，然后進行托換結構與首層墻體后澆帶施工。

4）拆除二體地下室內部全部承重墻、地下室梁、板構件。拆除旋轉樓梯范圍內二體首層承重結構構件，包括首層墻、柱及樓板。

5）地下室內部土方分層開挖，同步、分層進行地基基礎托換結構鋼花管施工，如圖 7 所示。

6）土方分步開挖至基底后，進行 -3.0 m 以下部分新建地下室結構施工，與 -3.0 m 以上托換結構完成連接施工。同步進行中部旋轉樓梯的結構施工。

圖7 二體地下室內部鋼管樁典型剖面（單位：mm）

7）二體南側新建純地下結構的土體開挖與二體地下室內部土方開挖同步進行，如圖 8 所示。土方分步開挖至基底后，進行南側新建純地下結構及其與二體地下室之間聯(lián)絡通道的施工。

圖8 二體與南側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 結構托換方案

二體地下結構加固改造的實施過程，既是二體原有結構構件拆除、新建結構構件的建造過程，也是重建原結構上部結構荷載向新建地基基礎傳遞路徑和體系的過程。為實現(xiàn)結構加固改造施工過程中上部結構荷載的可靠轉移和傳遞，需要構建上部結構荷載的托換結構及相應的傳遞路徑。

圖9 結構荷載傳遞路徑

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

2）鋼管樁托換結構體系，其作用是在新建地下室土方向下開挖、新建地下室結構完成前，將上部結構托換結構及其分擔的首層荷載傳遞到地基中去，托換樁結構同時還要承擔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

二體上部結構荷載轉換與傳遞包括3個階段。

第 1 階段：新建上部結構荷載托換體系完成后，將首層內墻分擔的荷載轉移到托換結構上。

第 2 階段：地下室內承重墻拆除后，上部結構荷載托換結構及其分擔的首層荷載轉移到托換樁上。

第 3 階段：新建地下室結構完成，首層內墻荷載、新建地下室荷載通過基礎傳遞至地基上。

上述第 2 階段中，托換樁還要承擔原結構外墻基礎傳來的上部結構荷載及土方開挖產生的土壓力、水壓力荷載。

上述結構實施方案過程中，既有建筑荷載的傳遞路徑如圖 9 所示。

5 加固改造的工程經驗

二體結構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，實施效果良好，整個加固改造施工過程中，未對原結構造成新增損傷，較好地實現(xiàn)了建筑結構設計方案，滿足使用方對二體修繕與加固改造的要求。通過二體修繕與加固改造項目的成功實施，可以得到以下幾點經驗與認識。

1）既有建筑修繕改造項目，特別歷史建筑、文物保護建筑，加固改造方案選擇的限制因素較多，應綜合考慮既有建筑保護、施工條件、技術條件及經濟條件進行方案比選，確保既有建筑的安全。

2）很多歷史建筑、文物保護建筑，雖建造年代久遠，現(xiàn)今使用狀況仍然良好。為保護這些歷史建筑、文物建筑而對其進行修繕與加固改造，即能實現(xiàn)對既有建筑的保護，又能延長建筑的使用壽命，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，對于緩解城市土地用地緊張矛盾也具有社會、經濟意義。

3）歷史建筑的修繕保護工作，由于建造年代久遠，往往圖紙缺失或沒有設計圖紙，其結構形式一般是對變形極為敏感的砌體或木石結構。在修繕改造之前，應進行詳盡的既有結構及地基基礎的查勘及鑒定工作，方案的選擇應以保護為出發(fā)點，采用嚴于現(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，既要按照建筑保護要求，保證建筑的結構安全、外觀完好，還要考慮新建部分與原有部分的統(tǒng)一、協(xié)調與融合，真正做到修繕保護與開發(fā)利用的高度統(tǒng)一。

6 結語

二體修繕與加固改造工程，采用結構托換技術，通過構建可靠的荷載傳遞結構體系，實現(xiàn)了二體地下室加固改造過程中上部結構荷載向新建地基基礎的可靠傳遞，為新建地下室土體向下開挖、新建地下室結構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。二體地下室改造項目的成功實施，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，對于類似既有建筑加固改造工程具有參考借鑒價值。Q