南昌萬(wàn)壽宮古建筑修繕中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐

我國(guó)古建筑具有悠長(zhǎng)的歷史傳統(tǒng)和光輝的成就，經(jīng)過(guò)千年的發(fā)展，逐漸形成了以木結(jié)構(gòu)為主的建筑體系。我國(guó)古建筑和其他一切歷史文物一樣，其價(jià)值在于歷史遺留性，不可能再生產(chǎn)、再建設(shè)，一經(jīng)破壞就無(wú)法補(bǔ)救。但是，木材本身特性存在一定的缺陷，經(jīng)過(guò)時(shí)間流逝亦或風(fēng)吹日曬雨淋亦或人為改造，木結(jié)構(gòu)不可避免地會(huì)出現(xiàn)如開(kāi)裂、糟朽、蛀蝕、人為損壞等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)的安全。另外，隨著時(shí)代的發(fā)展，在古建筑修繕過(guò)程中，除了遵循修舊如舊的設(shè)計(jì)理念外，還需適應(yīng)當(dāng)代的功能需要。本文以南昌萬(wàn)壽宮歷史文化街區(qū)中合同巷36號(hào)為例，淺談古建筑修繕項(xiàng)目中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐，可為國(guó)內(nèi)古建筑修繕項(xiàng)目中對(duì)于結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)方面提供參考。1、工程概況南昌萬(wàn)壽宮始建于晉代，為奉祀凈明道派創(chuàng)始人許真君而建，現(xiàn)仍保存?zhèn)鹘y(tǒng)街巷5條、已登記不可移動(dòng)文物27處、已公布?xì)v史建筑18處（其中為已登記不可移動(dòng)文物7處）、傳統(tǒng)風(fēng)貌建筑46處，是街區(qū)的重要?dú)v史遺存，必須加以保護(hù)。合同巷是萬(wàn)壽宮歷史文化街區(qū)嚴(yán)格保護(hù)的傳統(tǒng)街巷之一，具有典型的地方文化特色，對(duì)于研究同時(shí)期南昌地區(qū)建筑形制、結(jié)構(gòu)、藝術(shù)和用材，是不可多得的實(shí)物資料。故從合同巷36號(hào)修繕著手，探析在古建筑修繕項(xiàng)目中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。合同巷36號(hào)是獨(dú)棟建筑，磚木結(jié)構(gòu)，硬山頂，小青瓦屋面，地上兩層，占地面積696.25?m2，建筑面積1?108.4?m2，平面呈橫向矩形，是典型的兩進(jìn)兩天井布局。2、合同巷36號(hào)修繕前問(wèn)題現(xiàn)狀合同巷36號(hào)修繕前為居民居所，因使用功能所驅(qū)被人為改變其平面格局，雖然室內(nèi)所有木柱、梁架、樓楞等結(jié)構(gòu)構(gòu)件基本留存，但由于居民長(zhǎng)期不合理的使用所致，目前整體保存較差。大部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件均有不同程度的開(kāi)裂、糟朽、蛀蝕、人為損壞和彎曲下沉等（圖1）。除東側(cè)28.04?m長(zhǎng)青磚清水墻體保留尚好外，其余大部分為后砌紅磚墻體，或被局部加建粉刷改造或年久失修磚塊脫落（圖2）。根據(jù)GB/T50165—2020《古建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)與加固技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》判定，合同巷36號(hào)損壞情況為Ⅲ類(lèi)建筑，承重結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵部位的殘損點(diǎn)或其組合點(diǎn)已影響結(jié)構(gòu)安全和正常使用，須采取加固或修理措施。（a）

（b）

（c）（d）

（e）

（f）圖1合同巷36號(hào)木結(jié)構(gòu)問(wèn)題（a）開(kāi)裂；（b）糟朽；（c）蛀蝕；（d）人為開(kāi)榫；（e）樓楞彎曲；（f）樓板下沉（a）

（b）圖2青磚墻體現(xiàn)狀（a）局部加建粉刷改造；（b）青磚脫落3、修繕理念南昌萬(wàn)壽宮歷史文化街區(qū)修繕理念為真實(shí)、全面地保存并傳遞其文化價(jià)值，通過(guò)保留完整的歷史街巷，建設(shè)傳統(tǒng)贛派居民風(fēng)格建筑，實(shí)現(xiàn)“文、商、旅”融合的效果。修繕過(guò)程中遵循古建筑修舊如舊的原則外，更須用發(fā)展的眼光來(lái)看待和保護(hù)古建筑，做到既讓古建筑特色保存于世，也讓古建筑適應(yīng)當(dāng)今使用的功能需要。合同巷36號(hào)屬于南昌市掛牌歷史建筑，維修好后對(duì)其進(jìn)行布展，復(fù)原陳列，用于旅游參觀(guān)。作為公共建筑使用，結(jié)合現(xiàn)代文化功能需求以及國(guó)家現(xiàn)行的建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范，對(duì)合同巷36號(hào)進(jìn)行必要的提升，加固主受力結(jié)構(gòu)和抬高2層層高，使歷史人文和現(xiàn)代時(shí)尚在傳統(tǒng)風(fēng)貌建筑中進(jìn)行有效融合，修繕自然力和人為造成的損害，最大程度地恢復(fù)古建筑原貌，滿(mǎn)足現(xiàn)代社會(huì)的使用功能。4、結(jié)構(gòu)修繕難點(diǎn)剖析4.1原青磚墻體基礎(chǔ)偏小合同巷36號(hào)建于晚清至民國(guó)時(shí)期，當(dāng)時(shí)對(duì)于結(jié)構(gòu)的研究不及現(xiàn)在，可參考依據(jù)的規(guī)范也少之又少，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪反饋保留的東側(cè)28.04?m長(zhǎng)青磚墻體0.38?m寬，高3.2?m，墻底為二階放腳，往下是620?mm×300?mm的條石基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深1.2?m，上部荷載傳至基礎(chǔ)底面處平均壓力值為59?kPa，根據(jù)業(yè)主提供的萬(wàn)壽宮歷史文化街區(qū)建設(shè)項(xiàng)目的《巖土工程勘察報(bào)告》（KC2015-26），持力層承載力特征值為55?kPa，平均壓力大于持力層特征值，不滿(mǎn)足承載力驗(yàn)算的要求。對(duì)于距今100多年的保留墻體，在不破壞不拆除的前提下，怎樣進(jìn)行基礎(chǔ)加固以滿(mǎn)足承載力要求是一個(gè)難點(diǎn)。4.2新建清水青磚墻體構(gòu)造柱及圈梁設(shè)置受限東側(cè)保留的28.04?m長(zhǎng)青磚墻體為清水墻，剩余風(fēng)火墻必須為新砌青磚清水墻墻體?，F(xiàn)階段國(guó)家實(shí)施的規(guī)范要求：砌體結(jié)構(gòu)必須設(shè)置構(gòu)造柱、圈梁以及必要時(shí)候還需設(shè)置水平連系梁。直接設(shè)置構(gòu)造柱和圈梁會(huì)對(duì)清水墻體外觀(guān)有影響，那么如何讓構(gòu)造柱和圈梁與原有清水墻體契合是設(shè)計(jì)需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題。4.3原木柱受壓凈截面面積過(guò)小木柱作為結(jié)構(gòu)主受力構(gòu)件，在修繕過(guò)程中十分重要。目前由于自然因素或人為因素破壞，現(xiàn)狀保留木柱開(kāi)裂、蛀蝕嚴(yán)重部分超過(guò)木柱直徑的1/2，木柱受壓凈截面面積減小為原來(lái)的一半，以致現(xiàn)狀木柱受壓承載力驗(yàn)算不滿(mǎn)足。雖然目前為止已有大量文獻(xiàn)研究和實(shí)驗(yàn)論證對(duì)于此類(lèi)木柱修繕可采用抱箍進(jìn)行木柱墩接加固，但是本項(xiàng)目業(yè)主覺(jué)得抱箍的使用會(huì)對(duì)木柱外觀(guān)造成破壞，不滿(mǎn)足修舊如舊的修繕原則，故而需要探究一種新的木柱墩接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。4.4樓楞現(xiàn)狀撓度超限、抗彎強(qiáng)度不滿(mǎn)足2層樓面板的荷載主要通過(guò)樓楞傳遞到與之相連的梁枋，再經(jīng)木柱傳遞到基礎(chǔ)?，F(xiàn)狀樓楞已經(jīng)彎曲下沉，最嚴(yán)重的彎曲下沉量達(dá)到30?mm（L/183＞L/250，跨度L為5.5?m），撓度超限。應(yīng)業(yè)主要求，修繕后需對(duì)其布展，作為公共建筑對(duì)外開(kāi)放。公共建筑樓面活荷載取值為3.5kN/㎡，鑒于目前樓楞撓度已超限，不能滿(mǎn)足后續(xù)作為公共建筑使用的強(qiáng)度和變形要求，而完全更換則與古建筑“修舊如舊”原則相悖，那么在修復(fù)現(xiàn)狀樓楞的同時(shí)又要滿(mǎn)足其結(jié)構(gòu)受力和變形要求也是本次修繕過(guò)程中須著力解決的一大難題。5、結(jié)構(gòu)修繕設(shè)計(jì)實(shí)踐5.1原青磚墻體基礎(chǔ)加固原青磚墻體高度為3.2?m，墻寬0.38?m，空斗砌，碎磚填充空隙，墻體自重取值為18?kN/m3，地基承載力特征值為55?kPa。鑒于青磚墻體為保留墻體，不能拆除，故而考慮在基礎(chǔ)加固時(shí)選擇沿墻體兩邊各設(shè)400?mm×700?mm條形基礎(chǔ)梁，間隔不大于2?m加設(shè)橫穿墻體的加固暗梁400?mm×300?mm，兩邊長(zhǎng)度齊加設(shè)的條形基礎(chǔ)梁外邊，加固暗梁底齊條形基礎(chǔ)梁底（圖3）。加固暗梁按兩端簡(jiǎn)支考慮，根據(jù)矩形截面其正截面受彎承載力計(jì)算，最大裂縫和撓度均小于規(guī)范要求值；上部荷載經(jīng)加固暗梁傳遞至條形基礎(chǔ)梁兩端，再經(jīng)條形基礎(chǔ)梁傳遞至持力層的平均壓力為54?kPa（≤55?kPa），地基承載力驗(yàn)算滿(mǎn)足要求。通過(guò)以上受力分析，驗(yàn)證了以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，實(shí)現(xiàn)在原青磚墻體不破壞、不拆除的前提下，加固墻體基礎(chǔ)以滿(mǎn)足承載力驗(yàn)算要求。圖3原有青磚墻體基礎(chǔ)加固暗梁施工5.2新建清水青磚墻體加設(shè)構(gòu)造柱、圈梁新建清水青磚墻體屬于砌體結(jié)構(gòu)，需設(shè)置構(gòu)造柱和圈梁。對(duì)于新建青磚清水墻體，考慮墻寬380?mm，故而把構(gòu)造柱尺寸定為240?mm×400?mm，設(shè)置在墻體轉(zhuǎn)角和較大洞口處，構(gòu)造柱間距不大于3?m；圈梁尺寸定為240?mm×200?mm，分別設(shè)置在標(biāo)高4.00?m處（1層樓面標(biāo)高）和檐口標(biāo)高處，滿(mǎn)足圈梁設(shè)置的連續(xù)狀和封閉性。針對(duì)上述構(gòu)造柱和圈梁設(shè)置，墻厚方向兩邊還各有70?mm的青磚砌筑空間可實(shí)現(xiàn)青磚清水墻面的立面要求（圖4）。圖4新建青磚墻體構(gòu)造柱現(xiàn)場(chǎng)施工5.3墩接加固保留木柱，增大木柱受壓凈截面面積針對(duì)木柱的開(kāi)裂、開(kāi)榫、蛀蝕以及層高不滿(mǎn)足后續(xù)使用要求的問(wèn)題，修繕設(shè)計(jì)過(guò)程中查閱相關(guān)規(guī)范及文獻(xiàn)，對(duì)木構(gòu)件墩接抬高的技術(shù)做法為：先運(yùn)用巴掌榫對(duì)接新增高柱，再外包碳纖維布，最后刷膩?zhàn)?、涂色漿。巴掌榫對(duì)接新增高柱參照GB/T50165—2020《古建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)與加固技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中圖6.6.4a設(shè)計(jì)；對(duì)墩接節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度保證的碳纖維布按照木材進(jìn)行等強(qiáng)設(shè)計(jì)，在碳纖維布抗拉強(qiáng)度不小于2000?MPa的前提下，經(jīng)計(jì)算，可得碳纖維布厚度取值應(yīng)不小于2.650?mm，結(jié)合結(jié)構(gòu)安全系數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)采購(gòu)市場(chǎng)分析，最終確定碳纖維布（強(qiáng)度為3?400?MPa）厚度為5?mm。以上做法均是在確保結(jié)構(gòu)安全的前提下實(shí)施木柱的墩接抬高（圖5）。圖5木柱墩接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)5.4現(xiàn)狀樓楞加固應(yīng)業(yè)主要求，合同巷36號(hào)修繕完成后要作為展館使用，展廳樓面活荷載取值為3.5?kN/㎡。遵循古建筑修舊如舊的原則，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，考慮保留原有樓楞，在其下方加設(shè)一根同材質(zhì)樓楞；按最不利受力分析，原有樓楞直徑為200?mm，下部加設(shè)1根100?mm×260?mm樓楞（圖6、圖7），其跨度為5.5?m，承受板面荷載寬度為800?mm，按組合梁受力分析，抗彎承載能力小于抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，滿(mǎn)足抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算要求；撓度小于22?mm（L/250，L為樓楞跨度），滿(mǎn)足變形驗(yàn)算要求。經(jīng)過(guò)計(jì)算和分析，此做法既滿(mǎn)足了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全要求，又最大限度地保留了古建筑原有的設(shè)計(jì)元素。圖6樓楞加固設(shè)計(jì)示意圖7樓楞加固現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)上述的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)修繕后，成功地解決了古建筑修繕設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)于保留磚墻墻體基礎(chǔ)偏小、新建清水磚墻墻體構(gòu)造柱及圈梁設(shè)置受限、保留木柱受壓凈截面面積過(guò)小、木構(gòu)件現(xiàn)狀撓度超限和抗彎強(qiáng)度不滿(mǎn)足等問(wèn)題，破舊危險(xiǎn)的合同巷36號(hào)呈現(xiàn)了另一番景象（圖8）。這是在古建筑修繕項(xiàng)目中，現(xiàn)行結(jié)構(gòu)規(guī)范與古建筑修繕規(guī)范的合理融合，解除了古建筑原有的安全隱患，保證了古建筑的結(jié)構(gòu)安全；遵循了古建筑“修舊如舊”的原則，復(fù)原了古建