旧工业建筑加层改造结构设计？

~ 一、引言
旧工业厂房改造与再利用是面对产业结构调整和城市更新的需求，综合考虑经济和社会等诸多因素而采用的一种方法和策略。从经济效益、环境意义、历史意义和文化意义等方面综合考虑，旧建筑增层改造和扩建更新有着显著的意义。
二、当前加层改造建筑的技术方法
当前加层改造建筑的技术方法以是否改变建筑高度可分为两大类。
不改变原建筑高度的加层改造形式
（1）新旧建筑结构构件相连接的加层法新建建筑物与原结构相连接的加层设计是在挖掘原厂房排架结构柱的受力潜能的情况下，使之与新建柱共同承担新建建筑的加层方法。此加层方法是将原来的排架结构改变成为框架结构，改变了原厂房的结构受力体系。
（2）原建筑内部直接新建框架柱的增层、隔层法此加层方法是利用原建筑作为一个外围框体，新建的内部加层建筑和原结构柱之间无连接或者无传力链接，原工业厂房起一个“避风港”的作用。
（3）局部构件连接的加层法钢结构局部加层法是在原厂房内部局部进行加层设计，局部与原结构柱相连接，形成了错层的空间体系，有较强的空间层次感。
2.增加原建筑高度的加层改造方法
（1）挖潜直接加层法挖潜直接加层法是通过挖掘原建筑结构的剩余承载力，在地基变形、基础承载力、主体结构不需要加固或不需要做太多加固的情况下，在原建筑顶部直接新起建筑的加层改造方式。
（2）改变荷载传递加层法该加层改造是在原有建筑物基础承载力或承重结构不能满足加层后承载力的要求，或因加层改造后使用功能的改变，需要对原结构的平立面做较大的调整，以满足现使用功能的要求，此种加层方法需要对原构件进行一定的加固处理或增设传力构件，可以改善原建筑的受力体系。
（3）外套结构加层法外套结构加层法可使加层层数不受限制，充分满足平面布置上的使用要求。在加层施工过程中不影响旧房的正常使用，加固新建互不干扰。
三、旧工业建筑的加层改造实例调研分析
1.西安建筑科技大学华清学院教学楼
西安建筑科技大学华清学院的一号二号教学楼和图书馆均由旧厂房改建而成，原厂房为单层排架结构，两栋建筑对称布置，单栋占地面积约2500m2，其中跨度为18m，柱距为6m，排架柱高9m，现功能为学校的主要教学楼。原厂房沿高度方向分隔成两层的框架结构，层高分别为一层4.2m，二层3.6m，上部留有1.8m的建筑空间，二层楼面采用轻质材料，借助于原厂房屋架体系，不做屋面的保温处理，加层设计的主要方式是在原厂房内部进行建筑加层，内部沿跨度方向新增设两排柱子，新建轴心柱距为12m，两边各自外伸3m，外伸部分与原结构柱无受力连接，即新建梁为外伸梁，如图1所示。从建筑结构设计的角度分析，该加层改造体系有以下几个特点：
（1）主体结构的保持传承着旧工业建筑的历史文化。
（2）新旧结构体系的分工与共存。该厂房加层设计为厂房的内部增层设计（一变二），此加层方法是利用原建筑作为一个外围框体，借助原排架结构其大空间的特点，在排架内部实现加层、隔层。
（3）灵活方便的布置形式。教学楼沿结构纵向为外双廊式，如此设计是因为受到了原厂房跨度的影响和教学楼开间的需要，内部楼梯设计灵活，形式简单快捷。
2.北京“798”艺术区
“798”即原国营798电子工业的老厂区，位于北京东北方向大山子地区。其结构是由相似的单元简单重复排列而成，主要分为砌体结构单层厂房和钢筋混凝土结构单层厂房。跨度和纵向长度较现阶段的工业厂房要小，尤其是建筑长度很少能达到60m以上，厂房的建筑高度集中在6～9m之间。厂房内部改造分隔为两层，局部一层，内部结构多采用钢结构体系，以此减轻结构的自重，同时也便于构件的连接，每个单元通风采光条件的一致性和空间高度为改造提供了可能性。
从结构设计的角度分析，北京“798”艺术区的厂房改建工程具有几个共同的特点：改变使用功能而未改变受力结构；拆除原有一些附加结构，使竖向空间增大；内部做局部的分隔，形成了带有阁楼气息的建筑风格。有的加层改造工程是在原厂房内部局部添加钢结构体系。“798”艺术区由于厂房内部的加层改造形成一个复式结构体系，局部构件与原厂房柱子相连接，但对原结构受力无太大的影响。厂房的改造从整体上将原有厂房内部分隔成3个层高，受力体系联系到了原排架柱，新旧结构柱形成统一的受力体系。
3.内蒙古工业大学建筑馆
内蒙古工业大学的建筑馆，曾经属于该校机械厂的铸造车间。其加层改造将原来的废旧的单层排架结构厂房改造成局部为四层的框架结构建筑馆，内部层次错落，改造后构件的传力明确，受力合理，厂房原建筑面积为2746m2，改造后建筑面积为5960m2，改造中废旧材料占整体用材的90%以上，该厂房的加层改造获得了良好的经济效果，建筑造价仅为600元/m2左右，节约造价约1500元/m2。内蒙古工业大学建筑馆的成功改造塑造了典型具有人文记忆的建筑品质，营造了开放交流的空间氛围，挖掘了较多的潜在资源，突出了空间优先的设计过程。在结构设计方面突出特点：
（1）错层、隔层的空间阁楼体系。改造设计保留原有空间的前提下，采用局部加层、隔层的改造方式，形成了整个空间在竖向存在着错落层次感，加层改造后最高层数达到了四层，大厅的位置保留着原建筑高度，以最少的用功创造最大化的空间使用模式，如图5所示。
（2）新旧结构相连接的改造形式。此次厂房加层改造设计中通过挖掘原主体排架结构柱的承载力，新建钢梁与原排架柱相连接，使得新旧体系同时受力、传力，这不但减少了新建结构柱的造价，同时新旧结构的相连也更加统一了加层改造的整体性。
（3）加层加固相结合的处理方式。当对原结构进行加层改造后，由于某些构件因外加荷载的作用，承载力不满足要求，进行了对原结构进行加固处理。加层改造工程对原有的屋架体系进行钢结构的加固处理，如图7所示。同时在钢梁与柱的链接部位对原工字型截面柱作加大截面的加固处理，连接节点处将柱在上下500m距离加大截面形成矩形截面，这种加层与加固相配合进行，节约加层费用的同时整体性更加良好。
本文分析加层改造的可行性和合理性，以及探索其在结构设计上的突破是加层改造的核心问题，从促使旧工业建筑加层改造再利用的原因入手，在总结当前加层改造建筑的技术方法的基础上，通过对西安建筑科技大学华清学院教学楼、北京“798”艺术区以及内蒙古工业大学建筑馆加层改造实例的调研。
总结出旧工业建筑的加层改造在结构上呈现出以下特点：华清学院教学楼的加层改造工程属于在厂房内部新建混凝土框架结构的加层改造，新建的内部框架结构在节点上与原厂房完全分离，内部形成单跨的两端外伸的两层框架结构，原厂房的外围墙体全部拆除，构筑成双外廊的教学楼，其真正的使用面积率不高；而北京“798”艺术区大部分则是厂房内部局部新起钢构柱，形成夹层以满足艺术画展的需求，结构上无太大的突破。
内蒙古工业大学建筑馆的加层改造属于内部新建建筑局部构件节点与原厂房柱相连接，且对原厂房的排架柱和屋架都做了一定的加固处理，在空间的分割上更为灵活多变，同时挖掘了原厂房承载潜力，使得新旧体系更好的形成统一体。对旧工业建筑的加层改造，在建筑学的特点及改造的原因分析方面已有相对较多的研究，但在加层改造的结构特点分析方面相对欠缺。希望通过对已加层实例的特点分析，能够为我国旧工业建筑加层改造提供一定的参考价值。

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