理论与实践:既有低矮房屋大幅加层的关键技术及工程实践

作者；张毅

   在很多城市的中心地区又有大量低矮的多层房屋坐落于林立的高楼之间。这些低矮房屋的存在，一方面导致了城市土地资源某种程度上的“浪费”；另一方面又造成了城市景观环境的不协调。目前，我国针对这些低矮房屋的处理大致有两种，其一是异址新建，在郊区占用大量农田和耕地形成新的城区，其二是大规模拆除重建。前者因为要占用大量土地资源，不符合可持续发展的政策，已经引起国家和各地政府的高度重视。后者通过拆除容积率偏低的低矮房屋，建造高层房屋，增大建筑容积率，对缓解城市中心地带用地紧张的问题有一定作用。但拆除重建会带来一系列社会问题：首先是拆除重建，原有的正常居住与生活难以保障，势必会造成大量的拆迁补偿甚至更深层次的社会稳定问题；其次，拆除重建会造成大量建筑垃圾难以处理，给城市及其周边环境造成严重污染；三是多数城市中心地区低矮房屋质量完好，全部拆除势必造成严重的浪费，给国家和地方造成巨大的经济损失。

    为解决城市建设需求与低矮房屋现状之间的矛盾，近来一些学者提出“多层变高层，向空间要面积”的设想，即对城市中心区的低矮房屋进行大幅度加层改造，既可以避免大面积拆迁带来的社会问题，又可以减少环境污染，避免浪费，真正做到工程的绿色与环保建设。应该说这一设想符合我国的可持续发展、建设和谐社会等相关政策要求，但是由于这类房屋加层的层数普遍较多，一般均在10层以上，技术难度远大于一般的房屋加层工程，因此，实际的工程应用很少。

    本文结合具体的工程实践，对城市中心地区低矮房屋大幅加层工程中的地基基础处理技术、新旧结构连接处理技术、加层建筑方案和结构体系以及新旧建筑抗震设防标准等关键技术进行阐述，以期为此类工程提供有价值的参考。

1  既有建筑加层改造的基本流程

    一般来说，既有建筑进行加层改造时，应按如下流程和步骤进行：

    1)前期资料收集与准备阶段，这一阶段需要收集的资料和准备的工作包括：现有房屋的建筑、结构等专业竣工图纸；原设计的地质勘察资料；现有建筑场区的现状资料；预期的加层改造需求信息资料；结构构件质量检测和结构现状的安全性鉴定；在原设计的地勘资料基础上，根据加层需要补充必要的现场勘察内容，对拟加层场地的岩土特性、地震效应等进行评价；项目前期的其他资料等。

    2)加层结构方案比选阶段，这一阶段的主要工作是：依据前述资料进行不同加层方案的技术可行性分析，初步确定若干具有一定可行性的加层结构方案；对上述初步确定的加层结构方案进一步进行经济、环境以及相关政策法规的适宜性评价分析，确定2-3个适宜的加层结构方案。

    3)地基基础方案比选阶段，这一阶段的主要工作有：根据拟加层场地的勘察成果对上述确定的2-3个加层结构方案进行地基基础方案设计；从既有建筑的现场条件、当地工程的管理规定、施工可行性、工期以及经济代价等角度对各加层方案的地基基础方案进行比选分析。如地基基础方案不具备现场施工的可行性，则应调整加层的幅度（需求）和方案，重新设计。

    4)确定加层方案，依据上述比选分析结果，筛选确定最终的加层结构方案和地基基础方案。

    5)加层结构体系的优化配置，对上述确定的加层结构方案进一步进行优化配置，包括：加层结构的总体抗震设防目标以及新旧建筑和连接过渡部分的具体执行标准；抗侧力构件的平立面布局及薄弱环节的针对性措施；既有建筑部分的加固对策及措施；新旧结构连接与构造措施等。

    6)施工图设计，按上述确定的加层结构体系及针对性的设计措施，进行上部结构的施工图设计；根据最终的结构体系和筛选确定的地基基础方案，进行地基基础（加固）设计；建筑等其他专业的施工图设计。

    7)组织施工，按施工图纸编制施工组织，实施加层改造。

2  大幅加层改造工程的技术难点与对策

    从目前的工程实践来看，影响和制约大幅加层技术推广和应用的关键因素是公众和决策层最为担心的工程安全问题。因此，对于此类工程而言，如何解决以下几个技术难点，就成为了工程能否安全、合理、可靠地实施的关键环节。

2.1  抗震设防标准

    既有建筑大幅加层，加层面积一般超过原房屋面积的1倍甚至2倍以上。按我国目前建筑工程管理法规的规定，此类工程均按改建、扩建工程对待，应按现行的工程建设相关技术标准进行设计和施工。对于加层改造工程，新加部分按现行的工程建设标准执行，问题不大，但新旧建筑结合部分以及既有建筑的区域要完全满足现行的工程建设标准几乎是不可能的，比如既有建筑结构构件箍筋间距与肢距、节点构造等抗震构造措施基本上都不满足现行

《建筑抗震设计规范》的相关要求。另外，加层后建筑的规模和功能均发生很大变化，其原属的抗震设防类别也可能会发生变化；而且加层改造工程的抗震构造措施及现场施工要求，均与新建建筑存在较大不同。因此，加层改造工程的抗震设防标准，应考虑各方面的要求以及工程的特殊性和实际可操作性等因素综合研究确定，工程实践时可按表1采用。

2.2地基基础处理

    对于城市中心地带低矮房屋大幅加层工程来说，加层后基础总的持荷需求一般会达到原建筑荷载的2-3倍，甚至更多，常规加层工程的地基基础加固处理方法已很难满足要求。此时，应结合上部加层结构体系的配置需要，从工程安全的角度出发，采取相对稳妥可靠的工程对策与措施。

    1)直接加层工程的地基基础设计

    采用直接加层的方法进行大幅加层时，地基基础应按下述步骤进行设计：

    ①按原房屋的基础形式、地基承载力设计值或单桩承载力设计值以及加层后的荷载复核原建筑地基的承载能力能否满足增层的需要。

    ②当原建筑的地基承载力满足加层需要时，应进一步复核加层后的地基变形是否满足增层要求，并结合上部结构体系采取增加基础整体刚度的加固方案和措施。

    ③当原建筑的地基承载力不满足加层需要时，应结合上部加层体系改变原房屋的基础形式，对原建筑地基进行适当加固或采取增加桩基的方法以提高地基承载力。

    ④按《高层建筑混凝土结构技术规程》第12.1.8条等规定复核基础的埋置深度是否符合要求，并采取相应的措施。

    ⑤对上述第②步或第③步确定的基础方案，进行地基基础的详细设计和施工工序设计。

    2)外套加层工程的地基基础设计

    采用外套加层的方法进行大幅加层时，地基基础应按下述步骤进行设计：

    ①按加层后的荷载要求确定外套结构的基础方案。确定外套结构的基础方案时应注意采取可靠措施，保证基础的整体性。

    ②按新增荷载全部由新基础承担的原则，计算新基础的沉降变形，验算外套结构的沉降变形差是否满足要求。

    ③验算外套结构基础变形对既有建筑和周边既有管线的影响，采取措施确保外套加层施工期间和加层后既有建筑及周边管线的安全性。

    ④按《高层建筑混凝土结构技术规程》第12.1.8条等规定复核基础的埋置深度是否符合要求，并采取相应的措施。

    ⑤进行外套地基基础的详细设计和施工工序设计。

2.3加层结构体系

    与常规的加层工程相比，大幅加层工程由于层数增加较多，常见的结构加层方案无法满足相应的强度和刚度要求，因此，在进行加层结构方案比选时，应结合具体的工程实际，从技术安全性、经济合理性和施工可行性等角度进行全方位、多方案分析。目前，各种加层结构方案的技术要点和适用范围详见表2。

3  工程实践案例

3.1直接加层案例——莆田鸿立大厦加层工程

    1)工程概况

    鸿立大厦位于福建省莆田市中心，该地区设防烈度为7度，场地类别为二类。本项目是旧城改造、加固、加建综合楼工程。大厦是在原有一幢7层住宅楼（其中一层为半地下室）的基础上加建16层，加层后总层数为23层，总高度为73. 75m。原建筑为6层钢筋混凝土框架结构（见图1），原建筑面积4900m2，加层改造后为23层钢筋混凝土框架·剪力墙结构（见图2），总建筑面积约25000m2，新增建筑面积约20000m2。

    2)结构方案

    经多方案论证，结合加层后建筑使用功能的需要，确定采用直接加层的方案，结构抗侧力体系采用钢筋混凝土框架一抗震墙结构。原结构框架间隔一榀向上延伸，相应位置的原框架柱扩截面加固，原框架梁适当加固，同时，在纵横向设置一定数量抗震墙。考虑到上部新增结构的柱子数量相对于下部结构减少较多，沿竖向抗震墙截面厚度不变化。图3、图4为加层改造前后结构平面布置情况。

    框架间隔一榀向上延伸后，未延伸的柱与延伸的柱在竖向荷载下的压缩变形不协调，导致原楼面梁两端的竖向位移不一致，存在较大的竖向位移差，致使梁的一端支座（延伸柱处）出现较大相对位移，设计时要慎重对待（见图5）。为此，考虑可以采用以下两种方式之一解决：方案一，在上下部新旧结构之间的过渡楼层设置部分支撑以平衡相邻柱间的竖向压缩变形差，图6为支撑的竖向布置简图；方案二，采取上部结构施工完毕后待楼体沉降基本完成后再进行梁加固的施工等措施。最后考虑房屋的使用功能需要，采用了方案二的方式进行施工。

    3)基础方案

    地基基础设计等级为乙级；采用桩筏基础，筏板厚h= 1800mm，混凝土强度等级C30。人工挖孔灌注桩，桩径d= lOOOmm，扩大头直径D=2000mm，桩长约13m，桩端持力层为碎块状强风化花岗岩，桩身混凝土为C30。单桩竖向承载力特征值不小于9000kN。图7所示为桩位布置图，图8为柱脚节点大样简图。

3.2外套加层案例——某砖混办公楼加层工程

    1)工程概况

    该办公楼为砖砌体结构，建于1975年，分为三个单体（见图9），中间5层，两侧4层，总建筑面积约为8070m2。现拟进行加层改建，改建后总层楼为10层，局部9层，总建筑面积约为19670m2。

    2)结构方案

    该办公楼原结构为5层砌体结构，加至10层后，总高度42. 40m，远远超过规范规定的砌体房屋总高度和层数的限制，维持原有结构体系直接加层不可行。考虑到该项目位于大院内，可以根据需要适当外扩，并且业主要求在加层扩建的同时，该建筑使用功能不能中断，因此，分离式外套法加层方案较为合适。办公楼需要的大房间可布置在房屋中上部新加层部分，消防、疏散、设备等所需新开的洞口可在外扩部分布置，对原结构的影响最小。该房屋原结构横向宽度约为15m，外套结构考虑采用框架一抗震墙结构，在原结构上部设置转换层，外扩部分新做基础，新基础独立承担外套结构的全部荷载。在外套结构施工过程中采取必要的安全防护措施，保证原建筑不中断使用，待外套加层工程完成后，原建筑的使用功能上移到上部新建楼层，然后对原结构进行必要的抗震加固处理。

    经多方案比较，并综合考虑建筑布局要求，采用不分缝的外套加层方案，即外套结构仅采用一个单体，基本为一字型，原结构局部拆除，拆除部位布置新的楼、电梯间，结构平面布置如图10所示。原结构局部拆除后外套结构跨度减小，两端采用井字梁楼盖结构，不需托换，仅在中部采用型钢混凝土桁架做转换结构，采用普通大尺寸框架柱。总体上，该方案施工操作简便，设计经验相对成熟，具备工程可行性。

    3)基础方案

    该建筑原结构为条形基础，基础埋深1. 5m，根据原结构基础现状和加层扩建需要，外套结构基础采用桩筏基础。新基础的筏板顶部标高与原条形基础顶部标高一致，并与原结构基础脱开，承担新扩建及加层部分的全部荷载。因紧邻既有建筑进行施工，考虑到场地因素对大型施工机具的限制，新增桩建议采用人工挖孔灌注桩。根据地勘报告，选择密实卵石层为人工挖孔灌注桩的持力层。柱或墙下竖向荷载由单桩全部承担，采用较大直径桩（主桩），大直径桩外侧设置较小直径桩（辅桩）以平衡墙（柱）在水平力作用下的弯矩和基础偏心产生的附加内力。基础平面布置及做法示意图如图11、图12所示。

4  结语

本文首先对既有房屋建筑加层改造的基本流程进行了阐述，其次，对低矮房屋大幅加层中的抗震设防标准、地基基础处理、加层结构体系等关键技术进行阐述和总结，最后，结合具体的工程实践分别给出直接加层和外套加层的工程案例，可为此类工程提供一定参考。

5[摘要]本文首先对既有建筑加层改造的基本流程进行了阐述，其次，对低矮房屋大幅加层中的抗震设防标准、地基基础处理、加层结构体系等关键技术进行阐述和总结，最后，结合具体的实践活动分别给出直接加层和外套加层的工程案例，可为此类工程提供一定参考。