文物建筑有限空间钢结构加固施工技术研究（1）

本研究以文物建筑的加固保护工程为案例，研究在有限空间中大体量钢结构施工的重难点、相关技术方法与关键措施，可为钢结构加固与文物保护类工程提供理论与实践参考。

1 工程概况

本研究依托清华大学图书馆老馆加固修缮工程项目，该项目包含一期、二期两部分，分别于1919年3月、1931年10月建成并投入使用，是全国重点文物保护单位“清华大学早期建筑群”20处文物建筑之一，同时也是第五批全国重点文物保护单位，具有独特的历史文化价值。

该图书馆建筑整体为砖混结构，是纵横墙混合承重体系。一期顶板为配筋混凝土肋空心砖组合楼板，屋面板为现浇混凝土板，屋架为钢骨混凝土（上弦）+ 双角钢（下弦杆、腹杆）组合屋架，混凝土钢骨为工字钢。二期分为西部、中部和东部3部分，西部1层楼盖为砖拱板，屋面板为现浇混凝土板，屋架为钢屋架；中部各层楼板均为现浇混凝土板，建筑共4层（局部3层），4层部分为木屋架坡屋面，3层部分为上人平屋面；东部1~3层为叠架书库，书架荷载直接传至地下室顶梁，屋面为现浇混凝土梁板屋面。图书馆图书馆一、二期场馆分布如图1所示。

图1?图书馆一期、二期场馆分布平面示意

为了保证将近百年的文物建筑作为图书馆功能继续正常使用，需对其结构进行修缮补强处理，以提高建筑结构整体安全性能。本次结构修缮以正常使用荷载作用下的结构整体安全为设计目标，以文物建筑修缮“最小干预、可识别、保存原有构件”等为原则开展结构设计工作。图书馆的加固修缮工作包含土建和钢结构施工两大类，主要研究在有限施工场地内进行钢结构施工的相关技术与工艺。

2?钢结构施工重难点

在工程项目实施过程中，钢结构施工工程量较大，施工周期较长，需对施工重难点进行分析，并采取应对措施。现将本工程钢结构施工重难点总结如下。

（1）清华图书馆老馆作为重点文物保护建筑，钢结构施工期间严禁对原结构造成损伤，需遵循文物建筑保护原则，保证馆内现有设施（如台阶、扶手栏杆、门、窗、墙面地面石材、立柜等）不被破坏，在最大限度保留原建筑独特风貌与历史痕迹的前提下，确保结构的安全性和稳定性。

（2）该建筑物建造年代久远，原构件布置和尺寸极有可能与施工图纸存在偏差。钢结构安装工程对构件尺寸的要求精度高，一旦出现尺寸偏差，将会出现返工情况，导致施工进度受到影响。

（3）施工室外场区狭小，室内受结构承载能力因素限制，本工程现场材料堆放场地极为有限，加固材料需要分批次进场，且本工程无垂直运输设备，现场材料运输效率低，工期较紧张。

（4）一期建筑钢结构工程开始时间为基础和地下墙体增设扶壁柱加固钢筋绑扎完成后，二期建筑西部钢结构开始时间为基础、首层以下及首层以上墙体加固完成；东部钢结构工程插入时间为地下扶壁柱及基础加固完成后，总体钢结构作业面较为分散，与土建加固穿插较多，影响施工效率。

（5）建筑外部钢拉索施工与其他工程相比，转向角度更大（90?°）、受力更复杂，深化设计时需考虑加固后建筑外立面效果不受影响，同时还应满足张拉工艺的要求。既有建筑加固工程与新建工程不同，图纸尺寸往往与实际情况有较大的误差，受此误差的影响程度拉索下料长度比新建结构更大，为达到设计要求的成型状态，必须对拉索进行精确下料。

（6）本工程周边均为学校内部办公和教学用房，钢结构施工过程中的噪声控制、粉尘控制、火灾消防控制等安全文明施工要求也是本工程的重难点。

3?钢框架施工

本工程中部分建筑加固采用增设内钢框架支撑体系的方式，在不改变原有结构体系及传力路径的前提下，通过内钢框架与原结构的屋架、楼面进行接触，对原结构进行顶紧，在不破坏原结构整体平衡状态的前提下，提高结构现状静力承载能力及结构的可靠性和安全度。

3.1?施工前保护措施

（1）正式开工前，对所有进场施工人员做好文物建筑保护要点的宣贯和培训，强调文物古迹的重要性，并对劳务施工班组建立奖罚机制。

（2）针对图纸与实际不符的情况，对现场情况进行排查，整理汇总形成报告，提交至总包单位。在钢构件加工前，安排人员驻场测量，根据实际测量数据进行深化设计，绘制构件加工详图，确保钢构件 尺寸精确。

（3）做好土建加固和钢结构安装的穿插作业规划安排，针对作业面交叉和相互影响区域，制订专项计划，并对计划实时跟踪，将对工期的影响降至最低。

（4）重点针对不同施工区域编制专项防护方案，对影响施工的设施进行保护性挪移，施工完毕再恢复。对门、窗、运输路线等做好硬防护，以保证原有装饰的完整性。

（5）施工作业主要集中在室内进行，选用噪声较小的施工机具，杜绝夜间噪声施工，可在一定程度上降低对外影响，但同时会导致作业空间狭小、大型机械难以进场。

3.2?钢框架施工作法

依据设计规范与加固需求，在一期建筑首层室内墙角处增设钢柱，在板下阴角处增设槽钢，在板下跨中增设H形钢梁；2层外墙内侧增设钢框架柱，屋架下增设钢框架梁（H型钢、槽钢、矩形钢梁）。二期建筑西部首层外墙及转角处增设钢柱（钢柱内填混凝土或无收缩水泥基灌浆料），板下贴墙处增设槽钢，跨中增设H形钢梁；2层外墙及转角处增设钢柱，原钢屋架下方贴墙处增设槽钢，跨中增设H形钢梁，用于顶托原钢屋架下弦。二期建筑中部无钢结构施工。二期建筑东部地下室外墙四处转角设置钢管混凝土柱，首层外墙及转角处增设钢柱，首层书库角钢框架板下方贴外墙处增设槽钢；2层、3层施工方法同首 层。钢框架安装整体施工流程图如图2所示。

图2?钢框架安装施工流程

为了便于有限空间钢构件的加工、运输与存放，按照图3所示对钢构件进行分节、分段设计。

图3?钢构件分段设计示意

3.3?柱脚埋件安装施工

一期建筑工程钢柱脚埋件位于1层地面楼板下，钢柱通过靴梁生根于地下室墙体新增扶壁柱顶部。柱脚埋件通过直径为14?mm的锚筋与扶壁柱相连，每根锚筋长度为300?mm。为了便于后续钢柱及钢梁的安装顺利进行，必须保证柱脚埋件精准定位和混凝土的浇筑质量。考虑到柱脚埋件与扶壁柱钢筋的焊接固定，其安装应在扶壁柱模板支设前进行。柱脚板安装时，通过测量放线，精确定位柱脚埋件的位置，同时保证标高准确。扶壁柱模板支设过程中，不得扰动扶壁柱钢筋，以免影响柱脚埋件的位置精度。

二期建筑西部与一期原结构形式一致，钢结构工程参照一期进行。二期东部书库首层钢柱柱脚预埋件均从首层地面混凝土梁顶生根，通过地脚螺栓与原混凝土梁固定。柱脚埋件厚度为20?mm，埋件尺寸为500?mm×300?mm，采用4个M?20锚栓进行锚固。由于原结构梁宽度为300?mm，钢柱及埋件于梁居中位置布置，因此柱脚螺栓安装位置位于梁两侧楼板处，并未安装在梁顶位置。因此，梁下新增扶壁柱宽度为500?mm，且扶壁柱上端超过梁宽部位需要浇筑至与梁顶平齐，扶壁柱角部钢筋需穿过楼板后与上部的柱脚埋件进行塞焊，中部的竖向钢筋则植筋于原混凝土梁底。埋件安装需要在下方扶壁柱加固完成后再进行施工，钢柱下方扶壁柱钢筋作法如图4所示。

图4?钢柱下方扶壁柱钢筋作法示意