南昌万寿宫古建筑修缮中的结构设计实践

我国古建筑具有悠长的历史传统和光辉的成就，经过千年的发展，逐渐形成了以木结构为主的建筑体系。我国古建筑和其他一切历史文物一样，其价值在于历史遗留性，不可能再生产、再建设，一经破坏就无法补救。但是，木材本身特性存在一定的缺陷，经过时间流逝亦或风吹日晒雨淋亦或人为改造，木结构不可避免地会出现如开裂、糟朽、蛀蚀、人为损坏等问题，严重影响了结构的安全。另外，随着时代的发展，在古建筑修缮过程中，除了遵循修旧如旧的设计理念外，还需适应当代的功能需要。本文以南昌万寿宫历史文化街区中合同巷36号为例，浅谈古建筑修缮项目中的结构设计实践，可为国内古建筑修缮项目中对于结构安全设计方面提供参考。1、工程概况南昌万寿宫始建于晋代，为奉祀净明道派创始人许真君而建，现仍保存传统街巷5条、已登记不可移动文物27处、已公布历史建筑18处（其中为已登记不可移动文物7处）、传统风貌建筑46处，是街区的重要历史遗存，必须加以保护。合同巷是万寿宫历史文化街区严格保护的传统街巷之一，具有典型的地方文化特色，对于研究同时期南昌地区建筑形制、结构、艺术和用材，是不可多得的实物资料。故从合同巷36号修缮着手，探析在古建筑修缮项目中的结构设计。合同巷36号是独栋建筑，砖木结构，硬山顶，小青瓦屋面，地上两层，占地面积696.25 m²，建筑面积1 108.4 m²，平面呈横向矩形，是典型的两进两天井布局。2、合同巷36号修缮前问题现状合同巷36号修缮前为居民居所，因使用功能所驱被人为改变其平面格局，虽然室内所有木柱、梁架、楼楞等结构构件基本留存，但由于居民长期不合理的使用所致，目前整体保存较差。大部分结构构件均有不同程度的开裂、糟朽、蛀蚀、人为损坏和弯曲下沉等（图1）。除东侧28.04 m长青砖清水墙体保留尚好外，其余大部分为后砌红砖墙体，或被局部加建粉刷改造或年久失修砖块脱落（图2）。根据GB/T50165—2020《古建筑木结构维护与加固技术标准》判定，合同巷36号损坏情况为Ⅲ类建筑，承重结构中关键部位的残损点或其组合点已影响结构安全和正常使用，须采取加固或修理措施。（a）

（b）

（c）（d）

（e）

（f）图1合同巷36号木结构问题（a）开裂；（b）糟朽；（c）蛀蚀；（d）人为开榫；（e）楼楞弯曲；（f）楼板下沉（a）

（b）图2青砖墙体现状（a）局部加建粉刷改造；（b）青砖脱落3、修缮理念南昌万寿宫历史文化街区修缮理念为真实、全面地保存并传递其文化价值，通过保留完整的历史街巷，建设传统赣派居民风格建筑，实现“文、商、旅”融合的效果。修缮过程中遵循古建筑修旧如旧的原则外，更须用发展的眼光来看待和保护古建筑，做到既让古建筑特色保存于世，也让古建筑适应当今使用的功能需要。合同巷36号属于南昌市挂牌历史建筑，维修好后对其进行布展，复原陈列，用于旅游参观。作为公共建筑使用，结合现代文化功能需求以及国家现行的建筑结构规范，对合同巷36号进行必要的提升，加固主受力结构和抬高2层层高，使历史人文和现代时尚在传统风貌建筑中进行有效融合，修缮自然力和人为造成的损害，最大程度地恢复古建筑原貌，满足现代社会的使用功能。4、结构修缮难点剖析4.1原青砖墙体基础偏小合同巷36号建于晚清至民国时期，当时对于结构的研究不及现在，可参考依据的规范也少之又少，现场测绘反馈保留的东侧28.04 m长青砖墙体0.38 m宽，高3.2 m，墙底为二阶放脚，往下是620 mm×300 mm的条石基础，基础埋深1.2 m，上部荷载传至基础底面处平均压力值为59 kPa，根据业主提供的万寿宫历史文化街区建设项目的《岩土工程勘察报告》（KC2015-26），持力层承载力特征值为55 kPa，平均压力大于持力层特征值，不满足承载力验算的要求。对于距今100多年的保留墙体，在不破坏不拆除的前提下，怎样进行基础加固以满足承载力要求是一个难点。4.2新建清水青砖墙体构造柱及圈梁设置受限东侧保留的28.04 m长青砖墙体为清水墙，剩余风火墙必须为新砌青砖清水墙墙体。现阶段国家实施的规范要求：砌体结构必须设置构造柱、圈梁以及必要时候还需设置水平连系梁。直接设置构造柱和圈梁会对清水墙体外观有影响，那么如何让构造柱和圈梁与原有清水墙体契合是设计需要解决的一个重要问题。4.3原木柱受压净截面面积过小木柱作为结构主受力构件，在修缮过程中十分重要。目前由于自然因素或人为因素破坏，现状保留木柱开裂、蛀蚀严重部分超过木柱直径的1/2，木柱受压净截面面积减小为原来的一半，以致现状木柱受压承载力验算不满足。虽然目前为止已有大量文献研究和实验论证对于此类木柱修缮可采用抱箍进行木柱墩接加固，但是本项目业主觉得抱箍的使用会对木柱外观造成破坏，不满足修旧如旧的修缮原则，故而需要探究一种新的木柱墩接结构设计方案。4.4楼楞现状挠度超限、抗弯强度不满足2层楼面板的荷载主要通过楼楞传递到与之相连的梁枋，再经木柱传递到基础。现状楼楞已经弯曲下沉，最严重的弯曲下沉量达到30 mm（L/183＞L/250，跨度L为5.5 m），挠度超限。应业主要求，修缮后需对其布展，作为公共建筑对外开放。公共建筑楼面活荷载取值为3.5kN/㎡，鉴于目前楼楞挠度已超限，不能满足后续作为公共建筑使用的强度和变形要求，而完全更换则与古建筑“修旧如旧”原则相悖，那么在修复现状楼楞的同时又要满足其结构受力和变形要求也是本次修缮过程中须着力解决的一大难题。5、结构修缮设计实践5.1原青砖墙体基础加固原青砖墙体高度为3.2 m，墙宽0.38 m，空斗砌，碎砖填充空隙，墙体自重取值为18 kN/m³，地基承载力特征值为55 kPa。鉴于青砖墙体为保留墙体，不能拆除，故而考虑在基础加固时选择沿墙体两边各设400 mm×700 mm条形基础梁，间隔不大于2 m加设横穿墙体的加固暗梁400 mm×300 mm，两边长度齐加设的条形基础梁外边，加固暗梁底齐条形基础梁底（图3）。加固暗梁按两端简支考虑，根据矩形截面其正截面受弯承载力计算，最大裂缝和挠度均小于规范要求值；上部荷载经加固暗梁传递至条形基础梁两端，再经条形基础梁传递至持力层的平均压力为54 kPa（≤55 kPa），地基承载力验算满足要求。通过以上受力分析，验证了以上结构设计的可行性，实现在原青砖墙体不破坏、不拆除的前提下，加固墙体基础以满足承载力验算要求。图3原有青砖墙体基础加固暗梁施工5.2新建清水青砖墙体加设构造柱、圈梁新建清水青砖墙体属于砌体结构，需设置构造柱和圈梁。对于新建青砖清水墙体，考虑墙宽380 mm，故而把构造柱尺寸定为240 mm×400 mm，设置在墙体转角和较大洞口处，构造柱间距不大于3 m；圈梁尺寸定为240 mm×200 mm，分别设置在标高4.00 m处（1层楼面标高）和檐口标高处，满足圈梁设置的连续状和封闭性。针对上述构造柱和圈梁设置，墙厚方向两边还各有70 mm的青砖砌筑空间可实现青砖清水墙面的立面要求（图4）。图4新建青砖墙体构造柱现场施工5.3墩接加固保留木柱，增大木柱受压净截面面积针对木柱的开裂、开榫、蛀蚀以及层高不满足后续使用要求的问题，修缮设计过程中查阅相关规范及文献，对木构件墩接抬高的技术做法为：先运用巴掌榫对接新增高柱，再外包碳纤维布，最后刷腻子、涂色浆。巴掌榫对接新增高柱参照GB/T50165—2020《古建筑木结构维护与加固技术标准》中图6.6.4a设计；对墩接节点强度保证的碳纤维布按照木材进行等强设计，在碳纤维布抗拉强度不小于2000 MPa的前提下，经计算，可得碳纤维布厚度取值应不小于2.650 mm，结合结构安全系数及现场采购市场分析，最终确定碳纤维布（强度为3 400 MPa）厚度为5 mm。以上做法均是在确保结构安全的前提下实施木柱的墩接抬高（图5）。图5木柱墩接节点设计5.4现状楼楞加固应业主要求，合同巷36号修缮完成后要作为展馆使用，展厅楼面活荷载取值为3.5 kN/㎡。遵循古建筑修旧如旧的原则，在设计的过程中，考虑保留原有楼楞，在其下方加设一根同材质楼楞；按最不利受力分析，原有楼楞直径为200 mm，下部加设1根100 mm×260 mm楼楞（图6、图7），其跨度为5.5 m，承受板面荷载宽度为800 mm，按组合梁受力分析，抗弯承载能力小于抗弯强度设计值，满足抗弯强度验算要求；挠度小于22 mm（L/250，L为楼楞跨度），满足变形验算要求。经过计算和分析，此做法既满足了结构设计安全要求，又最大限度地保留了古建筑原有的设计元素。图6楼楞加固设计示意图7楼楞加固现场施工经上述的结构设计修缮后，成功地解决了古建筑修缮设计过程中对于保留砖墙墙体基础偏小、新建清水砖墙墙体构造柱及圈梁设置受限、保留木柱受压净截面面积过小、木构件现状挠度超限和抗弯强度不满足等问题，破旧危险的合同巷36号呈现了另一番景象（图8）。这是在古建筑修缮项目中，现行结构规范与古建筑修缮规范的合理融合，解除了古建筑原有的安全隐患，保证了古建筑的结构安全；遵循了古建筑“修旧如旧”的原则，复原了古建