既有建筑平改坡技术分析与应用.docx

既有建筑平改坡技术分析与应用0引言平改坡是指在建筑物结构许可、地基承载力达到要求的情况下，将多层楼房平屋面改造 为坡屋顶，达到改善建筑物功能和景观效果的房屋修缮工程。20世纪90年代末，我国上海地 区兴起平改坡工程，通过试点工程的实践与总结，不断取得经验,并在上海老城区等大面积 推广与实行。平改坡工程在上海市得到政府部门的重视和大力支持，曾被誉为民心工程，在 防水、隔热和改善小区建筑景观等多方面取得了良好的综合效益，并获得2002年中国人居 环境奖。近年来，在上海市平改坡成功经验的启示下，我国许多城市也逐渐实行平改坡工程。 为了迎接2008年奥运会和完成旧城历史文化保护区房屋保护和修缮工作，改善城市景观, 北京市从2004年起到奥运会前，将在全市重点街道、奥运场馆周边及重点地区开展平改坡 工程。在实施平改坡工程的同时，要结合房屋的现状对房屋外立面进行改造，主要包括外墙 粉刷、雨落管改造、临街门窗油饰等，改善房屋的居住环境，还要对原结构的不安全之处进 行适当加固，提高结构的安全度。平改坡工程是一个复杂的房屋改造修缮工程,设计与施工中 要考虑许多因素，需要解决许多问题，本文探讨了北京市平改坡工程中的若干问题。1平改坡的意义1. 1提高顶层的保温隔热能力在不破坏原有保温层的基础上新增加了一层坡屋顶，双层隔热保温，同时，新增坡顶和 原有平顶之间形成较大空间的空气层，能有效提高屋顶的保温、隔热能力，平改坡在一定程 度上，可以解决顶层“冬冷夏热”问题。1. 2解决顶层的渗漏问题在不破坏原有防水层的基础上新增加了一层坡屋顶，形成了“双保险”，加速雨水的排 放，避免雨水的囤积，从根本上解决了平顶房屋的渗漏问题，大大减少屋顶的日常维修费用, 解除顶层住户的后顾之忧。1. 3美化城市景观，保护古都风貌随着都市高层建筑的不断增多，多层房屋的楼顶就成了城市建筑的第五立面。平屋顶年 久积灰，外观简陋、“脏、乱、差”现象很快且很容易暴露出来，严重影响市容观瞻。多层平 顶房屋的火柴盒式造型，形式单一、呆板，从视觉角度来说，不美观，与古都风貌不协调，影 响城市形象。通过平改坡工程的实施，整治旧房外立面、丰富屋面造型，采用与周边环境相 协调的彩色的屋面材料，使得原来陈旧、古板的外立面变得丰富、美观起来，同时解决第五 立面的污染问题，从而美化了城市景观、保护古都风貌。1. 4节约能源平改坡及其配套工程的实施，可以消除老旧房留给居民的系列隐患，提高旧房的热工效 率，改善房屋居住条件，节约维修维护费用，极大地发挥旧房的价值，从而达到节约能源的 功效。2平改坡设计时应该注意的问题平改坡涉及到的建筑大多为年代相对较早的老建筑，且多为普通多层住宅，鉴于老建筑 的情况多种多样，为了保证平改坡工程安全实施，对计划进行平改坡的建筑应观察是否有裂 缝、沉降不均匀等现象，判断建筑物的沉降是否已经稳定或者尚在进行中，如果存在以上问题 应慎重处理，以免建筑物沉降时损坏新作屋面的防水层。对于底框结构（即底层为框架结构, 上部为砖混结构，底层的1层 2层框架托起上面3层 4层的砖混结构）、超长结构或者层 差较大的结构以及单元拼接有过大弯折且未设置沉降缝的多层住宅非常容易出现裂缝、沉降 不均匀的现象，对这些情况要对结构进行认真复核，然后再考虑能否及如何实施平改坡。平改 坡工程可以明显改善城市的建筑景观，所以城市中的大量临街多层住宅被列为平改坡对象， 这类建筑可能存在破墙开店作商业用房，有些还存在违规搭建的现象，此类建筑在进行复核 时要注意检查是否有拆除承重墙的现象，如果有则需要谨慎处理。平改坡工程的详细复核需 要对工程的原始资料进行收集,这项工作繁琐但是非常重要，需要收集的必备资料包括：总 平面图（了解平改坡建筑与周围建筑的相对关系）,建筑平、立、剖面图，结构基础平面图，屋 面结构布置图等全套的结构设计图纸及竣工图纸,原有的屋面防水隔热措施及作法。对结构 形式复杂的建筑设计单位应进行实地踏勘，对收集到的资料进行认真分析后才可以进行平改 坡设计工作。3平改坡的建筑构造做法建筑屋面形式由屋面的平面布置决定，在端部时分为悬山两坡、硬山两坡及歇山屋顶（图 1图3），在中部时分为插入、错位及转角（图4图6），且又受到檐沟的构造做法影响，檐 沟分为3种做法：是利用原有建筑檐沟组织排水（图7）；是拆除原有女儿墙改做钢筋 混凝土或钢结构的檐沟组织排水（图8）；是在原有女儿墙上做檐沟组织排水，檐沟分为 钢筋混凝土和钢结构檐沟（图9图10）。坡屋面上的老虎窗是平改坡工程中重要的装饰部 件，也是解决上坡屋面的检修通道及屋顶空间的采光和通风口，老虎窗的位置宜与原有建筑的窗或阳台相对应，其钢架直接与钢屋架的檩条连接（图 18 ）；老虎窗的窗宽不宜大于 2200mm，老虎窗宜采用通风百叶窗与普通玻璃窗组合使用形式。采用如图12、图13所示 的屋面构造方案：方案一采用钢檩条（或木檩条），上面再铺设彩色压形钢板（如图12所 示）；方案二是做木檩条，上面铺设沥青卷材垫毡，然后再在垫毡上铺设沥青瓦并进行钉固（如图13所示），需对木材进行防火、防腐处理。图1悬山两坡图2硬山两坡图2歇山屋顶图4插入图5错位图7利用原檐沟下埋钢板 X新帽南水管搂入原有雨水斗图6转角、.'、篮弦，5曜图8拆女儿墙做檐沟图10钢檐沟做法图9混凝土檐沟做法图11老虎窗结构平、剖面图12屋面构造中眦就改蛆嘟水翻林麒图13屋面构造二4平改坡的结构方案研究4.1新增混凝土圈（卧）梁的布置方案和结构特点为了增加新增坡屋顶屋面的整体刚度，保证轻型钢架与原屋面结构牢固连接，需要在原 有平屋顶承重墙上增设现浇钢筋混凝土圈（卧）梁，其结构布置主要有以下三种方案：方案一：新增加的钢筋混凝土圈梁仅在外墙一圈与原圈梁重合（如图3所示），植入原 屋顶圈梁的钢筋实现新、旧两部分圈梁连接，植筋前需将原屋面防水层及保温部铲除（该道 工序对原屋面的少量破坏之处，在施工完毕后需进行修复），露出原屋面结植筋后浇筑作为 新增钢屋架支座的钢筋混凝土支墩或连续梁，并埋设支座埋件。同时了增加纵向圈梁的测向 刚度，传递屋架的水平推力，在承重墙处，将纵向圈梁伸出一段梁一起浇捣（长度3500mm）。 轻型钢架两端与新增圈梁内的预埋钢板相连接，钢架计按两端简支的桁架进行内力分析和截 面验算。该方案的特点是，现场施工作业的工程量较少，施工时对下部住户噪音干扰小，对 结构的影响也较小，圈梁内预埋件少，钢屋架支点安装简单。但是该方案由于仅在房屋外圈 布置圈梁屋面整体刚度较弱，钢屋架按两端计算，所选用的角钢截面尺寸较大用钢量也较多。预埋钢板00025)8S0ia图14圈梁布置方案一方案二：除了在外墙一圈布置圈梁外，同时还在钢架下部沿房屋横向承重墙的位 置，布置钢筋混凝土卧梁（如图4所示），卧梁应尽量与横向承重墙重合，当不能重合时， 应设架空梁，架空梁两端搁置在原有的承重墙上，梁底用20m厚的聚苯乙烯泡沫塑料垫起， 不与原屋面直接接触。此时，卧梁与圈梁共同作为轻型钢架的连续支撑点，可以在圈（卧） 梁上设置多个预埋钢板与钢架节点连接，钢架计算时，按多跨超静定桁架或者多跨连续斜梁 进行内力计算和截面选择。该方案的特点是，新增加的圈（卧）梁比“方案一”有所增加，新旧两部分结构的连接比“方案一”要强，屋面刚度也有所增加，轻型钢架各个杆件的内力 分布比较均匀，结构受力也比较合理，用钢量也要比“方案一”要少。但由于需要在原有屋 面承重墙上大量钻孔并设置预埋锚栓，因此现场施工作业量增加，在施工过程中，对原有住户其是顶层的噪音干扰和影响较大。图15圈梁布置方案二808S 8SLM) glsl一M方案三：新增加的钢筋混凝土圈（卧）梁与原有所有的纵横承重墙的位置相重合（节点构造详图见图6），当不能重合时也设架空梁（如图5所示）。该种方案的特点，新、旧 建筑的整体连续好，屋面刚度大，抗震性能也要优于前两种方案，用钢量也相对较省。但是 由于该方案中新增加的钢筋混凝土圈（卧）梁最多，施工时需要在原有屋面承重墙多处大量 的钻孔，因此对原住户的干扰和影响较大。图16圈梁布置方案三新增现浇新增圈梁I百I割幽开孔濯入结构胶Z 植入钢筋图17新增檐沟及纵、横向圈（卧）量大样图4.2轻型钢架结构形式及特点在平改坡工程中坡屋顶多采用轻型钢架，而轻型钢架的结构形式应具有结构设计合理， 外形及屋面坡度满足使用功能要求，用钢量省，承载力高，运输、制作和现场安装方便等特 点，因此在选用钢架的结构形式时应综合考虑以上因素。本文结合城市屋面平改坡的实际情 况，给出了以下几种形式：形式一：两端简支轻钢屋架。此种形式采用两端两个铰支座作为支撑点的支座连接形式 （如图7所示）。这种形式钢屋架支座约束较少，屋架杆件的内力较大，截面较大，用钢量也较大。因钢筋混凝土圈梁仅在房屋外圈布置，所以新增坡屋顶与原结构之间的连接较弱， 屋面结构的整体刚度有所降低。图18两端简支轻钢屋架形式二：多点支撑轻钢屋架。此形式是由左、右两个三角形再分式小桁架现场组合而成 的轻型钢屋架（如图8所示），采用这种结构型式的特点是：有利于运输和现场吊装。由于 平改坡工程的施工现场一般比较狭窄，材料运送和吊装都很不方便，钢架采用这种结构型式 可以解决上述施工中存在的问题。由于钢架与新增圈（卧）梁可以设置多个支承点，因此该 屋架可以按多跨支撑桁架进行内力分析，计算结果表明，该钢屋架用钢量指标明显小于两点 支撑的钢屋架。但由于钢屋架的腹杆较多，坡屋面内部可利用的空间较小。图19多点支撑轻钢屋架形式三：斜梁式立柱支撑轻型钢架。此种形式的屋面斜梁由35个圆形立柱支承，立 柱间距W3.75m。圆形立柱与下部圈（卧）梁的预埋钢板连接（如图9所示）。该钢架现场 组装简便、灵活，承载力高，用钢量省，构造比较简单，非常适合在平改坡工程中应用。（重、 轻型屋面结构构件选型表见附表1-附表3）图20斜梁式立柱支撑轻型钢架形式四：三点支撑轻钢桁架。此种形式是由左、右两棉轻钢桁架组合而成的三点支撑轻 钢桁架形式（如图10所示）。钢桁架与下部屋面梁之间设有三个支撑点，斜向桁架按两端简 支受力分析，杆件受力较为合理。该桁架的特点是钢架的构造形式较为简单，坡屋顶内部空 间较大，可以在工厂制作，减少了现场焊接。承载力较高，而且，用钢量较低，同时还可以 适用于当左右跨度不相等的特殊情况。因此这种结构形式非常适合在平改坡工程中应用。图21三点支撑轻钢桁架形式五：A字形屋架。（如图22所示）单个屋架用钢量相对较少，可在工厂拼装，自 重轻，垂直运输容易，湿作业少，但是刚度，稳定性相对较差，运输安装过程中易变性，因 其刚度、稳定性较差，所以需密布屋架，从而加大了工程的用钢量。图22 A字形屋架5平改坡建筑的地基承载力平改坡建筑在原有建筑基础上增加了荷载，一般情况下平改坡使用轻质材料，荷载增 加较小，而且进行平改坡的建筑物大多建成年代相对较长，对于沉降已经稳定的建筑或者经 过预压的地基，可以适当提高地基承载力。对于一般的砂性土、黏性土的地基承载力提高值 见表1。表1地基承载力提高系数取值建成时间/年5 1010 2010 1530 50提高系数/ %5 1010 1515 2525 40性质不同的土体在外荷载作用下完成沉降固结的时间也不相同。土体中控制其压缩和抗 剪强度的应力称为有效应力。土中应力状态变化引起的土体积变形即土体的压缩和地基最终 固结沉降，都只依赖于土中的有效应力，而与时间无关；然而，研究外荷载作用下地基土 体压缩、孔隙中部分水量视土透水性强弱和排水条件以不同速率排出时，土体固结速率和相 应的有效应力增长速率则是时间的函数，在固结过程中，土体强度逐渐增长，而透水性也逐 渐降低。在荷载作用下，透水性大的饱和无黏性土，其压缩过程在短时间内就可以结束。相反， 黏性土的透水性低，饱和黏性土中的水分只能慢慢排出，因此其压缩稳定所需的时间要比砂 土长得多，其完成固结沉降的时间也相应较长。6结语1）屋面新增钢筋混凝土圈（卧）梁的布置可以根据具体情况，综合考虑多种因素采取 与原圈（卧）梁纵横墙部分重合或者全部重合来加强新增坡屋面的整体刚度，同时，圈（卧） 梁作为新增坡屋顶轻钢屋架的支撑点，其布置应尽量与横向承重墙重合，当不能重合时，应 设架空梁，梁两端搁置在原承重墙上。综合几种方案，方案二较为合理，应优先选用。2）轻型钢架的结构形式应综合考虑新增加的屋面荷载对下部地基及基础承载力的影响、施工条件、与圈（卧）梁的连接、钢架用钢量指标等多种影响因素，结合实际情况，四种结 构形式可以灵活运用，也可以组合采用，以取得最好的综合技术经济指标和经济效益。3）由于新增加坡屋顶的永久荷载较小，因此对平改坡房屋的下部地基及基础影响不大， 一般情况下当新增加的坡屋面永久荷载的总重量控制在原结构自重的5%以内时，可以忽略 基础沉降和地基承载力不满足的问题。轻型屋面（油毡瓦.合成桐脂瓦、块瓦型钢板彩瓦）屋面静载0.31 结构构件选型表（普通型钢方案）屋面城度21 B* (L 2.5)26.57' (1 2340橡系蜂长佃）2.7-164.02.7-J.61.02.7-3.6<02.7-3.fi4,02 7-3.33榇挤间距血T<7SO <750<500<75047M<750<750475C<7504就0g<75t榛秦型号Lfi2>43<5'170515L63>+3<5U63x+fli5一血烦5L6Jx40s5麻柚6口心45。5L63i4Cx5Lf视5L7tX45>5l63x4015LW 阳(h$L70x4：钢梁柱距（聊）<2000OOD成000嬷000200钢梁型号Wr汕 g2 ir 6*4 口 *5f 11汕40诗2nr6J)屋脊中柱及监高®G花U (H£3.8)V102X2 (呻习9UU5 ")其他立柱及眼高血）叫心（HS2.3）站7液0x2诉成如）mm（心5）#76x2 (I轻型屋面（油毡瓦、合成树脂瓦.块瓦型钢板彩瓦）屋面静载0,3 结构构件选型表（薄壁轻钢方案）是面波度21.8* (l：2.5j16.57*(1: 2)3。"35，40掉条昔长（ffl）2.7-4.02.7-<01.7-4.02.7-+.Ot.7if条间距血a）衣彻次。75口摞条型号riQQWQMNOZ 51100心Eg 5Z1DDH0i2(1x2 5ZiODiflOn20i2 5ZlCCs40x桐梁柱距（皿）UT50密750<3750中钢梁型号HWWOxlOCHWIDW1WHW10x100HWlODwlOQHW10D屋脊中柱及限商何US2 &斜卫） 80>t2 (*4 同口倾逐I2(k2 5 (M1)120115其他立柱及限高面050x2 (H42.7(Qxl (HCJG)6Qx2(H.5) fKJ就住重型屋面（彩色混凝土瓦）屋面静载0. 5kN/ma结构构件选型表（普通型铜方案）屋面坡度21.B'1"2.57* (1:2)3D*35,擦条跨长如）2.7.02.7-4.C27M 0檬条间距（加iO<3755。55。G?5g皿5榛条型号163x40x5L75hc50k6L&30x5L75k50*6LG3k4DkSL75Kgg45x5L75 珈 6L7Ca<例梁柱距如）<2000<2000<2GMoooo钢梁型号? ”7知驰.52nr750>52 ”75x50始2 iir 75x50x5屋脊甲柱及眼商0）d?6x?(心日)吨皈 2«1CC?>2 (H<S.2)«U1i2 (H.l)Sb其他立柱及限商而）西 1x2 g，2)南（HE）*60x2 (幅4,1)670x2 (H.8)注：1,当糕条间距37,时，是在楼条上直接折量彩色混踱土瓦.2,所有糅条在施工时，均应加垫板分散集由力的措疆（按2根模条分担号虑）