“北大红楼”抗震加固设计纪事

来源 :建造师 | 被引量 : 0次 | 上传用户:huangzhijian2006
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  唐山大地震对“北大红楼”造成7度破坏后,抗震加固迫在眉睫。然而围绕施工方案的选择问题,却发生了太多的事情
  
  1976年,河北唐山发生大地震,波及近邻北京,地震对“北大红楼”的破坏就相当于7度弱,使墙体产生了通长的纵向上下裂缝,虽没有严重的垮塌,建筑整体基本完整,但抗震加固工作摆在眼前。
  红楼最初的抗震是北京市设计院提供的所谓“穿皮袄”方案,即全面加固原有的墙体,在墙体两面用约6-8厘米的钢筋混凝土夹持(像“三明治”那样夹着原有墙体)。这个方案的优点主要是对原有建筑的平面和立面都不动,特别适合文物建筑不改动原物原状原貌的要求。而其缺点主要是:1、作业太多,造价较高,工期较长(据说当时的文物局长王冶秋正在病中,看到这个方案时说:“嗳哟!我大概用不上了”。提出是否能有更快点的方案,能赶上纪念“五四”运动60周年。当时为1977年,两年后即1979年,为“五四”60周年)。2、“穿皮袄”方案最薄弱的环节是外墙的拉固。红楼原为教学楼,横墙间隔在14米以上(当时的抗震规范是横墙间隔不得超过12米),因而木地板的龙骨都架在纵墙上。唐山地震的情况是有许多外墙塌掉,但由于楼板是架在横墙上的,所以楼层未塌,保住了许多人的性命。而“红楼”龙骨一端架在外墙上,若外墙塌掉,或只外闪10厘米以上,各层楼板就都一跨到底。而且“穿皮袄”方案对外墙不能“穿皮袄”,那样会影响整个立面。而如果单向“穿皮袄”,由于横墙间距过长,超过14米,单向的锚固外墙,对抵抗纵横方向的地震力作用不大,这是最难克服的弱点。并且“皮袄”的重量很大,不利抗震。
  根据以上情况分析,当时主持国家文物局工作的副局长彭则放重新组织方案设计,参加者除我外还有故宫博物院古建部的傅连兴、以及国家文物局的罗哲文、崔兆忠等人。
  
  我的施工方案
  
  房修二公司是“北大红楼”原指定的施工单位,也曾对“穿皮袄”方案提出过意见,所以彭则放要他们也提方案。他们提的方案主要是“加横墙”方案,做法是每个开间加一横墙,使横墙的间距小于抗震规范的12米。这样对外墙的拉接和抵抗地震横推力都有利,但其缺点主要是破坏了原来的平面布局,大房间都没有了,全变成了小房间,所以不可能。再则新墙砌体的弹性模量与原来墙体的弹性模量不可能一致,对抗震很不利,所以这个方案未被采纳。
  崔兆忠提出了在内部用钢架“驮”着整个红楼的方案,但算来算去,根本“驮”不动,自动放弃了。罗哲文、傅连兴没有提出方案。
  1966年邢台地震时,时任国务院总理的周恩来指示时任国家建委副主任的吕克白:组织中央和北京市的技术力量对受灾状况及重建方案等进行调整、总结并提出方案。我当时带了三个小组(由建工学院师生组成),对重灾区河北宁晋县中曹村受灾情况进行了调查,并参加总指挥部的总结。
  唐山地震后我又对唐山重灾区的建筑损坏情况进行了考察,特别是11度重灾区新华大街上一栋8层“坏而不垮”的砖混建筑及另一处2层小学校(也是“坏而不垮”)进行了详细的考察。后来,还参加了北京市建筑加固方案的设计研究。
  我参考日本柔性抗震的原理、唐山二层教室楼“坏而不垮”以及我国某些地区干摆石墙体也可抗震的实际情况认识到,对大量政府建筑的加固,如果按当时的抗震计算方法,抗震能力每提高一度,如7度提至8度(新北京饭店东楼设计即按8度设防),造价要增加很多。而一旦地震破坏力超过8度,仍然要产生破坏,对8级左右的唐山地震来说,即使按8度设防仍然要垮。但如果结构布局合理,即使是唐山8级强震所造成的11度破坏后仍然可以“坏而不垮”。所以无论新建筑的抗震设计或原有建筑的加固设计,首先是要使构造布局合理,而不是一味从计算上提高抗震的等级。因为地震是“波”:地震形成的破坏力是波状的,最大的破坏力以45°角作用于建筑物,也即是既产生横推力又有向上的斜推力,而不是抗震计算所“设定”的简单的一个横推力(所谓计算只是简单的抵抗不同级别地震对建筑物所形成的横推力)。
  根据对邢台、唐山地震和北京市新旧建筑抗震加固方案经历的认识,并对红楼原结构的平、立、剖面进行测绘分析,以及参考日本新建50层的京王旅馆加大横墙间距、加强楼板构造的设计方案的比较,我提出了水平层加固的方案,其要点是:
  1、沿内墙周边增加型钢圈梁:1)、加强四道纵墙之间的水平拉接和加固,其作用和横墙一样,这样即可解决抗震规范“横墙间距不得超过12米”的限制。2)、每个开间的钢构件使两侧的外墙拉接成整体,防止外墙外倾。3)、水平加固构件形成一个托架,托着整个楼板和龙骨,确保水平层的安全。4)、在外墙砖砌窗框线条两侧的凹槽处隐蔽放置上下通高的角钢,使整个外墙面与水平钢圈楞牢牢锚固,但不影响外观。
  2、保持原有的墙体均匀,一致不做增减。只对内部横墙“穿皮袄”,以强化钢圈梁的支点,原构造各层横墙皆在走廊处断开,自基础层至屋顶山墙券洞之间没有任何拉接。因此让每层钢圈梁的端头连接成通长的组合梁,以使走廊两侧的横墙连成整体。
  3、方案主要是用钢结构,有一定的弹性,比用混凝土刚性加固更有利于“坏而不垮”,湿作业很少,基本可以在“五四”60周年纪念时竣工,工期比“穿皮袄”方案短,造价也低于“穿皮袄”方案。
  因此,用钢构件水平层加固的方案,很快得到通过(当时还特约了建工部设计院结构总工程师陶逸钟做顾问,陶也赞赏这个统一了多方面矛盾的方案)。
  在向负责施工的房修二公司“交底”时,他们向我提出竖向加固构件如何“生根”的问题,我认为很值得考虑。因为红楼原有基础很软,在东侧沿北河道的基础曾因向河床滑动而加固过。所以准备加一道地圈梁,让所有加固的竖向钢构件都锚固在地圈梁中,这样既加固了基础又使上部的加固构件整体生根。另外还进一步考虑到,如果在内墙转角处都增加竖向角钢,便可以起到组合柱的作用,这样局部的横墙“穿皮袄”也可省去,更有利于构造的均匀性,并简化工序,节约工期。
  
  一波三折
  
  正当我考虑进一步改进方案时,傅连兴却向罗哲文等反映,说我对施工单位太“软”,不应按施工单位的意见修改方案(由于没有当面说,所以我没有机会说明修改的理由)。结果在我考虑修改方案的过程中,罗哲文听信傅连兴的话,把施工单位换成了便于傅连兴指挥的故宫工程队。这对我来说本也无所谓,但这时罗哲文却来找我“做工作”,他说“你来文物局也不是搞修缮的,红楼的方案已完成,施工阶段就由他来负责吧,他正申请入党,也可为党做些贡献。”
  我当然很同意。因此在1978年初我就到浙江余姚河姆渡遗址考察,之后又到宁波、绍兴、杭州、上海看了一些古建筑和博物馆,希望对第一批国家重点文物保护单位杭州岳庙在文革被破坏后的修复问题提出意见和建议。
  然而,当我于1978年初回到北京后,发现红楼抗震加固设计图被重描了一遍,凡有我签名的图戳都换了人。于是,我在文保所全所的会上向所长蔡学昌提出质问,崔兆忠解释是钢筋算错了所以重画,帮我一起拉皮尺的杨玉柱对此事装聋作哑。而罗哲文却求我别让他“为难”,避而不谈修改方案中的许多实质性问题。
  我十分明确地对他说:也许有人把这个工程当作国家文物局“天字第一号”工程,而我之所以做方案主要是想对邢台、唐山地震总结中认识到的问题进行一下结合实际的探索,同时也对文物建筑的加固问题进行一些尝试,因为我在设计院时也曾参加过老北京图书馆(北海西侧)加固措施的讨论。当时我的意见就是充分发挥原构造的抗震性能,集中解决其薄弱环节的加固,尽量不增加新的加固构件,不影响外貌的完整性,避免对原结构“伤筋动骨”。所以对红楼加固方案我的指导思想也是尽量不改动原构造的整体,所有加固构件都是与原构造同步联动。此方案不仅原则上最有效,而且自然而然地也是“多、快、好、省”的效果。再说按常规也是设计方案完成后即顺理成章地交付施工单位,除了隐蔽部分需要验收外,根本不需要整天盯着。
  


  罗哲文对我讲的道理一点也没听进去。不久,傅连兴和崔兆忠闹翻了,带着他的故宫工程队撤走了……崔兆忠一个人“磨洋工”磨了四年,却借此升了3、4级。
  以上所述事件与业务和学术问题没有直接关系,但却对红楼抗震加固设计的成果影响很大。所以不得不扼要地加以论述。
  
  终不是预想结果
  
  从技术理论上说,实质问题是:为什么把水平层加固方案从钢圈梁的构造加固变成水平桁架反而对抗震不利?其原因在于:
  1、正如原房修二公司建议加横向的抗震墙的道理一样,虽然从计算上新加的横墙可以抵御横推力(仅仅是计算上的效果),但新墙与旧墙的弹性模量不一样。因而整体构造不均匀(新墙硬、旧墙软)。当地震波作用于建筑物时,新墙、旧墙不能同步协作,因而对抗震极为不利;水平层的“构造加固”,钢圈梁与原墙体同步联动,没有弹性模量会不均。但一旦变成桁架,只是计算上能抵御横推力(地震力)。但作为结构的三维整体则软硬不同,同样不利于抗震。
  2、把“圈梁”变成“桁架”就必须断掉许多中间“支点”,否则就成为静不定结构。但是断掉了这些“拉住”两侧外墙、使其不外倾的构件对抗震显然是极为不利的。尤其红楼是办公楼,走廊是最重要的逃逸路线,这些拉杆都断掉了,地震发生时,走廊是最薄弱的环节之一。一旦断裂,后果可想而知。
  3、傅、崔所谓的计算只选一个标准间的标准桁架,而许多非标准间和最容易损坏的转角处,他们没有算,还有什么科学性可说?并且算来算去,也只能保证7度抗震,唐山地震对北京的影响是7度,红楼并没有垮,费了那么多人力、物力后,仍然只能保7度,还有什么意义?难道不是白辛苦?他们只能背地里向不熟悉业务的领导或调查人员解释:造成一种由于“认识”不同、因而难以做出明确判断的表象。却从来不敢把图摆在桌面上和我“面对面”对质,回答我的质疑。实际上,这些都是可以做出明确判断的。
  4、由于“构造加固”变成可以计算的“桁架”,除了表示他们的修改有计算书可以说明他们的“成绩”外,其实并无“实效”,甚至有损无益。而且由此造成的连锁反应危害匪浅。首先,地极——龙骨等楼板木基层“藏”不住桁架,所以必须掀掉重做。平时他们片面地一再强调原物原状,现在却把整个五层楼完好的木基层(都是背面有钢印的“美国松”,实际上产于加拿大)都掀掉,而且傅连兴还公然指使故宫施工队把这批木头当劈柴大家分了。仅此一项就使造价翻一番都不止。而工期更不得不延长一倍,根本赶不上纪念“五四”60周年。
  王冶秋不想等也得等,真不知追加预算时,罗哲文是如何向彭则放汇报的。
  反馈:zhaoch@cmag.net.cn
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