程绍革：大型公共建筑加固改造若干问题的思考

文/程绍革

我国的城市开发建设正处在由以增量发展转向存量提质的阶段，随着实体经济的衰退，城市大量的商业建筑逐步改造为办公建筑等，加固改造的特点也从“结构安全为主的加固+局部建筑功能的改造”向“大拆大改为主+被动性结构加固”模式转变。与此同时我国的工程建设标准也进行了多次修订，对工程建设的设计要求逐步提高，由此带来了加固改造工程的加固设计后续使用年限、加固如何执行标准、如何确定合理的抗震设防标准、抗震加固的地震作用取值等一系列的问题。针对城市大型公共建筑加固改造中亟待解决的问题，提出了相应的解决方案。

概  述

我国的城市建设发展正处在由以增量发展向存量提质改造的阶段，随着网络经济的崛起，实体经济受到巨大冲击，城市大批的商业建筑将逐步改造为办公建筑、养老设施等。建筑功能的变化必然引起对原有建筑进行大规模的改造，由此也形成了以“结构安全为主的加固+局部建筑功能的改造”模式向以“大拆大改为主+被动性结构加固”模式的转变，结构加固的难度与复杂性大大增加，这无疑对结构工程师提出了严峻的挑战。

国家现行标准《建筑抗震鉴定标准》(GB 50023—2009)、《建筑抗震加固技术规程》(JGJ 116—2009)实施了十年之久，已不能完全满足当下大型公共建筑的抗震鉴定与加固需求。例如：加固设计的标准适用性问题，抗震设防标准问题，地震作用计算问题，加固改造设计的后续使用年限问题等。针对上述工程中遇到的实际问题提出相应的解决方案，供设计技术员参考。

既有建筑定义的商榷

既有建筑是相对于新建建筑而言的，其加固改造设计标准可略低于新建工程。对于有些工程很难判定是新建工程还是属于既有建筑，这类工程的加固改造如按新建工程对待，则实施的可能性几乎为零。因此，有必要给出既有建筑的一个相对合理的定义。

现行标准中的定义   从我国的标准发展历程来看，既有建筑主要还是按建筑在全生命周期(图1)中所处的阶段来定义的，即开工、基础施工、出地面、主体结构封顶、主体结构验收、建筑整体竣工、建筑整体竣工验收、建筑交付使用、后期改造、拆除。

图1 建筑全寿命过程图

《民用建筑可靠性鉴定标准》GB 50292—1999中定义既有建筑为“已建成二年且已投入使用的建筑物”，表示整体完工满二年(可能有未进行竣工验收的嫌疑)，但已经使用的房屋，至于建成二年的要求，标准的编制者主要是考虑到建成的房屋需要进行经过一段使用时间的考验，特别是地基基础的考验。

《民用建筑可靠性鉴定标准》GB 50292—2015将既有建筑定义修改为“已建成可以验收的和已投入使用的非生产性的居住建筑和公共建筑”，明确了可以是未进行竣工验收，但达到了竣工验收的要求，至于是否投入使用无所谓，因此时间节点是工程完工，关键词是“达到工程验收条件”。后一个关键词“已投入使用”则隐含着可以是未通过工程验收而投入使用。

《工业建筑可靠性鉴定标准》GB 50144—2008定义既有建筑为“已存在的、为工业生产服务，可以进行和实现各种生产工艺过程”的建筑，关键词是“已存在的”，对于建造过程不予考究，是否已投入使用也不重要，《工业建筑可靠性鉴定标准》GB 50144—2019只是将关键词“已存在的”改为“已建成的”，与2008年版的标准并元实质性的变化。

工程设计人员的观点   一是以“建筑交付使用”(H)作为分界点，其出发点是建筑需要经过使用荷载作用下承载能力考验，然而有些建筑在建成后尚未交付使用时可能需要改变使用功能，因此，这种定义不尽合理。二是以通过竣工验收作为分界点，这个观点也不尽合理。一是以主体结构验收(E)点还是以整体竣工验收(G)点作为分界线；此外我国早期的工程建设并没有竣工验收制度，古建筑和近现代建筑就是一个例子。

笔者的想法供商榷   既有建筑可定义为“出地面且主体结构不再续建的建筑”，即在图1中分界点C和D之间的建筑物即为既有建筑。这个定义可为我国城市更新及从技术上解决“烂尾楼”问题提供一个出路。

加固改造中的标准适用性

2022年1月1日，作为“技术法规”体系构成之一的强制性工程建设规范“通用规范”实施，这些通用规范实施需有相应的推荐性国家标准进行配套，才能有较强的实施性。

荷载分项系数的问题

1.《工程结构通用规范》GB 55001-2021。第3.1.3条第1款“永久作用：当结构不利时，不应小于1.3；当对结构有利时，不应大于1.0”；第4款规定除标准值大于4kN/m ² 的工业房屋楼面活荷载外的其他活荷载，“当对结构不利时不应小于1.5”。

2.《既有建筑鉴定与加固通用规范》GB 55021-2021。第4.2.2条第2款“当为结构加固、改变用途或延长工作年限的目的而鉴定的原结构、构件的安全性时，应在调查原结构上实际作用的荷载及拟新增荷载的基础上，按现行规范与标准的规定进行验算”。

前者针对新建工程是合适的，但对于既有建筑的改造是否合适还需打一个问号。

既有建筑构件层次安全性承载力评级

《既有建筑鉴定与加固通用规范》GB 55021-2021中构件层次的安全性评级是根据《工程结构通用规范》GB 55001-2021和现行标准《民用建筑可靠性鉴定标准》GB 50292—2015的规定进行。前者规定永久作用和可变作用的分项系数取值，较以往的标准提高，后者是以抗力（R）与作用效应（S）乘以重要性系数（γ ₀ ）之比（R/ Sγ ₀ ）。按新的规范S增大导致的R/ Sγ ₀ 减小，势必造成大量的构件需要加固，也在一定程度是对原有结构的一种损伤，也不利于当我国城市更新与建筑改造的发展。

构件层次安全性评级的方法

由于《既有建筑鉴定与加固通用规范》GB 55021-2021要求按国家现行设计规范进行构件承载力的验算，随着荷载分项系数的提高、结构重要性系数的提高，不少构件按承载力评定等级降低，从a _u 、b _u 级降至c _u 甚至d _u 级是很常有的事，构件的最后评级取最低一级也就成了c _u 或d _u 级，而d _u 级的构件要求“必须立即采取措施”，但现场调查时发现构件完全处于正常使用状态，这使得工程技术人员处于一个很尴尬的境地。

如何解决上述问题，笔者认为执行通用规范的规定责无旁贷，但应灵活应用，并加快配套的推荐性国家标准的修订，安全性评定等级的控制指标应适时进行调整。

加固改造中的后续工作年限

《工程结构通用规范》GB 55001-2021。第2.2.2条第1款规定了房屋建筑的结构设计工作年限不应低于表1的规定。

表1  房屋建筑的结构设计工作年限

该规定同样是针对新建筑工程而言的，对于既有建筑并不适用。为此，《既有建筑鉴定与加固通用规范》GB 55021-2021第5.1节针对后续工作年限做出了规定，明确规定了既有建筑鉴定与加固的后续工作年限分为30年、40年和50年三档。然而在第5.1.4条中规定的“C类建筑，应按现行标准的要求进行抗震鉴定；限于技术条件，难以按现行标准执行时，允许调整其后续工作年限，并按B类建筑的要求从严进行处理”。这条规定耐人寻味，执行时应慎重对待。

根据《工程结构通用规范》GB 55001-2021的规定，结构作用的基本组合为：

(1)

上式中，γ _L1 、γ _Lj 为第1个和第j个考虑结构设计工作年限的荷载调整系数。规范第3.1.16中给出了不同设计工作年限的γ _L 取值（见表2），当设计工作年限不为表中取值时，可按线性插值确定。

表2  楼面与屋面活荷载考虑设计工作年限的调整系数γ _L

考虑地震作用的组合为：

(2)

式（２）中地震作用作为可变荷载的一种，理应也可以根据设计工作年限的不同进行调整，但和式(１)不同的是，式(3)中没有可变荷载调整系数，唯一的处理办法就是对地震作用标准值的效应进行调整。地震作用和普通活荷载有很大的不同：考虑不同设计使用年限的地震作用差别比普通活荷载变化要大得多，研究表明按100年设计使用年限的地震作用约是按50年的1.4倍。

不同设计工作年限的地震作用取值

既有建筑加固改造的地震作用如按现行的设计规范取值，不符合我国的防灾政策和经济水平基本国情，一般要求低于新建工程的要求，包括地震作用折减、抗震措施的适度降低。早期的抗震鉴定标准中对地震作用的折减系数主要是依据震害教训和专家经验确定的，自《建筑抗震鉴定标准》(GB 50023—95)实施后，开始了不同后续使用年限地震作用计算的理论研究，大致可分为三个阶段。

1.戴国莹等 ^[1] 提出了“抗震鉴定与加固时可考虑后续设计工作寿命期的不同建立相应的鉴定用地震动参数。新建工程按50年设计工作寿命期内超越概率10%确定其设计所用的抗震设防烈度，对于已经使用了T1年的现有建筑，可按(50- T1)年内超越概率10%确定其鉴定与加固时所用的设防烈度，再确定对应的地震动参数”的重要思想，为地震作用的计算奠定了理论基础，从而使地震作用的折减系数的专家经验法过渡到半经验半理论方法。

2.毋剑平等 ^[2] 基于我国华北、西北和西南45个城镇以及新疆地区20个城镇的地震危险性分析结果，提出50年地震烈度的概率符合极值Ⅲ型分布，进而得到不同后续使用年限内在给定概率下的众值地震烈度，进而确定不同后续使用年限所对应的地震作用的参数，以50年设计工作年限为基准，就可以得到不同后续设计工作年限的地震作用折减系数（见表3和图2）。

3.白雪霜等 ^[3] 按照等超越概率原则确定了不同后续设计工作年限在不同设防水准下(小震、中震、大震)等效超越概率、地震动参数(水平地震影响系数、地面峰值加速度)的取值，并给出了三水准的地震作用折减系数建议值(表4与图3)，并指出现行鉴定标准中用小震下折减的地震作用计算大震下的弹塑性变形是偏于不安全的。

表3  小震下不同后续工作年限的地震影响系数比值

表4  三水准不同后续工作年限的地震影响系数比值

图2 小震不同后续工作年限与地震影响系数关第曲线

图3 三水准不同后续工作年限与地震影响系数关系曲线

4.以往的地震作用调整系数均是先对设防烈度进行调整，然后根据调整后的设防烈度确定地震作用，然而作为工程技术人员更为关心的是直接可用于设计的地震作用。

程绍革等 ^[4，5] 研究了点震源、线震源、面震源及复合震源的地震发震机制及传播规律，证明了地震作用服从极值Ⅱ型分布，地震烈度服从极值Ⅲ型分布，并对我国大陆地区1913年~2016年的最大震级地震及相应的烈度和地面峰值加速度进行了数据拟合，进一步验证了上述结论。基于此提出了不同后续工作年限地震作用的取值方法，相应的地震作用折减系数见表5，结果表明地震作用的折减系数与三水准设水准无关，主要取决于后续工作年限。

表5  不同后续工作年限的地震影响系数比值

C类建筑加固改造设防标准

《建筑抗震鉴定标准》(GB 50023—2009)中第1.0.4条第3款规定：在2001年以后(按当时的抗震设计规范系列设计)建造的现有建筑，后续使用年限宜采用50年。第1.0.5条第3款又规定：后续使用年限50年的建筑(简称C类建筑)，应按现行国家标准《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)的要求进行抗震鉴定。

《建筑抗震鉴定标准》(GB 50023—2009)已实施了10多年了，按2001年版抗规建造的房屋(所谓的C类建筑)也已经使用了20年，在此期间《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB 50068—2001)进行了修订，《建筑抗震设计规范》GB 50011进行了3次修订，包括2008年版、2010年版、2016年版，在设计地震动参数、抗震措施方面都有了很大变化。2022年1月1日起，通用规范陆续实施，这些标准的实施是一把双刃剑，一方面是对建筑师无限创作的制约，起到保安全底线的作用，另一方面也在客观上制约城市更新与建筑改造的发展。

这类所谓的C类建筑抗震加固又如何确定抗震设防标准呢？如果能适当降低设防标准，又如何把握尺度？

1.基本原则

C类建筑加固时需坚守以下原则：1)不得突破鉴定标准的红线要求，即后续使用年限不得低于30年；2)不得低于原设计设防标准的底线要求，即加固改造后的设防标准要高于原设计的标准，对原结构设计不足之处要有明显的改善。

2.合理的设防标准确定

在基本原则的基础上，根据工程加固改造的具体情况可采取相应的灵活处理方式，如：1)后续使用年限的确定；2)对地震作用进行适当的折减；3)寻找降低抗震措施的途径。

3.当下建筑加固改造的热点疑难问题解决方案

按2010版抗规设计建造的房屋

这类建筑的主要问题是抗震设防烈度的提高，导致地震作用增大和抗震等级提高，且这类建筑基本已投入使用近10年，按原设计使用年限50年算起则后续使用年限还有40年。

解决方案：

步骤：确定地震作用取值→确定抗震措施→确定后续使用年限，其流程见图4。

图4  2010版规范设计的房屋加固改造设防标准

首先是确定合理的地震作用，考虑到该建筑已使用了十年，按原设计使用年限尚有40年的合理使用年限，因此可按40年后续工作年限考虑，即地震作用按现行设计规范的计算值乘以一个0.9的折减系数，同时与原结构设计时的地震进行对比，取一个较大值 ，以保证不低于原设计标准。

其次是对抗震措施的考虑，抗震措施的目的是防止建筑在大震下倒塌，而且既有建筑要满足现行设计规范的各项要求是不可能的。建议进行大震下的弹塑性变形验算，如果层间位移角较规范限值要小的多，可将抗震等级降低一级，并与原设计采用的抗震等级进行对比，取一个较低的等级，这样做一来可以降低内力调整系数，二来减少抗震构造措施不足而进行的加固工作量，实际工程中两者的抗震等级基本相同。

最后在确定了地震作用和抗震措施后，再确定加固设计的合理设计工作年限，这与A、B类建筑加固设计的顺序是相反的。当加固设计时的地震作用按折减系数0.9取值，则后续设计使用年限取为40年（需注意的此40年非B类建筑之40年），如果取原结构设计的地震作用，则后续使用年限维持原设计使用年限不变。

按2001版抗规设计建造的房屋

这类房屋已使用20年，问题比较复杂。首先2010年版抗规较2001年版抗规提高了抗震措施，2016年版抗规对设防烈度进行了调整，抗震等级进一步提高，地震作用增大，即便设防烈度不变但由于设计地震分组调整，反应谱下降段地震作用影响系数仍有所增大。

解决方案：

步骤：确定地震作用取值→确定抗震措施→确定后续使用年限。

    （1）地震作用取值（图5）

图5  2001版规范设计的房屋加固改造的地震作用取值

按后续设计工作年限40年（地震作用折减系数取0.9）与原结构设计的地震作用对比取较大值，记作Q40；另外按后续设计工作年限30年（地震作用折减系数取0.8）与原结构设计的地震作用对比取较大值，记作Q30；加固设计是的地震作用可取MIN{ Q40, Q30}，实际操作中一般取Q30，至所以提出的Q40，主要是考虑在技术条件允许时，尽可能提高设防标准。

（2）抗震措施与后续工作年限（图6）

图6  2001版规范设计的房屋加固改造的抗震措施与后续工作年限

抗震措施同样可通过大震弹塑性验算的结果决定是否可适当降低抗震等级，并与原设计采用的01版规范进行对比，取较低的抗震等级。

加固改造的后续工作年限取值如下：当地震作用取了0.9的折减系数，抗震措施按大震验算调整了抗震等级时，后续工作年限取40年；当地震作用取了0.8的折减系数，抗震措施执行01版抗规时，后续工作年限取30年；当地震作用取原结构设计值，后续工作年限维持原设计不变（相当于30年）。

按89版抗规设计建造的房屋

抗震鉴定标准中按89版抗规设计建造的已明确规定其后续使用年限为40年的建筑(B类建筑)，然而由于现阶段建筑改造形势已和以前有很大的不同，结构变化很大，如大量抽梁拔柱、楼板开大洞严重不连续，仍按B类建筑的要求进行鉴定和加固，其抗震安全性是不够的。此外，这一时期建成的房屋同样面临着设防烈度的提高，且89版抗规中对某些抗震概念设计的内容也缺少量化标准。对于这一类建筑，建议与按2001年版抗规设计建造的房屋采用相同的处理方法，同时还应对建筑加固改造前后的抗震性能进行对比，确保加固后的规则性比加固前有明显的改善，但不一定必须达到现行规范的规则性要求，当楼层的弹性层间位移角较小时，可适当放松扭转规则性要求，当楼层的大震弹塑性层间位移角较小时，可适当降低抗震措施的要求。

结  语

本文针对既有大型公共建筑抗震鉴定与加固改造工程的几个热点问题进行了分析，提出了相应的解决方案。

(1)对既有建筑的定义进行了探讨，为后续加固改造采取的设防标准和确定提供了依据。

(2)对既有建筑鉴定与加固改造的采用标准的适用性进行了探讨，在确保结构安全的基础上大大减少了加固工作量。

(3)基于地震作用符合极值Ⅱ型分布的特点，给出了抗震加固中三水准设防的地震作用折减系数取值。

(4)对当前城市大型公共建筑加固改造的疑难问题进行了分类，并提出了相应的解决方案。