既有工業(yè)廠房生產(chǎn)設(shè)備藝術(shù)修復(fù)再利用施工技術(shù)*

孫曉陽

(中國建筑第八工程局有限公司總承包公司，上海 201204)

0 引言

20世紀(jì)60—70年代，為滿足生產(chǎn)生活需要，國內(nèi)各地依托資源產(chǎn)地，建造了大量原材料、鋼設(shè)備加工廠等廠房。經(jīng)歷社會環(huán)境變化、生產(chǎn)工藝變革等，出現(xiàn)了大量廢棄廠房及鋼設(shè)備。通過對鋼設(shè)備及廠房進(jìn)行加固改造，解決鋼設(shè)備出現(xiàn)的表面銹蝕、結(jié)構(gòu)損壞、廢渣堆積等問題，將鋼設(shè)備重新修復(fù)再利用并作為工業(yè)藝術(shù)街區(qū)的組成部分，喚起工業(yè)文明記憶，成為亟待解決的難題。

江蘇園博園項(xiàng)目主展館位于南京市江寧區(qū)，主展館場地為原昆元水泥廠和銀佳白水泥廠廠址，水泥廠建成于20世紀(jì)70年代。鋼設(shè)備主要包括水泥廠和其他房屋生產(chǎn)線鋼設(shè)備。通過對既有水泥廠工業(yè)遺址進(jìn)行加固改造，實(shí)現(xiàn)城市功能的織補(bǔ)與生態(tài)修復(fù)，塑造具有前瞻性和標(biāo)志性的建筑，主要施工內(nèi)容包括鋼設(shè)備拆除、補(bǔ)強(qiáng)加固(增設(shè)支撐、補(bǔ)焊、增設(shè)螺栓)、內(nèi)部耐候磚積灰清理、表面清理及耐久性保護(hù)，形成既有工業(yè)廠房生產(chǎn)設(shè)備藝術(shù)修復(fù)再利用施工技術(shù)。

1 技術(shù)特點(diǎn)

1)采用專業(yè)檢測儀器對鋼設(shè)備情況進(jìn)行檢測，對鋼設(shè)備腐蝕程度進(jìn)行鑒定，并通過對原有鋼設(shè)備的拆除、替換、加固及表面處理，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線鋼設(shè)備的再利用。

2)對廠房生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行成像并建模，形成三維空間數(shù)據(jù)后，對鋼設(shè)備模型進(jìn)行有限元計算，對比分析鋼設(shè)備拆除前、后應(yīng)力變化，確定拆除順序，形成新的加固形式與構(gòu)造。

3)通過分析已建立的三維模型，明確鋼設(shè)備拆除與加固位置，對綜合空間利用、展陳效果、鋼設(shè)備情況進(jìn)行分析，確定鋼設(shè)備保留、拆除范圍及方法，制定專項(xiàng)施工方案，合理安排施工順序。

4)通過反復(fù)試驗(yàn)，使用不同的油漆材料與表面處理工藝制作小樣，在最大限度上保存和展示工業(yè)遺產(chǎn)。

5)現(xiàn)場精確測量，確定切割分段位置，通過搭設(shè)支撐架體或使用汽車式起重機(jī)進(jìn)行吊裝作業(yè)，定位加固構(gòu)件，按照施工順序依次進(jìn)行拆除、加固，并使用聚乙烯醇薄膜進(jìn)行表面保護(hù)，設(shè)置硬隔離封閉施工完成區(qū)域，進(jìn)行成品保護(hù)。

2 施工工藝流程

既有工業(yè)廠房生產(chǎn)設(shè)備藝術(shù)修復(fù)再利用施工工藝流程如圖1所示。

圖1 施工工藝流程

3 操作要點(diǎn)

3.1 鋼設(shè)備情況檢測分析

廠房鋼設(shè)備年代久遠(yuǎn)、銹蝕情況復(fù)雜，修復(fù)改造前需對鋼設(shè)備整體情況進(jìn)行科學(xué)調(diào)查分析，為確定鋼設(shè)備保留、替換、拆除范圍提供理論參考依據(jù)。

3.1.1鋼設(shè)備銹蝕情況檢查

1)觀察鋼設(shè)備表面有無缺陷及損傷，對有明顯銹蝕破損位置進(jìn)行記錄。

2)采用Elcometer 331型銹蝕檢測儀檢測鋼設(shè)備銹蝕情況，鑒別有無銹蝕信號、銹蝕嚴(yán)重程度，并記錄測量結(jié)果。

3.1.2鋼設(shè)備壁厚檢查

采用PT900型智能化超聲波測厚儀進(jìn)行鋼設(shè)備壁厚檢測，對壁厚不滿足要求的位置進(jìn)行記錄。

3.1.3鋼設(shè)備強(qiáng)度檢測

使用里氏硬度計檢測鋼設(shè)備抗拉強(qiáng)度，由于生產(chǎn)設(shè)備曲面鋼構(gòu)件較多，各曲面對硬度檢測結(jié)果的影響不同，正確操作情況下，沖擊落在試件表面瞬間的位置與平面試件相同，故僅采用通用支撐環(huán)。但某些構(gòu)件曲率較小，會使沖擊體回彈速度偏小，從而使檢測值偏低，故需采用異形支撐環(huán)進(jìn)行檢測。

根據(jù)檢測結(jié)果形成專業(yè)檢測報告，通過對檢測報告進(jìn)行分析，綜合考慮展陳和使用效果，合理確定鋼設(shè)備拆除、替換、保留、加固范圍。

3.2 鋼設(shè)備三維掃描建模技術(shù)

3.2.1測量儀器

為提供設(shè)計基礎(chǔ)資料，需對廠房現(xiàn)狀進(jìn)行測量，以獲取生產(chǎn)設(shè)備與廠房的位置關(guān)系及分布情況。由于老舊鋼設(shè)備年久失修、腐蝕情況嚴(yán)重，很多區(qū)域無法靠近測量，且生產(chǎn)設(shè)備分布錯綜復(fù)雜，易造成測量盲點(diǎn)。

為快速精準(zhǔn)獲取鋼設(shè)備空間位置信息，選用Z+F 5010X型三維激光掃描儀進(jìn)行測量，可直接實(shí)現(xiàn)大型、復(fù)雜、不規(guī)則實(shí)體結(jié)構(gòu)的三維數(shù)據(jù)完整采集，測量精度較高。

3.2.2掃描建模流程

為確保測量工作的科學(xué)合理性，現(xiàn)場結(jié)合掃描儀使用特點(diǎn)及實(shí)際情況，確定以下掃描建模流程：掃描建模準(zhǔn)備→坐標(biāo)系導(dǎo)入→控制點(diǎn)布置→鋼設(shè)備安裝→三維激光掃描→數(shù)據(jù)檢查→數(shù)據(jù)處理→成果提交與存檔。

3.2.3關(guān)鍵技術(shù)

1)掃描前踏勘

獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)前進(jìn)行實(shí)地踏勘，結(jié)合廠房尺寸、鋼設(shè)備分布情況劃分掃描區(qū)域，以保證在掃描儀有效工作范圍內(nèi)發(fā)揮最大功效，避免重復(fù)掃描。

2)掃描站點(diǎn)和標(biāo)靶布置

在掃描區(qū)域布設(shè)掃描站點(diǎn)和標(biāo)靶，每個區(qū)域至少布置3個站點(diǎn)，以便后續(xù)將掃描坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至測量坐標(biāo)系及各站點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間的拼接。

3)掃描測量

掃描站點(diǎn)布置完成后，將三維激光掃描儀架設(shè)在掃描站點(diǎn)上，進(jìn)行整平、參數(shù)設(shè)置及掃描，掃描結(jié)果如圖2所示。掃描完成后可在顯示屏中實(shí)時查看點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對于點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取不理想或復(fù)雜程度較高的區(qū)域，調(diào)整掃描級別，進(jìn)行局部重新掃描。

圖2 三維掃描結(jié)果

4)點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪

受施工因素的影響，且鋼設(shè)備實(shí)體反射特性不均勻，導(dǎo)致最終獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可能包含不穩(wěn)定點(diǎn)和噪聲點(diǎn)，采用InfiPoints軟件去噪模塊對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾(見圖3)，得到最終需要的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪處理

5)模型建立

將處理完成的數(shù)據(jù)導(dǎo)入SolidWorks軟件建立模型(見圖4)，精準(zhǔn)確定鋼構(gòu)件尺寸及空間信息，避免后期因結(jié)構(gòu)碰撞、尺寸沖突等原因造成返工。

圖4 廠房生產(chǎn)設(shè)備模型

3.3 鋼設(shè)備拆除工藝

拆除腐爛、銹蝕嚴(yán)重且對空間使用及展陳效果有影響的鋼構(gòu)件、鋼設(shè)備。為減小拆除過程對鋼設(shè)備的影響，采用氧氣乙炔精準(zhǔn)割除法。

3.3.1測量定位

對拆除范圍內(nèi)鋼構(gòu)件、鋼設(shè)備進(jìn)行放樣定位，并精準(zhǔn)繪制切割線。

3.3.2支撐體系設(shè)置

1)臨時支撐

由于鋼設(shè)備較重且銹蝕情況嚴(yán)重，為確保整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，需在鋼設(shè)備切除部位及相鄰部位搭設(shè)臨時支撐體系進(jìn)行卸荷，為保證安全性，需進(jìn)行相應(yīng)的計算分析。

2)永久支撐

對于豎向貫通大型鋼設(shè)備，考慮到空間利用需求，需將室內(nèi)某些貫通鋼設(shè)備全部或部分拆除，對結(jié)構(gòu)擾動及受力的影響較大。為此，采用Midas軟件對鋼設(shè)備自重及拆除前、后應(yīng)力變化進(jìn)行分析，以確定永久支撐位置、數(shù)量及形式。

3.3.3拆除施工

1)鋼設(shè)備拆除時逐段逐層切割，對于豎向鋼設(shè)備，應(yīng)自上而下拆除，切割時嚴(yán)格控制構(gòu)件尺寸(邊長≤1m，質(zhì)量≤50kg)。切割后鋼設(shè)備不能集中堆放，及時利用汽車式起重機(jī)吊運(yùn)清理，嚴(yán)禁擱置在外腳手架上。

2)部分鋼設(shè)備中存有積灰且積結(jié)成塊，需采用風(fēng)鎬破除，隨破除隨切割，減小破除過程中對鋼設(shè)備其他部位造成的影響。

3.4 鋼設(shè)備替換工藝

為確保良好的展陳效果，部分銹蝕嚴(yán)重的鋼設(shè)備拆除后需進(jìn)行1∶1復(fù)刻替換(見圖5)，前期通過三維掃描及模型建立，基本掌握構(gòu)件尺寸、位置等信息。為進(jìn)一步確保復(fù)刻構(gòu)件尺寸精確、降低返工率，現(xiàn)場將拆除構(gòu)件分區(qū)域分類堆放，對構(gòu)件尺寸與模型進(jìn)行復(fù)核。

圖5 復(fù)刻構(gòu)件模型

1)對需替換鋼設(shè)備范圍進(jìn)行確認(rèn)，測量定位后拆除。

2)將拆除后的鋼構(gòu)件尺寸與模型進(jìn)行復(fù)核，確保尺寸無誤后排產(chǎn)制作。更換鋼材均采用Q355NH鋼，在有資質(zhì)的生產(chǎn)廠家按1∶1制作鋼構(gòu)件，確保構(gòu)件替換后的質(zhì)量與效果。

3)將復(fù)刻完成的鋼設(shè)備運(yùn)至現(xiàn)場，在各拆除區(qū)域就近堆放，因替換鋼構(gòu)件數(shù)量較多，造型復(fù)雜，需按設(shè)計圖紙進(jìn)行編號，確定安裝順序，提高安裝效率與精度。采用分段安裝方法，大型構(gòu)件通過豎向提升鋼設(shè)備吊裝，可搭設(shè)臨時支撐輔助安裝樓層內(nèi)部鋼設(shè)備。將替換構(gòu)件與原有鋼設(shè)備進(jìn)行連接，主要通過焊接、螺栓連接、化學(xué)錨栓連接等形式。

3.5 鋼設(shè)備加固工藝

為最大限度地保存工業(yè)遺產(chǎn)，需結(jié)合鋼設(shè)備情況分析結(jié)果與后期修復(fù)工藝對鋼設(shè)備采取加固修補(bǔ)處理措施，降低拆除及替換率。主要施工工藝包括鋼設(shè)備基礎(chǔ)與基座加固、破損位置補(bǔ)丁式加固修復(fù)、薄弱位置焊接補(bǔ)強(qiáng)、新增鋼支撐連接等方式。

3.5.1鋼設(shè)備基礎(chǔ)加固

由于鋼設(shè)備經(jīng)拆除、替換后，使用功能和受力情況均發(fā)生了變化，需對原鋼設(shè)備獨(dú)立基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理，根據(jù)受力情況，采用增大植筋直徑及基礎(chǔ)尺寸的方式。

3.5.2鋼設(shè)備基座加固

大型鋼設(shè)備基座需進(jìn)行加固處理，混凝土破損處采用外包碳纖維布的方式進(jìn)行加固，在圓筒底部新增環(huán)形混凝土圈梁。

1)碳纖維布加固

清除基座表面油污、浮漿，并打磨至堅硬基層，對不平整部位進(jìn)行打磨或修復(fù)處理，對裂縫進(jìn)行灌縫或封閉處理，保持基面干燥。對基面進(jìn)行底涂施工，凹陷部位采用找平材料修補(bǔ)平整，分層粘貼碳纖維布，保證粘貼平整，避免出現(xiàn)搭接、褶皺和扭曲。碳纖維布粘貼完成后，需采用粉刷的方式進(jìn)行表面防護(hù)處理，在面涂層進(jìn)行拍砂處理，拍砂時不得影響已粘貼的碳纖維布。

2)新增環(huán)形圈梁

在鋼設(shè)備基座增設(shè)環(huán)形圈梁，以增加基座受力穩(wěn)定性。

3.5.3破損位置補(bǔ)丁式加固修復(fù)

經(jīng)排查，鋼設(shè)備某些部位存在破裂(破洞)、過燒、燒穿等缺陷，現(xiàn)場進(jìn)行補(bǔ)丁式加固修復(fù)。首先經(jīng)檢查確定缺陷范圍，然后采用等厚度、同材質(zhì)的蓋板覆蓋破損位置，蓋板尺寸應(yīng)較缺陷界線尺寸大100mm。蓋板定位后，由長邊中部開始施焊，在短邊處閉合，進(jìn)行圍焊處理。

3.5.4薄弱位置焊接補(bǔ)強(qiáng)

需對鋼設(shè)備薄弱位置進(jìn)行焊接補(bǔ)強(qiáng)，包括鋼設(shè)備支撐節(jié)點(diǎn)、構(gòu)件交接位置及焊接位置。補(bǔ)強(qiáng)施焊前，應(yīng)清除待焊區(qū)及兩端向外延伸50mm范圍內(nèi)的塵土、漆皮、涂料層、鐵銹及其他污垢，并打磨至露出金屬光澤。

選用低氫型焊條，焊條直徑≤4mm，焊接電流≤200A，補(bǔ)強(qiáng)焊接時，應(yīng)先施焊對原結(jié)構(gòu)影響較小的部位，如支座部位自頂部向下、自邊緣向中部施焊，角鋼自肢尖向肢背施焊。

因節(jié)點(diǎn)形式、焊縫布置、焊接順序確定，故采用能量密度較高的熔化極氣體保護(hù)電弧焊進(jìn)行焊接，并采用較小的熱輸入，控制焊接變形，減小對鋼設(shè)備受力的干擾。

3.6 鋼設(shè)備表面處理工藝

為得到較好的展示效果，修舊如舊，需對鋼設(shè)備表面進(jìn)行特殊處理，增加其耐候性，保存工業(yè)風(fēng)貌(見圖6)。

圖6 鋼設(shè)備表面處理

3.6.1表面清理

使用角磨機(jī)對鋼設(shè)備表面油污、浮銹等進(jìn)行清理，注意嚴(yán)格控制打磨厚度，不得對內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)造成損傷。

3.6.2銹蝕轉(zhuǎn)化劑涂刷

為增加底漆面漆的結(jié)合力和穩(wěn)定性，提高鋼設(shè)備展陳年限，采用高滲透銹蝕轉(zhuǎn)化劑涂刷鋼設(shè)備表面，使鋼設(shè)備表面未除盡的油污、浮銹等生成致密的磷化膜層，待表面干燥后可進(jìn)行下一步工序。

3.6.3類鐵紅銹肌理再造改性防腐涂料噴涂

鋼設(shè)備修復(fù)處理完成后需采用類鐵紅銹肌理再造改性防腐涂料進(jìn)行仿舊處理。根據(jù)改性防腐涂料原材調(diào)色及涂刷工序的不同，現(xiàn)場進(jìn)行多組鋼板小樣對比試驗(yàn)，最終采用涂刷1道水性帶銹封閉底漆+2道水性聚氨酯色漆(鐵紅)+1道水性氟碳面漆的工序。

3.7 驗(yàn)收與成品保護(hù)

施工完成后組織相關(guān)技術(shù)專家進(jìn)行驗(yàn)收。驗(yàn)收合格后，封閉原建筑物，48h后在鋼設(shè)備表面包裹保護(hù)薄膜，防止受環(huán)境及外力影響破壞成品質(zhì)量。

4 質(zhì)量控制要點(diǎn)

1)根據(jù)設(shè)計文件、鋼材質(zhì)量證明書、施工記錄、竣工報告、可靠性鑒定報告等資料及樣品試驗(yàn)報告，對待加固鋼結(jié)構(gòu)原材料性能指標(biāo)進(jìn)行評價。材料和鋼設(shè)備進(jìn)場時，須嚴(yán)格把控驗(yàn)收關(guān)。對于各類進(jìn)場的材料，須驗(yàn)收品牌、型號、規(guī)格、色澤、質(zhì)量和數(shù)量。

2)結(jié)構(gòu)因荷載反復(fù)作用及材料選擇、構(gòu)造、制造、施工安裝不當(dāng)?shù)纫蛩禺a(chǎn)生具有擴(kuò)展性或脆斷傾向性的裂紋損傷時，應(yīng)設(shè)法修復(fù)。修復(fù)前，須分析產(chǎn)生裂紋的原因及其影響的嚴(yán)重性，有針對性地采取改善結(jié)構(gòu)實(shí)際工作性能或加固措施。對于不宜進(jìn)行加固處理的構(gòu)件，應(yīng)及時拆除更換。

3)加固鋼構(gòu)件安裝須牢固，尺寸、位置均應(yīng)符合要求，焊接質(zhì)量滿足設(shè)計和施工驗(yàn)收規(guī)范要求。

4)進(jìn)行結(jié)構(gòu)焊接加固時，須由高級焊工施焊。當(dāng)施焊鎮(zhèn)靜鋼板厚度≤30mm時，溫度應(yīng)≥-15℃；當(dāng)施焊鎮(zhèn)靜鋼板厚度>30mm時，溫度應(yīng)≥0℃；當(dāng)施焊沸騰鋼板時，溫度應(yīng)>5℃。

5)焊縫連接加固時，新增焊縫應(yīng)盡可能地布置在應(yīng)力集中最小、遠(yuǎn)離原構(gòu)件的變截面及缺口、加勁肋截面處。盡可能使焊縫對稱于作用力，并避免交叉。新增的對接焊縫與原構(gòu)件加勁肋、角焊縫、變截面等的距離宜≥100mm。各焊縫之間的距離不應(yīng)小于被加固板件厚度的4.5倍。

6)雨雪天氣時，嚴(yán)禁露天焊接。4級以上大風(fēng)天氣時，焊接作業(yè)區(qū)應(yīng)采取擋風(fēng)措施。

7)鋼構(gòu)件焊縫補(bǔ)強(qiáng)前，應(yīng)清除待焊區(qū)及兩端向外延伸50mm范圍內(nèi)的塵土、漆皮、涂料層、鐵銹及其他污垢，并打磨至露出金屬光澤。

5 結(jié)語

既有工業(yè)廠房生產(chǎn)設(shè)備承載著城市的歷史記憶，相比整體拆除，對其進(jìn)行修復(fù)改造不僅可減少建筑垃圾的產(chǎn)生，還能發(fā)揮其文化價值，留存城市珍貴的歷史記憶，符合國家建設(shè)節(jié)約型社會的理念及可持續(xù)發(fā)展要求。對江蘇園博園項(xiàng)目既有水泥廠工業(yè)遺址進(jìn)行加固改造，實(shí)現(xiàn)城市功能的織補(bǔ)與生態(tài)修復(fù)。本文主要對鋼設(shè)備拆除、補(bǔ)強(qiáng)加固(增設(shè)支撐、補(bǔ)焊、增設(shè)螺栓)、內(nèi)部耐候磚積灰清理、表面清理及耐久性保護(hù)等進(jìn)行研究，形成既有工業(yè)廠房生產(chǎn)設(shè)備藝術(shù)修復(fù)再利用施工技術(shù)。