溫四清 葉 煒 施 浩 童 敏
(中信建筑設(shè)計研究總院有限公司，武漢430014)
摘 要：對武漢三國龜山畫館進(jìn)行改造，是為了美化環(huán)境，同時又完好無損地保護(hù)畫館中的三國全景畫。為達(dá)此目的，設(shè)計了多種結(jié)構(gòu)改造方案，其一為建筑物整體下沉方案，該方案對畫的保護(hù)程度高，但施工難度大、費用高，因所涉及到的改造技術(shù)對以后類似的結(jié)構(gòu)改造具有借鑒意義，本文特予以介紹。
關(guān)鍵詞：全景畫 千斤頂 整體下沉 無損切割 支撐 位移
1概 述
武漢龜山三國畫館(以下簡稱畫館)位于武漢龜山之巔。龜蛇二山是文化旅游勝地，兩山隔江相對，綠樹成蔭，素有武漢市“綠肺”之美名。“煙雨莽蒼蒼，龜蛇鎖大江”，描述的便是這龜蛇二山。
畫館于1999年12月建成，耗資2700萬，建筑面積l0644m2，高25．8m，為環(huán)形天壇式建筑，內(nèi)徑45m，外徑53m，詳圖1。館內(nèi)藏有巨幅赤壁大戰(zhàn)全景油畫，高l8m，周長135m，是沈陽魯迅美術(shù)學(xué)院32位知名畫家歷時五年嘔心瀝血之作，為全世界少有的藝術(shù)珍品。龜山畫館自建成以來，就在建筑學(xué)界及市民間引起廣泛爭議，一種意見是該建筑物體量太大，與龜山的優(yōu)美環(huán)境不協(xié)調(diào)，建議拆除；另一種意見是全景畫屬于不可復(fù)制的藝術(shù)珍品，拆除建筑物，肯定會損壞全景畫，不同意拆除。經(jīng)廣泛征詢意見，決定原地改造。
圖1 武漢龜山三國畫館
本工程改造成功的關(guān)鍵，是妥善解決如下問題：畫館改造后與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)性；改造方案的可實施性；改造過程中，完好地保護(hù)全景畫；控制工程改造費用。
2 改造效果
為使建筑物不影響龜山天然環(huán)境，比較一致的意見是將建筑物沉入山體?？紤]到工程費用、施工難度及實際效果等因素，下沉深度定為16m，而非整體沉入山中。在降低高度的同時，縮減建筑物體量，將畫館下部方形部分去掉，并將外圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造成幕墻。建筑外立面改造圍繞“淡、綠、透”的特點展開。圖2分別是兩條主要城市干道的視覺效果圖，與圖1相比，改造后，建筑物與周邊環(huán)境基本融于一體。
圖2 改造后在城市主干道上的視覺效果
3 改造方案綜述
本工程改造共分三部分：消減體量，建筑物下沉，外立面改造為淡綠色幕墻。其中，建筑物下沉是改造的關(guān)鍵和難點。
消減體量除為了滿足改造效果外，還可減輕重量，減少建筑物下沉的施工難度。全景畫位于中間圓形建筑物之內(nèi)，消減體量不影響全景畫。建筑物平面詳圖3，圖中陰影部分為拆除部分。
龜山畫館原建筑物剖面圖詳圖4a，下沉后建筑物的剖面圖如圖4b。
圖3 建筑物平面詳圖
圖4 建筑物改造前后的剖面圖
全景畫位于標(biāo)高4．500m之上的圓形建筑物內(nèi)，其下為工作用房和通道。在整個下沉過程中，全景畫與標(biāo)高4．500m以上的圓形建筑物始終作為一個整體緩慢下移。建筑物下沉的具體步驟為：加固標(biāo)高4．500m的樓面梁→基巖下挖17．8m(16m+1．8m操作空問) →框架柱逐步下落至開挖后的基巖面→搭設(shè)千斤頂鋼架平臺→千斤頂受力→逐步切割框架柱→逐步頂落→下落16m至-ll．500m標(biāo)高→回填超挖基巖。具體步驟如下：
3．1 截斷面樓面梁加固
結(jié)構(gòu)下沉?xí)r，框架柱的切割初始截斷面是標(biāo)高為4．500的樓面梁的下表面。下沉之前，對該樓面的框架梁進(jìn)行加固，以增加該樓層的整體剛度，保證柱子切斷后千斤頂受力時，梁的強(qiáng)度與剛度滿足要求。梁的加固原則：由框架柱受力轉(zhuǎn)為千斤頂受力時，這一改變過程所產(chǎn)生的梁的附加撓度，小于任意兩個千斤頂支點距離的l／500。每個框架柱均設(shè)置兩個千斤頂，當(dāng)一個千斤頂失效時，附加撓度仍然滿足要求。
3．2 基巖開挖和基礎(chǔ)下落
建筑物整體下沉，基礎(chǔ)要落到16m以下的巖石面上，詳圖5。原建筑物基礎(chǔ)下面的巖石為石英砂巖，巖層表面有很薄的強(qiáng)風(fēng)化層，其下為微風(fēng)化層。
基巖開挖方式經(jīng)綜合考慮造價和對建筑物的影響后，采用鉆孔松動微型爆破和無損切割相結(jié)合的方式。在框
圖5基巖開挖與基礎(chǔ)下落剖面
架柱中間部分采用微型爆破，臨近框架柱時采用無損切割。巖石堅硬，開挖難度大，但有利于施工穩(wěn)定?；鶐r開挖時，需要為操作人員和設(shè)備留出施工空間，千斤頂支撐平臺部分的基巖需要下挖17．8m，即超挖l．8m。
基礎(chǔ)的下落過程詳圖6，其步驟為：做好支撐→柱中間巖石微型爆破→柱周邊巖石采用無損切割法開挖→澆搗混凝土護(hù)壁→完成一次下落；如此循環(huán)，直到基礎(chǔ)下落到預(yù)定位置。混凝土護(hù)壁的尺寸：將巖石外包混凝土護(hù)壁后，看成是截面加大了的框架柱，進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定分析。混凝土護(hù)壁尺寸過大，則增加切割工作量，從而增加費用，小了，不滿足穩(wěn)定要求，在豎向需加多道支撐。原框架柱下巖石保留，尺寸為600×600，外包混凝土護(hù)壁厚度200，邊長1000×1000。
圖6 基礎(chǔ)下落過程
3．3 千斤頂支撐平臺
千斤頂均需支撐平臺，平臺從下部基巖搭起，一直到標(biāo)高4．500的樓層下面。平臺搭好后，應(yīng)先進(jìn)行試驗，其剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性均滿足要求時方可安裝千斤頂。
支撐平臺在建筑物的下沉過程中需要不斷地拆卸，因此支撐平臺采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)平臺，由型鋼和螺栓組裝而成。鋼支撐及千斤頂平臺的布置詳圖7。
3.4 建筑物整體下沉
根據(jù)柱軸力大小，共布置千斤頂l24個。本工程有別于建筑物的移位和頂升的地方是：本工程是“頂落”，在頂落的過程中，千斤頂回油，且是在受壓的狀態(tài)下回油。為控制頂落的過程安全順利，采取如下措施：保證千斤頂支撐平臺的剛度和強(qiáng)度；采用較大頂升能力的千斤頂，單個千斤頂?shù)淖畲箜斏Σ恍∮趌50噸，其工作時實際平均頂升力為45噸，最大頂升力為62噸，較大的頂升能力和較小的實際受力，可保證頂落過程中千斤頂?shù)姆€(wěn)定性；控制每次下沉量，每次下沉量為50mm。
建筑物頂落過程中，框架柱的柱頭切割采用盤鋸切割。
4 建筑物下沉過程中對全景畫的保護(hù)
全景畫畫布自身的柔韌性好、強(qiáng)度高，但顏料有一定脆性。經(jīng)與魯迅藝術(shù)學(xué)院材料專家聯(lián)系，下沉過程中，畫布不能受振動，吊掛點在豎向的相對位移應(yīng)小于其間距的1／200。全景畫位于截斷面以上的建筑物中，在整個下沉過程中，全景畫與建筑物一起整體下沉，二者之間沒有相對運動。設(shè)計中按照l／500控制截斷面樓層的頂升撓度，可以確保畫布吊掛點的相對位移不超過其間距的1／500，比所要求的撓度小很多。建筑物下沉由千斤頂均勻頂落，下降過程緩慢無振動。綜上兩點，在下沉過程中，全景畫不會損壞。
5 改造預(yù)計費用控制
改造預(yù)計費用影響最火的是兩部分：基巖開挖和建筑物頂落。
5．1 對基巖開挖預(yù)計費用的控制
基巖開挖初始方案為無損切割，采用繩鋸、盤鋸與鉆孔相結(jié)合的方式?；鶐r開挖量為約24000m3，單價1500元／m3，合計開挖費用約3600萬元。改用鉆孔微型爆破與無損切割相結(jié)合后，爆破量約為22000m3，切割量為2000m3。爆破單價為323元／m3，合計開挖費用為l040萬元。開挖方案優(yōu)化后，減少費用2560萬元。鉆孔微型爆破是鉆孔后，在孔內(nèi)灌入一種特殊的膨脹材料使巖石爆裂，無振動，不會影響全景畫。
5．2 柱頭無損切割預(yù)計費用的控制
建筑物在頂落的過程中，為保證千斤頂能夠安全工作，每次頂落量為50mm。整個下沉量為16m，需要切割320次。柱予數(shù)量為64根，剪力墻兩片，每切割一次的切割面積為24．36m2，若采用盤鋸切割，施l費用暫按2000元／m2計，則每切割全部柱子一次的費用約為5萬元，切割320次的費用為l600萬元。為了減少切割次數(shù)，按照如下的施工方案進(jìn)行：
(1)每次切割柱頭的高度由50mm改為500mm：
(2)為本工程特制鋼板墊塊，墊塊的大小與主截面相同，墊塊的厚度為50mm。
(3)每次切割完500mm的柱頭后，用l0塊鋼板墊塊墊上，每頂落一次，就抽掉一塊墊塊。
總的切割次數(shù)由320次減少為32次。切割費用減少到160萬元。所增加的鋼墊塊費用：鋼墊塊總用量為80噸，材料及制作費為9000元／噸，鋼墊塊的總費用為72萬元，總費用降為232萬元，比之最初的方案減少l368萬元。
鋼墊塊的采用可以大大降低施工費用、加快施工進(jìn)度、減少施工難度。但是鋼墊塊的數(shù)量并不是越多越好。若鋼墊塊過多，則墊塊受力后的穩(wěn)定性會出現(xiàn)問題，且在經(jīng)濟(jì)上也并不合算。假若每次切割下l000mm的柱頭，則共需切割l6次，切割費用80萬元，墊塊費用144萬元，合計224萬元。
5．3 總預(yù)計費用
預(yù)計總費用由如下部分組成：拆除工程100萬元；臨時工程515萬元；主體工程包括基巖開挖外運、支撐及腳手架等1380萬元；頂落工程包括柱頭切割、千斤頂頂落等1090萬元；水電費用240萬元；幕墻工程650萬元；預(yù)備費390萬元；合計4365萬元。
6 結(jié)論
通過以上分析，可以得出如下結(jié)論：
龜山畫館通過降低高度，并對外立面進(jìn)行改造，可以使畫館與龜山的優(yōu)美自然環(huán)境融于一體；
建筑物整體下沉方案可以實施，各種細(xì)節(jié)均可以通過現(xiàn)有技術(shù)手段予以實施；
在改造過程中，能夠保證全景畫不受損；
本工程改造難度很大，不同的施工方案，工程費用差別很大，通過合理選擇施工方案，可大幅降低工程費用。