Реконструкция и усиление промышленного наследия

Предыстория проекта

Арсенал Ханьян основан Чжан Чжидуном, генерал-губернатором Хугуана; строительство началось в 1892 году, производство — в 1894-м. Впоследствии здесь выпустили около 1,08 млн винтовок ханьянского производства — самого распространённого китайского оружия войны Сопротивления, а сами здания стали физическим началом истории современной промышленности Китая.

Район стартапов Гуйбэй (Северный холм Черепахи) переживает второй этап обновления: всего 108 600 м², из которых 88 000 м² — старые заводские корпуса. В основе редевелопмента — активация промышленного наследия, ядро — культурные и креативные индустрии, поддерживающая программа — культурный туризм и рекреация; заявленная цель — создать международный центр культурного обмена и культурно-туристическое направление мирового уровня. Проект охватывает сохранение и реставрацию 48 зданий и сооружений промышленного наследия по принципам: отдельный проект для каждого здания, ремонт старого как старого, возвращение исходного характера и умеренное добавление инженерных удобств.

С конструктивной точки зрения площадка — не один тип здания, а накопление века промышленного строительства. Цеха на фотографиях — большепролётные здания: бетонные колонны несут обвязочные балки и балки перекрытия, между колоннами — кирпичное заполнение, а стальные фермы покрытия, клёпаные или сварные, перекрывают всю ширину цеха без промежуточных опор. Настил покрытия и световые надстройки опираются на фермы, фундаменты неглубокие и соответствуют той эпохе.

Состояние до усиления типично для давно заброшенного производства. Кирпичные стены были треснуты и выкрошены, стальные фермы и их соединения прокорродировали насквозь через окрасочный слой, панели покрытия были разбиты и пропускали дневной свет, а пол был завален мусором и обломками. Работы требовали и ограждающие конструкции, и несущий каркас, причём вести их приходилось в парке, где оставались арендаторы, шли живые мероприятия и был открыт доступ публики.

Проблемы

• Конструктивные системы смешанные и неравномерные. Площадка, застраивавшаяся более века, включает кирпичную кладку, железобетонные каркасы, стальные фермы нескольких поколений и позднее заполнение; единую типологию нельзя применить к 48 зданиям. Каждое сооружение приходилось оценивать по его собственным условиям.

• Цеха большепролётные, без промежуточных колонн. Стальная ферма, перекрывающая всю ширину цеха, несёт покрытие, а в переоборудованном цехе — ещё и новые временные нагрузки и нагрузки от оборудования студий, сцен, галерей и общественных пространств. Колонны под ней несут фермы и балки перекрытия, и их осевая нагрузка накапливается по всей высоте здания. В такой системе дефицит в одной колонне или одной ферме не является локальной проблемой, потому что второго пути для этой нагрузки нет.

• Ограничение по наследию исключило обычный первый рефлекс. Ценность этих зданий в том, что они являются подлинными конструкциями. Утолщённое бетонное сечение меняет пропорции элемента и оставляет необратимое изменение исторической ткани, а полная стальная обойма ферм заключает подлинную стальную работу в новую стальную клетку и даёт тот же эффект. Ни то, ни другое не согласовывалось со зданием, смысл которого — подлинность, и ни то, ни другое не было обратимым.

• Вес, свободная высота и фундаменты были жёсткими пределами. Существующие фундаменты рассчитаны на исходные промышленные нагрузки и сами являются исторической конструкцией, поэтому их нельзя было увеличить без археологического риска. Одновременно нельзя было уменьшить свободную высоту под перекрытиями, потому что эта высота — внутренний объём, на котором построена вся культурно-туристическая программа. Любая система усиления должна была добавить несущую способность, израсходовав как можно меньше бюджета веса и высоты, а там, где вес был неизбежен, его следовало воспринять и проверить.

Стратегия усиления

• Углеродная ткань, армированная полимером, наклеена на плиты перекрытия

Существующие бетонные плиты перекрытия были обследованы, и выяснилось, что им не хватает изгибной и поперечной прочности для нового использования. Историческая стяжка была тонкой, местами карбонизированной и отслоившейся, рабочая высота плиты — малой, а добавленные при переоборудовании временные нагрузки и нагрузки от перегородок исчерпали оставшийся запас.

В этих работах к плитам приклеивали углеродную ткань: полосы на растянутой грани по низу конструкции перекрытия и дополнительные полосы на опорах для восприятия сдвига. Поскольку полосы имеют толщину от 0,111 до 0,333 мм в зависимости от класса, одна полоса практически не добавляет ни веса, ни толщины. Именно это свойство стало решающим. Приклеенная стальная пластина по низу плиты добавила бы реальный вес системе плиты и стен, уже несущей исторические нагрузки, и отняла бы свободную высоту у каждого помещения внизу — а на этой площадке именно от неё зависит вся программа.

Работы велись сверху с передвижных подмостей: основание готовили, а полосы прикатывали в свежий клей снизу. Низ исторической плиты — поверхность, наиболее склонная оставаться пыльной и неровной, и качество сцепления здесь зависит от неё полностью.

• Приклейка стальных пластин — на балки и стальные фермы покрытия

Приклейку стальных пластин применили на двух элементах, несших наибольшую нагрузку и наибольшее повреждение.

Балки. Обвязочные балки и балки по осям колонн имели недостаточную изгибную прочность и жёсткость при новом загружении. К их растянутым граням на конструкционном эпоксиде приклеили стальную пластину, образовав композитное сечение «сталь–бетон». Стальная пластина передаёт на единицу площади гораздо больше усилия, чем волокно, а её высокий модуль повышает жёсткость элемента, что здесь важно: новые перегородки и большие пролёты переоборудованных цехов делают прогиб — а не только прочность — вопросом эксплуатационной пригодности.

Стальные фермы покрытия. Фермы были наиболее пострадавшими элементами площадки. Век эксплуатации и неполное обслуживание привели к потере сечения поясов и стержней решётки и к сильной коррозии в узлах, где нагрузка максимальна, а исходное решение наиболее уязвимо. Стальные пластины приклеили к сильно нагруженным элементам и к зонам соединений, восстановив несущую способность, потерянную из-за коррозии, и добавив способность, необходимую для нового использования. Пластина, приклеенная к стальному элементу, работает и как локальное усиление утраченного сечения — роль, которую не может выполнить ни одна система поверхностно приклеенных волокон.

У метода есть собственные обязательства, и они были частью проекта. Стальная пластина видна на элементе и меняет облик исторической ткани, поэтому её применяли только там, где конструктивная потребность была достаточно высока для оправдания, и там, где восприятие наследия этого элемента могло это принять. Пластина требует и антикоррозионной, и огнезащиты, а клей, которым она закреплена, быстро теряет прочность с ростом температуры.

• Стальная обойма — на колонны

Колонны были элементами, требовавшими наибольшего прироста, и получили наиболее существенное вмешательство.

Вокруг каждой колонны устроили обойму: стальные уголки по четырём углам существующего бетона, связанные между собой горизонтальными планками или пластинами с шагом, а зазор между сталью и исходным бетоном заполнили безусадочным раствором или торкрет-бетоном. Обойма работает тремя способами одновременно. Уголки и заполнение раствором добавляют осевую способность сечению, что важно там, где колонна несёт растущее накопление нагрузок от перекрытий и покрытия. Непрерывная стальная клетка обжимает бетонное ядро, повышая прочность на сжатие и деформационную способность колонны и, что важнее, превращая хрупкий, слабо обжатый элемент в такой, который способен развивать пластическую деформацию при сейсмическом воздействии. Обойма также повышает поперечную способность колонны и в зонах узлов усиливает связь с балками.

Обойма была правильным выбором для колонн, потому что требовалась не только прочность, но и обжатие с пластичностью, и потому что добавленная сталь должна быть непрерывной по всей высоте элемента. Приклеенная волоконная система могла бы добавить обжатие, но для достижения требуемой осевой способности понадобилось бы много слоёв, тогда как прирост сечения от стальной клетки по углам гораздо эффективнее и по массе стали, и по занимаемому пространству.

Огнезащита и антикоррозионная защита

После завершения усиления всю систему покрыли защитой. Напыляемую огне- и антикоррозионную защиту нанесли по приклеенным системам, обоймам и стальным конструкциям, и она служит трём целям сразу. Она защищает эпоксид в обеих приклеенных системах — он не огнестоек и не должен быть открыт. Она защищает от коррозии приклеенную стальную пластину и сталь обойм. И она возвращает непрерывную светлую поверхность над фермами и усиленными элементами, что позволяет обновлённым цехам читаться как цельный промышленный интерьер, а не как лоскутное одеяло ремонтов.

В заключение

Реконструкция Арсенала Ханьян — случай, где конструктивную и охранную задачу пришлось решать вместе. Вековой фонд промышленных зданий со смешанными системами, большепролётные цеха без резервирования, жёсткое требование ремонтировать старое как старое, а также фундаменты и свободные высоты, которыми нельзя пожертвовать: каждый из этих факторов по отдельности сузил бы выбор метода. Вместе они сделали сочетание трёх систем практическим путём к полному усилению 88 000 м² промышленного наследия: углеродная ткань взяла на себя работу по плитам перекрытия, где нельзя расходовать вес и высоту; приклеенные стальные пластины — работу по балкам и прокорродировавшим фермам покрытия, где определяющими были способность и жёсткость; а стальная обойма дала колоннам осевую способность и обжатие, которых требовал основной путь нагрузки, — и всё это закрыто единым напыляемым защитным покрытием, чтобы обновлённый цех по-прежнему читался как промышленный интерьер.

Более широкий урок для реконструкции наследия состоит в том, что не существует единственного лучшего метода усиления. Есть только правильный метод для каждого элемента, выбранный исходя из его фактической нагрузки, его ценности как наследия и ограничений площадки, на которой он стоит.