温四清 叶 炜 施 浩 童 敏
(中信建筑设计研究总院有限公司，武汉430014)
摘 要：对武汉三国龟山画馆进行改造，是为了美化环境，同时又完好无损地保护画馆中的三国全景画。为达此目的，设计了多种结构改造方案，其一为建筑物整体下沉方案，该方案对画的保护程度高，但施工难度大、费用高，因所涉及到的改造技术对以后类似的结构改造具有借鉴意义，本文特予以介绍。
关键词：全景画 千斤顶 整体下沉 无损切割 支撑 位移
1概 述
武汉龟山三国画馆(以下简称画馆)位于武汉龟山之巅。龟蛇二山是文化旅游胜地，两山隔江相对，绿树成荫，素有武汉市“绿肺”之美名。“烟雨莽苍苍，龟蛇锁大江”，描述的便是这龟蛇二山。
画馆于1999年12月建成，耗资2700万，建筑面积l0644m2，高25．8m，为环形天坛式建筑，内径45m，外径53m，详图1。馆内藏有巨幅赤壁大战全景油画，高l8m，周长135m，是沈阳鲁迅美术学院32位知名画家历时五年呕心沥血之作，为全世界少有的艺术珍品。龟山画馆自建成以来，就在建筑学界及市民间引起广泛争议，一种意见是该建筑物体量太大，与龟山的优美环境不协调，建议拆除；另一种意见是全景画属于不可复制的艺术珍品，拆除建筑物，肯定会损坏全景画，不同意拆除。经广泛征询意见，决定原地改造。
图1 武汉龟山三国画馆
本工程改造成功的关键，是妥善解决如下问题：画馆改造后与周边环境的协调性；改造方案的可实施性；改造过程中，完好地保护全景画；控制工程改造费用。
2 改造效果
为使建筑物不影响龟山天然环境，比较一致的意见是将建筑物沉入山体。考虑到工程费用、施工难度及实际效果等因素，下沉深度定为16m，而非整体沉入山中。在降低高度的同时，缩减建筑物体量，将画馆下部方形部分去掉，并将外围护结构改造成幕墙。建筑外立面改造围绕“淡、绿、透”的特点展开。图2分别是两条主要城市干道的视觉效果图，与图1相比，改造后，建筑物与周边环境基本融于一体。
图2 改造后在城市主干道上的视觉效果
3 改造方案综述
本工程改造共分三部分：消减体量，建筑物下沉，外立面改造为淡绿色幕墙。其中，建筑物下沉是改造的关键和难点。
消减体量除为了满足改造效果外，还可减轻重量，减少建筑物下沉的施工难度。全景画位于中间圆形建筑物之内，消减体量不影响全景画。建筑物平面详图3，图中阴影部分为拆除部分。
龟山画馆原建筑物剖面图详图4a，下沉后建筑物的剖面图如图4b。
图3 建筑物平面详图
图4 建筑物改造前后的剖面图
全景画位于标高4．500m之上的圆形建筑物内，其下为工作用房和通道。在整个下沉过程中，全景画与标高4．500m以上的圆形建筑物始终作为一个整体缓慢下移。建筑物下沉的具体步骤为：加固标高4．500m的楼面梁→基岩下挖17．8m(16m+1．8m操作空问) →框架柱逐步下落至开挖后的基岩面→搭设千斤顶钢架平台→千斤顶受力→逐步切割框架柱→逐步顶落→下落16m至-ll．500m标高→回填超挖基岩。具体步骤如下：
3．1 截断面楼面梁加固
结构下沉时，框架柱的切割初始截断面是标高为4．500的楼面梁的下表面。下沉之前，对该楼面的框架梁进行加固，以增加该楼层的整体刚度，保证柱子切断后千斤顶受力时，梁的强度与刚度满足要求。梁的加固原则：由框架柱受力转为千斤顶受力时，这一改变过程所产生的梁的附加挠度，小于任意两个千斤顶支点距离的l／500。每个框架柱均设置两个千斤顶，当一个千斤顶失效时，附加挠度仍然满足要求。
3．2 基岩开挖和基础下落
建筑物整体下沉，基础要落到16m以下的岩石面上，详图5。原建筑物基础下面的岩石为石英砂岩，岩层表面有很薄的强风化层，其下为微风化层。
基岩开挖方式经综合考虑造价和对建筑物的影响后，采用钻孔松动微型爆破和无损切割相结合的方式。在框
图5基岩开挖与基础下落剖面
架柱中间部分采用微型爆破，临近框架柱时采用无损切割。岩石坚硬，开挖难度大，但有利于施工稳定。基岩开挖时，需要为操作人员和设备留出施工空间，千斤顶支撑平台部分的基岩需要下挖17．8m，即超挖l．8m。
基础的下落过程详图6，其步骤为：做好支撑→柱中间岩石微型爆破→柱周边岩石采用无损切割法开挖→浇捣混凝土护壁→完成一次下落；如此循环，直到基础下落到预定位置。混凝土护壁的尺寸：将岩石外包混凝土护壁后，看成是截面加大了的框架柱，进行强度和稳定分析。混凝土护壁尺寸过大，则增加切割工作量，从而增加费用，小了，不满足稳定要求，在竖向需加多道支撑。原框架柱下岩石保留，尺寸为600×600，外包混凝土护壁厚度200，边长1000×1000。
图6 基础下落过程
3．3 千斤顶支撑平台
千斤顶均需支撑平台，平台从下部基岩搭起，一直到标高4．500的楼层下面。平台搭好后，应先进行试验，其刚度、强度和稳定性均满足要求时方可安装千斤顶。
支撑平台在建筑物的下沉过程中需要不断地拆卸，因此支撑平台采用装配式钢结构平台，由型钢和螺栓组装而成。钢支撑及千斤顶平台的布置详图7。
3.4 建筑物整体下沉
根据柱轴力大小，共布置千斤顶l24个。本工程有别于建筑物的移位和顶升的地方是：本工程是“顶落”，在顶落的过程中，千斤顶回油，且是在受压的状态下回油。为控制顶落的过程安全顺利，采取如下措施：保证千斤顶支撑平台的刚度和强度；采用较大顶升能力的千斤顶，单个千斤顶的最大顶升力不小于l50吨，其工作时实际平均顶升力为45吨，最大顶升力为62吨，较大的顶升能力和较小的实际受力，可保证顶落过程中千斤顶的稳定性；控制每次下沉量，每次下沉量为50mm。
建筑物顶落过程中，框架柱的柱头切割采用盘锯切割。
4 建筑物下沉过程中对全景画的保护
全景画画布自身的柔韧性好、强度高，但颜料有一定脆性。经与鲁迅艺术学院材料专家联系，下沉过程中，画布不能受振动，吊挂点在竖向的相对位移应小于其间距的1／200。全景画位于截断面以上的建筑物中，在整个下沉过程中，全景画与建筑物一起整体下沉，二者之间没有相对运动。设计中按照l／500控制截断面楼层的顶升挠度，可以确保画布吊挂点的相对位移不超过其间距的1／500，比所要求的挠度小很多。建筑物下沉由千斤顶均匀顶落，下降过程缓慢无振动。综上两点，在下沉过程中，全景画不会损坏。
5 改造预计费用控制
改造预计费用影响最火的是两部分：基岩开挖和建筑物顶落。
5．1 对基岩开挖预计费用的控制
基岩开挖初始方案为无损切割，采用绳锯、盘锯与钻孔相结合的方式。基岩开挖量为约24000m3，单价1500元／m3，合计开挖费用约3600万元。改用钻孔微型爆破与无损切割相结合后，爆破量约为22000m3，切割量为2000m3。爆破单价为323元／m3，合计开挖费用为l040万元。开挖方案优化后，减少费用2560万元。钻孔微型爆破是钻孔后，在孔内灌入一种特殊的膨胀材料使岩石爆裂，无振动，不会影响全景画。
5．2 柱头无损切割预计费用的控制
建筑物在顶落的过程中，为保证千斤顶能够安全工作，每次顶落量为50mm。整个下沉量为16m，需要切割320次。柱予数量为64根，剪力墙两片，每切割一次的切割面积为24．36m2，若采用盘锯切割，施l费用暂按2000元／m2计，则每切割全部柱子一次的费用约为5万元，切割320次的费用为l600万元。为了减少切割次数，按照如下的施工方案进行：
(1)每次切割柱头的高度由50mm改为500mm：
(2)为本工程特制钢板垫块，垫块的大小与主截面相同，垫块的厚度为50mm。
(3)每次切割完500mm的柱头后，用l0块钢板垫块垫上，每顶落一次，就抽掉一块垫块。
总的切割次数由320次减少为32次。切割费用减少到160万元。所增加的钢垫块费用：钢垫块总用量为80吨，材料及制作费为9000元／吨，钢垫块的总费用为72万元，总费用降为232万元，比之最初的方案减少l368万元。
钢垫块的采用可以大大降低施工费用、加快施工进度、减少施工难度。但是钢垫块的数量并不是越多越好。若钢垫块过多，则垫块受力后的稳定性会出现问题，且在经济上也并不合算。假若每次切割下l000mm的柱头，则共需切割l6次，切割费用80万元，垫块费用144万元，合计224万元。
5．3 总预计费用
预计总费用由如下部分组成：拆除工程100万元；临时工程515万元；主体工程包括基岩开挖外运、支撑及脚手架等1380万元；顶落工程包括柱头切割、千斤顶顶落等1090万元；水电费用240万元；幕墙工程650万元；预备费390万元；合计4365万元。
6 结论
通过以上分析，可以得出如下结论：
龟山画馆通过降低高度，并对外立面进行改造，可以使画馆与龟山的优美自然环境融于一体；
建筑物整体下沉方案可以实施，各种细节均可以通过现有技术手段予以实施；
在改造过程中，能够保证全景画不受损；
本工程改造难度很大，不同的施工方案，工程费用差别很大，通过合理选择施工方案，可大幅降低工程费用。