Cải tạo và Gia cố Di sản Công nghiệp

Bối cảnh dự án

Xưởng vũ khí Hanyang được Trương Chi Động, Tổng đốc Hồ Quảng, thành lập; khởi công năm 1892 và bắt đầu sản xuất năm 1894. Cơ sở này sau đó đã sản xuất khoảng 1,08 triệu súng trường do Hanyang chế tạo — loại vũ khí Trung Quốc được sử dụng rộng rãi nhất trong cuộc Chiến tranh Kháng Nhật — và các tòa nhà nơi đây chính là khởi đầu vật chất của lịch sử công nghiệp hiện đại Trung Quốc.

Khu khởi nghiệp Quy Bắc (Đồi Rùa phía Bắc) hiện đang bước vào vòng cải tạo thứ hai, với tổng diện tích 108.600 m², trong đó 88.000 m² là nhà xưởng cũ. Dự án tái phát triển lấy việc đánh thức di sản công nghiệp làm nền tảng, lấy công nghiệp văn hóa và sáng tạo làm trọng tâm và du lịch văn hóa, giải trí làm chương trình hỗ trợ, với mục tiêu xây dựng một trung tâm giao lưu văn hóa quốc tế và một điểm đến du lịch văn hóa tầm cỡ thế giới. Dự án bao gồm việc bảo tồn và cải tạo 48 tòa nhà và công trình di sản công nghiệp, theo nguyên tắc mỗi nhà một thiết kế, sửa cái cũ theo đúng nguyên trạng, phục hồi đặc trưng gốc và bổ sung tiện nghi một cách tiết chế.

Về kết cấu, khu đất không phải một loại công trình duy nhất mà là sự tích tụ của một thế kỷ xây dựng công nghiệp. Các nhà xưởng trong ảnh là những gian khẩu độ lớn với cột bê tông đỡ dầm vòng và dầm sàn, tường gạch chèn giữa các cột, và kèo mái thép tán ri-vê hoặc hàn vượt hết chiều rộng gian xưởng mà không có gối tựa trung gian. Sàn mái và các kết cấu cửa trời nằm trên kèo, còn móng là móng nông đúng thời kỳ đó.

Hiện trạng trước khi gia cố là điển hình của một cơ sở sản xuất bị bỏ hoang lâu năm. Tường gạch chèn bị nứt và bong tróc, kèo thép và các liên kết bị ăn mòn xuyên qua lớp sơn, tấm mái vỡ để ánh sáng lọt vào xưởng, và gạch đá vụn nằm rải rác khắp sàn. Cả vỏ bao che và kết cấu đều cần sửa chữa, và công việc phải triển khai trong một công viên vẫn đang có người thuê, có sự kiện trực tiếp và mở cửa cho công chúng.

Các vấn đề

• Hệ kết cấu hỗn hợp và không đồng đều. Một khu đất được xây dựng qua hơn một thế kỷ chứa tường gạch, khung bê tông cốt thép, kèo thép của nhiều thế hệ và phần chèn bổ sung sau này; không một dạng kết cấu nào có thể áp dụng cho cả 48 tòa nhà. Mỗi kết cấu phải được đánh giá theo đúng đặc điểm của nó.

• Các gian xưởng khẩu độ lớn, không có cột trung gian. Một kèo thép vượt hết chiều rộng xưởng đỡ mái và, trong một gian đã cải tạo, đỡ cả hoạt tải và tải thiết bị mới của studio, sân khấu, phòng trưng bày và không gian tụ họp công cộng. Các cột bên dưới đỡ kèo và dầm sàn, và nhu cầu lực dọc trục của chúng tích lũy suốt chiều cao công trình. Trong hệ này, thiếu hụt ở một cột hay một kèo không phải là vấn đề cục bộ, vì không có đường truyền thứ hai cho tải trọng đó.

• Ràng buộc di sản đã loại bỏ phản xạ đầu tiên thông thường. Giá trị của những tòa nhà này nằm ở chỗ chúng là kết cấu nguyên bản. Tăng chiều dày bê tông làm thay đổi tỷ lệ cấu kiện và để lại thay đổi vĩnh viễn trên kết cấu lịch sử; bọc thép toàn phần cho kèo cũng bao bọc phần thép gốc trong một lồng thép mới và gây hậu quả tương tự. Cả hai đều không thể dung hòa với một tòa nhà mà ý nghĩa nằm ở tính nguyên bản, và cả hai đều không thể đảo ngược.

• Trọng lượng, chiều cao thông thủy và móng là những giới hạn cứng. Móng hiện hữu được thiết kế cho tải công nghiệp nguyên thủy và bản thân cũng là công trình lịch sử, nên không thể mở rộng mà không có rủi ro khảo cổ. Đồng thời, chiều cao thông thủy dưới sàn không thể giảm, vì chiều cao đó chính là thể tích nội thất mà toàn bộ chương trình văn hóa và du lịch dựa vào. Mọi hệ gia cố đều phải tăng khả năng chịu lực trong khi tiêu thụ ít nhất ngân sách trọng lượng và chiều cao, và ở đâu không thể tránh khỏi trọng lượng thì phải chịu và kiểm tra trọng lượng đó.

Chiến lược gia cố

• Vải polymer cốt sợi carbon, dán lên sàn

Sàn bê tông hiện hữu đã được đánh giá và cho thấy thiếu khả năng chịu uốn và chịu cắt cần thiết cho công năng mới. Lớp mặt trên lịch sử mỏng, có chỗ bị carbonat hóa và bong lớp, chiều cao làm việc của sàn nhỏ, và hoạt tải cùng tải vách ngăn bổ sung của việc cải tạo đã dùng hết phần dự trữ còn lại.

Vải sợi carbon được dán lên sàn cho công việc này, với các dải dán ở mặt chịu kéo phía dưới kết cấu sàn và các dải bổ sung tại gối để chịu cắt. Vì dải chỉ dày 0,111 đến 0,333 mm tùy cấp, một dải hầu như không thêm trọng lượng và không thêm chiều dày. Đây là đặc tính quyết định ở công trình này. Một tấm thép dán vào đáy sàn sẽ thêm trọng lượng thực sự cho hệ sàn và tường vốn đã chịu tải lịch sử, và sẽ lấy đi chiều cao thông thủy của mọi căn phòng bên dưới — ở khu đất này, đó chính là không gian mà toàn bộ chương trình phụ thuộc vào.

Công việc được thực hiện trên cao từ các giàn tiếp cận di động, với bề mặt nền được xử lý và các dải được lăn vào keo ướt từ bên dưới. Đáy của một sàn lịch sử là bề mặt dễ bị bỏ mặc bụi bẩn và gồ ghề nhất, và chất lượng liên kết ở đây hoàn toàn phụ thuộc vào bề mặt đó.

• Dán tấm thép, áp dụng cho dầm và kèo thép mái

Dán tấm thép được dùng cho hai cấu kiện chịu nhu cầu lớn nhất và hư hỏng nặng nhất.

Dầm. Dầm vòng và dầm tại các trục cột thiếu khả năng chịu uốn và độ cứng dưới tải trọng mới. Tấm thép được dán vào mặt chịu kéo bằng epoxy kết cấu, tạo thành tiết diện liên hợp thép-bê tông. Tấm thép truyền lực trên một đơn vị diện tích lớn hơn nhiều so với sợi, và mô đun đàn hồi cao của nó làm tăng độ cứng của cấu kiện; điều này quan trọng ở đây vì vách ngăn mới và nhịp dài của các gian đã cải tạo khiến độ võng — chứ không chỉ cường độ — trở thành vấn đề điều kiện sử dụng.

Kèo thép mái. Kèo là những cấu kiện bị ảnh hưởng nặng nhất tại khu đất. Một thế kỷ phơi nhiễm và bảo trì không đầy đủ đã gây mất tiết diện ở thanh cánh và thanh bụng, cùng ăn mòn nghiêm trọng tại các nút — nơi nhu cầu cao nhất và chi tiết gốc dễ tổn thương nhất. Tấm thép được dán vào các cấu kiện chịu ứng suất cao và vào vùng liên kết, phục hồi khả năng chịu lực đã mất do ăn mòn và bổ sung khả năng cần thiết cho công năng cải tạo. Tấm dán vào cấu kiện thép còn làm việc như gia cường cục bộ cho phần tiết diện bị mất — một vai trò mà không hệ sợi dán bề mặt nào có thể đảm nhận.

Phương pháp này mang theo những ràng buộc riêng, và chúng là một phần của thiết kế. Tấm thép lộ rõ trên cấu kiện và làm thay đổi diện mạo của kết cấu lịch sử, nên chỉ được dùng ở nơi nhu cầu kết cấu đủ cao để biện minh và ở nơi cách đọc di sản của cấu kiện đó có thể chấp nhận. Tấm thép cần cả bảo vệ chống ăn mòn và bảo vệ chống cháy, và keo dán nó mất cường độ nhanh theo nhiệt độ.

• Bọc thép, áp dụng cho cột

Cột là những cấu kiện cần mức tăng lớn nhất và đã nhận can thiệp nhiều nhất.

Một lớp vỏ được dựng quanh mỗi cột: thép góc đặt ở bốn góc của khối bê tông hiện hữu, liên kết với nhau bằng thanh hoặc bản ngang theo từng khoảng, và khe giữa thép với bê tông gốc được chèn vữa không co hoặc bê tông phun. Lớp vỏ tác dụng theo ba cách cùng lúc. Thép góc và vữa chèn làm tăng khả năng chịu lực dọc trục của tiết diện, điều quan trọng khi cột chịu sự tích tụ tải sàn và mái ngày càng tăng. Lồng thép liên tục bó lõi bê tông, làm tăng cường độ chịu nén và khả năng biến dạng của cột, và quan trọng hơn, biến một cấu kiện giòn, bó kém thành cấu kiện có thể phát triển biến dạng dẻo dưới tác động động đất. Lớp vỏ cũng tăng khả năng chịu cắt của cột và, tại các vùng nút, tăng cường liên kết với dầm.

Bọc thép là lựa chọn đúng cho cột vì nhu cầu không chỉ là cường độ mà còn là sự bó và độ dẻo dai, và vì lượng thép bổ sung phải liên tục suốt chiều cao cấu kiện. Một hệ sợi dán có thể tăng sự bó, nhưng sẽ cần nhiều lớp để đạt khả năng chịu lực dọc trục yêu cầu, trong khi mức tăng tiết diện nhờ lồng thép ở các góc hiệu quả hơn nhiều về khối lượng thép và không gian chiếm chỗ.

Bảo vệ chống cháy và chống ăn mòn

Sau khi gia cố hoàn tất, toàn bộ hệ được phủ lớp bảo vệ. Lớp phun chống cháy và chống ăn mòn được thi công trên các hệ dán, các lớp vỏ bọc và phần kết cấu thép, phục vụ ba mục đích cùng lúc. Nó bảo vệ epoxy trong cả hai hệ dán — loại vật liệu không chịu lửa và không được để lộ. Nó bảo vệ tấm thép dán và thép bọc khỏi ăn mòn. Và nó phục hồi một bề mặt liên tục, màu sáng trên kèo và các cấu kiện đã gia cố, nhờ đó các gian xưởng được cải tạo vẫn được cảm nhận như một nội thất công nghiệp nhất quán thay vì một mớ các mảng sửa chữa chắp vá.

Kết luận

Công trình cải tạo Xưởng vũ khí Hanyang là trường hợp bài toán kết cấu và bài toán bảo tồn phải được giải quyết cùng nhau. Một kho công trình công nghiệp trăm năm tuổi với các hệ kết cấu hỗn hợp, các gian khẩu độ lớn không có dự phòng, yêu cầu nghiêm ngặt phải sửa cái cũ theo đúng nguyên trạng, cùng móng và chiều cao thông thủy không thể hy sinh: mỗi điều kiện riêng lẻ đã đủ thu hẹp lựa chọn phương pháp. Kết hợp lại, chúng biến sự phối hợp ba hệ thống thành con đường thực tiễn để gia cố trọn vẹn 88.000 m² di sản công nghiệp: vải sợi carbon đảm nhận phần việc trên sàn — nơi không thể tiêu vào trọng lượng và chiều cao; tấm thép dán đảm nhận phần việc trên dầm và kèo mái đã ăn mòn — nơi khả năng chịu lực và độ cứng là nhu cầu chi phối; và lớp bọc thép mang lại cho cột khả năng chịu lực dọc trục cùng sự bó mà đường truyền tải chính yêu cầu; tất cả được khép lại bằng một lớp phủ bảo vệ phun duy nhất để gian xưởng sau cải tạo vẫn được cảm nhận như một nội thất công nghiệp.

Bài học rộng hơn cho việc cải tạo di sản là không có một phương pháp gia cố tốt nhất duy nhất. Chỉ có phương pháp đúng cho từng cấu kiện, được chọn dựa trên nhu cầu thực tế, ý nghĩa di sản và các ràng buộc của khu đất nơi nó đứng.