การปรับปรุงและเสริมกำลังมรดกอุตสาหกรรม

ความเป็นมาโครงการ

คลังแสงหานยาง (Hanyang Arsenal) ก่อตั้งโดยจาง จือต้ง ข้าหลวงใหญ่แห่งหูกวาง เริ่มก่อสร้างในปี 1892 และเริ่มผลิตในปี 1894 ต่อมาโรงงานแห่งนี้ผลิตปืนไรเฟิลหานยางได้ราว 1.08 ล้านกระบอก ซึ่งเป็นอาวุธจีนที่ถูกใช้มากที่สุดในสงครามต่อต้าน และอาคารต่าง ๆ ที่นี่คือจุดเริ่มต้นทางกายภาพของประวัติศาสตร์อุตสาหกรรมสมัยใหม่ของจีน

ย่านก่อตั้งกุยเป่ย (เนินเต่าทิศเหนือ) กำลังเข้าสู่การฟื้นฟูรอบที่สอง ครอบคลุมพื้นที่รวม 108,600 ตร.ม. โดย 88,000 ตร.ม. เป็นอาคารโรงงานเก่า การพัฒนาใหม่ยึดการปลุกชีพมรดกอุตสาหกรรมเป็นรากฐาน มีอุตสาหกรรมวัฒนธรรมและสร้างสรรค์เป็นแกนกลาง และการท่องเที่ยวเชิงวัฒนธรรมและนันทนาการเป็นโครงการสนับสนุน โดยมีเป้าหมายจัดตั้งศูนย์แลกเปลี่ยนวัฒนธรรมระดับนานาชาติและแหล่งท่องเที่ยวเชิงวัฒนธรรมระดับโลก โครงการครอบคลุมการอนุรักษ์และปรับปรุงอาคารและโครงสร้างมรดกอุตสาหกรรม 48 หลัง ภายใต้หลักการออกแบบหนึ่งหลังต่อหนึ่งอาคาร ซ่อมของเก่าให้คงสภาพเดิม คืนลักษณะดั้งเดิม และเพิ่มสิ่งอำนวยความสะดวกอย่างพอเหมาะ

ในเชิงโครงสร้าง พื้นที่นี้ไม่ใช่อาคารประเภทเดียว แต่คือการสะสมของการก่อสร้างอุตสาหกรรมตลอดหนึ่งศตวรรษ โรงงานในภาพเป็นอาคารช่วงกว้างขนาดใหญ่ มีเสาคอนกรีตรับคานวงแหวนและคานพื้น มีผนังก่ออิฐเป็นผนังเติมระหว่างเสา และโครงหลังคาเหล็กที่ยึดด้วยหมุดย้ำหรือเชื่อม พาดช่วงความกว้างทั้งหมดของโรงโดยไม่มีเสากลาง แผ่นหลังคาและโครงสร้างช่องรับแสงอยู่เหนือโครงหลังคา และฐานรากเป็นแบบตื้นตามยุคสมัย

สภาพก่อนการเสริมกำลังเป็นแบบฉบับของโรงงานที่ถูกทิ้งร้างมานาน ผนังก่ออิฐแตกร้าวและหลุดร่อน โครงเหล็กและการเชื่อมต่อผุกร่อนทะลุชั้นสี แผ่นหลังคาแตกทำให้แสงส่องเข้าสู่โรง และมีเศษวัสดุกระจัดกระจายทั่วพื้น ทั้งเปลือกอาคารและโครงสร้างต้องได้รับการซ่อมแซม และงานต้องดำเนินการในสวนสาธารณะที่ยังมีผู้เช่า มีกิจกรรมสด และเปิดให้ประชาชนเข้าชม

ปัญหา

• ระบบโครงสร้างมีความหลากหลายและไม่สม่ำเสมอ พื้นที่ที่ก่อสร้างมากว่าหนึ่งศตวรรษประกอบด้วยผนังก่ออิฐ โครงคอนกรีตเสริมเหล็ก โครงเหล็กหลายรุ่น และผนังเติมที่เพิ่มภายหลัง จึงไม่มีรูปแบบเดียวที่ใช้ได้กับอาคารทั้ง 48 หลัง แต่ละโครงสร้างต้องประเมินตามเงื่อนไขของตนเอง

• โรงมีช่วงกว้างโดยไม่มีเสากลาง โครงเหล็กที่พาดช่วงความกว้างโรงทั้งหมดรับหลังคา และในโรงที่ดัดแปลงแล้วยังรับน้ำหนักบรรทุกจรและน้ำหนักเครื่องจักรใหม่ของสตูดิโอ เวที แกลเลอรี และพื้นที่ชุมนุมสาธารณะ เสาใต้โครงรับทั้งโครงหลังคาและคานพื้น และแรงตามแนวแกนสะสมตลอดความสูงอาคาร ในระบบนี้ การบกพร่องที่เสาต้นเดียวหรือโครงเดียวไม่ใช่ปัญหาเฉพาะจุด เพราะไม่มีเส้นทางที่สองสำหรับน้ำหนักนั้น

• ข้อจำกัดด้านมรดกตัดวิธีคิดแบบเดิมออกไป คุณค่าของอาคารเหล่านี้อยู่ที่ความเป็นโครงสร้างดั้งเดิม การเพิ่มความหนาของคอนกรีตเปลี่ยนสัดส่วนของชิ้นส่วนและทิ้งการเปลี่ยนแปลงถาวรไว้บนเนื้ออาคารทางประวัติศาสตร์ และการหุ้มเหล็กเต็มรูปแบบบนโครงหลังคาก็ห่อหุ้มงานเหล็กดั้งเดิมไว้ในกรงเหล็กใหม่และให้ผลเช่นเดียวกัน ทั้งสองวิธีไม่อาจสอดคล้องกับอาคารที่คุณค่าคือความดั้งเดิม และทั้งสองวิธีไม่สามารถย้อนกลับได้

• น้ำหนัก ความสูงสุทธิ และฐานรากเป็นขีดจำกัดที่เข้มงวด ฐานรากเดิมออกแบบสำหรับน้ำหนักอุตสาหกรรมดั้งเดิมและตัวมันเองก็เป็นงานก่อสร้างทางประวัติศาสตร์ จึงไม่สามารถขยายได้โดยไม่เสี่ยงต่อโบราณคดี ในขณะเดียวกัน ความสูงสุทธิใต้แผ่นพื้นลดลงไม่ได้ เพราะความสูงนั้นคือปริมาตรภายในที่โครงการวัฒนธรรมและการท่องเที่ยวทั้งหมดตั้งอยู่ ระบบเสริมกำลังใด ๆ ต้องเพิ่มกำลังโดยใช้ทรัพยากรน้ำหนักและความสูงให้น้อยที่สุด และที่ใดหลีกเลี่ยงน้ำหนักไม่ได้ ก็ต้องรับน้ำหนักนั้นและตรวจสอบ

กลยุทธ์การเสริมกำลัง

• ผ้าโพลิเมอร์เสริมเส้นใยคาร์บอน ใช้กับแผ่นพื้น

แผ่นพื้นคอนกรีตเดิมได้รับการประเมินและพบว่ามีกำลังรับแรงดัดและแรงเฉือนไม่พอสำหรับการใช้งานใหม่ ชั้นผิวเดิมบางและบางแห่งเกิดคาร์บอเนชันและหลุดล่อน ความลึกประสิทธิผลของแผ่นพื้นมีน้อย และน้ำหนักบรรทุกจรและน้ำหนักผนังกั้นที่เพิ่มจากการดัดแปลงใช้ส่วนเผื่อที่เหลือจนหมด

งานนี้ใช้ผ้าคาร์บอนไฟเบอร์ติดกับแผ่นพื้น โดยติดแถบที่ผิวรับแรงดึงใต้ท้องโครงสร้างพื้น และติดแถบเพิ่มที่บริเวณจุดรองรับเพื่อรับแรงเฉือน เนื่องจากแถบมีความหนา 0.111 ถึง 0.333 มม. ตามเกรด แถบหนึ่งจึงไม่เพิ่มน้ำหนักและไม่เพิ่มความหนาอย่างมีนัยสำคัญ นี่คือคุณสมบัติที่เป็นตัวชี้ขาดในที่นี้ การติดแผ่นเหล็กใต้ท้องแผ่นพื้นจะเพิ่มน้ำหนักจริงให้ระบบแผ่นพื้นและผนังที่รับน้ำหนักทางประวัติศาสตร์อยู่แล้ว และจะลดความสูงสุทธิของทุกห้องใต้ลงไป ซึ่งในพื้นที่นี้คือพื้นที่ที่โครงการทั้งหมดต้องพึ่งพา

งานดำเนินการเหนือศีรษะจากแท่นเข้าถึงแบบเคลื่อนที่ โดยเตรียมพื้นผิวและกลิ้งแถบลงในกาวเปียกจากด้านล่าง ท้องแผ่นพื้นที่เป็นมรดกทางประวัติศาสตร์เป็นผิวที่มีแนวโน้มถูกทิ้งให้มีฝุ่นและไม่เรียบที่สุด และคุณภาพของการยึดเกาะที่นี่ขึ้นอยู่กับผิวนั้นทั้งหมด

• การติดแผ่นเหล็ก ใช้กับคานและโครงหลังคาเหล็ก

การติดแผ่นเหล็กใช้กับชิ้นส่วนสองประเภทที่รับความต้องการและความเสื่อมสภาพมากที่สุด

คาน คานวงแหวนและคานที่แนวเสามีกำลังรับแรงดัดและความแข็งแกร่งไม่พอภายใต้น้ำหนักแบบใหม่ จึงติดแผ่นเหล็กที่ผิวรับแรงดึงด้วยอีพอกซีเชิงโครงสร้าง เกิดเป็นหน้าตัดร่วมเหล็ก-คอนกรีต แผ่นเหล็กรับแรงต่อหน่วยพื้นที่ได้มากกว่าเส้นใยมาก และโมดูลัสสูงช่วยเพิ่มความแข็งแกร่งของชิ้นส่วน ซึ่งสำคัญในที่นี้เพราะผนังกั้นใหม่และช่วงพาดยาวของโรงที่ดัดแปลงทำให้การโก่งตัว ไม่ใช่เพียงกำลัง กลายเป็นประเด็นการใช้งาน

โครงหลังคาเหล็ก โครงเหล่านี้เป็นชิ้นส่วนที่ได้รับผลกระทบหนักที่สุดในพื้นที่ การสัมผัสสภาพแวดล้อมหนึ่งศตวรรษและการบำรุงรักษาที่ไม่ครบถ้วนทำให้เกิดการสูญเสียหน้าตัดในชิ้นส่วนบน ชิ้นส่วนล่าง และชิ้นส่วนเอียง และเกิดการผุกร่อนอย่างรุนแรงที่จุดต่อซึ่งความต้องการสูงสุดและรายละเอียดดั้งเดิมเปราะบางที่สุด จึงติดแผ่นเหล็กที่ชิ้นส่วนรับแรงสูงและบริเวณจุดเชื่อมต่อ เพื่อคืนกำลังที่สูญเสียจากการผุกร่อนและเพิ่มกำลังที่ต้องใช้สำหรับการใช้งานใหม่ แผ่นเหล็กที่ติดกับชิ้นส่วนเหล็กยังทำหน้าที่เป็นกำลังเสริมเฉพาะจุดของหน้าตัดที่สูญเสียไป ซึ่งเป็นบทบาทที่ระบบเส้นใยติดผิวไม่สามารถทำได้

วิธีการนี้มีข้อผูกพันของตัวเอง และสิ่งเหล่านั้นเป็นส่วนหนึ่งของการออกแบบ แผ่นเหล็กมองเห็นได้บนชิ้นส่วนและเปลี่ยนรูปลักษณ์ของเนื้ออาคารทางประวัติศาสตร์ จึงใช้เฉพาะที่ความต้องการทางโครงสร้างสูงพอจะรับได้และที่การอ่านคุณค่าทางมรดกของชิ้นส่วนนั้นยอมรับได้ แผ่นเหล็กต้องได้รับการป้องกันการผุกร่อนและการป้องกันอัคคีภัย และกาวที่ยึดแผ่นสูญเสียกำลังอย่างรวดเร็วเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น

• การหุ้มด้วยเหล็ก ใช้กับเสา

เสาเป็นชิ้นส่วนที่ต้องการกำลังเพิ่มมากที่สุด และได้รับการเสริมที่มากที่สุด

มีการสร้างเปลือกหุ้มรอบเสาแต่ละต้น: เหล็กฉากวางที่มุมทั้งสี่ของคอนกรีตเดิม ยึดเข้าด้วยกันด้วยเหล็กเส้นหรือแผ่นในระยะห่างสม่ำเสมอ และช่องว่างระหว่างเหล็กกับคอนกรีตเดิมเติมด้วยกราวต์ไม่หดตัวหรือคอนกรีตพ่น เปลือกหุ้มทำงานสามอย่างพร้อมกัน เหล็กฉากและกราวต์เติมเพิ่มกำลังตามแนวแกนของหน้าตัด ซึ่งสำคัญเมื่อเสารับน้ำหนักพื้นและหลังคาที่สะสมเพิ่มขึ้น กรงเหล็กต่อเนื่องโอบรัดคอนกรีตแกนใน ทำให้กำลังรับแรงอัดและความสามารถในการรับความเครียดของเสาสูงขึ้น และที่สำคัญกว่าคือเปลี่ยนชิ้นส่วนที่เปราะและถูกโอบรัดไม่ดีให้เป็นชิ้นส่วนที่เกิดการเปลี่ยนรูปแบบเหนียวได้ภายใต้แรงแผ่นดินไหว เปลือกหุ้มยังเพิ่มกำลังรับแรงเฉือนของเสา และในบริเวณจุดต่อยังเสริมการเชื่อมต่อกับคาน

การหุ้มด้วยเหล็กเป็นทางเลือกที่เหมาะสมสำหรับเสา เพราะความต้องการไม่ใช่เพียงกำลัง แต่รวมถึงการโอบรัดและความเหนียว และเพราะเหล็กที่เพิ่มต้องต่อเนื่องตลอดความสูงของชิ้นส่วน ระบบเส้นใยติดผิวสามารถเพิ่มการโอบรัดได้ แต่ต้องใช้หลายชั้นเพื่อให้ได้กำลังตามแนวแกนที่ต้องการ ขณะที่การเพิ่มหน้าตัดจากกรงเหล็กที่มุมมีประสิทธิภาพกว่ามากทั้งในแง่ปริมาณเหล็กและพื้นที่ที่ใช้

การป้องกันอัคคีภัยและการผุกร่อน

หลังการเสริมกำลังเสร็จ ทั้งระบบได้รับการเคลือบ มีการพ่นสารป้องกันอัคคีภัยและการผุกร่อนทับระบบที่ติดกาว เปลือกหุ้ม และงานเหล็ก ซึ่งให้ประโยชน์สามประการพร้อมกัน ปกป้องอีพอกซีในระบบติดกาวทั้งสองระบบซึ่งไม่ทนไฟและต้องไม่เปิดเผย ปกป้องแผ่นเหล็กที่ติดและเหล็กหุ้มจากการผุกร่อน และคืนผิวเรียบต่อเนื่องสีอ่อนเหนือโครงหลังคาและชิ้นส่วนที่เสริม ซึ่งทำให้โรงที่ปรับปรุงแล้วอ่านเป็นพื้นที่ภายในแบบอุตสาหกรรมที่สอดคล้องกัน ไม่ใช่การปะซ่อมแบบต่อเติม

บทสรุป

การปรับปรุงคลังแสงหานยางเป็นกรณีที่ปัญหาทางโครงสร้างและปัญหาการอนุรักษ์ต้องแก้ไขไปพร้อมกัน อาคารอุตสาหกรรมอายุหนึ่งศตวรรษที่มีระบบผสม โรงช่วงกว้างที่ไม่มีเส้นทางสำรอง ข้อกำหนดเข้มงวดให้ซ่อมของเก่าให้คงสภาพเดิม และฐานรากกับความสูงสุทธิที่ไม่สามารถเสียสละได้ แต่ละข้อเพียงลำพังก็จำกัดทางเลือกของวิธีการแล้ว เมื่อรวมกันจึงทำให้การผสมสามระบบเป็นเส้นทางปฏิบัติสำหรับการเสริมกำลังมรดกอุตสาหกรรม 88,000 ตร.ม. อย่างครบถ้วน โดยผ้าคาร์บอนไฟเบอร์รับงานบนแผ่นพื้นที่ซึ่งน้ำหนักและความสูงสุทธินำไปใช้ไม่ได้ แผ่นเหล็กติดรับงานบนคานและโครงหลังคาที่ผุกร่อนซึ่งกำลังและความแข็งแกร่งเป็นความต้องการชี้ขาด และเปลือกหุ้มเหล็กให้กำลังตามแนวแกนและการโอบรัดที่เส้นทางรับน้ำหนักหลักต้องการ ทั้งหมดปิดท้ายด้วยการพ่นสารเคลือบป้องกันชั้นเดียว เพื่อให้โรงที่ปรับปรุงแล้วยังอ่านเป็นพื้นที่ภายในแบบอุตสาหกรรม

บทเรียนที่กว้างกว่าสำหรับการปรับปรุงมรดกคือ ไม่มีวิธีการเสริมกำลังที่ดีที่สุดเพียงวิธีเดียว มีเพียงวิธีที่เหมาะสมกับแต่ละชิ้นส่วน ซึ่งเลือกจากความต้องการจริง คุณค่าทางมรดก และข้อจำกัดของพื้นที่ที่มันตั้งอยู่