高校既有建筑空間長效優(yōu)化設(shè)計方法研究*
——南京大學鼓樓校區(qū)西南樓的改造

吳錦繡 張玫英 范琳琳 徐 明

(1.東南大學建筑學院, 南京 210096； 2.中建西南建筑設(shè)計研究院, 成都 610041;3.東南大學土木工程學院， 南京 210096)

1 高校既有校園建筑的現(xiàn)狀和問題

中國高等學校的發(fā)展可以分為四個階段，一是最初時中國傳統(tǒng)文化中的“書院”，以岳麓書院為代表，二是清末洋務(wù)運動開始到新中國成立之前的中國近現(xiàn)代大學時期，三是新中國成立之后到20世紀90年代初中國大學的曲折發(fā)展階段，四是20世紀末至今的中國當代大學發(fā)展階段[1]。其中第三和第四階段(尤其是第四階段)是中國高等教育發(fā)展最迅猛的時期，實現(xiàn)了大學教育從精英型教育向大眾型教育的轉(zhuǎn)變。截至 2019 年，全國高等教育的在校人數(shù)總規(guī)模達到 3 833萬人，毛入學率約達到48%[2]。而另一方面，隨著2008年以后國家土地政策的調(diào)整，高校新校區(qū)建設(shè)大潮開始降溫，高校既有校園的深入發(fā)展日益受到重視，體現(xiàn)出重要的資源價值。

在迅速發(fā)展的大背景之下，中國高校既有校園建筑目前也面臨著許多問題：

1)現(xiàn)有高校校園建筑大多因特定功能而建設(shè)，普遍存在空間形式單一，使用靈活性差的問題，難以適應(yīng)使用過程中建筑功能的調(diào)整以及教學科研日益多元的需求。

2)隨著我國經(jīng)濟社會格局的變革和人口結(jié)構(gòu)的變化，高校既有校園建筑功能變化的可能性增加，高校既有校園建筑必須具有足夠的應(yīng)變能力，以適應(yīng)未來一段時間內(nèi)使用功能、使用方式和使用人群等因素的全面變化。

綜上所述，高校既有校園建筑是我國當前經(jīng)濟社會發(fā)展進程中的重要資源，但是在實際操作中由于許多高校既有校園建筑空間形式單一、靈活性較差等問題而遇到諸多困難，直接影響著這些建筑當前的正常使用以及未來一段時間內(nèi)的應(yīng)變能力。有效地實現(xiàn)高校既有校園建筑的長效優(yōu)化利用，是當前高?？沙掷m(xù)發(fā)展的一個重大課題。

2 建筑空間長效優(yōu)化的概念

針對我國當前高校既有校園建筑的現(xiàn)狀與問題，基于開放建筑理念，本研究提出“長效優(yōu)化”的概念，它不僅是一種校園建筑更新的方法，更是一種觀念，強調(diào)在建筑使用過程中時間維度視角的引入，在時間軸上視高校既有校園建筑為一個在與使用者相互作用中不斷更新變化的“過程”，而非設(shè)計和建造的最終結(jié)果。針對高校既有校園建筑空間的“長效優(yōu)化”主要是指建筑空間格局的優(yōu)化，通過空間組織和優(yōu)化設(shè)計產(chǎn)生具有足夠適應(yīng)性的“種子”，用以適應(yīng)師生多樣化的需求以及未來使用過程中需求變化的可能性，而非設(shè)計出固定不變的空間產(chǎn)品。建筑空間長效優(yōu)化的核心內(nèi)容是通過空間組織和設(shè)計獲得空間的最大適應(yīng)性，核心目標是既滿足當前需求又為未來內(nèi)需求的變化留有余地。

建筑的長效利用探討的是建筑可變性和適應(yīng)性的問題，這并不是新的概念，學界以往對此問題的研究多出現(xiàn)于住宅領(lǐng)域。勒·柯布西耶的多米諾(Dom-ino)體系把承重結(jié)構(gòu)和內(nèi)部的功能空間區(qū)分開，使得平面規(guī)整開敞，可以容納各種不同的平面劃分和功能[3]。路易斯·康通過“服伺空間”與“被服伺空間”分離的設(shè)計理念，保證了被服伺空間的完整和開敞，使其有足夠的適應(yīng)性，滿足使用者靈活調(diào)整的需求[4]。20世紀60年代日本興起的新陳代謝理論的代表人物日本黑川紀章認為建筑應(yīng)分為穩(wěn)定體和易變體兩個部分。他強調(diào)運用永久性材料，如混凝土于結(jié)構(gòu)部分，形成穩(wěn)定體，用作主要居住空間，而可變性空間如儲藏和服務(wù)性空間，則采用塑料和木板以便經(jīng)常更換[5]。系統(tǒng)提出開放建筑理論[6]是哈布瑞肯(Johnn Nicholas Harbarken)教授，他將建筑分為支撐體和填充體兩個部分，支撐體相對固定的生命周期較長的部分，包括公共設(shè)施、服務(wù)設(shè)施在內(nèi)的結(jié)構(gòu)體系，而可變體(墻體、浴室和隔墻)等由住戶掌握。斯蒂芬·坎德爾(Stephen Kendall)教授促成了開放建筑理論向醫(yī)療和辦公建筑的拓展，并發(fā)展了系統(tǒng)完備的填充體系統(tǒng)[7]。鮑姆施拉格-埃伯勒(BE)教授的建筑實踐將建筑分成兩部分：一部分是建筑師應(yīng)該而且能夠控制的部分，二是除此之外的其余部分則在設(shè)計中留有空白，讓使用者參與進來優(yōu)化設(shè)計，并由此走向“開放建筑”[8]。

我國比較著名的支撐體實踐是鮑家聲教授等設(shè)計的無錫支撐體住宅試驗工程[9]，它的可變性是通過適合我國國情的適宜技術(shù)所獲得的。賈倍思教授在《長效住宅——現(xiàn)在住宅新思維》[10]中根據(jù)我國的現(xiàn)實情況對于長效住宅的質(zhì)量、特征和設(shè)計進行了系統(tǒng)論述。隨后，在《居住空間的適應(yīng)性設(shè)計》[9]中提出了住宅適應(yīng)性設(shè)計的概念，以期在保持住宅基本結(jié)構(gòu)不變的情況下通過提高功能的實行能力來滿足居住者多樣的和變化的居住需求[11]。

本研究針對高校既有校園建筑研究的一個部分，重點在于通過提高建筑空間的適應(yīng)性來實現(xiàn)高校既有校園建筑空間的長效優(yōu)化。結(jié)合研究團隊的前期積累，以南京大學鼓樓校區(qū)西南樓為例，探討高校既有建筑建筑空間長效優(yōu)化的實現(xiàn)路徑。

3 長效優(yōu)化概念在南京大學西南樓保護更新設(shè)計研究中的運用

3.1 南京大學西南樓概況

在上述調(diào)查研究的基礎(chǔ)之上，本研究選取一字形布局的衍生布局之一——平面呈“H”形的南京大學鼓樓校區(qū)西南樓作為典型案例進行深入研究，探討高校既有建筑空間的長效優(yōu)化方法。

南京大學建校于1902年，是中國最富盛名的綜合性大學之一。西南樓建于1953年，由著名建筑師楊廷寶先生指導設(shè)計完成。建筑位于南京大學校園副軸線西端，與東南樓隔軸線遙相呼應(yīng)，在調(diào)研時被用作生物系館，西南樓目前作為生物系館，其功能較為復合，有教室、自習室、實驗室、研究室、辦公室、儲藏等功能。按照南京大學的總體規(guī)劃，西南樓今后可能會用作法學院系館。西南樓建筑平面呈“H”字形，是前文所分析的“一”字形建筑平面模式的變體，共3層，主入口面向東面，由室外大臺階直通2層。建筑平面采用中廊式布局，各種功能依次布置在中廊兩側(cè)，平面規(guī)整而有效。建筑外觀采用中西合璧的立面形式，既借鑒中國傳統(tǒng)建筑的造型手法(如歇山大屋頂)，也吸納了西方建筑常用的三段式設(shè)計手法。是建國后南京高校中最早建造的民族式大屋頂建筑之一，2008年入選第一批南京市重要近現(xiàn)代建筑。西南樓采用磚混結(jié)構(gòu)體系，主要以外墻和縱墻承重，在樓梯間以及兩翼和中部交接處采用橫墻局部加強(圖1～3)。

圖1 南京大學鼓樓校區(qū)主平面Fig.1 The site plan of Gulou Campus, Nanjing University

3.2 實地調(diào)研和問題分析

本研究首先結(jié)合針對中國既有高校典型案例展開的系統(tǒng)調(diào)研，對于西南樓進行的實地調(diào)研和問卷調(diào)研(50份)，用以了解西南樓的建筑狀況、使用者的使用狀況及使用需求。從調(diào)研數(shù)據(jù)分析中可以看到：師生對于教室和自習室還是比較滿意的(23人，46%)，其次是對于庭院和交通空間的喜愛度也還是比較高的。針對西南樓需要增設(shè)的空間，交流與休閑空間的需求很高，認為需要增設(shè)交流與休閑空間的人數(shù)多達25人，占接受調(diào)查總?cè)藬?shù)的50%，緊隨其后的依次是：學習空間(16人，32%)，交通空間(11人，22%)以及信息展示與交流空間(6人，12%)(圖4、圖5)。由此看出，西南樓的使用者對于各類休息交流空間(交流與休閑空間信息展示與交流空間)以及學習空間有著較大的需求，這是對于西南樓空間優(yōu)化進一步研究的重要參考因素。

1—教室； 2—教員室； 3—貯藏室； 4—實驗室； 5—配電室；6—階梯教室； 7—門廳； 8—廁所。圖2 南京大學鼓樓校區(qū)西南樓一層平面Fig.2 The ground floor of the southwest building,Gulou Campus, Nanjing University

圖3 南京大學鼓樓校區(qū)西南樓東立面Fig.3 The east facade of the southwest building,Gulou Campus, Nanjing University

圖4 西南樓使用者最滿意空間調(diào)查結(jié)果Fig.4 Investigation results of user’s satisfaction for favorite sapces of the southwest building

圖5 對最需要增設(shè)空間意見的調(diào)查結(jié)果Fig.5 Investigation results of the most needed spaces for the southwest building

3.3 空間長效優(yōu)化設(shè)計

在上述調(diào)研和分析的基礎(chǔ)之上，本研究基于“長效優(yōu)化”的概念對西南樓的內(nèi)部空間進行重組和優(yōu)化設(shè)計，希望通過長效優(yōu)化設(shè)計產(chǎn)生具有足夠適應(yīng)性的“種子”，用以適應(yīng)多樣化的需求以及使用過程中需求變化的可能性，既可以滿足當前多樣化的需求，又可以為未來需求的變化留有余地。結(jié)合西南樓原有空間模式和結(jié)構(gòu)形式的分析，進行了多方面的優(yōu)化。

3.3.1基于原有結(jié)構(gòu)形式和空間模式的長效優(yōu)化設(shè)計研究

在原有空間模式的長效優(yōu)化設(shè)計上，首先對原有結(jié)構(gòu)進行充分分析和利用，在此基礎(chǔ)上進行空間的重組和長效優(yōu)化設(shè)計研究，提高空間的適應(yīng)性。原有的建筑空間模式是典型的“中走廊+兩邊教室”的模式，走廊是最為公共的空間，兩邊的教室沿著中走廊依次布置，空間模式單一而使用靈活性較差。從結(jié)構(gòu)形式看，原有結(jié)構(gòu)的外墻和縱墻為主要承重結(jié)構(gòu)，加上部分承重的橫墻共同構(gòu)成完整的承重體系，平面中外墻、走廊、樓梯間以及兩翼和中部交界處的墻都是承重墻，而原有教室之間的墻基本都不承重(圖6)。

圖6 西南樓現(xiàn)有結(jié)構(gòu)體系分析：承重墻與非承重墻分離Fig.6 System analysis of the southwest building: load-bearing or nonload-bearing walls

于是，在優(yōu)化設(shè)計研究中首先考慮將走廊兩側(cè)承重的縱墻適當打開(按照結(jié)構(gòu)受力的要求，局部拆除時拆除部分長度不超過縱墻總長度的一半，且剩余縱墻之間要用過梁連接)。這樣，原本被中走廊分隔的走廊兩側(cè)空間就有可能連通成為完整的大空間，可以適用更多種多樣空間的需求，大大提升空間的靈活性和適應(yīng)性(圖7)。

圖7 西南樓現(xiàn)有空間格局與可能的優(yōu)化設(shè)計模式分析Fig.7 Analysis of current spaces and possible space modes after optimization for the southwest building

對采用上述墻體改造方案優(yōu)化設(shè)計后的結(jié)構(gòu)采用PKPM進行了建模計算，結(jié)果表明：原有結(jié)構(gòu)橫墻位置，在改造后的結(jié)構(gòu)中采用梁承受豎向荷載，新增梁會導致部分梁下小墻肢豎向承載力不滿足，對此可以采用外包混凝土等方式進行局部加固?？紤]南京地區(qū)7度設(shè)防進行抗震驗算，磚的強度等級采用MU15，砂漿強度等級采用M5，抗震驗算基本滿足要求。

3.3.2“固定”空間與“可變”空間關(guān)系的梳理和優(yōu)化

在上述對于原有空間模式的長效優(yōu)化設(shè)計研究的基礎(chǔ)之上，對于建筑空間中“固定”空間(樓梯、電梯、衛(wèi)生間等輔助空間)與“可變”空間(主要使用空間)的關(guān)系進行了重新梳理和優(yōu)化，由此來組織各種相關(guān)功能，并結(jié)合空間模式的優(yōu)化最大限度地提高建筑空間的適應(yīng)性，實現(xiàn)長效優(yōu)化的目標。

西南樓現(xiàn)有的“固定”空間包括分散在兩端和中部的三部樓梯以及衛(wèi)生間，這些分散的輔助空間在平面上將使用空間劃分為大大小小的幾個部分。在空間長效優(yōu)化設(shè)計研究中，除了保持樓梯的位置固定不變外，將其他所有輔助空間(衛(wèi)生間、電梯、貯藏間、設(shè)備間、暗室等)結(jié)合保留的原有走廊兩側(cè)的縱墻集中布置，成為新的“固定”空間，于是原有中走廊空間變成了固定空間集中布置的部位(圖8中的深色部分)，目前機械通風和人工照明技術(shù)的成熟足以滿足這些輔助空間照明和通風的需要，而走廊的交通功能則可以借由兩側(cè)空間的靈活設(shè)計來實現(xiàn)。對于衛(wèi)生間設(shè)置而言，按照新的教學模式，配置符合國家相關(guān)標準的數(shù)量充足的衛(wèi)生器具，并采用機械通風設(shè)施保證達到衛(wèi)生標準。而這樣的優(yōu)化設(shè)計可以使“可變”的使用空間獲得最好的自然采光通風條件和最大的空間適應(yīng)性，以靈活應(yīng)對當前的各種需求以及這些需求在未來可能的變化，這一點在后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計和模擬分析中得到了較好的證明(圖9)。

a—西南樓平面原有固定空間(輔助空間)分布; b—西南樓空間關(guān)系優(yōu)化設(shè)計后的固定空間和輔助空間分布。圖8 西南樓空間分布Fig.8 The space layout of the southwest building

a—原平面自然采光分析; b—空間優(yōu)化后平面自然采光分析; c—原平面自然通風分析; d—空間優(yōu)化后平面自然通風分析。圖9 西南樓三層自然采光及自然通風狀況Fig.9 Situations of natural daylighting and ventilation of the 3rd floor for the southwest building

3.3.3基于“固定”空間與“可變”空間的優(yōu)化設(shè)計

基于對“固定”空間與“可變”空間關(guān)系的認知和梳理，對西南樓空間進行了優(yōu)化設(shè)計研究，所有的“固定”空間按照上述原則并結(jié)合原有結(jié)構(gòu)被相對固定之后，建筑中的“可變”空間獲得了極大的靈活性，可以最大限度適應(yīng)各種需求及其變化。

對于“可變”部分——使用空間的設(shè)計，結(jié)合前期調(diào)研中使用者對于空間的使用狀況和使用需求的調(diào)研，在總體功能布局中將原有建筑中部結(jié)合原有樓梯設(shè)計為交流和展示為主的公共空間(圖10中的深色部分為公共空間，白色部分為功能性空間)，而將建筑兩翼設(shè)計為功能性空間，用作教室、實驗室、圖書室、研討室、辦公室等功能。

首先，在原有建筑的中部，為了盡可能地適應(yīng)開放性的公共展示和交流空間的需求，除了保留縱墻起到結(jié)構(gòu)作用以及圍合其間容納輔助空間的“固定”空間之外，其余原有的教室空間則都打開成為更加靈活和開敞的空間，既可以用作休閑和展示空間，也可以用作會議、研討等具有一定公共性的功能空間。于是，相較于原有建筑的中部空間，在優(yōu)化后的平面布局中，空間更加開敞和靈活，可以通過靈活劃分適應(yīng)于各種功能需求及其變化。

a—原有二層平面; b—長效空間優(yōu)化設(shè)計后的西南樓二層平面; c—原有三層平面; d—長效空間優(yōu)化設(shè)計后西南樓的三層平面。圖10 西南樓二、三層平面示意Fig.10 Plans of the 2nd and 3rd floor before and after optimization

其次，在原有建筑的兩翼，為了盡可能地適應(yīng)功能性空間的需求，除了起結(jié)構(gòu)作用而保留的縱墻以及其間容納輔助空間的“固定”空間之外，原有的走廊空間結(jié)合空間設(shè)計進行調(diào)整，與使用空間和休閑空間相結(jié)合，其余的空間都是靈活可變的適應(yīng)性空間，不僅可以在當前適合各種功能組合和人員配置，也可以在未來進行靈活劃分，適應(yīng)于未來功能及需求的變化。

為了檢驗長效空間優(yōu)化設(shè)計對于建筑性能提升的作用和效果，運用數(shù)值模擬分析軟件，如Ecotect和CFD軟件對于西南樓原有的采光通風狀況以及經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計之后的采光通風性能進行模擬和比較(圖9)。以二層平面改造前后的對比為例，通過Ecotect軟件模擬分析可以看到：在原有平面中，建筑深處和中間的走廊部位自然采光狀況不佳，而經(jīng)過空間優(yōu)化設(shè)計，西南樓二層的自然采光條件有比較明顯的改善，不足的中部走廊部位的采光效果還是不太理想，需要進一步的設(shè)計來調(diào)整完善，例如適當增加人工照明就可以在一定程度上改善建筑中部的采光狀況(圖9a,9b)。根據(jù)用CFD軟件的Fluent 對于平面布局調(diào)整前后的室內(nèi)自然通風狀況進行對比可以發(fā)現(xiàn)：優(yōu)化設(shè)計之后西南樓二層平面的自然通風狀況有了較大的改善，尤其是房間中的風速有了顯著的提高(圖9c，9d)。

3.3.4對于兩翼空間長效優(yōu)化設(shè)計模式研究

在前述對于西南樓空間進行整體優(yōu)化設(shè)計研究中，建筑中部被設(shè)計為以公共空間為主的相對開敞的布局，用以容納師生的各種交流、展覽和公共活動，而建筑兩翼則成為需要容納更多實際使用功能的功能性空間。在此基礎(chǔ)上，同樣根據(jù)對“固定”空間與“可變”空間關(guān)系的認知和梳理，對西南樓兩翼的功能性空間詳細地進行了長效優(yōu)化設(shè)計模式研究，用以為室內(nèi)空間提供最大的靈活性和適應(yīng)性，以最大限度地適應(yīng)各種功能的需求及其在未來需求的變化。

首先基于前述“固定”空間與“可變”空間關(guān)系的梳理和優(yōu)化中的做法，位于西南樓兩翼的功能性空間中所有的“固定”空間被集中在建筑中部的原有走廊的位置，以容納功能空間所需的各種輔助空間，通過人工照明和機械通風解決采光和通風的問題。

通過“固定”空間的梳理和優(yōu)化，建筑中的“可變”空間獲得了極大的靈活性，根據(jù)實地調(diào)研和問卷調(diào)查了解到的師生對于西南樓的需求(圖4、圖5)對于兩翼空間長效優(yōu)化設(shè)計模式進行進一步研究，設(shè)計了四種長效優(yōu)化模式，以適應(yīng)教師和學生的不同需求(圖11)。

a—1層平面; b—長效優(yōu)化設(shè)計模式。1—教室； 2—貯藏室； 3—教員室。圖11 西南樓原有兩翼空間平面及長效優(yōu)化設(shè)計模式Fig.11 Plans of the wings of southwest building and long-term optimization modes

這四種模式依次是：為常駐學科組提供服務(wù)的研究室+實驗室+交流+服務(wù)模式，為項目課題組提供服務(wù)的研究室+實驗室+交流+服務(wù)模式，為公共教室服務(wù)的教室+討論室+交流+服務(wù)模式，以及為行政辦公室服務(wù)的行政辦公室+交流+服務(wù)模式。通過對比原有空間模型和長效優(yōu)化設(shè)計之后的模式，可以發(fā)現(xiàn)：與原有平面整齊劃一的空間模式相比，西南樓兩翼空間的靈活性和適應(yīng)性得到了很大的提升，可適應(yīng)不同功能的需求。這些空間在未來還可以繼續(xù)進行更多的模式變化和進一步設(shè)計，用以滿足用戶需求在未來的不斷變化。

4 結(jié)束語

以南京大學西南樓為代表的這類具有較為重要的歷史文化價值的高校既有建筑是我國當前高校發(fā)展進程中的重要資源，解決其所存在的空間形式較為單一、靈活性較差等問題的改造利用需要在不影響建筑的歷史文化價值的前提下慎重進行。

本研究作為相關(guān)系統(tǒng)研究的一部分，關(guān)注高校既有校園建筑空間的長效優(yōu)化利用。在系統(tǒng)調(diào)研的基礎(chǔ)之上，通過基于原有結(jié)構(gòu)形式和空間模式的長效優(yōu)化設(shè)計研究，以及“固定”空間與“可變”空間關(guān)系的梳理與優(yōu)化，實現(xiàn)校園既有建筑空間的長效優(yōu)化設(shè)計。本研究證明，通過對于建筑空間的長效優(yōu)化設(shè)計可以有效地提升內(nèi)部空間的適應(yīng)能力，有利于使得這些建筑重新煥發(fā)青春，更好地融入當代高校師生教學科研的新需求。本研究的相關(guān)調(diào)研和后續(xù)研究還會繼續(xù)，我們期待通過校園建筑空間的長效優(yōu)化研究來探索中國高校既有校園建筑空間更新的有效方法，研究成果對于我國量大面廣的既有建筑保護更新也可以起到積極的借鑒作用。