高校既有建筑空间长效优化设计方法研究*——南京大学鼓楼校区西南楼的改造

吴锦绣 张玫英 范琳琳 徐 明

(1.东南大学建筑学院, 南京 210096； 2.中建西南建筑设计研究院, 成都 610041;3.东南大学土木工程学院， 南京 210096)

1 高校既有校园建筑的现状和问题

中国高等学校的发展可以分为四个阶段，一是最初时中国传统文化中的“书院”，以岳麓书院为代表，二是清末洋务运动开始到新中国成立之前的中国近现代大学时期，三是新中国成立之后到20世纪90年代初中国大学的曲折发展阶段，四是20世纪末至今的中国当代大学发展阶段[1]。其中第三和第四阶段(尤其是第四阶段)是中国高等教育发展最迅猛的时期，实现了大学教育从精英型教育向大众型教育的转变。截至 2019 年，全国高等教育的在校人数总规模达到 3 833万人，毛入学率约达到48%[2]。而另一方面，随着2008年以后国家土地政策的调整，高校新校区建设大潮开始降温，高校既有校园的深入发展日益受到重视，体现出重要的资源价值。

在迅速发展的大背景之下，中国高校既有校园建筑目前也面临着许多问题：

1)现有高校校园建筑大多因特定功能而建设，普遍存在空间形式单一，使用灵活性差的问题，难以适应使用过程中建筑功能的调整以及教学科研日益多元的需求。

2)随着我国经济社会格局的变革和人口结构的变化，高校既有校园建筑功能变化的可能性增加，高校既有校园建筑必须具有足够的应变能力，以适应未来一段时间内使用功能、使用方式和使用人群等因素的全面变化。

综上所述，高校既有校园建筑是我国当前经济社会发展进程中的重要资源，但是在实际操作中由于许多高校既有校园建筑空间形式单一、灵活性较差等问题而遇到诸多困难，直接影响着这些建筑当前的正常使用以及未来一段时间内的应变能力。有效地实现高校既有校园建筑的长效优化利用，是当前高校可持续发展的一个重大课题。

2 建筑空间长效优化的概念

针对我国当前高校既有校园建筑的现状与问题，基于开放建筑理念，本研究提出“长效优化”的概念，它不仅是一种校园建筑更新的方法，更是一种观念，强调在建筑使用过程中时间维度视角的引入，在时间轴上视高校既有校园建筑为一个在与使用者相互作用中不断更新变化的“过程”，而非设计和建造的最终结果。针对高校既有校园建筑空间的“长效优化”主要是指建筑空间格局的优化，通过空间组织和优化设计产生具有足够适应性的“种子”，用以适应师生多样化的需求以及未来使用过程中需求变化的可能性，而非设计出固定不变的空间产品。建筑空间长效优化的核心内容是通过空间组织和设计获得空间的最大适应性，核心目标是既满足当前需求又为未来内需求的变化留有余地。

建筑的长效利用探讨的是建筑可变性和适应性的问题，这并不是新的概念，学界以往对此问题的研究多出现于住宅领域。勒·柯布西耶的多米诺(Dom-ino)体系把承重结构和内部的功能空间区分开，使得平面规整开敞，可以容纳各种不同的平面划分和功能[3]。路易斯·康通过“服伺空间”与“被服伺空间”分离的设计理念，保证了被服伺空间的完整和开敞，使其有足够的适应性，满足使用者灵活调整的需求[4]。20世纪60年代日本兴起的新陈代谢理论的代表人物日本黑川纪章认为建筑应分为稳定体和易变体两个部分。他强调运用永久性材料，如混凝土于结构部分，形成稳定体，用作主要居住空间，而可变性空间如储藏和服务性空间，则采用塑料和木板以便经常更换[5]。系统提出开放建筑理论[6]是哈布瑞肯(Johnn Nicholas Harbarken)教授，他将建筑分为支撑体和填充体两个部分，支撑体相对固定的生命周期较长的部分，包括公共设施、服务设施在内的结构体系，而可变体(墙体、浴室和隔墙)等由住户掌握。斯蒂芬·坎德尔(Stephen Kendall)教授促成了开放建筑理论向医疗和办公建筑的拓展，并发展了系统完备的填充体系统[7]。鲍姆施拉格-埃伯勒(BE)教授的建筑实践将建筑分成两部分：一部分是建筑师应该而且能够控制的部分，二是除此之外的其余部分则在设计中留有空白，让使用者参与进来优化设计，并由此走向“开放建筑”[8]。

我国比较著名的支撑体实践是鲍家声教授等设计的无锡支撑体住宅试验工程[9]，它的可变性是通过适合我国国情的适宜技术所获得的。贾倍思教授在《长效住宅——现在住宅新思维》[10]中根据我国的现实情况对于长效住宅的质量、特征和设计进行了系统论述。随后，在《居住空间的适应性设计》[9]中提出了住宅适应性设计的概念，以期在保持住宅基本结构不变的情况下通过提高功能的实行能力来满足居住者多样的和变化的居住需求[11]。

本研究针对高校既有校园建筑研究的一个部分，重点在于通过提高建筑空间的适应性来实现高校既有校园建筑空间的长效优化。结合研究团队的前期积累，以南京大学鼓楼校区西南楼为例，探讨高校既有建筑建筑空间长效优化的实现路径。

3 长效优化概念在南京大学西南楼保护更新设计研究中的运用

3.1 南京大学西南楼概况

在上述调查研究的基础之上，本研究选取一字形布局的衍生布局之一——平面呈“H”形的南京大学鼓楼校区西南楼作为典型案例进行深入研究，探讨高校既有建筑空间的长效优化方法。

南京大学建校于1902年，是中国最富盛名的综合性大学之一。西南楼建于1953年，由著名建筑师杨廷宝先生指导设计完成。建筑位于南京大学校园副轴线西端，与东南楼隔轴线遥相呼应，在调研时被用作生物系馆，西南楼目前作为生物系馆，其功能较为复合，有教室、自习室、实验室、研究室、办公室、储藏等功能。按照南京大学的总体规划，西南楼今后可能会用作法学院系馆。西南楼建筑平面呈“H”字形，是前文所分析的“一”字形建筑平面模式的变体，共3层，主入口面向东面，由室外大台阶直通2层。建筑平面采用中廊式布局，各种功能依次布置在中廊两侧，平面规整而有效。建筑外观采用中西合璧的立面形式，既借鉴中国传统建筑的造型手法(如歇山大屋顶)，也吸纳了西方建筑常用的三段式设计手法。是建国后南京高校中最早建造的民族式大屋顶建筑之一，2008年入选第一批南京市重要近现代建筑。西南楼采用砖混结构体系，主要以外墙和纵墙承重，在楼梯间以及两翼和中部交接处采用横墙局部加强(图1～3)。

图1 南京大学鼓楼校区主平面Fig.1 The site plan of Gulou Campus, Nanjing University

3.2 实地调研和问题分析

本研究首先结合针对中国既有高校典型案例展开的系统调研，对于西南楼进行的实地调研和问卷调研(50份)，用以了解西南楼的建筑状况、使用者的使用状况及使用需求。从调研数据分析中可以看到：师生对于教室和自习室还是比较满意的(23人，46%)，其次是对于庭院和交通空间的喜爱度也还是比较高的。针对西南楼需要增设的空间，交流与休闲空间的需求很高，认为需要增设交流与休闲空间的人数多达25人，占接受调查总人数的50%，紧随其后的依次是：学习空间(16人，32%)，交通空间(11人，22%)以及信息展示与交流空间(6人，12%)(图4、图5)。由此看出，西南楼的使用者对于各类休息交流空间(交流与休闲空间信息展示与交流空间)以及学习空间有着较大的需求，这是对于西南楼空间优化进一步研究的重要参考因素。

1—教室； 2—教员室； 3—贮藏室； 4—实验室； 5—配电室；6—阶梯教室； 7—门厅； 8—厕所。图2 南京大学鼓楼校区西南楼一层平面Fig.2 The ground floor of the southwest building,Gulou Campus, Nanjing University

图3 南京大学鼓楼校区西南楼东立面Fig.3 The east facade of the southwest building,Gulou Campus, Nanjing University

图4 西南楼使用者最满意空间调查结果Fig.4 Investigation results of user’s satisfaction for favorite sapces of the southwest building

图5 对最需要增设空间意见的调查结果Fig.5 Investigation results of the most needed spaces for the southwest building

3.3 空间长效优化设计

在上述调研和分析的基础之上，本研究基于“长效优化”的概念对西南楼的内部空间进行重组和优化设计，希望通过长效优化设计产生具有足够适应性的“种子”，用以适应多样化的需求以及使用过程中需求变化的可能性，既可以满足当前多样化的需求，又可以为未来需求的变化留有余地。结合西南楼原有空间模式和结构形式的分析，进行了多方面的优化。

3.3.1基于原有结构形式和空间模式的长效优化设计研究

在原有空间模式的长效优化设计上，首先对原有结构进行充分分析和利用，在此基础上进行空间的重组和长效优化设计研究，提高空间的适应性。原有的建筑空间模式是典型的“中走廊+两边教室”的模式，走廊是最为公共的空间，两边的教室沿着中走廊依次布置，空间模式单一而使用灵活性较差。从结构形式看，原有结构的外墙和纵墙为主要承重结构，加上部分承重的横墙共同构成完整的承重体系，平面中外墙、走廊、楼梯间以及两翼和中部交界处的墙都是承重墙，而原有教室之间的墙基本都不承重(图6)。

图6 西南楼现有结构体系分析：承重墙与非承重墙分离Fig.6 System analysis of the southwest building: load-bearing or nonload-bearing walls

于是，在优化设计研究中首先考虑将走廊两侧承重的纵墙适当打开(按照结构受力的要求，局部拆除时拆除部分长度不超过纵墙总长度的一半，且剩余纵墙之间要用过梁连接)。这样，原本被中走廊分隔的走廊两侧空间就有可能连通成为完整的大空间，可以适用更多种多样空间的需求，大大提升空间的灵活性和适应性(图7)。

图7 西南楼现有空间格局与可能的优化设计模式分析Fig.7 Analysis of current spaces and possible space modes after optimization for the southwest building

对采用上述墙体改造方案优化设计后的结构采用PKPM进行了建模计算，结果表明：原有结构横墙位置，在改造后的结构中采用梁承受竖向荷载，新增梁会导致部分梁下小墙肢竖向承载力不满足，对此可以采用外包混凝土等方式进行局部加固。考虑南京地区7度设防进行抗震验算，砖的强度等级采用MU15，砂浆强度等级采用M5，抗震验算基本满足要求。

3.3.2“固定”空间与“可变”空间关系的梳理和优化

在上述对于原有空间模式的长效优化设计研究的基础之上，对于建筑空间中“固定”空间(楼梯、电梯、卫生间等辅助空间)与“可变”空间(主要使用空间)的关系进行了重新梳理和优化，由此来组织各种相关功能，并结合空间模式的优化最大限度地提高建筑空间的适应性，实现长效优化的目标。

西南楼现有的“固定”空间包括分散在两端和中部的三部楼梯以及卫生间，这些分散的辅助空间在平面上将使用空间划分为大大小小的几个部分。在空间长效优化设计研究中，除了保持楼梯的位置固定不变外，将其他所有辅助空间(卫生间、电梯、贮藏间、设备间、暗室等)结合保留的原有走廊两侧的纵墙集中布置，成为新的“固定”空间，于是原有中走廊空间变成了固定空间集中布置的部位(图8中的深色部分)，目前机械通风和人工照明技术的成熟足以满足这些辅助空间照明和通风的需要，而走廊的交通功能则可以借由两侧空间的灵活设计来实现。对于卫生间设置而言，按照新的教学模式，配置符合国家相关标准的数量充足的卫生器具，并采用机械通风设施保证达到卫生标准。而这样的优化设计可以使“可变”的使用空间获得最好的自然采光通风条件和最大的空间适应性，以灵活应对当前的各种需求以及这些需求在未来可能的变化，这一点在后续的优化设计和模拟分析中得到了较好的证明(图9)。

a—西南楼平面原有固定空间(辅助空间)分布; b—西南楼空间关系优化设计后的固定空间和辅助空间分布。图8 西南楼空间分布Fig.8 The space layout of the southwest building

a—原平面自然采光分析; b—空间优化后平面自然采光分析; c—原平面自然通风分析; d—空间优化后平面自然通风分析。图9 西南楼三层自然采光及自然通风状况Fig.9 Situations of natural daylighting and ventilation of the 3rd floor for the southwest building

3.3.3基于“固定”空间与“可变”空间的优化设计

基于对“固定”空间与“可变”空间关系的认知和梳理，对西南楼空间进行了优化设计研究，所有的“固定”空间按照上述原则并结合原有结构被相对固定之后，建筑中的“可变”空间获得了极大的灵活性，可以最大限度适应各种需求及其变化。

对于“可变”部分——使用空间的设计，结合前期调研中使用者对于空间的使用状况和使用需求的调研，在总体功能布局中将原有建筑中部结合原有楼梯设计为交流和展示为主的公共空间(图10中的深色部分为公共空间，白色部分为功能性空间)，而将建筑两翼设计为功能性空间，用作教室、实验室、图书室、研讨室、办公室等功能。

首先，在原有建筑的中部，为了尽可能地适应开放性的公共展示和交流空间的需求，除了保留纵墙起到结构作用以及围合其间容纳辅助空间的“固定”空间之外，其余原有的教室空间则都打开成为更加灵活和开敞的空间，既可以用作休闲和展示空间，也可以用作会议、研讨等具有一定公共性的功能空间。于是，相较于原有建筑的中部空间，在优化后的平面布局中，空间更加开敞和灵活，可以通过灵活划分适应于各种功能需求及其变化。

a—原有二层平面; b—长效空间优化设计后的西南楼二层平面; c—原有三层平面; d—长效空间优化设计后西南楼的三层平面。图10 西南楼二、三层平面示意Fig.10 Plans of the 2nd and 3rd floor before and after optimization

其次，在原有建筑的两翼，为了尽可能地适应功能性空间的需求，除了起结构作用而保留的纵墙以及其间容纳辅助空间的“固定”空间之外，原有的走廊空间结合空间设计进行调整，与使用空间和休闲空间相结合，其余的空间都是灵活可变的适应性空间，不仅可以在当前适合各种功能组合和人员配置，也可以在未来进行灵活划分，适应于未来功能及需求的变化。

为了检验长效空间优化设计对于建筑性能提升的作用和效果，运用数值模拟分析软件，如Ecotect和CFD软件对于西南楼原有的采光通风状况以及经过优化设计之后的采光通风性能进行模拟和比较(图9)。以二层平面改造前后的对比为例，通过Ecotect软件模拟分析可以看到：在原有平面中，建筑深处和中间的走廊部位自然采光状况不佳，而经过空间优化设计，西南楼二层的自然采光条件有比较明显的改善，不足的中部走廊部位的采光效果还是不太理想，需要进一步的设计来调整完善，例如适当增加人工照明就可以在一定程度上改善建筑中部的采光状况(图9a,9b)。根据用CFD软件的Fluent 对于平面布局调整前后的室内自然通风状况进行对比可以发现：优化设计之后西南楼二层平面的自然通风状况有了较大的改善，尤其是房间中的风速有了显著的提高(图9c，9d)。

3.3.4对于两翼空间长效优化设计模式研究

在前述对于西南楼空间进行整体优化设计研究中，建筑中部被设计为以公共空间为主的相对开敞的布局，用以容纳师生的各种交流、展览和公共活动，而建筑两翼则成为需要容纳更多实际使用功能的功能性空间。在此基础上，同样根据对“固定”空间与“可变”空间关系的认知和梳理，对西南楼两翼的功能性空间详细地进行了长效优化设计模式研究，用以为室内空间提供最大的灵活性和适应性，以最大限度地适应各种功能的需求及其在未来需求的变化。

首先基于前述“固定”空间与“可变”空间关系的梳理和优化中的做法，位于西南楼两翼的功能性空间中所有的“固定”空间被集中在建筑中部的原有走廊的位置，以容纳功能空间所需的各种辅助空间，通过人工照明和机械通风解决采光和通风的问题。

通过“固定”空间的梳理和优化，建筑中的“可变”空间获得了极大的灵活性，根据实地调研和问卷调查了解到的师生对于西南楼的需求(图4、图5)对于两翼空间长效优化设计模式进行进一步研究，设计了四种长效优化模式，以适应教师和学生的不同需求(图11)。

a—1层平面; b—长效优化设计模式。1—教室； 2—贮藏室； 3—教员室。图11 西南楼原有两翼空间平面及长效优化设计模式Fig.11 Plans of the wings of southwest building and long-term optimization modes

这四种模式依次是：为常驻学科组提供服务的研究室+实验室+交流+服务模式，为项目课题组提供服务的研究室+实验室+交流+服务模式，为公共教室服务的教室+讨论室+交流+服务模式，以及为行政办公室服务的行政办公室+交流+服务模式。通过对比原有空间模型和长效优化设计之后的模式，可以发现：与原有平面整齐划一的空间模式相比，西南楼两翼空间的灵活性和适应性得到了很大的提升，可适应不同功能的需求。这些空间在未来还可以继续进行更多的模式变化和进一步设计，用以满足用户需求在未来的不断变化。

4 结束语

以南京大学西南楼为代表的这类具有较为重要的历史文化价值的高校既有建筑是我国当前高校发展进程中的重要资源，解决其所存在的空间形式较为单一、灵活性较差等问题的改造利用需要在不影响建筑的历史文化价值的前提下慎重进行。

本研究作为相关系统研究的一部分，关注高校既有校园建筑空间的长效优化利用。在系统调研的基础之上，通过基于原有结构形式和空间模式的长效优化设计研究，以及“固定”空间与“可变”空间关系的梳理与优化，实现校园既有建筑空间的长效优化设计。本研究证明，通过对于建筑空间的长效优化设计可以有效地提升内部空间的适应能力，有利于使得这些建筑重新焕发青春，更好地融入当代高校师生教学科研的新需求。本研究的相关调研和后续研究还会继续，我们期待通过校园建筑空间的长效优化研究来探索中国高校既有校园建筑空间更新的有效方法，研究成果对于我国量大面广的既有建筑保护更新也可以起到积极的借鉴作用。