高校既有建筑空间长效优化设计方法研究：以南京大学鼓楼校区西南楼为例

高校既有建筑空间长效优化设计方法研究：以南京大学鼓楼校区西南楼为例

吴锦秀, 张梅英, 范琳琳等. 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改造[J]. 工业建筑, 2021, 51(1): 17-23.

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高校现有校园建筑现状及问题

中国高等教育机构的发展大致可分为四个阶段。第一阶段是以岳麓书院为代表的中国传统文化中的“书院”。第二阶段是从清末洋务运动开始至中华人民共和国成立前的中国近代大学时期。第三阶段是从新中国成立到20世纪90年代初中国大学的曲折发展阶段。第四阶段是从20世纪末至今当代中国大学的发展阶段。[1]其中，第三、第四阶段（特别是第四阶段）是中国高等教育发展最为迅速的时期，实现了大学教育由精英教育向大众教育的转变。截至2019年，全国高等教育在校生总数达3833万人，毛入学率达48%左右[2]。另一方面,随着2008年以后国家土地政策的调整,高校新校区建设潮开始降温,高校现有校区的深度开发日益受到重视,体现出重要的资源价值。

在快速发展的背景下，中国高校现有的校园建筑目前面临诸多问题：

1）现有大学校园建筑大多为特定使用功能而建，普遍存在空间形态单一、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和日益多样化的教学、科研需求。

2）随着我国经济社会结构的转型和人口结构的变化，既有高校校园建筑功能变化的可能性增大，既有高校校园建筑必须具备足够的适应性，以适应未来使用功能、使用方式、使用人群等因素的综合变化。

综上所述，高校既有校园建筑是当前我国经济社会发展过程中的重要资源，但在实际运行中，不少高校既有校园建筑由于空间形态单一、灵活性差等问题，遇到了诸多困境，直接影响了这些建筑的正常使用和未来的适应性。有效实现高校既有校园建筑的长远优化，是高校可持续发展的重大课题。

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建筑空间长期优化的理念

针对我国高校既有校园建筑的现状与问题，本研究基于开放式建筑理念，提出“长期优化”理念，这既是一种校园建筑更新的方法，更是一种理念，强调在建筑的使用中引入时间维度的视角。在时间轴上，高校既有校园建筑被视为在与使用者的互动中不断更新变化的“过程”，而非设计与建设的最终结果。高校既有校园建筑空间的“长期优化”主要是指建筑空间格局的优化，通过空间组织与优化设计，生成具有足够适应性的“种子”，以满足师生的多样化需求和未来使用过程中需求变化的可能性，而非设计固定的空间产品。建筑空间长期优化的核心内容是通过空间组织与设计，获得空间的最大适应性，核心目标是满足当下需求，为未来内部需求的变化留有余地。

建筑的长期利用探讨的是建筑的可变性和适应性问题，这并不是一个新概念，以往学术界对这一问题的研究多出现在住宅领域。勒·柯布西耶的多米诺体系将承重结构与内部功能空间分离，使平面规则开放，能够容纳各种平面划分和功能[3]。路易斯·康将“服务空间”与“被服务空间”分离的设计理念，保证了被服务空间的完整性和开放性，使其具有足够的适应性，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代表黑川纪章认为，建筑应分为稳定体和可变体两部分，强调在结构部分使用混凝土等永久性材料，形成作为主要居住空间的稳定体，而储藏、服务等可变空间则采用塑料、木板等，以便经常更换[5]。 Johnn 教授系统地提出了开放式建筑理论[6]。他将建筑分为支撑体和填充体两部分。支撑体是相对固定、生命周期较长的部分，包括公共设施和服务设施的结构体系，而可变部分（墙体、卫生间和隔断）则由住户自行控制。 教授（）推动将开放式建筑理论拓展到医疗和办公建筑，并发展了完整的填充体体系[7]。- 教授（）的建筑实践将建筑分为两部分：一部分是建筑师应该和能够控制的部分，另一部分是设计中剩下的部分留白，让使用者参与优化设计，从而走向“开放式建筑”[8]。

我国比较著名的支撑结构实践是鲍家胜教授等人设计的无锡支撑结构住宅实验项目[9]，其可变性是通过适合我国国情的适当技术实现的。贾北思教授在《长线住宅——当前住宅的新思考》[10]中，结合我国实际情况，系统论述了长线住宅的品质、特征及设计。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，旨在通过提高功能实现能力的同时，保持房屋基本结构，满足居民多样化、多变的居住需求[11]。

本研究为高校既有建筑研究的一部分，旨在通过提高建筑空间的适应性来实现高校既有建筑空间的长远优化。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，探索高校既有建筑空间实现长远优化的路径。

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长期优化理念在南京大学西南楼保护改造设计中的应用

3.1 南京大学西南楼概况

基于以上调查研究，本研究选取“工”字型布局的衍生布局之一——平面呈“H”字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，探索高校既有建筑空间的长远优化方法。

南京大学始建于1902年，是我国最负盛名的综合性大学之一。西南楼始建于1953年，由著名建筑师杨廷宝先生指导设计，建筑位于南京大学校园次轴线西端，与东南楼隔轴呼应，勘察时为生物系大楼。西南楼现为生物系大楼，功能较为复杂，包括教室、自修室、实验室、研究室、办公室、仓储等功能。根据南京大学整体规划，西南楼未来或将作为法学院系大楼使用。西南楼在建筑平面上呈“H”字形，是前文分析的“I”字形建筑平面模型的变体。共3层，主入口朝东，室外大台阶直达2层。建筑平面采用中央连廊布局，各项功能依次排列在中央连廊两侧。平面规整、有效。建筑外观采用中西合璧的立面形式，既借鉴了中国传统建筑的造型手法（如歇山式屋顶），又吸收了西方建筑中常用的三段式设计手法。是新中国成立后南京高校最早修建的民族风格大屋顶建筑之一，2008年入选南京市第一批重要近代建筑。西南楼采用砖混结构体系，外墙及纵墙承担荷载，横墙在楼梯间及两翼交界处与中间部分作局部加强处理（图1-3）。

图1 南京大学鼓楼校区主平面图

图1 鼓楼总平面图

3.2 实地调研与问题分析

本研究首先结合国内现有高校典型案例的系统调查，对西南楼进行实地调研和问卷调查（50份），了解西南楼的建筑状况、使用者使用情况及使用需求。从调查数据分析可知，师生对教室和自修室比较满意（23人，46%），其次是庭院和交通空间。西南楼对额外空间的需求很高，多达25人认为需要额外的交往休闲空间，占总调查人数的50%，其次是：学习空间（16人，32%）、交通空间（11人，22%）和信息展示与交流空间（6人，12%）（图4、图5）。可见西南楼的使用者对于各类休息交流空间(交流休闲空间信息展示与交流空间)以及学习空间的需求较大，这是进一步研究西南楼空间优化的重要参考因素。

1—教室；2—教师办公室；3—储藏室；4—实验室；5—配电室；6—影剧院；7—门厅；8—卫生间。

图2 南京大学鼓楼校区西南楼平面图

图2 鼓楼的楼层

图3 南京大学鼓楼校区西南楼东立面

图3 鼓楼东侧

图4 西南楼用户最满意空间调查结果

图4 用户

图 5 最需要额外空间的区域调查结果

图5 最

3.3 空间长期优化设计

基于以上调查分析，本研究以“长期优化”为理念对西南楼室内空间进行重组优化，希望通过长期优化设计，产生具有足够适应性的“种子”，以适应多样化的需求以及使用过程中需求变化的可能性，既能满足当下多样化的需求，又能为未来需求的变化留有余地。结合西南楼原有空间模型与结构形式的分析，进行了多方面的优化。

3.3.1基于原有结构形式与空间格局的长期优化设计研究

在对原有空间模型进行长期优化设计时，首先充分分析利用原有结构，在此基础上对空间进行重新组织，研究长期优化设计，提高空间的适应性。原建筑空间模型为典型的“中央连廊+两侧教室”，连廊为公共空间，两侧教室沿中央连廊依次排列，空间模型单一，使用灵活性差。从结构形式上看，原结构外墙、纵墙为主要承重结构，与部分承重的横墙共同构成完整的承重体系。外墙、连廊、楼梯间、两翼与中间交界处的墙体在平面上均为承重墙，而原教室之间的墙体基本不承重（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

图 6：承重墙

因此在优化设计研究中，首先考虑的是将通廊两侧承重纵墙适当打开（根据结构受力要求，局部拆除时拆除部分长度不超过纵墙总长度的一半，其余纵墙用过梁连接）。这样原本被中央通廊分隔开的通廊两侧空间就有可能连接起来，形成一个完整的大空间，可以满足更加多样化的空间需求，大大提高空间的灵活性和适应性（图7）。

图7 西南楼现状空间格局分析及可能的优化设计模式

图 7 和空间模式之后

利用PKPM对上述墙体改建方案优化设计后的结构进行建模计算。结果表明：原结构中水平墙位采用梁承担改建后结构中的竖向荷载，新增梁将导致梁下部分小墙体构件竖向承载力不理想，对此可采用外浇混凝土等方法进行局部加固。考虑南京地区7度设防，进行抗震计算，砖的强度等级为MU15，砂浆的强度等级为M5，抗震计算基本满足要求。

3.3.2 理顺和优化“固定”空间与“可变”空间的关系

基于上述对原有空间格局的长期优化设计研究，对建筑空间中“固定”空间（辅助空间如楼梯、电梯、卫生间等）与“可变”空间（主要使用空间）的关系进行重新梳理和优化，以组织各类相关功能，并结合空间格局的优化，最大程度提升建筑空间的适应性，达到长期优化的目标。

西南楼现存的“固定”空间包括三间楼梯间和分散在两端及中间的卫生间，这些分散的辅助空间将使用空间在平面上分割成若干个大大小小的部分。在长期的空间优化设计中，除保持楼梯间位置固定外，其余所有辅助空间（卫生间、电梯、储藏室、设备间、暗室等）均被集中布置，结合原有走廊两侧的纵向墙体，成为新的“固定”空间。因此，原中间走廊空间成为固定空间集中布置的位置（图8中暗部）。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的采光通风需求，而走廊的交通功能则可通过两侧空间的灵活设计来实现。对于卫生间的设置，根据新的教学模式，配置了足够的符合国家相关标准的卫生用具，并采用机械通风设施，确保达到卫生标准。这样的优化设计，能够让“可变”的使用空间获得最佳的自然采光通风条件和最大的空间适应性，从而灵活应对当下的各种需求以及未来这些需求可能出现的变化，这在后续的优化设计和仿真分析中得到了很好的证明（图9）。

a—西南建筑平面上原固定空间（辅助空间）的分布；b—西南建筑空间关系优化设计后的固定空间与辅助空间的分布。

图8 西南建筑空间分布

图 8

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通风情况

图9 3 楼

3.3.3 基于“固定”空间和“变量”空间的优化设计

在对“固定”空间与“可变”空间关系的理解与梳理基础上，对西南楼空间进行了优化设计研究。所有“固定”空间按照上述原则相对固定后，结合原有结构，建筑内的“可变”空间获得了极大的灵活性，能够最大程度地适应各种需求及其变化。

对于“可变”部分——使用空间的设计，结合前期调研中对空间使用者使用状况与需求的调查，在整体功能布局上，将原建筑中部结合原有楼梯设计为以交流、展示为主的公共空间（图10中深色部分为公共空间，白色部分为功能空间），建筑两翼则设计为教室、实验室、图书馆、研讨室、办公室等功能空间。

首先，在原有建筑的中部，为了尽可能满足开放的公共展示交流空间的需求，除了保留纵向墙体起到结构作用和围合起来容纳辅助空间的“固定”空间外，将原有教室空间的剩余部分打通，成为更加灵活开放的空间，既可以作为休闲、展示空间，也可以作为会议、研讨等具有一定公共性的功能空间。因此，相较于原建筑中部空间，在优化后的平面布局中，空间更加开放灵活，可以通过灵活的划分适应各种功能需求及其变化。

a—原二层平面图；b—长期空间优化设计后的西南楼二层平面图；c—原三层平面图；d—长期空间优化设计后的西南楼三层平面图。

图10 西南楼二、三层平面图

二楼和三楼及之后的图

其次，为了尽可能适应功能空间的需要，在原有建筑的两翼，除了出于结构目的而保留的纵向墙体及其间“固定”的空间以容纳辅助空间外，结合空间设计对原有的过道空间进行了调整，将使用空间与休闲空间相结合。剩余空间均为灵活可适应空间，不仅可以适合当下各种功能组合与人员配置，而且在未来也可以灵活划分，以适应未来功能与需求的变化。

为了检验长期空间优化设计对建筑性能改善的作用和效果，采用数值模拟分析软件，如CFD软件，对西南建筑原有的采光通风条件与优化设计后的采光通风性能进行模拟对比（图9）。以二层平面改造前后对比为例，通过软件模拟分析可知，在原平面中，建筑深层及中间过道自然采光条件不佳，而经过空间优化设计后，西南建筑二层的自然采光条件得到明显改善。而采光不足的中间过道采光效果依然不够理想，需要进一步进行设计调整改进，如适当增加人工照明，可以一定程度上改善建筑中部的采光条件（图9a、9b）。根据利用CFD软件对平面布局调整前后室内自然通风条件进行的对比可以发现，优化设计后西南建筑二层平面的自然通风条件得到了很大的改善，尤其是房间内风速有了明显的改善(图9c、9d)。

3.3.4 双翼空间长期优化设计模式研究

在上述西南楼空间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放的布局，以容纳师生各类交流、展览和公共活动，而建筑两翼则成为需要容纳更多实际功能的功能空间。在此基础上，在对“固定”空间与“可变”空间关系的认知与梳理基础上，对西南楼两翼的功能空间进行了长期的优化设计模型研究，为室内空间提供最大的灵活性和适应性，以最大程度地适应各类功能的需求及其未来需求的变化。

首先，基于梳理优化前述“固定”空间与“可变”空间关系的思路，将西南建筑两翼功能空间中所有的“固定”空间集中在建筑中部原有的连廊内，容纳功能空间所需的各类辅助空间，并通过人工照明和机械通风解决采光与通风的问题。

通过对“固定”空间的排布和优化，建筑内“可变”空间获得了极大的灵活性。根据实地调研和问卷调查中了解到的西南楼师生的需求（图4、图5），我们进一步研究了两翼空间的长期优化设计模型，设计了四种满足师生不同需求的长期优化模型（图11）。

a—一层平面图；b—长期优化设计模型。1—教室；2—储藏室；3—教师办公室。

图11 西南楼原两翼空间规划及长期优化设计模型

图 11 机翼平面图及长期模型

这四种模式分别为：针对驻留学科群体的研究室+实验室+交流+服务模式、针对项目团队的研究室+实验室+交流+服务模式、针对公共教室的教室+讨论室+交流+服务模式、针对行政办公室的行政办公室+交流+服务模式。通过对比原有空间模式与长期优化设计后的模式可以发现，相比于原有统一的空间模式，西南楼两翼的灵活性和适应性得到了很大的提升，以满足不同功能的需求。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的设计，以满足未来使用者不断变化的需求。

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结论

南京大学西南楼等具有重要历史文化价值的既有高校建筑，是当前我国高校发展过程中的重要资源，改造利用时需在不影响建筑历史文化价值的前提下，谨慎进行，解决其空间形态相对单一、灵活性较差的问题。

本研究作为相关系统研究的一部分，重点研究高校既有校园建筑空间的长期优化问题。在系统研究的基础上，通过基于原有结构形式和空间格局的长期优化设计研究，以及“固定”空间与“可变”空间关系的梳理与优化，实现既有校园建筑空间的长期优化设计。本研究证明，建筑空间的长期优化设计可以有效提高内部空间的适应性，有利于使这些建筑焕发青春，更好地融入当代大学师生教学、科研的新需求。本研究的相关调查和后续研究还将继续进行。期待通过校园建筑空间的长期优化研究，为我国高校既有校园建筑空间的更新探索出有效的方法，研究成果也能对我国既有建筑的保护与更新起到积极的作用。

参考

[1]吴正旺,王博伟.百年大学校园规划[J].建筑学报,2005(3):5-7.