保护性更新是历史的关键近代建筑再利用的具体策略及实践方法以清华大学科学馆为例

保护性更新是历史的关键近代建筑再利用的具体策略及实践方法以清华大学科学馆为例

清华科学馆建于1919年。该建筑的资金来源于当年的“庚子”补偿，由美国建筑师墨菲1设计。该建筑采用了折衷主义风格，也被称为“洋风”。这是清华大学的原始建筑之一。初期为理科试验室,1929年清华大学理学院建院后,成为物理化学的教学和试验基地,早期的清华算学系亦设于此。我们所熟知的周培源、杨振宁、林家翘、钱三强、顾毓秀、胡乔木、钱伟长、王淦昌、华罗庚、周光召等名师大家都曾在这里工作和学习过。据初步统计,科学馆中走出的院士达83位2),被誉为近代中国“赛先生”的发源地3)。正如英国艺术批评家约翰·拉斯金(JohnRuskin)所说的“建筑最大的荣耀来自于它的历史”,从推动中华民族复兴进程的历史角度而言,现存的近代同类型建筑单体中当无出其右者。1992年科学馆被列为北京市第四批重点保护文物建筑,2001年又被列为国家级重点文物保护单位。经历了80余年的岁月沧桑,科学馆几度遭遇劫难,虽得以幸存(图1),但原有结构体系由于使用年限、楼板构造、墙体布局等隐患存在,已处于濒危状态,使用功能也难以满足当前需求,亟待保护和更新。一方面,需要让科学馆能够永久性的保留下来,继续传承清华校园厚重的人文积淀,另一方面,需要科学馆完成功能更新,适应新的学科发展要求。2005年8月至2007年4月间,科学馆通过“保护性更新”,完成了结构加固、立面修复、功能更新等一系列的工作,重新焕发了活力。1科学馆建筑特点清华大学科学馆位于清华大学校园核心区4),位于清华大礼堂——二校门中轴线东侧,为3层坡屋顶砖混结构,南北长59m,东西宽19.5m,总建筑面积约4600m2(包括顶部阁楼)。屋盖原为木结构,1968年“文革”中因火灾焚毁,1969年修复时改建为由多榀钢筋混凝土人字梁加木檩、木望板、灰水泥瓦的坡屋顶。科学馆楼层空间很大,1-3层为3.6m,4层为阁楼层,层高最高点达6.2m,改造前作为仓库使用。一层楼板下设有1m左右的架空层,设置上下水、供暖的管线系统,现已积存大量淤泥,不堪使用。科学馆楼板技术构造工艺极富特色,做法为陶土空心砖内穿方钢(φ=3/4英寸@240),空心砖上和缝间浇灌混凝土,上覆白灰焦渣和水泥砂浆面层(图2)。但由于钢筋锈蚀较严重,1988、1989曾发生过局部顶板崩落事故,虽然近15年间情况没有进一步恶化,但依然隐患极大。科学馆的建筑结构体系有如下六个主要特点:1)纵、横墙混合承重,纵墙承重为主,两道内纵墙与山墙不相交;2)非承重墙的横墙存在上下不贯通的现象;3)横梁间距不等,上下不对应;4)楼梯间、走道板均采用现浇钢筋混凝土;5)坡屋顶为多榀钢筋混凝土人字梁,木檩、木望板;6)建筑基础为混凝土条形基础。上述特点中的一、二、三项对结构安全、抗震设防均极为不利,该建筑能够留存至今并保持大体无恙,多少有些让人匪夷所思。2研究、评估和评估经过现场调研与资料收集,完成了实地踏勘、取样、检测、评估等工作,并对现状结构体系形成初步的鉴定结论。2.1科学馆的修缮调研工作主要包括对科学馆现状、历史资料的收集与整理,在此基础上,结合法规查询、专家论证等工作,完成科学馆室内外空间的价值评估。由于科学馆的原始图纸早已遗失,建筑自1919年落成后又几次经历劫难。此外,因为先前的文保意识比较淡薄,处置不当的修缮也时常有之。其中,大规模的修缮主要有两次(表1),小规模的修缮更是频繁,导致科学馆室内外空间多处面目全非,很难澄清当年的原始风貌,如屋顶老虎窗的形制、分布,西外门的颜色,楼梯间墙裙材质等。针对上述情况,一方面,首先完成了对科学馆当前风貌、格局的实测工作,作为资料存续,历史档案比对研究、分析的基础;另一方面,积极找寻曾在科学馆工作、学习过的老一代师长、校友,通过他们的记忆,逐渐还原科学馆各个时期形象片断,并拼接成整体;此外,对清华校内与科学馆同时期的建筑、同一建筑师(墨菲)的其他作品,以及同一施工方(公顺记,KungSungKee)同时期完成的建筑进行了比较研究,寻找其构造、做法上与科学馆的相似之处,以弥补科学馆图纸缺失的不足。如同为清华大学早期十大建筑之一的图书馆很多细部构造与科学馆相似甚至相同(图3),为科学馆的加固修复提供了大量的现实依据。2.2抗震验算及验算经过对现有承重体系的检测与分析,分别按7度抗震设防要求、8度抗震设防要求对当前墙体进行了抗震验算。考虑到北京地区的抗震设防要求,以及科学馆作为国家级文物建筑的重要价值,抗震设防要求最终确定为8度设防,达不到设防要求的墙体则必须进行加固处理。2.3科学馆现浇梁板混凝土强度检测1)科学馆的承重体系属于纵、横墙混合承重体系。建筑物开间较大、无抗震构造柱及圈梁,外墙开窗较多及楼层“空心砖穿钢筋”的构造做法等因素均对建筑物的抗震不利。2)现场检测表明,科学馆现浇梁、板的混凝土参考强度约为C15强度等级,混凝土质量基本正常。3)目前情况下,科学馆结构体系存在着较为严重的耐久性损伤,梁、板的开裂较为普遍,尤其三层顶板承重梁出现数量较多的弯曲及剪切斜裂缝,存在着安全隐患,必须对其采取加固措施。4)科学馆横向砌体砖墙的损伤情况严重,产生数量较多的斜裂缝、竖向裂缝及水平裂缝等,裂缝的最大宽度已达10mm(局部错开),裂缝的最大长度达5m左右,已构成局部危险点,必须对开裂的墙体采取及时有效的加固措施。3科学馆保护原则本着对历史文脉真实性负责,对未来发展可持续性负责的态度,在科学馆加固、修复工作开展之前,完成了资料、图纸收集、现场测绘、结构检测、需求论证、案例比较等一系列研究与论证工作,并于2004年的6月11日,召开了“清华大学科学馆加固修复设计方案专家论证会”。罗哲文、王世仁、崔兆忠等三位国家文物局专家组成员,清华大学吕舟教授、邸小坛教授共同出席了论证会,并确定了科学馆的保护原则,主要内容如下:1)作为一个近百年的近代建筑,科学馆当前存在着重大的结构安全隐患,对此,结构安全应当重点考虑,首先必须保证这一历史性建筑的存在,其他各项工作才具有意义。2)必须充分意识到科学馆的历史价值、艺术价值和科学价值并以此为方案的设计原则。如科学价值是指在科学技术上的地位,科学馆的空心砖楼板在科学史上有价值,应局部保留作为标本,不能全部废除。3)作为加固改造和修复方案,对科学馆建筑外形、形制上的缺点坚决不能更改,但结构安全方面的缺点要改,可以采用、借鉴多种措施。4)不改变文物原状,包括外形、墙面、门窗、台阶、环境,建筑内部的门厅、楼梯间等。5)功能更新类,如增加安全楼梯、电梯、安全通道、管线等,在满足上述要求基础上,是可行的。6)结构加固设计技术措施的选用,原则上同意利用自流平混凝土或喷射混凝土的加固方案。总体上来说,保护原则明确了科学馆保护性利用中若干关键问题:如对结构加固技术方案的选择,对科学馆内外空间各个组成部分价值的认定,对功能更新设想实现的可能性及具体方式的认定等。为加固和修复设计的工作深化提供了客观依据,也为解决下一阶段错综复杂的现场问题打下了良好基础。4保护、加固、更新和修复4.1立面“原初支”1)对周边环境的保护:保护文物建筑的范围不仅仅局限于文物建筑自身,它所存续的周边环境同样具有价值和意义,“整体保护”的观念在科学馆的保护性更新中得到了充分的重视。施工之前,对科学馆周边的17棵树木进行了实测和清点,采用竹胶板绑扎的方法施加了保护措施(图4),进而保证工程完工后,科学馆周边的生态环境依旧生机盎然,完好如初。2)对外立面的保护:科学馆外立面是清华大学礼堂前区的组成部分,而这一区域早已在2001年7月被列入文保区的核心保护范围。对科学馆外立面进行“原貌保护”,是各方的共识,因现状外墙墙砖的破损、“粉化”及砂浆标号的降低,保护工作的焦点集中在施工期间确保墙体不损伤、倾覆。在施工过程中,脚手架至外墙面的安全距离得到了严格限制,喷射混凝土也采用了分段、分期的施工方式,随时监测外墙墙体的稳定状况。3)对室内门厅、楼梯间的保护:在对科学馆的外观风貌及空间格局进行充分地文物价值评估后,经专家组认定,科学馆门厅、楼梯间(图5)设计、施工工艺精良,造型古朴典雅,对上世纪30年代同类型建筑室内装修风格具有充分的表征意义,需原状保留、修复。为防止施工期间对楼梯间造成损毁和破坏,科学馆的室内楼梯、栏杆、扶手、踏步等部位均采用竹塑板整体外包,作了重点防护(图6)。采用竹塑板的原因在于,竹塑板较钢模板更能有效防止磕碰的等外力损伤,包括模板自身的外力作用。4)对楼板的保护:经专家组论证,科学馆楼板构造做法在科学史上具有价值和意义,建议采取局部保留的保护方式。这一意见在保护工作中得到了充分尊重,科学馆三层走廊南北端部的楼板均原状保留。为了确保其使用安全,楼板的破损部位采用环氧树脂砂浆灌缝修复后,板底覆加钢板网,端部槽钢支护,伸入墙体120mm。5)对外檐牛腿的保护:由于上世纪60年代原木屋架焚毁后,屋架改为钢筋混凝土造成屋面荷载增大,导致了檐口牛腿上部荷载过大,出现了不同程度的拉裂现象。屋面施工期间,为了防止牛腿断裂,根据牛腿形状采用了“三点支护”的方案(图7),将屋面传至牛腿的荷载转换到脚手架竖向支撑,保证了牛腿的安全。施工完成后,在牛腿纤细的裂缝中,用针管打入环氧树脂砂浆,进一步完成牛腿的修补。4.2钢筋混凝土圈梁主要加固措施如下:1)沿原内纵墙及部分横墙做钢筋网喷射混凝土板墙,板墙的厚度依据受力部位、墙体状况而不同,为80mm-140mm厚。2)增设钢筋混凝土横墙,完善现有承重体系,增强抗震性能。3)内纵墙与山墙未连通部分增加钢筋混凝土墙。4)切除、凿除原空心砖地面,做钢筋混凝土新楼板。5)在新楼板周圈做钢筋混凝土圈梁。6)采用加大截面法加固一二层横梁。7)考虑到阁楼层的空间利用及结构的整体性,不再采用加大截面法加固三层顶板横梁、屋顶人字梁,拆除后重新浇筑。4.3科学馆改造为软实力工程主要指功能更新,科学馆长期以来一直作为物理系实验室使用,由于实验设备及台座严重超载,实验试剂泄漏对结构的长期腐蚀,最终导致科学馆渐成“危房”。本次功能更新明确提出降低科学馆的使用强度,将科学馆改造为软科学的科研及办公用房5),按照这一功能定位进行荷载计算及格局改造,并相应增加了电梯、疏散楼梯等辅助设施。由于原阁楼层一直处于废弃状态,仅作为储存杂物使用,这样的状态是非常不理想的。本次功能更新考虑到了阁楼的再利用问题,将其改造为教学科研用房,为科学馆增加了近800m2的使用面积(图8)。4.4墙砖、外窗及墙体的加固科学馆完成修复的部位主要有外立面、门厅、楼梯间三个主要部分,介绍如下:1)清水砖墙的修复:建于上世纪初的科学馆用砖形制,不仅几何尺寸与当前不同,质地同样也无法原样烧制。根据外立面破损的具体情况,修复工作中主要采取了两项对策:针对那些砖体整体破损、缺失的部位,采用“以内补外”的策略,即对原有同时期烧制的内墙墙砖予以保留、清洗后,替代外墙的缺损部位;针对稍有破损的外墙砖,则采用“同质修补”的方法,将原有砖体研磨成粉末,拌入砂浆,填补破损处墙砖,保证了外立面的观感、质感完好如初(图9)。2)外窗的修复:科学馆共计有外窗184组,均为钢窗。经现场勘查,变形率达96%,现已不堪使用。整体拆掉后,尝试着进行了脱漆洗亮工作,发现绝大多数钢窗品质良好,经过变形矫正,重新喷漆,完成了原样装配。原有的铜拉手、铜锁、铜铰链根据具体破损情况、部位,原样复制或修复后重新安装,保证了外立面的观感与原貌一致(图10)。鉴于钢窗易变形、密闭性、保温性能较差的缺陷,为了充分的满足使用功能,在钢窗内侧增加了一组铝合金窗。为保证外观整体风格不变,新增加的铝合金窗的尺度、分割、比例、色彩均依照外窗原样定制。3)门厅两侧花墙的修复科学馆门厅各有装饰花墙一面,采用灰砂砖砌筑。鉴于原有灰砂砖“粉蚀”状况严重,已无法修复,设计决定对花墙拍摄照片留档后整体拆除。砖按照原样几何尺寸、材质定制后,重新按照所摄照片拼砌完成,恢复原貌(图11)。4)楼梯间300号房间墙体的修复科学馆三层与楼梯间正对的300号房间是楼梯间整体空间序列的一部分,也应该进行原貌保护。虽然300号房间墙体砖拱券出现裂缝,但砖材状况良好,没有出现“粉蚀”现象。修复过程中,最终决定逐块拆除墙砖并一一妥善保存,最后原样砌筑。5国家工商加固设计的目科学馆是清华大学乃至中国近现代历史记忆的重要组成部分。她的“保护性更新”,不仅成功地保存、再现了科学馆经典性的历史风貌,同时,也完成了自身功能构成的有机更新,实现了建筑的“再生”,对其他同类近现代历史建筑的保护及再利用具有重大的参考价值(图12)。1)对于科学馆这类已超期服役多年,同时又是国家级文物保护建筑物的加固修复,首先要从其自身的建筑格局、结构体系等客观情况出发,在尽可能地降低其使用强度的前提下,论证并确定其“适宜”的功能定位并实现功能更新。在此基础上,讨论加固修复的具体方案才具有意义,这一点至关重要。2)要积极拓展调研取证及原始资料收集的工