保護(hù)性更新是歷史的關(guān)鍵近代建筑再利用的具體策略及實(shí)踐方法以清華大學(xué)科學(xué)館為例

保護(hù)性更新是歷史的關(guān)鍵近代建筑再利用的具體策略及實(shí)踐方法以清華大學(xué)科學(xué)館為例

清華科學(xué)館建于1919年。該建筑的資金來源于當(dāng)年的“庚子”補(bǔ)償，由美國建筑師墨菲1設(shè)計。該建筑采用了折衷主義風(fēng)格，也被稱為“洋風(fēng)”。這是清華大學(xué)的原始建筑之一。初期為理科試驗(yàn)室,1929年清華大學(xué)理學(xué)院建院后,成為物理化學(xué)的教學(xué)和試驗(yàn)基地,早期的清華算學(xué)系亦設(shè)于此。我們所熟知的周培源、楊振寧、林家翹、錢三強(qiáng)、顧毓秀、胡喬木、錢偉長、王淦昌、華羅庚、周光召等名師大家都曾在這里工作和學(xué)習(xí)過。據(jù)初步統(tǒng)計,科學(xué)館中走出的院士達(dá)83位2),被譽(yù)為近代中國“賽先生”的發(fā)源地3)。正如英國藝術(shù)批評家約翰·拉斯金(JohnRuskin)所說的“建筑最大的榮耀來自于它的歷史”,從推動中華民族復(fù)興進(jìn)程的歷史角度而言,現(xiàn)存的近代同類型建筑單體中當(dāng)無出其右者。1992年科學(xué)館被列為北京市第四批重點(diǎn)保護(hù)文物建筑,2001年又被列為國家級重點(diǎn)文物保護(hù)單位。經(jīng)歷了80余年的歲月滄桑,科學(xué)館幾度遭遇劫難,雖得以幸存(圖1),但原有結(jié)構(gòu)體系由于使用年限、樓板構(gòu)造、墻體布局等隱患存在,已處于瀕危狀態(tài),使用功能也難以滿足當(dāng)前需求,亟待保護(hù)和更新。一方面,需要讓科學(xué)館能夠永久性的保留下來,繼續(xù)傳承清華校園厚重的人文積淀,另一方面,需要科學(xué)館完成功能更新,適應(yīng)新的學(xué)科發(fā)展要求。2005年8月至2007年4月間,科學(xué)館通過“保護(hù)性更新”,完成了結(jié)構(gòu)加固、立面修復(fù)、功能更新等一系列的工作,重新煥發(fā)了活力。1科學(xué)館建筑特點(diǎn)清華大學(xué)科學(xué)館位于清華大學(xué)校園核心區(qū)4),位于清華大禮堂——二校門中軸線東側(cè),為3層坡屋頂磚混結(jié)構(gòu),南北長59m,東西寬19.5m,總建筑面積約4600m2(包括頂部閣樓)。屋蓋原為木結(jié)構(gòu),1968年“文革”中因火災(zāi)焚毀,1969年修復(fù)時改建為由多榀鋼筋混凝土人字梁加木檁、木望板、灰水泥瓦的坡屋頂?？茖W(xué)館樓層空間很大,1-3層為3.6m,4層為閣樓層,層高最高點(diǎn)達(dá)6.2m,改造前作為倉庫使用。一層樓板下設(shè)有1m左右的架空層,設(shè)置上下水、供暖的管線系統(tǒng),現(xiàn)已積存大量淤泥,不堪使用。科學(xué)館樓板技術(shù)構(gòu)造工藝極富特色,做法為陶土空心磚內(nèi)穿方鋼(φ=3/4英寸@240),空心磚上和縫間澆灌混凝土,上覆白灰焦渣和水泥砂漿面層(圖2)。但由于鋼筋銹蝕較嚴(yán)重,1988、1989曾發(fā)生過局部頂板崩落事故,雖然近15年間情況沒有進(jìn)一步惡化,但依然隱患極大?？茖W(xué)館的建筑結(jié)構(gòu)體系有如下六個主要特點(diǎn):1)縱、橫墻混合承重,縱墻承重為主,兩道內(nèi)縱墻與山墻不相交;2)非承重墻的橫墻存在上下不貫通的現(xiàn)象;3)橫梁間距不等,上下不對應(yīng);4)樓梯間、走道板均采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土;5)坡屋頂為多榀鋼筋混凝土人字梁,木檁、木望板;6)建筑基礎(chǔ)為混凝土條形基礎(chǔ)。上述特點(diǎn)中的一、二、三項(xiàng)對結(jié)構(gòu)安全、抗震設(shè)防均極為不利,該建筑能夠留存至今并保持大體無恙,多少有些讓人匪夷所思。2研究、評估和評估經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研與資料收集,完成了實(shí)地踏勘、取樣、檢測、評估等工作,并對現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)體系形成初步的鑒定結(jié)論。2.1科學(xué)館的修繕調(diào)研工作主要包括對科學(xué)館現(xiàn)狀、歷史資料的收集與整理,在此基礎(chǔ)上,結(jié)合法規(guī)查詢、專家論證等工作,完成科學(xué)館室內(nèi)外空間的價值評估。由于科學(xué)館的原始圖紙早已遺失,建筑自1919年落成后又幾次經(jīng)歷劫難。此外,因?yàn)橄惹暗奈谋Ｒ庾R比較淡薄,處置不當(dāng)?shù)男蘅樢矔r常有之。其中,大規(guī)模的修繕主要有兩次(表1),小規(guī)模的修繕更是頻繁,導(dǎo)致科學(xué)館室內(nèi)外空間多處面目全非,很難澄清當(dāng)年的原始風(fēng)貌,如屋頂老虎窗的形制、分布,西外門的顏色,樓梯間墻裙材質(zhì)等。針對上述情況,一方面,首先完成了對科學(xué)館當(dāng)前風(fēng)貌、格局的實(shí)測工作,作為資料存續(xù),歷史檔案比對研究、分析的基礎(chǔ);另一方面,積極找尋曾在科學(xué)館工作、學(xué)習(xí)過的老一代師長、校友,通過他們的記憶,逐漸還原科學(xué)館各個時期形象片斷,并拼接成整體;此外,對清華校內(nèi)與科學(xué)館同時期的建筑、同一建筑師(墨菲)的其他作品,以及同一施工方(公順記,KungSungKee)同時期完成的建筑進(jìn)行了比較研究,尋找其構(gòu)造、做法上與科學(xué)館的相似之處,以彌補(bǔ)科學(xué)館圖紙缺失的不足。如同為清華大學(xué)早期十大建筑之一的圖書館很多細(xì)部構(gòu)造與科學(xué)館相似甚至相同(圖3),為科學(xué)館的加固修復(fù)提供了大量的現(xiàn)實(shí)依據(jù)。2.2抗震驗(yàn)算及驗(yàn)算經(jīng)過對現(xiàn)有承重體系的檢測與分析,分別按7度抗震設(shè)防要求、8度抗震設(shè)防要求對當(dāng)前墻體進(jìn)行了抗震驗(yàn)算?？紤]到北京地區(qū)的抗震設(shè)防要求,以及科學(xué)館作為國家級文物建筑的重要價值,抗震設(shè)防要求最終確定為8度設(shè)防,達(dá)不到設(shè)防要求的墻體則必須進(jìn)行加固處理。2.3科學(xué)館現(xiàn)澆梁板混凝土強(qiáng)度檢測1)科學(xué)館的承重體系屬于縱、橫墻混合承重體系。建筑物開間較大、無抗震構(gòu)造柱及圈梁,外墻開窗較多及樓層“空心磚穿鋼筋”的構(gòu)造做法等因素均對建筑物的抗震不利。2)現(xiàn)場檢測表明,科學(xué)館現(xiàn)澆梁、板的混凝土參考強(qiáng)度約為C15強(qiáng)度等級,混凝土質(zhì)量基本正常。3)目前情況下,科學(xué)館結(jié)構(gòu)體系存在著較為嚴(yán)重的耐久性損傷,梁、板的開裂較為普遍,尤其三層頂板承重梁出現(xiàn)數(shù)量較多的彎曲及剪切斜裂縫,存在著安全隱患,必須對其采取加固措施。4)科學(xué)館橫向砌體磚墻的損傷情況嚴(yán)重,產(chǎn)生數(shù)量較多的斜裂縫、豎向裂縫及水平裂縫等,裂縫的最大寬度已達(dá)10mm(局部錯開),裂縫的最大長度達(dá)5m左右,已構(gòu)成局部危險點(diǎn),必須對開裂的墻體采取及時有效的加固措施。3科學(xué)館保護(hù)原則本著對歷史文脈真實(shí)性負(fù)責(zé),對未來發(fā)展可持續(xù)性負(fù)責(zé)的態(tài)度,在科學(xué)館加固、修復(fù)工作開展之前,完成了資料、圖紙收集、現(xiàn)場測繪、結(jié)構(gòu)檢測、需求論證、案例比較等一系列研究與論證工作,并于2004年的6月11日,召開了“清華大學(xué)科學(xué)館加固修復(fù)設(shè)計方案專家論證會”。羅哲文、王世仁、崔兆忠等三位國家文物局專家組成員,清華大學(xué)呂舟教授、邸小壇教授共同出席了論證會,并確定了科學(xué)館的保護(hù)原則,主要內(nèi)容如下:1)作為一個近百年的近代建筑,科學(xué)館當(dāng)前存在著重大的結(jié)構(gòu)安全隱患,對此,結(jié)構(gòu)安全應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮,首先必須保證這一歷史性建筑的存在,其他各項(xiàng)工作才具有意義。2)必須充分意識到科學(xué)館的歷史價值、藝術(shù)價值和科學(xué)價值并以此為方案的設(shè)計原則。如科學(xué)價值是指在科學(xué)技術(shù)上的地位,科學(xué)館的空心磚樓板在科學(xué)史上有價值,應(yīng)局部保留作為標(biāo)本,不能全部廢除。3)作為加固改造和修復(fù)方案,對科學(xué)館建筑外形、形制上的缺點(diǎn)堅決不能更改,但結(jié)構(gòu)安全方面的缺點(diǎn)要改,可以采用、借鑒多種措施。4)不改變文物原狀,包括外形、墻面、門窗、臺階、環(huán)境,建筑內(nèi)部的門廳、樓梯間等。5)功能更新類,如增加安全樓梯、電梯、安全通道、管線等,在滿足上述要求基礎(chǔ)上,是可行的。6)結(jié)構(gòu)加固設(shè)計技術(shù)措施的選用,原則上同意利用自流平混凝土或噴射混凝土的加固方案?？傮w上來說,保護(hù)原則明確了科學(xué)館保護(hù)性利用中若干關(guān)鍵問題:如對結(jié)構(gòu)加固技術(shù)方案的選擇,對科學(xué)館內(nèi)外空間各個組成部分價值的認(rèn)定,對功能更新設(shè)想實(shí)現(xiàn)的可能性及具體方式的認(rèn)定等。為加固和修復(fù)設(shè)計的工作深化提供了客觀依據(jù),也為解決下一階段錯綜復(fù)雜的現(xiàn)場問題打下了良好基礎(chǔ)。4保護(hù)、加固、更新和修復(fù)4.1立面“原初支”1)對周邊環(huán)境的保護(hù):保護(hù)文物建筑的范圍不僅僅局限于文物建筑自身,它所存續(xù)的周邊環(huán)境同樣具有價值和意義,“整體保護(hù)”的觀念在科學(xué)館的保護(hù)性更新中得到了充分的重視。施工之前,對科學(xué)館周邊的17棵樹木進(jìn)行了實(shí)測和清點(diǎn),采用竹膠板綁扎的方法施加了保護(hù)措施(圖4),進(jìn)而保證工程完工后,科學(xué)館周邊的生態(tài)環(huán)境依舊生機(jī)盎然,完好如初。2)對外立面的保護(hù):科學(xué)館外立面是清華大學(xué)禮堂前區(qū)的組成部分,而這一區(qū)域早已在2001年7月被列入文保區(qū)的核心保護(hù)范圍。對科學(xué)館外立面進(jìn)行“原貌保護(hù)”,是各方的共識,因現(xiàn)狀外墻墻磚的破損、“粉化”及砂漿標(biāo)號的降低,保護(hù)工作的焦點(diǎn)集中在施工期間確保墻體不損傷、傾覆。在施工過程中,腳手架至外墻面的安全距離得到了嚴(yán)格限制,噴射混凝土也采用了分段、分期的施工方式,隨時監(jiān)測外墻墻體的穩(wěn)定狀況。3)對室內(nèi)門廳、樓梯間的保護(hù):在對科學(xué)館的外觀風(fēng)貌及空間格局進(jìn)行充分地文物價值評估后,經(jīng)專家組認(rèn)定,科學(xué)館門廳、樓梯間(圖5)設(shè)計、施工工藝精良,造型古樸典雅,對上世紀(jì)30年代同類型建筑室內(nèi)裝修風(fēng)格具有充分的表征意義,需原狀保留、修復(fù)。為防止施工期間對樓梯間造成損毀和破壞,科學(xué)館的室內(nèi)樓梯、欄桿、扶手、踏步等部位均采用竹塑板整體外包,作了重點(diǎn)防護(hù)(圖6)。采用竹塑板的原因在于,竹塑板較鋼模板更能有效防止磕碰的等外力損傷,包括模板自身的外力作用。4)對樓板的保護(hù):經(jīng)專家組論證,科學(xué)館樓板構(gòu)造做法在科學(xué)史上具有價值和意義,建議采取局部保留的保護(hù)方式。這一意見在保護(hù)工作中得到了充分尊重,科學(xué)館三層走廊南北端部的樓板均原狀保留。為了確保其使用安全,樓板的破損部位采用環(huán)氧樹脂砂漿灌縫修復(fù)后,板底覆加鋼板網(wǎng),端部槽鋼支護(hù),伸入墻體120mm。5)對外檐牛腿的保護(hù):由于上世紀(jì)60年代原木屋架焚毀后,屋架改為鋼筋混凝土造成屋面荷載增大,導(dǎo)致了檐口牛腿上部荷載過大,出現(xiàn)了不同程度的拉裂現(xiàn)象。屋面施工期間,為了防止牛腿斷裂,根據(jù)牛腿形狀采用了“三點(diǎn)支護(hù)”的方案(圖7),將屋面?zhèn)髦僚Ｍ鹊暮奢d轉(zhuǎn)換到腳手架豎向支撐,保證了牛腿的安全。施工完成后,在牛腿纖細(xì)的裂縫中,用針管打入環(huán)氧樹脂砂漿,進(jìn)一步完成牛腿的修補(bǔ)。4.2鋼筋混凝土圈梁主要加固措施如下:1)沿原內(nèi)縱墻及部分橫墻做鋼筋網(wǎng)噴射混凝土板墻,板墻的厚度依據(jù)受力部位、墻體狀況而不同,為80mm-140mm厚。2)增設(shè)鋼筋混凝土橫墻,完善現(xiàn)有承重體系,增強(qiáng)抗震性能。3)內(nèi)縱墻與山墻未連通部分增加鋼筋混凝土墻。4)切除、鑿除原空心磚地面,做鋼筋混凝土新樓板。5)在新樓板周圈做鋼筋混凝土圈梁。6)采用加大截面法加固一二層橫梁。7)考慮到閣樓層的空間利用及結(jié)構(gòu)的整體性,不再采用加大截面法加固三層頂板橫梁、屋頂人字梁,拆除后重新澆筑。4.3科學(xué)館改造為軟實(shí)力工程主要指功能更新,科學(xué)館長期以來一直作為物理系實(shí)驗(yàn)室使用,由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備及臺座嚴(yán)重超載,實(shí)驗(yàn)試劑泄漏對結(jié)構(gòu)的長期腐蝕,最終導(dǎo)致科學(xué)館漸成“危房”。本次功能更新明確提出降低科學(xué)館的使用強(qiáng)度,將科學(xué)館改造為軟科學(xué)的科研及辦公用房5),按照這一功能定位進(jìn)行荷載計算及格局改造,并相應(yīng)增加了電梯、疏散樓梯等輔助設(shè)施。由于原閣樓層一直處于廢棄狀態(tài),僅作為儲存雜物使用,這樣的狀態(tài)是非常不理想的。本次功能更新考慮到了閣樓的再利用問題,將其改造為教學(xué)科研用房,為科學(xué)館增加了近800m2的使用面積(圖8)。4.4墻磚、外窗及墻體的加固科學(xué)館完成修復(fù)的部位主要有外立面、門廳、樓梯間三個主要部分,介紹如下:1)清水磚墻的修復(fù):建于上世紀(jì)初的科學(xué)館用磚形制,不僅幾何尺寸與當(dāng)前不同,質(zhì)地同樣也無法原樣燒制。根據(jù)外立面破損的具體情況,修復(fù)工作中主要采取了兩項(xiàng)對策:針對那些磚體整體破損、缺失的部位,采用“以內(nèi)補(bǔ)外”的策略,即對原有同時期燒制的內(nèi)墻墻磚予以保留、清洗后,替代外墻的缺損部位;針對稍有破損的外墻磚,則采用“同質(zhì)修補(bǔ)”的方法,將原有磚體研磨成粉末,拌入砂漿,填補(bǔ)破損處墻磚,保證了外立面的觀感、質(zhì)感完好如初(圖9)。2)外窗的修復(fù):科學(xué)館共計有外窗184組,均為鋼窗。經(jīng)現(xiàn)場勘查,變形率達(dá)96%,現(xiàn)已不堪使用。整體拆掉后,嘗試著進(jìn)行了脫漆洗亮工作,發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)鋼窗品質(zhì)良好,經(jīng)過變形矯正,重新噴漆,完成了原樣裝配。原有的銅拉手、銅鎖、銅鉸鏈根據(jù)具體破損情況、部位,原樣復(fù)制或修復(fù)后重新安裝,保證了外立面的觀感與原貌一致(圖10)。鑒于鋼窗易變形、密閉性、保溫性能較差的缺陷,為了充分的滿足使用功能,在鋼窗內(nèi)側(cè)增加了一組鋁合金窗。為保證外觀整體風(fēng)格不變,新增加的鋁合金窗的尺度、分割、比例、色彩均依照外窗原樣定制。3)門廳兩側(cè)花墻的修復(fù)科學(xué)館門廳各有裝飾花墻一面,采用灰砂磚砌筑。鑒于原有灰砂磚“粉蝕”狀況嚴(yán)重,已無法修復(fù),設(shè)計決定對花墻拍攝照片留檔后整體拆除。磚按照原樣幾何尺寸、材質(zhì)定制后,重新按照所攝照片拼砌完成,恢復(fù)原貌(圖11)。4)樓梯間300號房間墻體的修復(fù)科學(xué)館三層與樓梯間正對的300號房間是樓梯間整體空間序列的一部分,也應(yīng)該進(jìn)行原貌保護(hù)。雖然300號房間墻體磚拱券出現(xiàn)裂縫,但磚材狀況良好,沒有出現(xiàn)“粉蝕”現(xiàn)象。修復(fù)過程中,最終決定逐塊拆除墻磚并一一妥善保存,最后原樣砌筑。5國家工商加固設(shè)計的目科學(xué)館是清華大學(xué)乃至中國近現(xiàn)代歷史記憶的重要組成部分。她的“保護(hù)性更新”,不僅成功地保存、再現(xiàn)了科學(xué)館經(jīng)典性的歷史風(fēng)貌,同時,也完成了自身功能構(gòu)成的有機(jī)更新,實(shí)現(xiàn)了建筑的“再生”,對其他同類近現(xiàn)代歷史建筑的保護(hù)及再利用具有重大的參考價值(圖12)。1)對于科學(xué)館這類已超期服役多年,同時又是國家級文物保護(hù)建筑物的加固修復(fù),首先要從其自身的建筑格局、結(jié)構(gòu)體系等客觀情況出發(fā),在盡可能地降低其使用強(qiáng)度的前提下,論證并確定其“適宜”的功能定位并實(shí)現(xiàn)功能更新。在此基礎(chǔ)上,討論加固修復(fù)的具體方案才具有意義,這一點(diǎn)至關(guān)重要。2)要積極拓展調(diào)研取證及原始資料收集的工