旧建筑适应性改造的两种策略.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除旧建筑适应性改造的两种策略：建筑功能更新与能耗技术创新作者：刘少瑜 杨峰 单位： 香港大学建筑系 摘要：文章探讨了建筑生命周期的定义；建筑功能和性能在生命周期中的变化；适应性改造的目的，意义；在肯定艺术改造这一传统处理手法重要性的基础上，指出基于全球可持续发展和环境保护的大背景下，技术手段改造，由于其对于被动式能源利用和提高建筑能效设计的侧重，正受到越来越广泛的重视。本文结合国外最新研究成果和工程实例探讨了技术手段改造对于节约不可再生能源、提高室内环境舒适与健康性、以及减少温室气体排放诸方面的贡献。关键词：建筑生命周期 适应性改造技术手段改造 可持续发展1背景介绍 建筑生命周期(Buiiding life cycle)和适应性改造(Adaptive reuse)的概念 在上世纪80年代即有学者提出建筑生命周期的概念，目前关于生命周期有不同的诠释，而有两点是基本的要素，即建筑过程中的物质流循环，和建筑活动中包含的各个阶段。就阶段而言，可分为起始，制造、建造、使用、维护以及处理(disposition)在内的六个阶段，分别对应着从自然界提取建筑所需材料；制造构成建筑的建材或预制件；工地的建造；竣工后的日常运营；使用过程中的维修、更换(构件或设备)和翻新；直到其无法继续使用的处理，至此构成一个完整的生命周期。处理过程可以是拆除旧建筑，这样拆除的材料重新进入自然界的物质循环，或者在新的建设中再利用；也可以是对旧建筑进行适应性的改造，使其重新“焕发青春”，这样实质上等同于新的一个生命周期的开始。由此，为保持逻辑的严谨性，有学者提出“设计生命周期”的概念，认为改造再利用代表该建筑第二个设计生命周期的开始。 根据生命周期的定义和改造再利用的内涵，可以引申出适应性改造(或称改造性再利用)的定义：建筑在其生命周期内经常面临使用功能的转变。适应性改造即指在保留旧建筑历史特色的前提下使其适应新用途的过程(Tne Secretary of the Interior，U.S.1995)。其目的在于延长建筑的生命周期，或者说给予一建筑多个设计生命周期，以应对建筑承载的社会、文化、经济、技术等方面的需求。 国内外旧建筑适应性改造再利用的研究与实践综述对于历史建筑的适应性改造在世界较发达国家和地区巳开展了相当长时间，积累了丰富的经验，相关的设计和管理规范和导则也在不断完善。例如美国的室内管理局(The Secretary 0f the Interior)于1977年拟订了指导历史建筑修复和适应性改造的修复标准(The Standards for Rehabnitation)，在1990年和1995年进行了修订。该标准对建筑可能的新功能作出一定约束，以使改造对原有建筑的历史特色的影响减至最小；规定加建、外部改造应与原有建筑兼容而又有所区别，且如果未来拆除新建部分，原有历史建筑应能保持其原有风貌；另外，对改建涉及的材料、结构、施工工艺以及技术等方面都作出严格规定。香港存在数量众多的旧城区，屋宇缺乏修缮，居住品质堪危，城市空间也缺乏趣味，以致逐渐失去活力和人气。香港的市区重建局(Urban Renewal Authority)旨在通过旧城区重建创造高品质、充满活力的都市生活环境，提出了其工作的4R原则(Redevelopment，Rehabilitation，Revitalization，Reservation)，即重建、复原、复兴、保存。通过保存历史建筑，修复尚可使用的旧建筑，和在旧城区合理地段与当地社区、商业机构合作，改善基础设施和商业娱乐休闲设施，以及室外环境，以恢复或提升城区活力。 我国在这一领域的相关研究和政策规范在北京、上海等一些大城市中开展得较早。例如北京的旧建筑被分为三类进行改造研究，明清遗留的传统建筑；解放前的近代建筑，以及解放后新建的工业及民用建筑；上海于2003年实施上海市历史文化风貌区和优秀历史建筑保护条例，其中确定了12个历史风貌保护区，四批优秀历史建筑；并且把历史建筑划分为四类保护要求。2第一种改造策略-重在保存场所精神的艺术改造2.1 定义 如果从改造的出发点和改造的手段分析，现有的适应性改造实践大部分是重在保存场所精神，维系城市文脉连续性，在这个基础上更新功能，以适应时代需要。以此为指导的改造实践在西方国家得到了广泛的应用，在我国也越来越受到重视。2.2实例研究 1)巴西圣保罗市Pompeia工厂改造(图1-3，建筑师：Lina Bo Bardi) 该项目是将一处废弃的厂房改造成供原来的工人使用的体育文化休闲中心。建筑师Lina Bo Bardi是巴西著名的女建筑师，她决定保留原有厂房以及附属设施的特点，来延续人们对这里曾经的工业时代的回忆。而改造没有包含对工人辛苦生涯的喟叹或愁绪，而以巴西人特有的乐观与欢乐的精神，通过巧妙的构思，把曾经与愁苦、暴力、压抑、贫穷相连的片断提取转换，体现表达自由、想象力和感性的新生活。西班牙巴塞罗那当代艺术中心加建部分内景 2)西班牙巴塞罗那当代艺术中心扩建改造(建筑师：ViaplanaPinon) 待改造的原有建筑是半围合的U形西班牙传统庭院建筑，有着精美的立面雕刻装饰。新项目作为一个文化中心，需要加建一个入口门厅以及垂直交通枢纽。建筑师决定保留传统的庭院的围合感，并且通过加建来强化这一特征。西班牙巴塞罗那当代艺术中心扩建改造后鸟瞰 形体简洁的加建部分被插入原有院子开口处，面向院子的立面为两种不同光学特性的镜面玻璃幕墙，使院子在视觉上形成围合；不仅如此，高于墙面的幕墙向内微微倾斜，这一处理使院子里的观众可以通过幕墙的映射观看到老建筑的红瓦屋顶，这样，新建部分以一种谦逊的姿态巧妙融入原有的场所，并利用现代的材料和技术手段，丰富了原有庭院空间的感受，提升了空间的品质。3第二种改造策略一重在提高环境表现的技术改造 随着建筑改造的趋向与可持续发展的并轨，另一类型的改造策略，即重在提高旧建筑环境表现的技术改造，正逐渐受到越来越多的重视，并发展为适应性改造的未来的一个重要的发展方向。这也是本文探讨的重点所在。3.1 定义 提高环境表现的技术手段改造是指凭借可持续的生态技术提升原有建筑物的性能使其适用于新用途。 这种改造策略着眼于减低建筑对于环境的不利影响，促进可持续发展。“对一栋现有建筑进行再利用，是目前最有效的可持续发展策略之一。这不仅可以减少因为新建活动产生的材料、能源需求和造成的环境污染，同时也节约了新建筑开发用地必须的基础设施投资”。3.2生态技术适应性改造对可持续发展的贡献3.2.1降低不可再生能源的消耗量 降低原有建筑使用能耗 提高环境表现的技术手段改造不仅在结构、设备等技术层面上对旧建筑进行改造，更重要的是在建筑层面使用被动式能耗策略，打破旧式的封闭空调室内空间格局，把自然引入室内，使改造后的建筑具备新一代生态建筑的品质。德国柏林德意志邮政银行总部大楼的改造研究(Deusche Postbank Headquarter)说明了这一点。原建筑是一幢国际式风格的高层板楼，设计者根据原有建筑的条件，将所有可能使用的节能技术进行归纳，制订了包括供热、制冷、照明改善、通风系统、以及被动式建筑手段等五个节能策略在内的多个改造方案(表1)。为便于比较，使用了能耗模拟软件对各个节能策略的节能效果进行计算，并计算了各个方案的投入成本和收回投资的年数。 研究通过从投资、投资收回年限、节能、室内环境改善、建筑整体素质提升等方面，将方案一(结合策略l一4)、方案二(被动式建筑手段A)和方案三(被动式建筑手段B)进行比较，结论是：如果把节能作为唯一标准，那么方案一和二节能量和投资相若，但是方案一不能显著改善室内工作环境，所以应选择二；如果改造目标是把旧建筑转变成新型的生态节能型办公楼，则应选方案三。被动式的建筑改造策略把属于旧时代的全封闭空调建筑转变成适应新时代的，使用自然通风和采光的高品质现代办公建筑，这样改造后建筑完全符合现行的标准和规范，也有助于树立银行的新形象。罗马儿童博物馆鸟瞰 使用可再生能源(太阳能、风能、潮汐能等) 如罗马儿童博物馆，利用原罗马历史城区的一处车站厂房改造而来。在屋顶的改造中把天窗与光电板结合起来：总功率15KW的光电板被整合进标准化的天窗以及外遮阳系统的模块之中，大大方便了施工。太阳能发电设备与建筑设计结合起来，成为改造后建筑最引人注目的部分，同时起到了很好的教育和展示作用。儿童博物馆室内3.2.2提高室内环境舒适度与健康指标 如在香港大学艾略特堂改造中(详见案例研究)，使用了一系列措施来改善室内环境品质，包括安装导光板改进室内照度；采用地板送风空调，其比传统头顶送风模式更符合人体热工学的舒适度要求；同时，使用者可以根据自己的舒适度来调节风量或温度，从而避免了空调室内病(Sick Building Syndrome)的发生。3.2.3减少废物排放量 降低温室气体排放 包括削减建筑使用能耗，直接降低温室气体排放率，以及延长建筑使用期限，间接降低温室气体排放率。这是旧建筑适应性改造对保护地球气候和环境的重要贡献。 根据日本建筑学会(AIJ)学者T.Ikaga等的研究，旧建筑通过技术改造所产生的节能效果以及改造带来的对新建筑需求的减少，将使日本在未来大幅度减少二氧化碳排放量。如果不采取任何措施，2008-2012年间全日本二氧化碳排放量会在1990年基础上增加15，到2050年只能减排10。而如果在日本未来应用以下措施：(1)将新建筑能耗减少30；(2)旧建筑能耗减少15；(3)延长现有建筑使用年限；(4)使用环保材料，至20082012年期间全日本C02排放量将在1990年基础上减排6，到2050年可以达到减排59。为此，新建建筑量将从1990年的2.7亿每年每平方米减少至2千万每年每平方米，而旧建筑改造量将从相应的2.5亿每年每平方米增加至4亿每年每平方米。 减少旧建筑拆除产生的固体废物 就自然界和生态圈而言，没有什么是废物。所有物质部被循环使用，成为物质链和能量链中的一环。可持续的生态建筑的基本理念之一就是对这种循环的模仿，使人工环境与自然环境共存。理论上说旧建筑的拆除所产生的各种物料，应全部被再利用于新建筑中。但实际上在现阶段很难实现。大多数建筑垃圾由无机物构成，其重新进入自然的物质循环需要相当长时间，而某些成分更是对生态环境构成直接危害。直接填埋这些不可再用的废物的处理将不可避免地对当地的生态圈造成负面的影响。旧建筑的技术改造提升其功能适用度，延长其使用年限，从而在一段时期内避免了建筑废物的产生，也是为最终实现建筑的完全循环利用争取了时间。3.3技术改造对于我国发展的意义3.3.1环境效益 伴随经济的腾飞，国内城市，尤其是大城市的新建建筑量快速增长(表3)。大量的建筑活动除要花费巨额的财力和人力资源外，还会对环境造成相当大的负面影响，如国土资源的过度消耗，森林面积逐年减少，土地沙漠化日益严重，使一些城市的生活环境逐渐恶化；消耗大量不可再生能源，如石油、天然气等；建造活动还释放出大量的二氧化碳，这是温室气体的主要成分。 根据1997年的京都议定书的协定，众多发达国家已经对本国的释放量做出了控制和减排的保证，到20lO年工业化国家的二氧化碳排放量将在1990年基础上减排5.2。中国根据自身发展中国家的国情，暂时不受这一协定的约束，但这并不意味着我国不存在这一问题：根据国际能源组织(IEA)的资料，1998年中国二氧化碳排放量占全球总量的12.2，预计该排放量将由2000年的33亿吨增加到2020年的57亿吨；在全球由不可再生能源消耗产生的二氧化碳排放量统计中，中国所占的份额预计将增长到2010年的15.6，以及2020年的17.7。 面对这一严峻的形式，我们作为一个占世界总人口14，且正在飞速发展的大国，不可以不负责任的任由这一问题恶化而不采取有效控制措施。而就建筑行业而言，减少新建筑量而延长现有建筑的使用周期，以及提高旧建筑的能耗效率，是一项应对上述问题的有效措施，也是推广绿色建筑的重要途径。例如在我国新出台的绿色建筑评估标准中，对“尚可使用的旧建筑”进行充分利用，被纳入公共建筑的绿色评估体系中促进节地和改善室外环境部分的优选项，成为一条重要标准。另外，在改造过程中整合可再生能源利用的设计和设施，如太阳能、风能、潮汐能等，将进一步减少改造后建筑对城市能源网络的需求，在某些情况下，有的建筑可以实现能源的自足甚至将多余电力输入城市电网。这将被看作对环境和城市的巨大贡献，而产生广阔的示范效应和社会效益。 因此，通过技术手段的旧建筑适应性改造当前有必要在适合范围内得到更大力度的推广和应用。3.3.2提高能效 不仅限于控制对新建筑的需求，技术手段的改造还通过技术手段改造提升自身的能耗表现和室内环境，减少建筑使用维护周期内所消耗的不可再生能源和南此产生的温室气体等，从而进一步减少对环境的负面影响，促进可持续发展。 随着时代的发展，生活水平的提高，旧建筑日益显得难以应对新的舒适度要求，能耗要求和功能提升要求。例如，我国长江流域以南在气候上被归为夏热冬冷地区，随着对舒适度要求的提高，越来越多的该类建筑装上了空调，而由于早期的多层民用建筑绝大多数缺乏保温和隔热的设计，造成该地区空调能耗浪费惊人。例如，根据相关的调查结果分析，单就住宅而言，为使夏热冬冷地区普遍达到热舒适，采暖空调用电负荷夏季为O.8亿KW，冬季为2亿Kw，相当于11座三峡电厂的年发电量。而其它如办公、旅馆、商业等数量巨大的民用建筑类型也存在同样问题。针对这一问题的技术改造可以通过改善围护结构的保温和隔热性，提高门窗的气密性，采用合理的遮阳设计，或使用新型玻璃等来减少室内夏季得热量和冬季失热量，从而有效减少使用期间的空调和采暖能耗。4 技术型适应性改造的设计步骤 理论上说，任何在能耗、室内舒适度、环境负荷等方面表现欠佳的建筑都是技术型改造的对象。为切实达到对上述几方面的改进目标，技术性改造应遵循严谨的调查、设计和实施步骤。4.1原有建筑调研 1)考察建筑所住城市的气候 包括所在地的温湿度、太阳辐射、降雨、主导风向等气候数据。以在改造中充分利用被动节能策略。 2)考察基地周围因素 调查基地地形、周围建筑分布、绿化、水体等对建靖环埔微气候的影响，为改造提供设计依据。 3)现存建筑评估 包括建筑结构强度检测和环境性能评估。结构强度检测针对旧建筑的新用途，对其结构进行安全性和荷载强度检测，以确定其适用性。环境性能评估针对现存建筑在当地气候的典型年和典型日下的能耗表现、能耗、室内舒适度、空气质量等进行检测，对任何可能导致降低耗能表现的设计、结构或构造缺陷(如导致夏季室内过热的开口设计、围护结构的冷桥、内部冷凝等)进行详尽的调查分析，以全面了解建筑现状，为改造设计提供参考。4)改造投入-收益的可行性分析 将改造投资与改造后建筑性能提升的收益，以及将改造与新建进行对比分析，以确定改造的总体可行性，为决策提供依据。4.2选择生态改造技术，制订改造方案 1)改善微气候的措施 可能的措施包括使用绿化、遮阳设施(可结合绿化手段)、改装地面铺装(渗水性、高反射率albedo材料的使用等)、水体等。 2)改善建筑能耗性能 提高围护系统热工性能(提高屋顶、墙面、门窗的热阻；消除冷桥；提高门窗气密性等)；使用先进的能耗监控系统。 3)利用可再生能源 利用自然天光设计；立面采光优化设计利用导光管和激光切割导光板(LCP)、利用太阳能(光电板、热水装置)、风能(风力发电设备)。 4)使用绿色建材，改善室内环境 使用对环境和人体无害的材料，以减少对环境的污染，和保护用户的身体健康。 5)方案优化 针对改造目标，综合上述的各种改造技术，提出多个改造方案，并结合成本收益分析，确定最终实施方案(如前文德国柏林德意志邮政银行总部大楼改造研究)。4.3实施改造4.4改造后效果评估 1)改造后环境数据测量分析使用仪器进行各项环境数据的测读，与改造前测得的数据进行比较，以得到改造对原有建筑环境性能改善的量化数据。 2)后使用评价(POE) 对使用者满意度进行调查，以获得对改造效果的客观评价，也有助于使用者了解改造后建筑的运作，以改善建筑管理和使用。同时也为后续改造提供设计依据。5技术型适应性改造案例研究5.1 西班牙巴塞罗那斗牛场改造(图11-12)，理查德罗杰斯事务所 改造原则：在尊重和保存建筑原有肌理基础上，运用最新建筑和工程科技，使其成为地标性建筑。 改造手段：保存并修复原有立面，新建部分成为强烈的视觉特征。 该项目是将巴塞罗那现有的一座斗牛场改造成一处大型商业性的娱乐休闲综合体。这一历史建筑建于1898年，由于斗牛运动在加泰罗尼亚地区逐渐衰败，从1990年开始已停止使用。改造的主要目的是保存和修复原有建筑的穆德亚Mudejar式立面，同时创造一个开放式的与环境兼容的新建筑。设计最引人注目的是悬浮于原历史建筑立面上的金属飞碟，这个被称为“空中广场”的空间将容纳观景平台和餐厅等服务设施，结构由可循环使用的木制梁柱构成，外表用镀锌金属板覆面。在底层与城市交汇的空间，设计了一系列小广场与地铁站，以及邻近的胡安米罗公园形成方便的联系。从底层四个方向都可通过十字形的交通系统通过新建筑的中庭进入各层和空中广场。 该改造项目对环境和可持续发展的考虑体现在多方面：除了使用可重复使用的木结构外，改造立面和空中广场的穹顶使用了高性能的玻璃以进行日光照明；穹顶的设计结合被动式通风和太阳能热水装置，提供室内热水。5.2香港大学艾略特堂侧翼改造，刘少瑜(生态建筑顾问) 香港大学卢嘉德堂、艾略特堂和梅堂(Lugard Hall，Eliot Hall and May Hall)分别建于1913、1914和1915年，最初作为学生宿舍。在抗日战争时期，这三座楼被改做临时的战时医院。直到1966年对由于暴雨造成的损伤的修复工作结束以后，又被重新改做宿舍用途。卢嘉德堂于1992年被拆除。 2001年夏艾略特堂的改造工程开始。计划投资300万港元将原学生宿舍改建成新闻和媒体研究中心供教学和研究使用。这是港大校园绿色计划中的一个组成部分。 艾略特堂是钢混结构，坡屋顶覆黑色瓦，立面采用铁红色面砖，英爱德华式风格。香港大学建筑系刘少瑜教授及其团队在对其东翼的新闻媒体研究中心改造结合了历史建筑保护和绿色环保生态技术的运用，旨在保护历史建筑的同时，以高效能耗建筑技术和设计策略提升其环境性能，以实现生态、文化和经济的可持续发展。 改造在对旧建筑和基地环境充分调研的基础上，制订了具体的改造方案，确定了适用的改造技术和设备。改造技术包括：运用导光管和激光切割导光板的自然采光设计；地板送风空调系统；用户对室内环境的控制系统；能耗监控系统；使用后评价。1)激光切割导光板的自然采光设计 由于旧建筑的进深大相对开窗面积较小，导致室内自然采光不能满足要求，改造利用在原立面窗上设置激光切割导光板来将自然光导入室内深处。 激光切割导光板(Laser Cut Panel)的原理(图1315)是：当光线穿过一透明体时，在入射面和出射面将发生折射。由于发生在底部表面的全反射，导致一部分折射fd，被改变出射方向，而剩余部分fu，则保持原来方向。由此，通过用激光在一块透明丙烯酸板上进行平行切割，就可以制造出包含一组导光元素阵列的薄板。该导光板的光学特性可以通过切割深度W，和切割间距D，进行调整。 具体实施:安装在原有的窗框上，电脑通过铰链自动调整导光板的倾角，以使用一年中的和一天中不同的太阳入射角。同时还设计了手动操作系统作为补充控制手段。 2)地板送风空调系统 在这个项目中，地板送风空调系统被首次应用在香港的校园建筑中。其好处是多方面的：首先，这种送风模式相比较头顶送风更符合人体热工学的舒适度要求，并且使用者可以根据自己的舒适度来调节风量或温度，从而避免了空调室内病的发生；其次，由于旧建筑层高较高，采用出风口在地面高度的设计使制冷范围控制在人体高度以内，从而降低了对无用空间的制冷造成的电力来了浪费；这种新型的系统还有节省造价，占用室内空间少，便于维修等优点。 3)能耗监控系统 实时的能耗监控系统对电力浪费进行计算和统计，可随时供管理和设计者参考，作为室内环境控制以及深入研究的依据。同时这也是一项可向公众展示的高效能耗的绿色建筑系统。 4)使用后评价 使用后评价(Post Occupancy Evalation)目的在于对改造后环境和舒适度的主观评估，以此作为评价改造效果的依据和进一步工作的参考。6结语 我国面临的人口问题和资源短缺问题日益严峻。人类与环境和谐共存的可持续发展将是未来的主旋律。可持续发展的核心包括有效合理的利用现有资源，降低人类活动对环境的负荷，以及在此基础上改善建成环境。 新城市中存在的数量和面积巨大的老建筑是我们实践可持续发展的一个契机：通过提升其环境表现和功能的技术手段改造，不但由此减少新建筑量，而且提高其