戰(zhàn)長恒 | Zhan Changheng

劉 驍 | Liu Xiao

自20世紀90年代后期以來，隨著科教興國基本國策的貫徹和教育改造的深入，國家和地方政府對教育投入逐年增加，極大地推動了教育事業(yè)的發(fā)展[1]。據(jù)統(tǒng)計，近三十年我國高校每年平均增加63.4所[2]，未來對高校建筑“量”的需求仍然會逐年增加，同時，隨著建筑行業(yè)設計和建造技術的發(fā)展，高校建筑“質”的要求也不斷提升。當前我國建筑行業(yè)仍然是一個勞動密集型產業(yè)，高校建筑建造的整個生產過程中，粗放的傳統(tǒng)建造模式仍然占主要地位，高能耗、高污染、低效率十分普遍，與新型城鎮(zhèn)化、工業(yè)化、信息化的行業(yè)發(fā)展要求相差甚遠[3]。“十三五”以來，我國大力推廣裝配式建筑，對高校建筑的設計和建造產生了非常大的影響。

梳理過去的發(fā)展經(jīng)驗和發(fā)展規(guī)律，立足于國情現(xiàn)狀，才能更好地指導未來設計。本文以高校建筑中最典型的教學建筑為例，通過大量文獻和案例的分析，從功能、空間、人文環(huán)境、可持續(xù)綠色化四個方面梳理高校教學建筑的發(fā)展沿革與研究進展，結合時下我國建筑行業(yè)工業(yè)化發(fā)展的高潮，從標準化設計、多樣化設計、裝配式建造、綠色化發(fā)展四個方面，重新審視建筑工業(yè)化發(fā)展背景的影響下高校教學建筑設計的定位與發(fā)展。

1 高校校園規(guī)劃與建筑設計概述

12～13世紀歐洲出現(xiàn)的早期大學形制受宗教影響，在形態(tài)、結構以及空間上都較為封閉[4]，16世紀中期創(chuàng)造了三面建筑一面圍墻的“開放式四合院”格局，逐漸打破封閉布局開始走向開放式，歐洲發(fā)展起來的開放式校園傳入美國，成為哈佛學院建筑的原型[5]。18世紀以后，工業(yè)革命的發(fā)展促進大學教學結構發(fā)生巨大變化，校園建筑的布局和結構形成了一直沿用至今的院系分區(qū)方式，建筑形式也更加自由。20世紀以后，科學技術研究的復雜化、以及高校規(guī)模的擴張，校園建筑越來越綜合化和復合化，受現(xiàn)代派建筑的影響，高校建筑更加體現(xiàn)有效性、靈活性和舒適性[6]。我國近代建筑設計理論基本借鑒西方發(fā)達國家的經(jīng)驗，因此近代校園規(guī)劃和設計發(fā)展也受西方影響[7]，探索西方理念與中國傳統(tǒng)相結合的校園建筑思想受到積極的關注和探索。新中國成立以后，我國大學建筑布局和設計效仿蘇聯(lián)模式，入口廣場、主樓居中、中軸線對稱布局的校園建筑模式對至今校園規(guī)劃也有深刻的影響。20世紀90年代以來，建筑新技術的不斷推廣促進了校園建筑更加多元化。

高校建筑設計經(jīng)歷了從封閉到開放、到多元的階段（表1），20世紀末，隨著全球環(huán)境污染和資源緊缺問題的突出，各地開始關注環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，高校建筑也開始關注優(yōu)先強調綠色校園[8]。這一時期在高校建筑中則強調低技術、被動式、綠色能源等設計理念和方法。

表1 國內外校園建筑形制的發(fā)展

2 高校教學建筑設計的發(fā)展沿革與建筑工業(yè)化的適應性

縱觀國內外高校教學建筑的發(fā)展，不僅體現(xiàn)在建筑空間布局的設計手法方面，隨著建造技術的提高，其在建造方式、管理方式等方面也越來越引起關注。當前我國建筑行業(yè)仍然是一個勞動密集型產業(yè)，高校建筑建造的整個生產過程中，粗放的傳統(tǒng)建造模式仍然占主要地位?！笆濉币詠?，我國從國家政策上高度重視裝配式建筑的推廣，取得了顯著的成績[9-10]。2016年國務院發(fā)布《關于進一步加強城市規(guī)劃建設管理工作的若干意見》，提出“大力推廣裝配式建筑”，“力爭10年左右時間，使裝配式建筑占新建建筑的比例達到30%”，明確了發(fā)展裝配式建筑是建造方式的重大變革，是推進供給側結構性改革和新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的重要舉措。隨著裝配式建筑的大力推行，裝配式在高校校園建設中的應用也引起了業(yè)內廣泛的關注。梳理發(fā)展沿革與研究進展，立足于國情現(xiàn)狀，才能更好地掌握發(fā)展趨勢，指導未來設計。本文通過對大量文獻和案例進行統(tǒng)計、比較和分析，從以下四個方面總結高校教學建筑的發(fā)展沿革，旨在論證建筑工業(yè)化適應于高校教學建筑的發(fā)展趨勢。

2.1 功能需求的復合化

美國較早提及“教室建筑”概念[11]，包含了教室和演講廳①兩種類型的空間，隨著教育理論和建筑實踐的發(fā)展與進步，教室類型也變得多樣化和復雜化。日本建筑學會[12]用“綜合樓”（All Inclusive Single Units）的概念包含了教學主樓、院系大樓、研究所大樓等綜合教學辦公建筑。我國早期[13]將高校教學建筑有關的建筑種類分為“教室建筑（公共教學樓）和“實驗室建筑”（教學和科研），目前對高校教學建筑指出“公共教學樓”、“公共實驗樓”和“院系學院樓”三個概念[14]。隨著高校教學建筑概念的逐漸延展，功能復合化則成為其發(fā)展的一大趨勢（圖1～2），一方面，我國高校教學建筑功能不斷多樣化，由傳統(tǒng)單一的教室建筑逐漸演變?yōu)榭蒲?、辦公等集約化、綜合化的建筑；另一方面，由圖2可以看出，與國外發(fā)達國家相比，我國高校教學建筑的功能類型還有很大的提升空間。在建筑工業(yè)化的發(fā)展中，探索標準化設計之于功能復合化需求是設計的重點。

圖1 高校教學建筑功能復合化

圖2 國內外高校教學建筑的功能種類比較

2.2 空間設計的多樣化

與功能需求復合化相對應的，是高校教學建筑空間需求的多樣化和開放化。多樣化的空間設計需求主要體現(xiàn)在內部空間的復合（圖3）和外部空間的自由（圖4）。內部空間的復合化反映了功能和行為的開放，高等教育的發(fā)展越來越少受限于教學形式的制約，尤其是功能的豐富和交叉，更為公共空間的多樣化設計提供了前提。外部空間的自由化則反映了高校教學建筑與校園以及與社會的關聯(lián)，一方面是與校園其他建筑在功能和空間上的包容與互補；另一方面則是高校作為社會組成部分逐漸社區(qū)化的反映。無論是內部功能和空間的復合化，還是外部空間的自由化，都對高校教學建筑的設計提出了更加多樣化的需求，探索滿足基本功能的同時，適應空間多樣化的設計建造方式。

圖3 高校教學建筑內部空間開放化——哥本哈根信息技術大學教學樓

圖4 高校教學建筑外部空間開放化——重慶工學院花溪校區(qū)公共教學樓

2.3 人文環(huán)境的塑造

文化是歷史的積淀，留存于建筑中，是建筑之魂。高校建筑的文化性作為高等教育不可分割的組成部分，同樣受到各界的重視[15]。在高校教學建筑設計的過程中，“環(huán)境育人”也經(jīng)常被提及[16]。高校教學建筑的人文環(huán)境體現(xiàn)了辦學理念、歷史傳統(tǒng)、自然環(huán)境、地域文化等多方面的差異，創(chuàng)造和維持這些差異，表達學校具有代表性的文化十分重要。處于標準化前提下的工業(yè)化設計同時也造成了千篇一律的風貌，人文環(huán)境的塑造對高校教學建筑工業(yè)化發(fā)展提出了更高的要求。

2.4 可持續(xù)綠色化的需求

隨著全球環(huán)境污染和資源緊缺的問題日益突出，可持續(xù)的觀念成為建筑行業(yè)發(fā)展的重點，“綠色校園”的討論也逐漸受到關注[17]，中國綠色校園發(fā)展倡議指出，“激發(fā)綠色校園發(fā)展動力，實現(xiàn)綠色校園技術協(xié)作，促進綠色校園全面發(fā)展”[18]。綠色校園的發(fā)展對高校教學建筑在設計、建造、以及運營管理中都提出了新的要求，建筑工業(yè)化的發(fā)展則為可持續(xù)綠色校園建筑提供了可能性。

3 建筑工業(yè)化背景下高校教學建筑設計與建造的新思考

發(fā)達國家和地區(qū)建筑工業(yè)化發(fā)展較為成熟，裝配式在高校教學建筑中的應用也較為廣泛。典型的案例有1957年建筑師路易斯·康為賓夕法尼亞費城大學設計的理查茲醫(yī)學研究大樓，美國普林斯頓大學的羅賓遜樓、哈佛大學的詹姆斯館等。另外，我國臺灣地區(qū)的臺大土木研究大樓和香港地區(qū)的香港理工大學專上學院紅磡灣校區(qū)綜合大樓，也是裝配式高校教學建筑的典型代表。隨著裝配式建筑的大力推行，大陸地區(qū)裝配式在高校校園建設中的應用也引起了業(yè)內的關注，引發(fā)了幾處試點工程的研究與實踐，其中包括山東建筑大學教學實驗樓（2017），清華大學深圳研究生院創(chuàng)新基地（2019）、以及華南理工大學廣州國際校區(qū)（在建）等。

裝配式體系以標準化、一體化為基礎，為高校教學建筑的設計和建設帶來經(jīng)濟、高效等優(yōu)點。另外，由于校園擴張、建設需求量大，以及教學建筑自身空間、功能等有諸多標準化、模塊化設計的特點，極具推廣裝配式體系所帶來的優(yōu)勢。然而我國目前關于裝配式教學建筑的實踐和研究都還比較缺乏，亟待展開研究，本文結合時下全國工業(yè)化建筑發(fā)展的高潮，從以下四個方面重新審視建筑工業(yè)化背景下我國高校教學建筑設計的定位與發(fā)展。

3.1 建筑工業(yè)化背景下高校教學建筑的標準化設計

標準化設計是建筑工業(yè)化發(fā)展的基礎和核心[19]，在高校教學建筑中，由于多數(shù)功能空間的重復率高（教室、辦公室等），為標準設計的實現(xiàn)提供了前提條件。一方面，高校教學建筑的平面設計中，柱網(wǎng)比較規(guī)整，開間和進深的尺寸范圍比較集中；另一方面，高校教學的功能單元重復率較高，有利于實現(xiàn)以標準化單元容納不同空間再相互進行組合的設計。

進行標準設計的基礎是建筑模數(shù)與模數(shù)協(xié)調，國際上普遍采用100m的基礎模數(shù)，并由此衍生出擴大模數(shù)和分模數(shù)②。本文對十個高校教學建筑③的設計圖紙進行統(tǒng)計，分析幾種高校教學建筑中常見功能的開間、進深常見尺寸范圍（表2）。在此基礎上，高校教學建筑按照功能空間的水平和豎向關系可劃分為標準模塊、大空間模塊和輔助模塊，標準模塊主要考慮小中型教室、辦公、科研工作室等，大模塊主要包含大型教室、報告廳等，輔助模塊則包含輔助功能、管理辦公、服務空間等。

表2 高校教學建筑中常見功能的柱網(wǎng)開間、進深和層高的常用尺寸范圍

標準設計的另一個重要方面是預制構件標準化。圖5表達了案例5④的立面預制構件示意圖和建成后立面效果。功能空間單元復制率高的特點，使其容易形成建筑模塊，具備標準模塊設計的特點和優(yōu)勢。1957年美國賓夕法尼亞費城大學的理查茲醫(yī)學大樓設計中，平面由六個塔樓構成（圖6），每一個塔樓包含了一系列方形的混凝土框架樓板，方形的每一邊中心是砌筑塔體，每一個方形又被交叉梁交叉分隔成九個較小方形，每個較小的方形被短梁再次分隔成四個更小的方形（圖7），構件全部由40英里外的工廠生產運送至工地。在滿足空間使用的同時，極大地提高了建造效率。

圖5 案例5立面標準預制構件示意圖及建成后立面

圖6 案例1標準層平面圖

圖7 案例1標準單元預制結構體系示意圖

3.2 建筑工業(yè)化背景下高校教學建筑的多樣化設計

標準化設計區(qū)別于標準設計，并非千篇一律，而是將一系列標準的基本單元通過模數(shù)協(xié)調、模塊組合、通用接口、空間協(xié)調、無限拓展，形成形式多樣的個性化建筑產品，需建立在規(guī)?；?、批量化的基礎之上，是大樣本數(shù)據(jù)下的統(tǒng)計與優(yōu)化[20]。與傳統(tǒng)建筑設計平面組合的自由性相比，處于標準化前提下的裝配式設計，一方面需要自身用盡可能少的模具進行預制構件的設計，通過構件的拆分組合來達到多樣化的效果（圖8）；另一方面，更需要突破局限反映藝術性和地域性。

圖8 案例5中立面基本單元構件拆分設計示意圖

工業(yè)化設計和建造背景下，對文化性和地域性的表達，更需要根植于周邊環(huán)境的設計。不同的城市歷史文脈、發(fā)展環(huán)境、典型建筑形式、特殊色彩符號等要素產生不同的建筑形態(tài)，裝配式建筑模塊化和標準化設計為平面組合和立面設計的多樣化提供了新的可能性，可以創(chuàng)造出更多的組合類型。同時，建筑工業(yè)化體系下的建筑構件部品體系為設計者和使用者提供了菜單式的部品選擇目錄，根據(jù)自身的需求進行選擇與多樣化組合的探討。例如，在香港理工大學專上學院紅磡灣校區(qū)綜合大樓中[21]，采用預制梁、預制柱、預制樓板、預制樓梯、預制外墻、預制女兒墻，共3695件預制構件，同時保持香港理工大學標志性的緋紅色建筑風格（圖9～10），工廠預制外墻成型后，在工廠貼好緋紅色瓦仔保養(yǎng)之后再運送，相比傳統(tǒng)現(xiàn)場貼瓦仔的工藝減少了高空作業(yè)的危險，提高了粘貼強度和整體美觀。在建筑立面設計中，同時利用模塊交錯和材質對比增加立面的豐富感。另外，在裝配式高校教學建筑的設計中，同樣可以采用傳統(tǒng)的增加綠化、材料和色彩、第五立面營造、引入新技術等方式來進行多樣化和地域性、文化性的設計與表達。

圖9 香港理工大學專上學院紅磡灣校區(qū)全預制裝配式大樓立面設計

3.3 建筑工業(yè)化背景下高校教學建筑的裝配式建造

圖10 香港理工大學專上學院紅磡灣校區(qū)全預制裝配式大樓外觀

裝配式建造是指在工廠生產預制構件運輸至工地進行裝配的建造方法，根據(jù)工業(yè)化程度的不同，可以分為預制裝配式建筑和現(xiàn)澆與預制相結合的建筑[22]。目前我國建筑行業(yè)的工業(yè)化程度不高，在近幾年展開的高校教學建筑裝配式建造的實驗項目中，幾乎都是采用現(xiàn)澆與預制相結合的方式。以案例6為例，預制構件包含預制夾心外墻、門窗、疊合樓板、預制內墻、預制樓梯，豎向構件的裝配率為37.2%，橫向構件的裝配率為76.1%，表3顯示了案例6在設計階段計劃吊裝所需時間。

表3 案例6吊裝時間表設計（設計階段）

考慮節(jié)點連接部位的要求，施工方法一般分為濕法施工和干法施工。以不承重的裝配式外墻構件為例，濕法連接是通過外墻的連接鋼筋與主體鋼筋進行綁扎連接，再進行主體的泥凝土澆注，使之成為一個整體的外墻，干掛外墻則是在主體完成后，通過幕墻與主體結構中的預埋件連接，不需要混現(xiàn)場澆注[23]。裝配式施工方法有吊裝施工、升板施工、升模法、滑模法施工等。在案例2中采用預制工法顯著地縮短了工期，以地上結構5天組裝一層樓主結構的進度，在不到6個月時間完成，并且保證了工程品質的優(yōu)異（圖11）。案例3的預制外墻安裝在大樓主體部分修建完成之后，采用外掛方式安裝連接，通過斜撐桿臨時固定，再利用螺絲連接到預制柱、梁預先留好的孔洞，最后綁扎鋼筋現(xiàn)澆混凝土。相比較傳統(tǒng)現(xiàn)澆施工，案例3在無外腳手架支撐系統(tǒng)、預制構件吊裝、地盤現(xiàn)澆模板使用量、建筑材料利用率四個方面共產生約1200萬元的經(jīng)濟效益。

圖11 案例2預制構件安裝現(xiàn)場

3.4 建筑工業(yè)化背景下高校教學建筑的綠色化發(fā)展

建筑工業(yè)化的發(fā)展為高校教學建筑綠色化設計提供了新的可能性。設計方面，裝配式建筑整體化的設計特點使得被動式設計策略可以從構件生產階段貫穿至施工階段，從源頭生產綠色建筑[24]，將綠色建筑理念融入裝配式體系。建造方面，減少人工輔助，保證工程質量和提高裝配率、以及施工效率。同時，裝配式建筑的前期設計、建造與后期維護環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系，提高了建筑后期運營維護和改造的效率。另外，建筑工業(yè)化模式下的信息化管理貫穿建筑的整個生命周期，從設計建造、使用、到后期的維護更新，建立完整的工程生命周期的信息系統(tǒng)。目前裝配式建筑的運營過程中，主要借助BIM技術建立協(xié)同工作平臺[25]，包括了設計、生產、施工、裝修和管理的全部流程。建設過程中，確保所有參與方共享，達到資源共享，提高效率，運營過程中，高校教學建筑可以通過建立能耗數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)，采集和分析數(shù)據(jù)，實現(xiàn)綠色化管理。

結語

綜上所述，高校教學建筑自身空間、功能等存在標準化、模塊化設計的特點，極具推廣裝配式體系所帶來的優(yōu)勢。隨著建筑工業(yè)化時代的到來，高校教學建筑的裝配式設計和建造也在變革中逐漸形成和完善。立足于我國建筑工業(yè)化現(xiàn)狀，應對高校教學建筑的裝配式設計與建造的未來發(fā)展，本文提出以下幾個關注點：

①裝配式建筑的模數(shù)與模數(shù)協(xié)調機制已經(jīng)形成，在高校教學建筑中，選取合適的平面、立面、以及構件尺寸，不僅可以滿足高校教學建筑功能多樣化的需求，同時可以形成豐富的內外部空間形式，滿足高校建筑空間開放化、自由化的發(fā)展趨勢。

②標準化設計在一定程度上對高校教學建筑的文化性、地域性有所局限，但在建筑空間、形態(tài)、部品、材料等方面反映文化和地域特點同樣提供了新的可能性。

③裝配式建造為同時滿足高校建筑“量”的需求和“質”的提高提供了思路，另外由于大多數(shù)高校在學校假期期間進行改擴建工程，施工速度快也同樣體現(xiàn)了優(yōu)勢。

④在推廣高校教學建筑裝配式設計與建造的過程中，綠色建筑設計理念貫穿于整個過程，被動式、零能耗等策略結合裝配式設計，從設計建造到運營維護，為實現(xiàn)綠色化建筑提供了新的可能性。

資料來源：

表1：國外部分圖片均引自維基百科；

北洋大學堂：天津日報；

清華學堂：新浪中心；

金陵大學北大樓：百度圖片；

哈爾濱工業(yè)大學主樓：百度圖片；

圖2：根據(jù)建筑設計資料級第四版30個國內外案例統(tǒng)計繪制；

圖3：Pinterest；

圖5，8：華陽國際工程設計有限公司提供；

圖6～7：ArtChist；

圖9～10：參考文獻[21]；

圖11：臺灣潤泰預制工法介紹，尹衍樑；

文中其余圖表均為作者提供。

注釋

①教室指30座或者少于30座的平地板常規(guī)教室，演講廳指有更多功能的階梯教室。

② 國際上普遍采用基本模數(shù)的數(shù)值為100mm，用M表示，并在此基礎上得到擴大模數(shù)（nM）和分模數(shù)（M/n），各有不同的易用范圍。分模數(shù)主要用于控制構配件的外型尺寸、縫隙和構造節(jié)點?；灸?shù)主要用于門窗洞口和構配件截面等處。擴大模數(shù)采用3M，按照300mm數(shù)列進級，也就是我們通常所說的3模制，主要用于建筑物的開間、進深、層高，以及構配件尺寸和門窗洞口等處。

③十個分析的案例包含：廣州大學城廣東藥學院教學樓、浙江大學紫金港校區(qū)東教學組團、鄭州大學核心教學樓、重慶工學院花溪校區(qū)公共教學樓、中國資本市場學院建筑工程B區(qū)教學科研綜合樓、莆田學院教學樓、莆田學院外國語學院、南華大學新校區(qū)第一綜合教學樓、深圳大學城清華大學校區(qū)、深圳大學城哈爾濱工業(yè)大學校區(qū)。圖紙資料來源于華南理工大學建筑設計研究院有限公司、以及《深圳大學城校園規(guī)劃及建筑設計圖集》。

④ 文中3.1-3.4小節(jié)涉及到的案例編號分別為：案例1-賓夕法尼亞費城大學設計的理查茲醫(yī)學研究大樓；案例2-臺大土木研究大樓；案例3-香港理工大學專上學院紅磡灣校區(qū)綜合大樓；案例4-山東建筑大學教學實驗樓；案例5-清華大學深圳研究生院創(chuàng)新基地；案例6-華南理工大學廣州國際校區(qū)B塔樓（醫(yī)藥醫(yī)學研究實驗樓）。