长宁区教育局基建管理站 200050
摘要：随着社会的发展，人们对于城市中的基础教育部分在高度和广度上有了新的诉求，部分中小学校、幼儿园由于建造年代较久，老旧的格局无法满足最新的要求，同时还可能存在一些安全隐患。对于老建筑，要在先天不足的条件下尽量挖掘其潜力，并保证安全使用，才是改造的意义所在。本文结合上海耀中国际学校教学楼改造项目实例，总结教学楼旧房改造中的要点及相互关系，阐述如何有系统、有组织地进行学校教学楼改造设计。研究成果可为相关应用与研究提供参考。
关键词：学校教学楼；防火改造；结构改造和加固；功能改造
引言
随着社会的发展，对于城市中的基础教育部分，我们不断地对其在高度和广度上有了新的诉求。在规划、新建学校的时候我们必须考虑这些时代的要素，用发展的眼光去开展我们的各项工作。然而在我们的城市中，也存在着一部分中小学校、幼儿园因为建造年代较久，老旧的格局无法满足最新的要求。在学校旧房改造中，设计师往往无从下手，甚至会提出“改造项目比新建项目更复杂”的说法。特别是上世纪后期建造的学校，除了无法实现新功能外，往往还存在一些安全隐患。
考虑到大中型城市紧张、有限的用地资源，和新建学校所需各项流程的时间成本，学校旧房改造有其客观存在的必要性。若有计划的对学校部分旧房进行合理改造，提高房屋的质量和安全性、改善其使用功能、提升整体形象，能有效地为学校的长期发展提供保障。在学校的旧房改造中，通常包括防火改造、结构加固改造、功能改造、整体建筑形象改造等。其中，防火改造和结构加固改造关乎安全性，是实现其他改造的前提和基础；而后两者是直观感受，是使用者迫切期待的。
1. 耀中国际学校虹桥校区工程概况
上海耀中国际学校虹桥校区位于上海市长宁区水城路，现有校址原为1991年建成使用的新虹桥小学，建设方为长宁区教育局。此次改造目标为由三种不同结构围合组成的教学楼，现有建筑面积4723平方米，共四层。目前该教学楼存在一定的防火、结构隐患，且原有的功能布局无法实现国际学校对于先进、开放教学理念的要求，亟需对其进行一系列的改造。
图1 教学楼改造前外立面与中庭照片
2. 耀中国际学校虹桥校区防火改造设计
2.1 防火改造的必要性
学校教学楼属于人口密集场所，若设计上没有符合防火规范或者后期消防安全管理不善，很容易产生火灾隐患，造成严重后果。特别是我国的建筑防火法规体系起步较晚，近几年也在不断地更新完善中，因此以前的老旧建筑很难再满足现行设计规范，需要在旧房改造中特别重视。从改造的角度出发，要在建筑耐火等级、安全疏散、消防系统改造等方面综合考虑，提高原有建筑的安全性。
2.2 耐火等级
建筑耐火等级是一个综合评价的过程，跟建筑种类、层数、防火分区、构件耐火性能、防火间距等有关系，一般不改变功能的防火改造只需根据现有规范对建筑耐火等级和构件耐火性能进行确认即可。然而耀中国际教学楼因为原有平面对其教学理念的束缚，对功能布局也进行了改造，因此除了对上述内容进行确认外，还要根据新方案重新调整防火分区。另外，在结构改造和后期功能等改造的过程中，也要确保建筑构件和装修材料的耐火性能满足现行规范要求，保证耐火等级为二级的设计要求。综上所述，对于耐火等级的要求，建筑改动越大，需要考虑的因素就越多。
2.3 疏散安全
疏散安全从设计规范上来说主要是指疏散宽度和疏散距离满足要求。根据教学楼最新平面布局，人数可以按每层五个教室，每个教室30人计算，然后结合建筑层数、耐火等级计算出每层所需最小疏散宽度；根据计算结果，现有两部疏散楼梯1.4米和1.6米的疏散宽度满足要求，无需另外增加疏散宽度。另外，对于改造后的走道宽度等，也要重新复核，不满足要求的需要重新设计。改动较大的平面，疏散距离也要重新审视，像有些教室、办公室整合扩大了，不仅要查看房间门至安全出口的距离，也要查看房间内最远点至房间门的距离等。
2.4 消防改造
在学校旧房改造中必须要考虑的还有消防系统的改造。不仅要确认原建筑中的各项消防设施是否能正常使用，还要根据新功能调整或重新设计消防系统。比如，对于一些老旧建筑，确认其消防给水系统是否能正常使用，二路消防用水是否能保证，根据最新方案是否需要增加消防水泵房面积等。另外，结合最新功能布局，根据规范要求查看是否需要增设自动喷水灭火系统、火灾自动报警系统、防排烟系统、室内消火栓等，力求将火灾隐患降低到最小。对于耀中国际项目，平面功能改动非常大，原有消防系统已无法满足要求，属于重新设计范畴。
图2 建筑物耐火等级相关因素示意
3. 耀中国际学校虹桥校区结构加固改造设计
3.1 结构加固改造的必要性
学校旧房改造中另一个要着重考虑的方面是结构改造和加固。20世纪70年代以来，地震频发，我国规范中对于抗震设防的要求也在逐步提高，很多上世纪建造的学校在抗震设防要求上已经无法满足最新要求，存在安全隐患，需对老旧建筑进行抗震鉴定和加固。另外要实现功能改造的目标，结构上也要做相应调整以契合最新的功能布局，虽说结构可能无法百分百地满足建筑的变化要求，但是这个过程是结构与建筑专业的磨合过程，必然涉及到结构的改造和加固。
3.2 抗震鉴定
对于学校的老旧房屋，特别是不满足抗震要求的建筑物，第一步要做的就是抗震鉴定。通过对建筑物进行现场检测、后期试验和各项分析，出具抗震鉴定报告，作为抗震加固的依据。在本文的案例中，就需通过加固将教学楼由6度丙类提高到7度乙类，以满足最新设计规范保证房屋的安全使用。
3.3 结构改造与加固方案
很多学校旧房改造，若对原有建筑不进行功能上的改造，则只需进行抗震加固即可。但是国际耀中学校教学楼改造项目中，对平面功能进行了非常大的改动，荷载等都发生了变化，因此结构加固的过程中除了考虑抗震部分还要考虑建筑功能的变化。该教学楼是由三个不同结构体系围合而成的一栋建筑：1区和2区为砌体结构，3区为框架结构。根据目前功能改造方案主旨——小开间房屋空旷化改造，砌体结构部分改造的难度最大。过去由于受各种条件的制约，结构形式并不灵活，砌体结构就存在这个缺点。
在结构改造中，有以下方式进行此项优化：1）可使用框架结构替换原有承重墙体。2）在原有承重墙上尽量开洞口，使不同房间连通，形成扩大化的空间，此处要注意必须在结构允许范围内开洞。3）将非承重墙拆除，扩大空间。对于一个结构改造项目来说，往往是以上三种方式的穿插运用。
结合以上抗震需求和功能改造需求，主要结构加固方案为：对1号和2号区域采用双面混凝土板墙进行加固，提高房屋的整体抗震性能，也解决了砌体结构中横墙较少的问题。对于3号区域采用增设抗震墙的方式将原有单跨框架改为框架——抗震墙结构，加强平面外刚度。对于三个结构体系中央的新增楼梯部分，则增加混凝土柱、静压锚杆桩基础等。
另外，对于整体结构加固方案的确定，除了考虑上述因素外，还要考虑建筑自身特点和其他改造需求。例如对于优秀历史保护建筑，一般只采取内加固方案，以保持原有建筑的外立面风貌；对于一些外立面也需要改造的建筑，则可考虑采用外加固方式，与其立面造型相结合。
图3 教学楼结构分区图
4 耀中国际学校虹桥校区功能改造设计
4.1 功能改造的必要性
随着社会的发展，基础教育的理念在飞速发展，为了满足学校使用者的新要求，功能改造是必不可少的。通过防火改造和结构加固改造，我们实现了安全性。但对于学校改造项目，功能改造才是完成改造目标的关键一步。功能改造的过程受制于建筑的现有条件，包括结构形式、有限的面积和空间、周围环境等，解决矛盾、寻求平衡、挖掘可能性是设计师要遵循的原则。
4.2 教学楼现存功能问题
原教学楼方案设计于1989年，自1991年建成后进行过若干次小规模装修，但功能空间并未明显改动。但是，将近三十年前的学校设计理念已经无法满足现今的教学理念要求。原来的结构形式不够灵活，导致小开间房间比较多，与国际学校要求的开放性、共享性、趣味性空间更是存在较大矛盾，因此功能改造是此次改造的最终目标。
4.3 主要功能改造方案
原教学楼由多个标准教室（约50平方米）和6个大型教室组成（100平方米以上），大型教室主要做自然实验室、计算机教室、美术教室、音乐教室等使用。各类教师办公室均为小开间房间，平均面积不大于20平方米。改造后，对于部分标准教室，通过承重墙结构开洞将其两两打通，形成扩大的连续空间；其次，通过承重墙开洞、拆除非承重墙等方法营造了多个开放程度不等的共享空间，可供多样化学习交流使用。大型教室规模不变。另外，取消原有狭窄走道，并把卫生间从中庭区域移动到了北边自然通风效果更好的位置。原有小开间教师办公室全部取消，合并到每层西边一间大型教师办公室，集体式办公的模式有利于加强教师之间的团队协作，加快信息沟通的速度。
中庭空间原本为室内活动平地，上覆膜结构屋顶。因室外运动场地足够，学校建议取消室内场地功能，并对中心区域做创新性设计。先前，为实现集中办公和共享空间，原有四层阶梯教室已被取消；设计中就在中庭部分一至二层增设了一部大型直跑“楼梯”，营造了一个开放性阶梯教室，可作为学生临时集会使用。为更好地实现学生阶梯集会的概念，此部“楼梯”总宽度设计为9.5米，台阶踏步宽度放大至0.9米，高度设计为0.378米，整个台阶背后也形成了一些灰空间，可供休息沟通使用。除此之外，一至二层、二至三层、三至四层都沿中庭区域设置了小型直跑楼梯，结合每层变化的楼板轮廓，大大增加了空间的趣味性。
最后，为了提升中庭空间的采光环境，将原有膜结构屋面取消，采用钢结构外包轻质铝板，局部加玻璃天窗的屋面形式，让公共空间与自然光照效果完美结合，营造更舒适的室内体验。此番改造后，教学空间变得灵活多变，办公空间更集中有效，公共空间也变得丰富有趣，建筑面积共计5293平方米，高度因规划因素不作调整。
图4 改造前与改造后标准层功能分布示意
图5 采光屋面示意图
5 耀中国际学校虹桥校区其它改造设计
除了防火改造、结构改造和功能改造外，项目中还往往根据其投资额等实际情况进行整体建筑形象的改造，比如建筑外立面、绿化景观等改造。在耀中国际教学楼项目中，原有立面为普通涂料，改造后采用干挂铝板饰面，局部干挂石材来进行立面改造；另外，新增了屋顶绿化和景观电梯等，方便了师生的同时也提升了整体效果。其它相关的改造还有水电改造、暖通改造、节能改造等，也都贯穿在整个项目过程中。同时吊顶内管道非常多，因此管道安装空间非常受限。喷淋系统设计原则虽然简单，但因喷头的数量巨大，造成碰撞的几率也是最大。另外，管综协调是一个动态的过程，在管道综合过程中，往往优先解决暖通专业等大型管道的安装要求，而解决一个暖通的碰撞点，可能就会相应增加3到4个喷头的碰撞点。
整个项目模型中，共有近四千个喷头。当第一次碰撞报告出来，喷淋共有三万多个碰撞，仅地下一层机房层喷淋系统就有一万六千左右的碰撞，见图3。此时，大家意识到，要达到业主零碰撞的要求，小小的喷头是最大的障碍。为了按合同周期完成设计任务，设计院BIM部门另外增派了3个工程师驻场，日夜加班，历时将近4个月，才解决了喷淋系统碰撞的问题。
通过这一次的经历可以得知，在BIM管综过程中，要到达零碰撞，对于喷淋系统是一个非常严峻的考验。在以后合同约定中，是否可以针对某些系统，如喷淋系统中DN50以下的管子有适当的条件放宽，或者在设计周期及人力安排上，应有足够的重视和预判。
3.3 对BIM出图效果应事先有约定
本项目虽然是BIM模型交付，但在施工图完成后，仍然是需要通过上海市网上审图这一流程，这便涉及到通过Revit出图的问题。由于Revit的模型显示和出图显示是两套体系，互为独立的。三维模型从电脑上看，非常直观明了，其模型本身就包含了所以施工需要的信息（点中相关管线，系统类别、标高、管径等信息均会显示），但审图公司、设计院内部校审流程及业主方设计部熟悉的仍然是传统CAD模式的图纸，因此如何将Revit出图做到与CAD无异或是接近是非常重要的。
起初，Revit导图模式采用了精细模型出图，即图纸上显示的管道为实际尺寸的双线图，各个管件，如弯头，也显示的实物形状。这种出图方式，与传统CAD中给排水管线的单粗线、圆圈表示立管的图例方式大不相同，业主、审图等方面较难接受。
之后尝试了以图例模式出图，以单粗线表示管线，设置图例方式使得立管、弯头等的显示简洁明了，通过不同族的属性来区分出图时的显示粗细，通过多次的尝试、调整，最终达到了出图图面效果与CAD出图近似的理想结果。
由此可见，为了更高效的在工程设计中运用BIM技术，让BIM设计变得切实可行，制定出合理的出图方式，也是必不可少的。
4．总结
作为一个熟练运用AUTOCAD，对于BIM技术只在入门阶段的传统给排水设计师，笔者通过本文，主要想介绍一下，通过上海罗氏制药新实验楼项目的设计经历，在BIM设计、管理、出图等过程中的一些浅浅的心得体会，主要遇到的瓶颈与难点，以及从中得到的经验，望对以后项目中的BIM设计有一定的帮助。
参考文献
[1]高乘勇，建筑工程行业数字化转型。
[2]秦军，建筑设计阶段的BIM应用，建筑技艺，2011（1）：158-161。
论文作者:彭婷婷
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第11期
论文发表时间:2018/9/3
标签：结构论文; 学校论文; 建筑论文; 功能论文; 教学楼论文; 耐火论文; 空间论文; 《建筑学研究前沿》2018年第11期论文;