高密度老城区校舍功能升级改造实践

陈智远 王治杳

(上海市黄浦区教育局校产管理站,上海 200011)

1 概述

上海市黄浦区是人口密度最大也是历史最悠久的老城区，属于高密度老城区。基础教育设施最为密集和陈旧(不包括已经更新过的教育设施)，其中80%被列入历史建筑/优秀历史建筑/重点文物保护单位。

互联网+时代加速了社会的发展，对创新创意人才的培养是一个国家的核心竞争力。2017年，为深入贯彻国家创新驱动发展战略，深化上海教育综合改革，推进中学教学特色改革试验，培养国际化创新人才，服务上海建设具有全球影响力的科创中心主阵地，黄浦区教育局在基础教育设施改造过程中，创新务实，以“有别于传统，着眼于未来”的办学宗旨为指导，同时遵照优秀历史建筑的保护条例，对校舍进行功能升级改造。

在校舍的改建实践中，如何在高密度老城区，对列入保护单位的校舍进行修缮并提升功能，处理新与旧的关系，突出原有建筑的文化性和特殊地位，营造结构可靠和使用安全的创造性教学空间，满足现代创新创意人才的培养，是需要重点解决的问题，也极具挑战。

本文结合全新型教学模式，以黄浦区虎丘路95号老校舍修缮为例，重点从建筑、结构、施工三个方面阐述在密集老城区如何进行校舍的功能升级和保护文物建筑。

2 建筑改造

2.1 建筑概况

虎丘路95号校舍为原1栋3层校舍楼，位于上海市黄浦区虎丘路以西、香港路以南(如图1所示)。校舍东侧为虎丘路，虎丘路东侧为在建黄浦区174街坊二期工程、北侧为香港路、西侧紧邻上海工商学院现状6层建筑、南侧紧邻现状虎丘小区2层住宅楼。校舍建造于二十世纪二三十年代，房屋主体结构为四层混合结构。建筑抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第二组；场地属建筑抗震一般地段。房屋总长为35.18 m，总宽为15.2 m，总高22.5 m，总建筑面积约2 502 m2。一层和二层主要采用砖墙和木柱混合承重，木楼板，三层主要采用砖墙和钢柱混合承重，混凝土现浇楼板，四层主要采用砖墙承重，屋面主要为木质三角形屋架支檩体系，结构示意图如图2所示。

项目是中心城区既有历史文保建筑运用于教育用途改造的典范工程，采用“外墙整体保留，内部结构托换”的施工工艺方式，对既有建筑进行整体性“热水瓶换胆式”改造，以满足创新教育的大空间、多格局、灵活多变的建筑功能布局需要。“热水瓶换胆”方法适用于历史建筑内部空间升级改造[1,2]，以达到活化和更新历史建筑的目的，属于典型中心城区“螺蛳壳里做道场”的工程条件下的旧房改造。

2.2 空间优化

建筑内部空间按照现代教育观念进行设计[3]，突出公共空间的利用，为激发学生创新提供合理的空间布局。基于创新、开放、共享、互动的新型教学模式，建筑空间布局上设计了一条可持续发展的绿线，围绕绿线设计自由、个性、灵活变化的多样化空间。

2.2.1多元化的建筑绿线

采用多种可持续技术。比如载有太阳能板的屋顶能提供部分室内照明用电；收集屋顶雨水可二次利用，浇灌植物；配置“都市农业”，并与室内外环境形成一个生态循环系统等。所有此类装置在保证其使用功能的前提下，也是创新类课程教学的开源创新平台。学生不但可以直观地学习理解其工作原理，也可以组成团队与相关领域团队进行专项研究，完成深度开发。所有的节能技术、绿色项目、可持续课程形成一条绿线贯穿于建筑之中。绿线中空间的多元化将为学生营造充满灵感的创造空间，绿线中设备及解决方案的专业化将对“问题导向”的教学方法提供支持，把真实世界的前沿问题植入学生日常的学习生活中。

2.2.2功能为主的区域分配

围绕着绿线，布置各类教学空间。自由、个性、灵活变化，适应PBL(Project-Based Learning)的教学方式对于空间的多功能和多样性需求。所有空间设计以“学生为中心”，模糊功能分区、模糊空间分隔，戏剧性地综合了功能需求、趣味体验和创新交互，同时为教师、学生、创新业界的使用者提供了亲自参与创造的机会。FABLAB(Fabrication Laboratory)，LIVINGLAB(Living Laboratory)，BIOLAB(Biology Laboratory)等国际创新实验室分布其中，不仅服务创新教学，同时也成为校园空间持续创新的引擎。

2.2.3灵活多变的空间组合

为了配合同济黄浦设计创意中学强调快乐、轻松和多功能的教学环境，特别设计了组合型机动教室、临时基础教育教室、项目教室、半开放学习区、阶梯教室、图书馆、小组讨论区、开放教学区、会议室9种教室，并对拓展性进行了研究。拓展丰富的组合形式、灵活的功能布置将有益于保障虎丘路95号建筑的空间使用效率。日后在同济黄浦设计创意中学的运营中，各教室可根据课程教学目标，对空间进行灵活调整，以达到教学的最佳效果。

3 结构修缮

3.1 修缮前的结构状况

构件的选择和布置不合理，存在薄弱点；房屋主要存在墙体和砖柱斜向开裂、墙面粉刷开裂、顶板和墙面渗水、木格栅普遍存在渗水，发霉痕迹、木梁劈裂、混凝土楼板钢筋锈蚀，裸露等现象。其中二层个别墙体和砖柱开裂和个别木梁劈裂损坏已构成危险点；房屋综合抗震能力不满足抗震要求；房屋一层～三层部分墙体抗震承载力不满足计算要求，四层墙体抗震承载力满足计算要求。房屋各层墙体受压承载力和高厚比均满足计算要求；房屋东南角点倾斜率较大，最大倾斜率为向东15.1‰，超过规范限值[4,5]。

3.2 修缮建议

为了整体提高房屋的抗震能力，建议委托方对房屋内部木柱、钢柱、木楼板、木屋面等构件拆除，保留房屋外墙，内部重新布置承重体系，新增基础应与现有房屋基础脱开。建议对房屋墙体增设圈梁构造柱，提高房屋整体性。对于已构成危险点的构件，须立即采用加固维修措施。针对构成危险点的二层个别墙体和砖柱，建议先进行压力灌浆，然后采用外包配筋砂浆面层的方法进行加固处理。针对砖墙结构性裂缝，建议采用压力灌浆进行封闭处理。结合房屋改造方案，对房屋东南角处各墙体建议采用外包配筋砂浆面层或其他有效方法进行加固处理。针对其他损坏情况，建议按照DG/T J08—207—2008房屋修缮工程技术规程[6]相关条文的要求进行修缮。

3.3 结构修缮方案

采用“外墙整体保留，内部结构托换”的方式，对既有建筑进行整体性“热水瓶换胆式”改造，如图3所示。结构特点及难点是:新老基础的相对关系、内部钢结构体系的设计、外墙加固措施、外墙与新结构的连接。

1)新老基础的相对关系。内部基础工程桩采用锚杆静压钢管空心方桩250 mm×250 mm，桩长22 m，以⑤1层灰色粉质粘土为桩端持力层，总桩数166根，单桩估算抗压承载力特征值(设计值)为245 kN。新老基础采用分离的方式，其相对关系如图4所示。

2)内部钢结构体系设计。内部钢结构体系为支撑在内部新作条形基础之上，与保留的外墙有适当的和可靠的连接。钢结构整体稳定性通过在适当的位置设置斜撑满足规范要求。

3)外墙加固措施。内部功能升级改造过程中，外墙在水平向约束和受力上发生了改变。内部楼板拆除后，外墙失去了水平向约束，在没有采取措施前，不考虑水平向临时支撑，外墙的计算长度由原先的层间高度增加到建筑物高度；外墙由承重构件转变为非承重墙体。

出于外墙稳定性考虑，在拆除过程中，增加了临时水平支撑；同时，原有外墙外部增加圈梁，且内侧增加一层钢筋混凝土板墙，以提高外墙的刚度和整体稳定性；此外，通过销键将外墙圈梁与加固板墙连接在一起，形成一个受力整体，如图4所示。

4)外墙与新结构连接。内部钢结构完成之后，原则上不向原外墙传递竖向荷载，但原外墙仍然作为校舍的外围结构，外墙与钢结构之间需要可靠连接。内部钢结构建成之后，通过板墙内预埋锚板将板墙与钢结构稳固的连接在一起，如图5所示。

4 施工组织与管理

施工特点和难点:1)拆除工程的安排；2)垃圾和材料堆放与外运；3)应对恶劣天气和重大活动时的工期安排；4)内部桩基础施工；5)老建筑改造过程中的消防设计与实施。

4.1 拆除工序

拆除工序不当，必然破坏校舍的整体性，大大降低稳定性，造成原有墙体开裂和细纹。本工程在拆除过程中，采用了合理的拆除秩序。先拆除了里面原老朽的楼板；然后做了钢结构内撑钢架后分段拆除木梁木柱和部分承重砖墙、原木桁架屋顶；之后整体加固外墙维持稳定性，然后新做内钢架。

4.2 材料进场和垃圾外运

校舍东侧为虎丘路，其他三面紧邻公共和住宅建筑，场地十分狭小。在如此高密度老城区将内部拆除的垃圾运出去和内部新建结构所需材料放进去无疑是挑战。在垃圾堆放和运输上，采用了垃圾临时堆放在内部和校舍北面不到5 m宽的通道上，夜间在不影响市民正常生活的条件下外运；材料进场也是采用夜间运入，现场拆除校舍屋顶，屋顶位置作为材料入口，通过吊机吊入校舍内部的堆放。选择合适的时间运输和创新材料堆放方式，解决了材料进场和垃圾外运的棘手问题。

4.3 应对恶劣天气和重大活动时的工期安排

在施工期间，多次遇到台风、大雨等恶劣气候条件，还有进博会期间的交通管制，这些都会影响施工进度。除不得不停工外，有些对外界条件不敏感的工序尽可能正常开展，以减小天气和重大活动对工期的影响。

4.4 内部桩基础施工

预制桩成桩时由于挤土效应，周边道路、建筑物均在桩基施工影响范围内，桩基施工时为减弱施工成桩引起的震动、挤土和超孔隙水压对周围环境的影响，采取了以下防护措施：1)在邻近道路、建筑物一侧布设压力释放孔；2)沉桩顺序背离保护对象，合理控制沉桩速率；3)沉桩过程中对周围环境进行监测，信息化施工确保了周围建筑物及管线的安全，实测最大变形不超过9 mm，小于预测值和允许值。

4.5 老建筑改造过程中的消防设施的实施

高密度老城区的房子很难完全满足校方要求，校舍在改造过程中，除执行消防要求的强制性条文外，采用新增室内消火栓系统以增强消防能力。

该系统采用临时高压消防给水形式，从市政环状给水管网接入两根引水管，室外给水管道利用市政管道共同构成室外环网，在两路进水之间的市政管道上加设阀门。

此外，在消防水泵房设消火栓两台(一用一备)、消火栓稳压泵两台(一用一备)，按要求设置气压水罐，室外设水泵接合器1个。

5 结语

在新形势下，高密度地区校舍功能升级改造势在必行。针对既要保护历史建筑又要适应新时代创新教育的教学要求的双重任务，在设计和施工方面采取了合理措施，历时近一年半，完成了虎丘路95号2 500 m2的校舍改造。

在建筑设计方面，根据创新性人才的培养要求，建筑空间布局通过较小教师办公室面积，以扩大公共空间，设计出集教学、实践、众创为一体的一条绿线。围绕绿线布设自由、个性、灵活变化的空间，适应以项目为导向的多功能和多样性需求空间。

在结构设计方面，采用“热水瓶换胆”的结构措施实现校舍功能升级改造。内部基础采用锚杆静压桩与柱下条形基础组成的钢筋混凝土结构，基础与原有外墙基础合理分离和穿越。内部钢结构框架体系与新建基础和原有外墙连接安全可靠。原有外墙除与新建钢结构系统进行连接外，在墙体内侧新增了钢筋混凝土面层以增加强度和整体稳定性。

技术创新在工程项目施工和管理中发挥了积极作用。该项目的实施克服了施工场地狭小、材料运输困难、吊装工艺困难、毗邻周边居民区、扬尘噪声影响、周边历史保护建筑的沉降影响等种种困难。建筑采用装配化施工，整体结构采用钢结构预制安装，整体装配率高施工周期快。同步采用自动化动态沉降监测、消防设施整体升级、外墙内侧钢筋网片整体加固，边支撑边加固，流水搭接作业多工作协同配合。