全民健身背景下旧冶金工业建筑空间活化与更新研究

卢 烨，刘加平，吕嘉怡

(1. 长安大学建筑学院，陕西西安 710061； 2. 西安建筑科技大学西部绿色建筑国家重点实验室，陕西西安 710055)

0引 言

在中国的快速城市化进程中，由于传统产业和城市发展之间的矛盾、城市职能及产业结构的重新调整等原因，导致大量的旧工业建筑面临拆除或弃置，如何对其再利用已成为广泛的议题。在西安，也逐渐出现了大量此类功能空间的转换实例，例如大华1935商业文化中心(图1)，原为大华纺纱厂，改造设计保留了城市历史与文化，为城市生活打造艺术、商业与休闲为一体的市民活动场所。

图1大华1935商业文化中心Fig.1Dahua 1935 Commercial and Cultural Center

与此同时，健康的现代生活理念与生活方式促进了全民健身运动在中国的兴起，也促使更多的体育设施得以建设，体育设施的功能定位也从竞技体育转向为大众体育服务。国务院在2019年发布的《关于促进全民健身和体育消费推动体育产业高质量发展的意见》中提出了10个方面的相关意见，其中包括“鼓励各类市场主体利用工业厂房、商业用房、仓储用房等既有建筑及屋顶、地下室等空间建设改造成体育设施[1]”。

旧工业建筑与体育设施在空间上有很多匹配之处，前者“先天”的跨度与高度可以很好地满足多项体育运动的场地和净高要求，而在其更新及改造中所保留的粗犷、真实、原真的建筑“性格”也契合于创建大众体育设施所追求的平等与共享精神。此外，将旧工业建筑改造成全民健身场馆后，还可以给人们带来工业遗存的文化体验与历史记忆。

以体育功能转换为目标的旧工业建筑改造已然成为了建筑可持续利用中的一种成功范例。例如在丹麦奥尔堡市，一座建于1963年的旧工业建筑被改造成个性化的运动实验室(图2)，设计者利用原空间的高度与宽度，创造了攀岩、跑酷、篮球与街头足球等丰富的运动场所，不同种类的体育运动主要靠活动器材划分区域，人们可以自由交流和互动，其独特的工业风外表也成为一块街头艺术的画布。

图2丹麦奥尔堡市的Streetmekka运动实验室Fig.2Streetmekka Sports Laboratory in Aalborg Denmark

除了常见的足球、篮球、网球、羽毛球、棒球，更多的大众化体育项目如攀岩、小轮车、冰壶等也可融入城市运动项目。相对于大型体育综合体，很多中小型规模的冶金厂房也可被改造成大众运动球场，旧工业建筑与大众体育设施之间的角色转换拥有着极大的潜力，成为中国城市发展与建筑更新中的一种存量优化趋向。

1旧冶金工业建筑与全民健身设施的空间匹配

从宏观的城市空间来看，由于产业结构的转换与国家经济的快速发展，城市的经济结构逐渐由第二产业转向第三产业，这使得转型过程中出现大量工业遗存。由于城市规模的不断扩张，这些旧工业建筑所位于的“郊区”往往变成为了城市中新的核心地段，相比很多新建的体育场馆，反而具有良好的区位优势。城市的发展伴随着环境污染、建筑闲置、活力不足等问题，废弃旧建筑规模大、占地广，与新的城市生活环境格格不入，旧厂房面临着拆除重建和改造再利用的抉择。

根据旧工业建筑的空间形式，能够将其分成3类：异形构筑物、多层工业厂房以及单层工业厂房。其中异形构筑物多用于粮仓、水塔及储藏仓等，根据功能具备独特的形态及建筑美学价值。多层工业厂房多用于轻工业或仓库，其柱网尺寸偏小，空间跨度一般为9～12 m，净高度通常为4～5 m，对于这种建筑的改造较为灵活，常见于商业、学校等的改造。单层工业厂房的基本特征为空间开阔、高大，构架大部分为排架、拱形以及巨型刚架类，不设置柱网，具有结构稳定的特征，此类工业建筑常用于冶金类重工业厂房。

根据旧工业建筑所采用的结构类型，又能够分为框架结构厂房、排架结构厂房及刚架结构厂房。其中框架结构厂房多为通过梁、柱连接共同承受全部荷载的结构形式，材料形式主要包括钢结构、钢筋混凝土结构以及混合结构。排架结构厂房是由屋架、柱子、基础组成，常用于高大空旷的单层建筑物，如工业厂房和影剧院。刚架结构厂房是由钢材、部分或者全部用钢节点连接而成的结构，通常来说包括锯齿形刚架、钢刚架以及钢筋混凝土门式刚架。门式刚架、钢筋混凝土排架结构属于当今旧冶金工业建筑中较为常见的类型，它们的屋面可依据材料分为轻屋面和重屋面[2-3](表1)。

体育建筑类型广泛，分为竞技型、训练型及健身型。其中全民健身设施主要是为了满足广大群众的健身运动需求，几乎已不再设置标准座席，一般只在健身综合大厅内布置适量的活动座席，以满足小规模的观看需求。全民健身馆内各类功能需求和空间尺度主要以满足群众健身和训练为主，不必刻意达到比赛标准，因此非标准化的健身场地放宽了原竞技体育场地以及设施在空间利用方面的严格标准(图3)。

表1旧冶金工业建筑中的常见结构类型Table 1Common Structural Types of Old Metallurgy Industrial Buildings

图3全民健身馆在体育建筑中的类型划分Fig.3Classification of National Fitness Hall in Sports Building

根据2018年发布的《全民健身活动中心分类配置要求》中针对体育场地、场所尺寸的规定，综合实地考察获取的有限材料和有关专业资料、生产设施的材料，常见的运动场地如羽毛球场、篮球场、游泳池等场所的尺寸如表2所示。常见旧冶金工业建筑结构跨度一般在15～30 m之间，可以容纳标准篮球场28 m×15 m的场地。由于体育馆特别是球类场馆对净空的要求比较高，而冶金类旧工业建筑的高度一般都在8 m以上，基本可以满足篮球及羽毛球运动7 m的净高要求，对于大众运动具有良好的适应性。因此，冶金类建筑的大跨空间基本可以满足常见体育场所的空间需求。

表2常见运动场地空间尺寸Table 2Space Dimensions of Common Sports Site

从具体的空间利用角度来看，冶金类工业建筑加工工艺流程多、技术复杂且多使用大型器械，所以其空间大多宽敞，平面规整、立面简洁、空间灵活度大，与大众体育活动所期盼的空间需求契合度较高，能够满足多类运动空间与场地的基本需求。与新建体育设施相比，改造可省去大量土地及土建成本，有效降低建设造价。另外，此类全民健身馆的给排水、消防安全等配套设施在原基础上稍加改造即可使用，可大幅降低公共设施的费用支出。由于冶金工艺生产过程中温度较高，冶金工业建筑大多具有坚固、耐久的结构支承体系，承载力远远高于普通工业建筑，可以充分利用既有结构加以改造。出于采光通风的需要，通常还会搭配天窗，可以满足体育设施日常采光、通风等需求。

在旧冶金工业建筑与体育设施进行功能转换时，空间改造与功能匹配成为研究的关键因素，它体现着改造能否满足新功能对于空间的需求。通过适宜的空间改造，旧厂房可实现华丽转身，成为广受群众欢迎的全民健身设施。

2空间改造目标

2.1灵活可变的空间设置

全民健身设施的主体服务对象是普通民众，因而在功能配置上应当满足不同年龄及不同阶层群众的多样化需求。照顾弱势群体如老人和青少年的健身特点，针对性地设置一些具有特色的活动空间，如老年人的棋牌室、太极拳馆以及青少年愈发青睐的动感单车、攀岩、击剑等“小众”运动空间，以此吸引多元化的人群，以多样性的活动调动大众参与体育的积极性，从而达到普及群众体育的目的。作为公共服务设施的一部分，全民健身馆还可结合社会热点及需求，具备商业餐饮、休闲服务、教育培训、体质监测等活力及人性化空间，这是此类建筑作为公共设施和社会福利的重要体现，也是激发其自身运营能力的重要方式。

全民健身设施的空间布局与传统比赛竞技馆有很大不同，群众在全民健身馆和比赛类体育馆中扮演的角色已经发生改变，前者大空间的设置不必完全受体育设施工艺的影响，满足群众训练需求即可，空间要求相对较低，在人流流线和疏散要求较为宽泛的条件下，全民健身设施中大空间和小空间可以更加灵活地组合。旧冶金工业建筑天生的跨度与高度为可变空间提供了良好的改造图底，从基本的平面布局来看，设计者可以根据运动场地尺寸的标准化数据来建立模数化的运动空间。由于大部分工业建筑都具有较长的长轴尺寸，因此横向跨度成为了运动场地和空间匹配的关键因素。表3为旧工业建筑中的常见改造空间类型。可以看出，跨度大于12 m的旧冶金工业厂房，至少可以满足羽毛球场地的布置，而大部分篮球馆的经营者会以至少一个全场和尽量多的半场来进行空间改造及灵活调整，这样可以保证基本民间赛事的举行，也可以通过更多的场地来保证运营收入。此外，全民体育设施所承担的社会功能也愈发广泛，例如教育培训、企业运动会、产品展览、防疫抗灾等等。因此，一座健身馆的空间设定常采用可灵活转换的界面，在保证大众健身广泛参与的基础上，塑造出灵活可变的功能空间[4-5]。

2.2表里如一的空间形态

由旧冶金建筑化身而来的全民健身馆，其骨骼里的“工业质感”吻合于大众体育精神。健身馆的使用主体是广大群众，在摒弃昂贵装修成本的同时应强调其亲和性和原真性。因此建筑形象应该在尺度、细部、色彩等方面使人感觉舒适且亲近，在设计中通过工业元素和场地铺装、颜色标志、个性涂鸦等元素的丰富运用，能够形成此类健身馆表里如一、简约时尚的空间“性格”，呈现出工业与体育的时空交融感，就像图2所示的丹麦Streetmekka运动实验室，混凝土、木材等构筑材料可成为人们直接利用的运动界面。延续旧工业建筑给人们所带来的场所记 忆，能将印象中的破旧厂房转换成为具有传承基因的工业遗存。

表3旧工业建筑中的常见改造空间类型Table 3Common Renewal Spacial Types of Old Industrial Buildings

3空间操作与整合

在基于旧冶金类工业建筑改造为全民健身馆的设计中，最核心的内容是如何通过对原有空间的改造，使其满足新的功能需要，以空间操作和整合来达成功能转变与空间匹配。大众体育所青睐的一些运动项目类型，如篮球、羽毛球、游泳、室内足球、乒乓球、健身、网球及冰滑运动，其标准及已定制化的场地尺寸与空间要求都可与旧工业建筑内的空间尺度进行匹配。同时，也会出现很多尺度难以契合的情况，这时可根据大众体育活动的类型和使用人群的多样性，结合空间的弹性转换，将一些非标准场地进行适应性利用。例如设置“斗牛”篮球场、儿童网球场、迷你卡丁车馆、夹层健身房等[6-9]。在旧冶金工业厂房的运动空间改造中，以单跨厂房为例，主要有3类空间操作和整合方法，包括空间划分、空间整合和空间置入，具体如图4、表4所示。

图4常见空间操作和整合方法Fig.4Common Spatial Operation and Integration Methods

3.1空间划分

旧冶金工业建筑的全民健身馆改造设计中，原有的旧建筑内往往是一个通透简单的大空间，但缺乏相应服务设施如前台、更衣室等。 因此首先需要分隔公共空间以及服务空间，通常采取灵活性分隔的办法，通过轻质墙体、软包隔断完成空间划分。对运动空间的划分可以根据运动场地的模数化和数量来进行。由于不同运动项目运动空间的差异，应该采取适当的分隔来避免场地之间的干扰。全民健身馆中一般采用绳网、网笼、广告牌及一些体育设施等进行柔性分隔，对原有建筑中落地的结构构件也会进行软包，在形成界面的同时也起到安全保护作用。此外，很多旧工业建筑具有异于民用建筑的侧向采光天窗、粗犷结构构件等元素，可以加以充分利用，塑造出与众不同的空间效果[10-14]。

设计者也可以充分利用部分旧厂房的原有高度进行垂直分层，具体分为局部分层以及完全分层两种类型。局部分层是在适宜位置加入夹层，并且产生上下贯通的大空间，人们的空间感受更为丰富。垂直分层常运用到原层高较高的单层大厂房中，这种改造方式需要加入钢结构支撑体和复合楼板，把单层大空间转变成多层空间以获取更多的运动场地，但需满足运动空间的规格及尺度。

3.2空间整合

空间整合是把旧建筑内的小空间转变为大空间，从而满足健身馆运动空间对尺度以及面积的需求，这样的改造方法常见于框架结构当中，可以通过合理拆除墙体甚至局部承重结构的方法产生开敞的大空间。这种方法必须先进行结构安全评估，采用成熟合理的结构改造方法如托梁拔柱等，以避免出现结构安全问题[15]。拆除旧建筑中原有的梁、楼板等构件，增加净空高度，通过垂直整合的改造手法形成空间相互贯通的效果，增加全民健身馆空间应用的可容度与灵活性。

表4空间操作和整合方法说明Table 4Explanation of Common Spatial Operation and Integration Methods

3.3空间置入

在旧建筑内部或者外部添置全新的空间体块，以满足新的功能空间需要。这样的改造手法常用来达到增加场馆使用面积的目的。对结构进行加固后,在屋顶与侧墙面置入新的空间体块，以满足全民健身场馆更为丰富的功能需求。空间置入方法与分层置入方法相比更为灵活，并能塑造出新旧融合的外部造型，但前提是需要满足荷载计算和结构安全，符合消防疏散及规范要求。置入体块的设计思路还可以根据功能需求及运维情况进行调整，经过多个篮球馆案例分析发现，篮球场运营一段时间后均把原先钢结构加建的私教课训练房重新改成了半场篮球区域，大幅增加了活动人数及相关收入。

4设计案例

设计案例为西安市华清学院的陕西省钢铁厂空间改造，该厂是在1958年建立的，厂区位于西安市新城区幸福路。在20世纪末期，随着产业升级及区域发展，该厂因产业转型失败、效益不佳、环境污染等问题，难以为继。陕西省政府宣布陕西钢铁厂破产后，西安建筑科技大学将其收购作为华清分校校址，在厂区里持续进行旧冶金工业建筑的改造工程，其功能目标分别为教学、商业、艺术家工作室以及体育休闲等。此项目设定的改造目标为面向大众的全民健身馆，不仅利于校园学生使用，还响应国家民生政策，可为周边市民所共享。改造的原4#、5#厂房位于华清学院内部的东北角(图5)，毗邻华清学府城等多个住宅区，交通便利。学院整体配套齐全，未来发展潜力巨大，将旧厂房变身为全民健身设施，能够很好地激发此区域的健康运动以及商业活力。

图5设计案例的原貌及布局Fig.5Original Appearance and Layout of Design Project

图6改造方案的功能布局和改造平面Fig.6Functional Layout and Transformation Plan of Reconstruction Scheme

改造方案首先对原有厂房的部分附属构筑物进行整合，在原先建筑面积紧张的场地中梳理和塑造出公共活动空间和景观环境，利用室外景观及入口广场引导和吸引人群前来参与体育健身运动。室内的改造与设计基于运动场地和空间尺度的匹配，综合各类运动场地的尺度需求完成了空间划分。将原有旧工业建筑的单一大空间，根据空间功能的匹配与重塑分割为若干大小不同的小空间，主要分为：运动大空间、运动小空间及服务空间。由于原厂房的横向跨度达到21 m，净空为12 m，符合篮球运动场地建设的规范标准，因此在健身馆的东侧分隔出36 m×21 m的区域来布置标准篮球场地，以满足后期举办民间赛事的运营策划需求。改造后的篮球场等大空间还可根据日常需要灵活转换为公共讲座、艺术展览的场地。本次改造方案(图6)将大小空间之间的公共区域改造为主要的交通空间以及休息服务空间。在健身馆的西侧通过垂直分层以及增设夹层的改造手法增加场馆使用面积，并根据不同空间净高特点布置了台球、篮球、健身、羽毛球以及附属服务功能[16-18]。总体而言，方案最大化地利用了旧冶金工业建筑原有的宽广空间，综合运用了水平分隔、垂直分层以及叠合式空间置入等改造手法，创建出舒适的运动空间和场所氛围，空间改造后的不同角度剖视图如图7所示。

图7原厂房空间改造后的剖视图Fig.7Section View of Original Factory After Space Reconstruction

5结构可靠性评定与加固改造

旧建筑的空间改造必须建立在结构可靠的基础之上，原厂房改造为全民健身房，建筑物用途由工业转为民用，需对建筑物进行可靠性鉴定，以便为后续加固或者改造提供依据，保证厂房加固改造的质量。

该厂房为排架结构，共计19榀排架。厂房柱为预制钢筋混凝土柱，基础形式为带杯口的柱下独立基础，柱顶设混凝土连系梁，屋架为钢桁架屋架。根据现场检测数据以及计算分析，参考《民用建筑可靠性鉴定标准》(GB 50292—2015)，各构件、子单元及鉴定单元的评级如表5、6所示。

根据可靠性鉴定结果，该建筑物个别构件承载力不满足要求，故需要对原有建筑结构进行局部改动，以便更加合理利用原建筑空间。该建筑物鉴定单元的安全性评级为Bsu级，使用性评级为Bss级，可靠性等级为Ⅱ级。鉴定单元的适修性评级为Ar 级。根据规范需对建筑物进行抗震鉴定，原厂房为A类钢筋混凝土房屋，鉴定结果表明原厂房综合抗震性能能够满足后续使用年限30年的要求。

表5子单元等级鉴定结果Table 5Subunit Grade Appraisal Result

表6构件等级鉴定结果Table 6Component Grade Appraisal Result

建筑构件试验与评估结果说明，原厂房的结构强度良好。在进行优化设计时保留原有的大部分结构体系，并因建筑物功能要求，在建筑物西侧空间增 设了钢结构体系，以支撑大空间内的垂直分层。按照设计方案，该厂房跨度为21 m，原屋面结构形式采用梯形钢屋架，屋架采用Q235钢，屋架铰支于钢筋混凝土柱上。在ABAQUS中进行等比例建模，创建部件形式为二维平面、可变形、可拉伸的线形态，具体模型如图8所示。有限元分析常用单位系统有3套，本次建模单位采用MPa、N、mm ，钢材规格为Q345，弹性模量为2.1×105MPa，泊松比为0.3。本次软件模拟采用线性静力学的方法，分析钢结构在同种工况及荷载作用情况下钢结构发生的微小位移。模型依据《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)和《建筑结构设计规范》(GB 50009—2012)，参考不上人屋面荷载情况以及不考虑积灰荷载和雪荷载不均匀分布情况。经计算，结构竖向恒荷载值为3.717 kN·m-1，根据结构受力组合公式，按永久荷载效应控制组合S1=40.32 kN·m-1，按可变荷载效应控制组合S2=33.45 kN·m-1。考虑结构在最不利荷载组合情况下的受力性能，最终向模型施加41 kN·m-1的竖向均布荷载。对各杆件进行内力组合，计算得出各杆件的最不利荷载，并计算出杆件最大截面面积为3 440 mm2。最后通过向模型输入材料属性、截面面积、荷载信息后，得出最大位移云图[19]，如图9所示。

依据《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)，大跨钢结构容许挠度值为L/250，L为钢屋架跨度，优化后的三角桁架最大位移值为3.58 mm，符合规范最大位移容许值的要求。为满足结构承载性要求，将原先占用较大空间尺寸的梯形屋架替换成三角形屋架，受力合理的同时增加使用空间的净高。另外，对原厂房围护结构的砖墙进行了拆除并按现行规范重新施工，同时更换了全部的天窗，并对屋面进行了防火、保温及吸声设计[20]，具体如图10所示。

图8结构三维模型Fig.83D Model of Structure

图9结构最大位移云图Fig.9Structural Maximum Displacement Nephogram

图10原厂房的结构改造与构件替换Fig.10Structural Transformation and Component Replacement of Original Factory

对既有建筑结构改造应以结构的安全可靠性为根本，通过充分了解原建筑体系使用情况，采取合适的改造方法进行设计与计算，确保建筑结构改造后能提升整体建筑的使用价值，以提高建筑后续使用生命周期内的适应性和可持续性。经济性与建筑结构设计改造紧密相连，旧建筑结构改造的经济性也远大于新建建筑，在进行建筑结构改造时，应注重建筑结构选型、材料选择、施工工艺等对建筑经济性的影响，有效利用建筑材料特性并针对性加固结构构件的方法会使建筑改造产生的经济性更高。

6结语

(1)合理规划、利用旧厂房空间，使其化身为满足大众民生需求的全民健身馆，为国民提供高质量的体育活动场所以及强身健体的良好环境，无疑是遵循国家政策导向、促进人们生活水平及社会进步的有效举措。

(2)在旧建筑空间设计方面，充分考虑保留其工业时代感，提升建筑人群使用感，激发建筑功能活力感3个主要方面，经过空间整合、划分、重置等设计手法，对旧空间进行二次利用，在生态、经济、艺术、文化价值方面具有重大意义。

(3)在建筑结构优化设计方面，通过采用合适的设计方法，不仅可提高建筑内部使用空间，还可改善室内光环境，增强改造建筑的结构承载能力并提高其使用年限。在同种工况作用下，增大构件截面面积可提高钢屋架的稳定承载能力，在钢梁端部支承处采取构造措施，防止改进后端部截面出现扭转。