第1章 土木工程再生利用设计基础
1.1 基本内涵
1.1.1 相关概念
1.土木工程
土木工程是建造各类工程设施的科学技术的统称。它既指所应用的材料、设备和所进行的勘测、设计、施工、保养、维修等技术活动，也指工程建设的对象，即建造在地上或地下、直接或间接为人类生活、生产、军事、科研服务的各种工程设施。
2.再生利用
再利用是从古建筑保护中发展出的一种新的方式，它与传统的古建筑保护的概念既有差别又有联系。再利用是对既有土木工程的再次开发利用，它是在既有土木工程非全部拆除的前提下，全部或部分利用既有土木工程与历史文化内容的一种开发方式。再生利用属于再利用的范畴，指的是功能上有了崭新的赋予，使既有土木工程如获得新生般重新焕发生机。其核心思想是在符合社会、经济、文化整体发展目标的基础上为既有土木工程重新赋予生命。
3.工程设计
工程设计是指对工程项目的建设提供有技术依据的设计文件和图纸的整个活动过程，是建设项目生命周期中的重要环节，是建设项目进行整体规划、实现具体实施意图的重要过程，是科学技术转化为生产力的纽带，是处理技术与经济关系的关键性环节。
因此，土木工程再生利用工程设计指的是对失去原有使用功能而被废弃或闲置的既有土木工程进行合理规划与设计，使其具备新的功能，满足新的使用要求。此处所指的既有土木工程不仅可指各种既有建筑物和构筑物，也可指既有住区、历史街区、旧工业区、村镇社区等。通过对既有土木工程进行合理的再生利用，使其能够满足城市社会发展的需要，并能达到环境友好、资源节约、经济优越的效果。
1.1.2 再生原则
为了更好地实现土木工程的再生利用，挖掘其剩余价值，实现变废为宝的循环利用，切实做到绿色再生、环保再生与可持续发展，必须符合相应的再生原则，将其纳入全面合理的轨道上，改变以往再生中的盲目性和随意性，以满足经济、环境、能源等多层次联动的要求。
1.可持续发展原则
可持续发展理论诞生于早期关于增长极限理论的争论背景下。其实质是运用高新技术实现清洁生产、文明消费，对产业结构进行合理布局。可持续设计的引出将可持续发展理论转化为具体的实践方式，充分考虑了设计和其他环境资源的关系，是土木工程再生利用中有效且符合绿色再生要求的规划设计手段。上海乾通汽车配件厂再生利用为上海花园坊节能环保产业园，如图1-1所示。
图1-1 上海花园坊节能环保产业园
2.适宜性保留原则
适宜性保留是土木工程再生利用工程设计中*基本的原则，主要包括既有土木工程实体的保留、功能空间的保留和文化历史的保留三种方式。采用合适的尺度，选择适当的规模，综合考虑再生利用项目所处的环境以及现在和未来的发展关系，以此进行保护和再生利用。陕西钢铁厂再生利用为西安建筑科技大学华清学院教学楼，如图1-2(a)所示；原厂区中保留下来的齿轮作为校园中的景观小品，如图1-2(b)所示。
3.多元化发展原则
多元化发展原则主要体现为再生模式、再生风格以及再生功能的多元化，这种设计趋势吸引了更多的设计者及开发商的参与，使他们能更好地利用这些具有价值的既有土木工程，并通过再生来创造更多的经济效益和社会效益。上海工部局宰牲场再生利用为上海19叁Ⅲ老场坊，如图1-3所示。
4.生态性改造原则
生态性改造强调的是建筑材料、建造技术及设计手法的革命性变革，包括巧妙地利用自然材料、无污染材料等，采用高效节能环保的生态建造手段等。土木工程再生利用工程设计应以生态性改造为原则，使再生利用后的项目达到节能、低碳、环保的要求。粤中造船厂再生利用为中山岐江公园，如图1-4所示。
5.历史性与现代性兼顾原则
历史性与现代性兼顾原则主要强调区域历史文化与现代先进技术的有机结合。在创造和保留现代气息的同时，重视再生利用项目对传承历史文化的作用。无锡茂新面粉厂再生利用为无锡中国民族工商业博物馆，如图1-5所示。
1.1.3 再生目标
土木工程再生利用工程设计作为城市更新的一个重要组成部分，其总的指导思想应是完善城市各类功能，达到调整城市结构、改善城市环境、促进城市文明与传承的目标。目标的制定与城市土地利用、城市土地开发模式、城市基础设施等多方面息息相关，见表1-1。
1.2 理论基础
1.2.1 韧性城市理论
1.基本内涵
旧城区在快速城镇化的冲击下，逐渐呈现出空间破碎、功能紊乱、业态滞后等问题。城市韧性是城市系统重要的自我修复机制，通过系统化地研究外部组织与内部重构逐渐实现区域的空间整合与功能重组。将韧性城市理论应用于土木工程再生利用，通过对区域内部资源的重组与优化以及对外部资源的拓展与整合，逐步实现在空间布局、用地调整、业态提升等方面的提档升级，进一步建立起区域历史文化、生产经营、生活环境、社会交往等方面的空间韧性，从而抵御外部冲击，实现自我修复。
韧性城市理论是指城市或城市系统能够化解和抵御外界的冲击，保持其主要特征和功能不受明显影响的能力。也就是说，当灾害发生的时候，韧性城市能承受冲击，快速应对并恢复，保持城市功能正常运行，并通过适应来更好地应对未来的灾害风险。土木工程再生利用所经历的使用—破坏—修复—使用的历史进程，与韧性城市利用—保存—释放—重组的演进过程不谋而合。
2.韧性认知的发展转型
韧性的概念自提出以来，经历了两次较为彻底的概念修正。从*初的工程韧性(engineering resilience)到生态韧性(ecological resilience)，再到演进韧性(evolutionary resilience)，每一次修正和完善都丰富了韧性概念的外延和内涵，标志着学术界对韧性认知深度的逐步提升。
1)工程韧性
工程韧性是*早提出的认知韧性的观点。韧性被视为一种恢复原状的能力。这种韧性来源于工程力学中韧性的基本思想，但在应用中已经不同于简单的工程项目的韧性，而是指系统整体所具有的工程韧性的特征。霍林*早把工程韧性的概念定义为在施加扰动之后，一个系统恢复到平衡或者稳定状态的能力。伯克斯和福尔克认为工程韧性强调在既定的平衡状态周围的稳定性，因而其可以通过系统对扰动的抵抗能力和系统恢复到平衡状态的速度来衡量。王吉祥和布莱克莫尔认为与这种韧性观点相适应的是系统较低的失败概率以及在失败状况下能够迅速恢复正常运行水准的能力。总而言之，工程韧性强调系统有且只有一个稳态，而且工程韧性的强弱取决于其受到扰动脱离稳定状态之后恢复到初始状态的迅捷程度。
2)生态韧性
20世纪80到90年代，工程韧性一直被认为是韧性的主流观点。然而，随着学术界对系统和环境特征及其作用机制认识的加深，传统的工程韧性论逐渐呈现出僵化单一的缺点。霍林修正了之前关于韧性的概念界定，认为韧性应当包含系统在改变自身的结构之前能够吸收的扰动量级。伯克斯和福尔克也认为系统可以存在多个而非之前提出的唯一的平衡状态，据此可以推论，扰动的存在可以促使系统从一个平衡状态向另外的平衡状态转化。这一认知的根本性转变使诸多学者意识到，韧性不仅可以使系统恢复到初始状态的平衡，而且可以促使系统形成新的平衡状态。由于这种观点是从生态系统的运行规律中得到的启发，因而称作生态韧性。廖桂贤认为生态韧性强调系统生存的能力，而不考虑其状态是否改变；而工程韧性强调保持稳定的能力，确保系统有尽可能小的波动和变化。
冈德森用杯球模型简洁地展示了两种韧性观点的本质区别，如图1-6所示。在该模型中，黑色的小球代表一个小型的系统，单箭头代表对系统施加的扰动，杯形曲面代表系统可以实现的状态，曲面底部代表相对平衡的状态阈值。在工程韧性的前提下，系统在时刻因被施予了一个扰动而使得系统状态脱离相对平衡的范围。在可以预见的时刻，系统状态会重新回到相对的平衡。因此，工程韧性可以看作两个时刻的差值。由此可见，值越小，系统会越迅速地回归初始的平衡状态，工程韧性也越大。这一结果非常类似于学者对工程韧性的原始定义。在生态韧性的前提下，系统状态既有可能达成之前的平衡状态，也有可能在越过某个门槛之后达成全新的一个或者数个平衡状态。因此，生态韧性可以视为系统即将跨越门槛前往另外一个平衡状态的瞬间能够吸收的*大的扰动量级。
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