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實驗室建筑創新設計理念與方法作為科學研究的基地和搖籃，實驗室建筑見證了科學領域重大技術突破和發明，對人類科學進步起到了支撐保障作用。隨著國家經濟發展和戰略布局，一大批國家重點實驗室相繼建成，在前沿科技領域取得了一批擁有自主知識產權的研究成果。結合正在進行的項目設計開展相關研究工作，現將初步研究成果歸納總結，為今后的實驗室建設工作提供參考借鑒。

1著名實驗室設計研究與啟示

1.1卡文迪什實驗室。位于英國劍橋大學的卡文迪什實驗室是世界最著名的物理學實驗室，曾經在巔峰時期創下“全世界二分之一的物理學發現都來自卡文迪許實驗室”的卓越成就。走進試驗大樓，底層中間呈現出一塊四方空間，豁然敞亮，向上直貫頂樓，抬眼可見天花板。各層四周環以回廊，一樓為實驗室，二樓有辦公室、圖書館、博物館等功能房間，樸實的裝修卻處處充滿了科學人文氣息。與實驗室“去偽存真、探究科學真諦”的建設理念不謀而合。值得一提的是建筑入口處的一把古董椅，除了為慕名而來的參觀者提供合影留念便利之外，也傳遞出實驗室悠久的歷史和對待科學研究所一貫秉持的謙遜態度（圖1）。1.2弗朗西斯•克里克研究所。2002年創立的世界實驗室設計大會每年都會評出“年度實驗室”，獲得2018年此項殊榮的是位于英國倫敦市中心的弗朗西斯•克里克研究所（FrancisCrickInstitute）。項目于2011年開始建設，2016年竣工，耗資近7億英鎊。從外觀上看，建筑很像一座大型購物中心，而屋頂的一排排金屬排煙道則揭示出建筑的真實功能，該建筑所具有的特點代表了實驗室建筑設計的發展方向（圖2）。圖2弗朗西斯•克里克研究所內部（1）造型上，從兩側墻體向上延伸的兩片拱形屋頂不是簡單的裝飾作用，其下覆蓋著屋面上為整棟大樓提供加熱和制冷的設備機組，并結合了太陽能電池板。（2）主要功能模塊包括：寫字樓、初級實驗室、共享二級實驗室和專用二級實驗室之間的關系靈活有機，鼓勵試驗人員共享儀器和設施。房間面積大小可以根據研究計劃和研究團隊規模的調整隨時進行重新分配，并且由研究人員自己操作，1~2h內即可完成，滿足了研究團隊對試驗辦公面積需求的動態變化。（3）協作互動、開放共享是建筑空間的主題。實驗室區域圍繞中庭布置，實驗室空間開放靈活、視線通透，以營造研究團隊之間即有協作又有競爭的整體氛圍。設計中布置了多個非正式的辦公交流空間，以適應研究人員多種辦公需求，激發創新活力。建筑物內隨處安裝有靈活的白板裝置，以鼓勵隨機性的自發討論。各種形式的休息區，包括一個帶公共餐桌的咖啡廳、咖啡吧和一間酒吧，進一步鼓勵了研究人員之間的交流互動。

2實驗室創新設計理念與方法

回顧實驗室建筑設計歷程，相信每位建筑師都會聯想到美國建筑師路易斯•康設計的理查德醫學中心以及薩克生物研究中心。在1965年建成的理查德醫學中心設計中，康首次提出“服務與被服務空間”的設計理念，考慮到實驗室建筑有別于住宅和辦公，大量的機電設備管線風道錯綜復雜，為確保實驗室空間完整、布局靈活，路易斯•康采用了二元空間關系設計手法。“空心柱形的服務空間包含管道、樓電梯等輔助功能，而更為開敞的被服務空間則是公共空間、實驗室等主要功能。服務空間的單獨處理使其在建筑中有機表達，同時被服務空間更加自由、單純，兩者呈現出一種對比統一的二元關系?！边@種在還原空間本質基礎上建立空間秩序的創作思想，奠定了實驗室建筑設計理論基礎并延續至今。總體上看，現代實驗室建筑設計理念與方法可以歸納總結為4個方面。2.1空間開放共享，打造協同創新工作平臺。自20世紀90年代中期以來，實驗室建筑空間設計越來越趨于開放共享。通過搭建“開放式”實驗室工作環境，為研究人員創造出更有助于激發創新思維的辦公場所。與“封閉式”實驗室強調獨立工作、方便管理的設計理念不同，“開放式”實驗室具有更強的包容性、靈活性，適應攻關團隊協作的工作模式，因此也更加符合現代科學研究所具有的跨學科、交叉綜合、數據共享等特征。在開放的實驗室中，研究人員不僅可分享空間本身，還可分享試驗設備、工作臺空間和助手，極大地提高了工作效率。提高實驗室開放性最有效的設計手法即引入中庭空間元素。中庭空間在現代建筑中的應用可以追溯至20世紀60年代，在美國建筑師約翰•波特曼設計的大量高層飯店中，通過將古羅馬建筑的中庭元素創造性地使用，開啟了大飯店的中庭時代（圖3），并以其獨特的空間個性迅速在各類建筑中得到推廣應用。中庭應用在試驗建筑中，其空間的綜合性與開放共享特性，與科學試驗活動特點不謀而合。結合開放的中庭設計一些休閑互動功能，類似酒店建筑的大堂吧、休息會客區，以及閱覽、健身活動區等，可以緩解緊張的工作壓力，提升科研人員群體感和歸屬感。還可以布置藝術品裝飾等室內陳設，以增加試驗建筑的人文藝術氣息。設置開敞式樓梯或者觀景穿梭電梯、自動扶梯，聯通圍繞共享空間的各個樓層，即方便研究人員在各層之間的活動，又增加團隊凝聚力和向心力（圖4）。2.2綜合技術措施，確保高效靈活平面布局。據統計，全球實驗室每年的重組率為35%，而大多的學術機構每年都會對實驗室布局的10%~20%進行調整變動。這就要求在項目策劃階段在總體建設規模上預留一定的發展空間，在建筑設計階段充分采用多種技術手段，滿足靈活多變的發展需求，使實驗室建筑具有長效生命力。主要技術措施包括但不限于以下幾點。（1）試驗單元模塊化布局：實驗室功能模塊主要包括試驗單元和辦公單元。由兩組試驗邊臺加中央通道組成的試驗單元基本模塊，開間最小尺寸為3.20m，進深在6~10m不等。按照試驗臺布局方式和試驗設備數量需求，科學合理確定實驗室單元模塊的柱網尺寸，可以確保建筑空間有效利用，避免柱網不合理帶來的試驗設備無法放置，或面積過大、使用率偏低導致經濟上的浪費等問題。遵循統一柱網、統一荷載的布局原則，國外提出以試驗單元基本模塊對應的3.20m為模數構成雙向軸網矩陣，形成的實驗室單元具有更大的靈活性和適應性，配合可移動的中心試驗臺設備，可以實現按照研究項目的需要隨時變化組合的目標。（2）管線綜合布局：實驗室建筑相對于一般民用建筑最大的特點即復雜的設備管線系統。以給水系統為例，除了日常生活用水及消防用水之外，實驗室常見用水還包括冷卻水、蒸餾水、去離子水、反滲水、高純度水等。管線綜合的目的是通過設置集中的管井布局、優化管線路徑方案，打造高效便捷的設備集約保障系統，提供一個完整連續可靈活使用的實驗室空間，也更便于日后設備系統維護升級改造。集中的具體方式包括水平與垂直2種，如何將水平布置于吊頂內的各種管線接入試驗臺末端是設計上考慮的重點。目前比較通用的做法是將試驗臺內水電氣接口配置為可插接的模塊接口，通過懸掛于試驗臺上方的設備轉接口，實現管線之間即插即用的快速對接。垂直方式主要是集中布置各種豎向管道，尤其是試驗通風豎井，數量多、斷面大，在平面布局時需要重點考慮。既要滿足高效便捷的送排風運轉效果，又要避讓其他管線，同時避免占用建筑核心空間。2.3造型簡潔凝練，塑造鮮明獨特建筑個性。為滿足實驗室各類機械設備、管道系統、凈化通風等試驗條件需求，實驗室建筑體量一般比較龐大。如果是生物安全實驗室這類建筑，由于負壓試驗環境要求，外墻上基本不需要開窗，在一定程度上限制了建筑造型個性表達。另外，各類通風柜的排風道出建筑屋面，形成煙囪林立的獨特效果，需要作為專項設計認真對待，讓建筑師頗費腦筋的同時，也產生了許多“化腐朽為神奇”的成功創意（圖5）。德國GMP•馮•格康•瑪格及合伙人建筑師事務所在中國完成了眾多的科研試驗設計項目，獲得了業內外的贊譽。以北京華為研發基地為例，通過采用與模數化的試驗單元相對應的簡潔造型語言，排列組合構成富有韻律的建筑整體，進而達到建筑外觀可識別的目的（圖6）。2.4設備智能高效，確保試驗環境可持續發展。實驗室正從功能性需求升級到智能化需求。過去，實驗室設計建設中更多地會考慮工作環境的舒適度以及試驗人員的安全防護，未來的實驗室在設計初期就會使用BIM手段進行智能化設計，從建筑主體到實驗室內部設備配置都采用數字化管理，通過物聯網技術可以在移動端或PC端進行遠程控制，數字檔案提供設備清單，便于科學、精準、及時的對設備進行維護更換，實現全生命周期管理。當試驗設備或系統出現故障時，智能化系統能自動報警，及時發現問題、規避風險，確保試驗環境和試驗人員的安全。

3工程實踐

項目主體為一棟局部3層試驗廠房，位于廠區核心位置。建筑占地長度約210m，進深64m，建筑高度超過30m，大體呈一字形布局。方案設計總體思路是：力求改變工業建筑單調冷漠的固有效果，融入“人性化”設計元素，創造“適用、安全、綠色、美觀”的廠區核心建筑。功能布局上，重點優化調整2,3層平面布局，將與試驗大廳貼建的辦公區設計為一個完整獨立區域，與試驗大廳之間用隔聲墻及隔聲門窗隔開。通過設置3組凹入的“屋頂花園”，改善了大進深辦公區采光通風環境，結合屋頂通風采光天井，使得辦公區實現自身的空氣對流。這樣，在試驗大廳連續進行高噪聲、強振動試驗期間，處于辦公區的工作人員不僅受到多重建筑圍護結構及設施的保護，將試驗噪聲影響控制在合理范圍內，還可以借助屋頂花園感受自然、放松身心，緩解連續工作帶來的疲勞與不適，工作環境質量及舒適度得到有效提升，有助于工作效率和工作熱情的提高。整體造型上，將建筑首層的各類試驗廠房處理成比較厚重的基座，控制開窗面積以達到噪聲控制要求。上部的辦公區如同漂浮于基座上的立方體盒子，化整為零的造型更符合近人尺度下的視覺體驗，上下不同的建筑語言也揭示出建筑內部所對應的不同功能，而體塊的穿插和重復母題進一步增加了建筑的韻律感和雕塑感。外墻材質上，采用人造掛板與穿孔波紋金屬板相結合，視覺上構成厚重的基座與輕盈的盒子的對比效果，凸顯材料與工藝的現代感與科技感。

作者:秦麗 單位:軍事科學院國防工程研究院