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实验室建筑创新设计理念和方法

实验室建筑创新设计理念与方法作为科学研究的基地和摇篮,实验室建筑见证了科学领域重大技术突破和发明,对人类科学进步起到了支撑保障作用。随着国家经济发展和战略布局,一大批国家重点实验室相继建成,在前沿科技领域取得了一批拥有自主知识产权的研究成果。结合正在进行的项目设计开展相关研究工作,现将初步研究成果归纳总结,为今后的实验室建设工作提供参考借鉴。

1著名实验室设计研究与启示

1.1卡文迪什实验室。位于英国剑桥大学的卡文迪什实验室是世界最著名的物理学实验室,曾经在巅峰时期创下“全世界二分之一的物理学发现都来自卡文迪许实验室”的卓越成就。走进试验大楼,底层中间呈现出一块四方空间,豁然敞亮,向上直贯顶楼,抬眼可见天花板。各层四周环以回廊,一楼为实验室,二楼有办公室、图书馆、博物馆等功能房间,朴实的装修却处处充满了科学人文气息。与实验室“去伪存真、探究科学真谛”的建设理念不谋而合。值得一提的是建筑入口处的一把古董椅,除了为慕名而来的参观者提供合影留念便利之外,也传递出实验室悠久的历史和对待科学研究所一贯秉持的谦逊态度(图1)。1.2弗朗西斯•克里克研究所。2002年创立的世界实验室设计大会每年都会评出“年度实验室”,获得2018年此项殊荣的是位于英国伦敦市中心的弗朗西斯•克里克研究所(FrancisCrickInstitute)。项目于2011年开始建设,2016年竣工,耗资近7亿英镑。从外观上看,建筑很像一座大型购物中心,而屋顶的一排排金属排烟道则揭示出建筑的真实功能,该建筑所具有的特点代表了实验室建筑设计的发展方向(图2)。图2弗朗西斯•克里克研究所内部(1)造型上,从两侧墙体向上延伸的两片拱形屋顶不是简单的装饰作用,其下覆盖着屋面上为整栋大楼提供加热和制冷的设备机组,并结合了太阳能电池板。(2)主要功能模块包括:写字楼、初级实验室、共享二级实验室和专用二级实验室之间的关系灵活有机,鼓励试验人员共享仪器和设施。房间面积大小可以根据研究计划和研究团队规模的调整随时进行重新分配,并且由研究人员自己操作,1~2h内即可完成,满足了研究团队对试验办公面积需求的动态变化。(3)协作互动、开放共享是建筑空间的主题。实验室区域围绕中庭布置,实验室空间开放灵活、视线通透,以营造研究团队之间即有协作又有竞争的整体氛围。设计中布置了多个非正式的办公交流空间,以适应研究人员多种办公需求,激发创新活力。建筑物内随处安装有灵活的白板装置,以鼓励随机性的自发讨论。各种形式的休息区,包括一个带公共餐桌的咖啡厅、咖啡吧和一间酒吧,进一步鼓励了研究人员之间的交流互动。

2实验室创新设计理念与方法

回顾实验室建筑设计历程,相信每位建筑师都会联想到美国建筑师路易斯•康设计的理查德医学中心以及萨克生物研究中心。在1965年建成的理查德医学中心设计中,康首次提出“服务与被服务空间”的设计理念,考虑到实验室建筑有别于住宅和办公,大量的机电设备管线风道错综复杂,为确保实验室空间完整、布局灵活,路易斯•康采用了二元空间关系设计手法。“空心柱形的服务空间包含管道、楼电梯等辅助功能,而更为开敞的被服务空间则是公共空间、实验室等主要功能。服务空间的单独处理使其在建筑中有机表达,同时被服务空间更加自由、单纯,两者呈现出一种对比统一的二元关系。”这种在还原空间本质基础上建立空间秩序的创作思想,奠定了实验室建筑设计理论基础并延续至今。总体上看,现代实验室建筑设计理念与方法可以归纳总结为4个方面。2.1空间开放共享,打造协同创新工作平台。自20世纪90年代中期以来,实验室建筑空间设计越来越趋于开放共享。通过搭建“开放式”实验室工作环境,为研究人员创造出更有助于激发创新思维的办公场所。与“封闭式”实验室强调独立工作、方便管理的设计理念不同,“开放式”实验室具有更强的包容性、灵活性,适应攻关团队协作的工作模式,因此也更加符合现代科学研究所具有的跨学科、交叉综合、数据共享等特征。在开放的实验室中,研究人员不仅可分享空间本身,还可分享试验设备、工作台空间和助手,极大地提高了工作效率。提高实验室开放性最有效的设计手法即引入中庭空间元素。中庭空间在现代建筑中的应用可以追溯至20世纪60年代,在美国建筑师约翰•波特曼设计的大量高层饭店中,通过将古罗马建筑的中庭元素创造性地使用,开启了大饭店的中庭时代(图3),并以其独特的空间个性迅速在各类建筑中得到推广应用。中庭应用在试验建筑中,其空间的综合性与开放共享特性,与科学试验活动特点不谋而合。结合开放的中庭设计一些休闲互动功能,类似酒店建筑的大堂吧、休息会客区,以及阅览、健身活动区等,可以缓解紧张的工作压力,提升科研人员群体感和归属感。还可以布置艺术品装饰等室内陈设,以增加试验建筑的人文艺术气息。设置开敞式楼梯或者观景穿梭电梯、自动扶梯,联通围绕共享空间的各个楼层,即方便研究人员在各层之间的活动,又增加团队凝聚力和向心力(图4)。2.2综合技术措施,确保高效灵活平面布局。据统计,全球实验室每年的重组率为35%,而大多的学术机构每年都会对实验室布局的10%~20%进行调整变动。这就要求在项目策划阶段在总体建设规模上预留一定的发展空间,在建筑设计阶段充分采用多种技术手段,满足灵活多变的发展需求,使实验室建筑具有长效生命力。主要技术措施包括但不限于以下几点。(1)试验单元模块化布局:实验室功能模块主要包括试验单元和办公单元。由两组试验边台加中央通道组成的试验单元基本模块,开间最小尺寸为3.20m,进深在6~10m不等。按照试验台布局方式和试验设备数量需求,科学合理确定实验室单元模块的柱网尺寸,可以确保建筑空间有效利用,避免柱网不合理带来的试验设备无法放置,或面积过大、使用率偏低导致经济上的浪费等问题。遵循统一柱网、统一荷载的布局原则,国外提出以试验单元基本模块对应的3.20m为模数构成双向轴网矩阵,形成的实验室单元具有更大的灵活性和适应性,配合可移动的中心试验台设备,可以实现按照研究项目的需要随时变化组合的目标。(2)管线综合布局:实验室建筑相对于一般民用建筑最大的特点即复杂的设备管线系统。以给水系统为例,除了日常生活用水及消防用水之外,实验室常见用水还包括冷却水、蒸馏水、去离子水、反渗水、高纯度水等。管线综合的目的是通过设置集中的管井布局、优化管线路径方案,打造高效便捷的设备集约保障系统,提供一个完整连续可灵活使用的实验室空间,也更便于日后设备系统维护升级改造。集中的具体方式包括水平与垂直2种,如何将水平布置于吊顶内的各种管线接入试验台末端是设计上考虑的重点。目前比较通用的做法是将试验台内水电气接口配置为可插接的模块接口,通过悬挂于试验台上方的设备转接口,实现管线之间即插即用的快速对接。垂直方式主要是集中布置各种竖向管道,尤其是试验通风竖井,数量多、断面大,在平面布局时需要重点考虑。既要满足高效便捷的送排风运转效果,又要避让其他管线,同时避免占用建筑核心空间。2.3造型简洁凝练,塑造鲜明独特建筑个性。为满足实验室各类机械设备、管道系统、净化通风等试验条件需求,实验室建筑体量一般比较庞大。如果是生物安全实验室这类建筑,由于负压试验环境要求,外墙上基本不需要开窗,在一定程度上限制了建筑造型个性表达。另外,各类通风柜的排风道出建筑屋面,形成烟囱林立的独特效果,需要作为专项设计认真对待,让建筑师颇费脑筋的同时,也产生了许多“化腐朽为神奇”的成功创意(图5)。德国GMP•冯•格康•玛格及合伙人建筑师事务所在中国完成了众多的科研试验设计项目,获得了业内外的赞誉。以北京华为研发基地为例,通过采用与模数化的试验单元相对应的简洁造型语言,排列组合构成富有韵律的建筑整体,进而达到建筑外观可识别的目的(图6)。2.4设备智能高效,确保试验环境可持续发展。实验室正从功能性需求升级到智能化需求。过去,实验室设计建设中更多地会考虑工作环境的舒适度以及试验人员的安全防护,未来的实验室在设计初期就会使用BIM手段进行智能化设计,从建筑主体到实验室内部设备配置都采用数字化管理,通过物联网技术可以在移动端或PC端进行远程控制,数字档案提供设备清单,便于科学、精准、及时的对设备进行维护更换,实现全生命周期管理。当试验设备或系统出现故障时,智能化系统能自动报警,及时发现问题、规避风险,确保试验环境和试验人员的安全。

3工程实践

项目主体为一栋局部3层试验厂房,位于厂区核心位置。建筑占地长度约210m,进深64m,建筑高度超过30m,大体呈一字形布局。方案设计总体思路是:力求改变工业建筑单调冷漠的固有效果,融入“人性化”设计元素,创造“适用、安全、绿色、美观”的厂区核心建筑。功能布局上,重点优化调整2,3层平面布局,将与试验大厅贴建的办公区设计为一个完整独立区域,与试验大厅之间用隔声墙及隔声门窗隔开。通过设置3组凹入的“屋顶花园”,改善了大进深办公区采光通风环境,结合屋顶通风采光天井,使得办公区实现自身的空气对流。这样,在试验大厅连续进行高噪声、强振动试验期间,处于办公区的工作人员不仅受到多重建筑围护结构及设施的保护,将试验噪声影响控制在合理范围内,还可以借助屋顶花园感受自然、放松身心,缓解连续工作带来的疲劳与不适,工作环境质量及舒适度得到有效提升,有助于工作效率和工作热情的提高。整体造型上,将建筑首层的各类试验厂房处理成比较厚重的基座,控制开窗面积以达到噪声控制要求。上部的办公区如同漂浮于基座上的立方体盒子,化整为零的造型更符合近人尺度下的视觉体验,上下不同的建筑语言也揭示出建筑内部所对应的不同功能,而体块的穿插和重复母题进一步增加了建筑的韵律感和雕塑感。外墙材质上,采用人造挂板与穿孔波纹金属板相结合,视觉上构成厚重的基座与轻盈的盒子的对比效果,凸显材料与工艺的现代感与科技感。

作者:秦丽 单位:军事科学院国防工程研究院

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