科學城大科學設施空間布局研究
——以張江科學城為例

■李夢蕓

引言

在全球科技競爭日益激烈的背景下，各國紛紛增強科技創新戰略布局，通過科技創新帶動國家全面創新[1]。通過形成高效且統籌協調的科技資源配置模式，未來我國將呈現“小核心、大網絡”的科技創新力量結構[2]，從中央到地方合力形成國家戰略科技力量，結合科技資源的優勢實施區域布局和協同發展[3]。近年來，我國進一步加強科學城的整體戰略布局，各城市結合自身優勢開展科學城規劃編制工作，提升了“全國一盤棋”下的局部布局整合能力。其中，科學城內的大科學設施作為國家戰略科技力量的載體，將有效支撐我國多學科原始創新能力，是國家戰略科技力量的重要依托[4]。大科學設施空間布局對自身的運營效用和科學城的空間結構影響巨大，對此展開相關研究是科學城規劃工作至關重要的一環。

張江科學城是上海“建設具有全球影響力的科技創新中心”的核心區[5]，也是我國四大綜合性國家科學中心之一。其先后經過兩次規劃，第一次是2017年上海市人民政府批復的《張江科學城建設規劃》，規劃明確總面積95平方千米。這一階段的張江科學城規劃重點在于落實園區向城區轉型，明確“科學+城”的定位格局，同時探索了大科學設施的布局。第二次是2021年上海市人民政府印發《上海市張江科學城發展“十四五”規劃》（以下簡稱《張江“十四五”》），對張江科學城總體空間進行了優化調整，規劃面積由95平方千米擴大至約220平方千米。《張江“十四五”》的空間專項《張江科學城空間戰略規劃》對前一階段科學城的規劃經驗做了總結，并進一步構建大科學設施的空間策略。本文在回顧兩次張江科學城規劃歷程的基礎上，嘗試構建其大科學設施空間布局策略“工具包”，提出具體優化建議，希望為其他科學城規劃提供有參考價值的大科學設施布局技術框架經驗，以促進科學城科學策源能力的整體高效發揮，讓空間布局更高效地服務科學功能，提升城市科技創新競爭力，通過高效整合局部科技資源增強保障國家戰略科技力量的能力。

一、研究綜述

大科學設施也被稱為大科學裝置、重大科技基礎裝置，是指通過較大規模投入和工程建設來完成、建成后基于長期的穩定運行和持續的科學技術活動，實現重要科學技術目標的大型設施[6]，已成為產出科學重大原創成果、搶占科技競爭制高點的利器，也是全面體現國家綜合實力和科技創新能力的一個重要標志[7]。20世紀上半葉，發達國家開始重視大科學設施的建設，并且以設施集群的形式發揮作用，形成了若干大型、綜合性的科學研究中心和實驗室。大科學設施在我國國家創新體系建設中具有重要地位，有著明確的科技目標和國家戰略使命。近年來，我國不斷加強大科學設施的建設力度，國家批準設立的4個綜合性國家科學中心分別是北京懷柔綜合性國家科學中心、上海張江綜合性國家科學中心、合肥綜合性國家科學中心、深圳綜合性國家科學中心。我國目前大科學設施分布以北京、上海、廣東、江蘇、四川為主，主要是依托這些省市較強的經濟和科研實力，其中較知名的有北京正負電子對撞機、國家蛋白質科學研究（上海）設施、合肥同步輻射裝置、強流重離子加速器裝置（惠州）等。從研究領域上來看，我國大科學設施涉及時間標準發布、遙感、粒子物理與核物理、天文、同步輻射、地質、海洋、生態、生物資源、能源和國家安全等眾多領域[8]。

早期科學城一般是原城市的衛星城，通過集中大量科研機構促進科學研究[9]，承擔科學理論研究的職能，其中典型例子包括前蘇聯的新西伯利亞科學城和日本的筑波科學城。早期科學城存在科研轉化與產業脫節的問題[10]。其后，科學城的概念不斷發展，地理位置不再追求獨立于城市，科研與產業進一步融合，如美國的硅谷的成功模式便是其成熟的創新網絡、緊密的產學研合作和發達的科技服務機構[11]。近年來，在我國深入實施創新驅動發展戰略的背景下涌現出一批科學城：它們離中心地區不遠，一般處在城市周邊，生態環境良好，內部一般包含科學研究、高等教育、科技園區等功能，并提供便捷的城市服務[12]。根據我國科創戰略布局，目前有4座作為綜合性國家科學中心空間載體的科學城，包括北京懷柔科學城、上海張江科學城、合肥濱湖科學城和深圳光明科學城。這類科學城與國家綜合性科學中心呈復合空間格局，占地面積較大，遠離市區或位于城市遠郊，與一般科學城相比，前者承擔著國家戰略層面重大科技創新職能[13]，以大科學設施為基礎支撐，以基礎科學研究、原始創新、重大技術研發和促進技術產業化為重點任務[12]，是國家科技領域競爭和國家創新體系建設的重要戰略布局[14]。空間布局上，強調聚集科創資源要素，同時也擁有完備的生活配套服務[9]，形成“科技+創新+城市”的綜合體。針對我國科學城內大科學設施上位布局的發展現狀，學界認為仍存在兩點問題：一是布局過于集中，存在同質化競爭傾向；二是設施布局與綜合性國家科學中心功能定位不夠明確，與區域發展協同程度不高等[15]。

關于科學城內大科學設施的空間布局，彭浩等指出應整合大科學裝置集群、研究型大學和科研院所等核心要素，成為科學圈，建設用地規模一般為10～20平方千米[16]；朱東等提出構建以大科學裝置為中心的科研設施集群，并集中布局在2平方千米范圍內，形成足夠的科研強度。同時考慮到科研裝置的迭代升級需求，應預留足夠空間[1]。

綜上，針對我國科學城內大科學設施規劃布局，學界開展了初步研究，但總體上仍是片段性的，缺乏對空間布局的系統性研究與論證，空間策略仍聚焦于宏觀層面，缺少對大科學設施中微觀層面的系統性研究。

二、全球大科學設施空間布局研究

針對我國目前大科學設施規劃布局剛起步及科學城建設方興未艾的情況，為進一步厘清各領域大科學設施的空間布局特征，首先在全球層面充分了解世界級大科學設施的空間布局需求及特征，其次結合我國科學城的特點和建設要求，提出因地制宜的借鑒方式。根據大科學設施占地和空間組群關系，可以分為大科學設施群（以下簡稱“設施群”）和獨立設置的大科學設施（以下簡稱“獨立設施”）兩類。在全球層面對設施進行篩選時，主要循序五點原則：（1）研究領域方面，聚焦重大基礎科學的前沿突破；（2）科研水平方面，在全球處于領先水平，物理、化學、生物醫藥領域以有諾貝爾獎獲得者為標準，其他領域有重要國際獎項或國際認可；（3）研究學科方面，涵蓋核物理、天文、海洋生物、醫藥等眾多領域；（4）地理分布方面，不局限于某一個國家，而是選取各大洲的不同國家；（5）空間布局方面，大科學設施所在的科學城或創新地區與城市關系密切。根據以上條件選取案例做統計，從各類設施的空間需求、與其他創新要素的臨近需求、空間品質和區位偏好4個方面，形成世界知名大科學設施的空間布局研究。

（一）大科學設施群空間布局特征總結

大科學設施群通常與多個設施及其所隸屬的相關機構聯合運行，國際上通常以實驗室進行數據統計，如美國勞倫斯伯克利國家實驗室、日本高能加速器研究機構、歐洲核子研究中心等。這些設施群隸屬于全球有重要影響力的研究機構，已發展為聚集式的大型科學研究基地（表1）。

表1 世界知名大科學設施群的特征及布局情況

1.空間需求：設施群占地普遍較大，不同研究領域占地需求不同

設施群占地11～2130公頃不等，占地巨大。從研究領域來看，高能物理、核物理、粒子物理相關領域的設施群占地相對較大，從82至2130公頃不等。與物質和材料、能源、環境、人類健康、地球系統相關的設施群占地相對較小，從11至35公頃不等。除美國國家大氣科學中心外，其他設施群都以建筑群形式布局。美國勞倫斯伯克利國家實驗室坐落著91座建筑，包括5座國家級科學設施（圖1）。歐洲核子研究中心占地211公頃，包括兩處場地，分別占地155公頃和56公頃，均呈建筑群式布局（圖2），中間間隔著迄今為止世界上最大的粒子加速器大型強子對撞機（LHC），其周長約27千米，埋在地下100米處。若算上對撞機區位的隱性空間需求，研究中心的占地空間遠大于211公頃。

圖1 美國勞倫斯伯克利國家實驗室布局圖

圖2 歐洲核子研究中心布局圖

2.臨近需求：設施群較為獨立，無須與其他科研要素臨近

總體來看，設施群與其他科研功能沒有明顯的臨近需求，一般來說，每個設施按自身需求而定。除了美國國家大氣科學中心在選址上提出與科羅拉多大學靠近、美國勞倫斯伯克利國家實驗室在加州大學伯克利分校，其他設施并沒有提出相關需求。由于這些設施大部分時間供研究機構自身使用，與其他科研功能臨近需求不大。

3.空間品質：設施群偏好景觀優美、交通便利的地區

這些設施群無一不享有優美寧靜的遠郊風光：美國勞倫斯伯克利國家實驗室處在遠離城市的山頂，被絕佳的自然資源和秀美風光環繞的同時，可以看到舊金山灣的壯觀景色（圖3）；歐洲核子研究中心景色優美，一半的占地面積都留給了公園綠地。這樣的空間品質為其科研人員帶來純粹寧靜的研究環境。同時，這些設施群交通便利，由于所處城市本身規模較小，所以從郊區到市區交通距離并不遠，如美國勞倫斯伯克利國家實驗室還提供班車服務，可接駁伯克利市中心以及公交樞紐。美國國家大氣科學中心雖然位于山頂臺地，但其交通同樣便捷，距離機場車程不遠，又有著廣闊的視野和極佳的景觀，非常受到科研工作者的喜愛。中心曾征求科研工作者意見，問他們是否愿意搬到山下的科羅拉多大學工作，無果，這也反映出風景優美和交通便利對科研人員的吸引力較大。

圖3 美國勞倫斯伯克利國家實驗室場地景觀

4.區位偏好：設施群偏好選址于遠郊地區

占地較小的設施群應充分考慮其特殊需求，如美國國家大氣科學中心選址上需要便于從大環境觀察，經過對博爾德市南郊泰柏山的選址分析，最終選定海拔1829米處的一個臺地。而占地巨大的設施群選址時，由于與其他科研功能沒有明確的臨近需求，其選址更偏好于遠郊地區。同時遠郊充足的空間也為設施群的遠期拓展預留了彈性，如歐洲核子研究中心位于瑞士日內瓦西北側的法瑞邊境城郊地區（圖4），美國布魯克海文國家實驗室位于長島中部郊區地區，瑞士保羅謝勒研究所位于蘇黎世和巴塞爾之間的自然環境中。

圖4 歐洲核子研究中心梅蘭場地鳥瞰圖

（二）獨立設置的大科學設施空間布局特征總結

獨立設置的大科學設施無須與其他相關機構聯合運行，其內部通常已經包括一定的研究空間，因此可以獨立設置。同時，許多獨立設置的設施開放共享程度較高，歡迎世界各地的機構及科學家使用（表2）。

表2 世界知名獨立設置的大科學設施的特征及布局情況

1.空間需求：獨立設施可按占地需求分為中小型設施和大型設施

獨立設施根據不同的類型和需求，占地面積差異較大，可分為大型和中小型兩類設施。大型設施中，光源和大型天文觀測設施占地幾十到上百公頃。如Spring-8作為一個大型同步輻射設施，總共占地141公頃，包括直徑457米的大儲存環及其他研究樓宇（圖5）。另一類占地較小的中小型設施包括生物實驗室、地球系統裝置等，如地球系統數值模擬裝置占地僅1公頃，布局在一個街坊內。

圖5 日本Spring-8布局圖

2.臨近需求：獨立設施與其他科研要素無明顯臨近需求

由于這些設施大部分時間供自身研究機構使用，在選址方面與其他科研功能臨近需求不大。例如，地球系統數值模擬裝置位于北京懷柔密云經濟開發區，項目建設法人是中國科學院大氣物理研究所，共建單位為清華大學，但前者位于北京朝陽區，后者位于海淀區，車程都超過一個小時，空間上并無臨近關系。

3.空間品質：偏好景觀優美、交通便利的地區

使用獨立設施與使用設施群的科研人員需求相近，雖然設施形式不盡相同，但由于他們都在從事著源頭創新的工作，因此都偏好景觀優美、交通便利的地區。如日本Spring-8位于遠郊山腳下，空氣清新且景色宜人，同時其到城市中心車程便利，擁有科研人員理想的科研環境。

4.區位偏好：中小型設施選址靈活，大型設施偏好遠郊

中小型設施可靈活選址，如地球系統數值模擬裝置選址于懷柔科學城東部組團密云經濟開發區，其較小的占地需求可以較好地融入城市路網，作為北京綜合性科學中心的重要組成部分服務于懷柔科學城（圖6）。占地較大的設施對周邊空間影響較大，容易形成較為消極的城市空間，偏好遠離活力集聚的地區，一般在遠郊布局，如Spring-8選址日本兵庫縣播磨科學公園城郊區（圖7）。而位于貴州黔南布依族苗族自治州的500米口徑球面射電望遠鏡由于對地形有特殊需求，因此選址在天然喀斯特巨型洼地中。

圖6 地球系統數值模擬裝置效果圖

圖7 日本Spring-8鳥瞰圖

三、張江科學城的應用：對于大科學設施空間布局策略框架

（一）張江科學城大科學設施布局發展演進及問題

張江科學城前身是張江高科技園區。2016年2月，國家發展改革委、科技部批復同意建設張江綜合性國家科學中心。2017年7月，《張江科學城建設規劃》正式發布，這是張江科學城第一次在規劃層面探索大科學設施的布局。規劃編制時期張江擁有上海光源一期工程、上海超級計算機中心和國家蛋白質科學中心（上海）這3座國家大科學設施。規劃強調集中布局和全力保障國家大科學設施的落地實施，有三個方面的典型策略：一是強調科研要素聚集，依托北部國家實驗室核心區，集聚大科學設施、高水平研究型大學和國家級科研院所；二是提出設施群的概念，如建設具有世界領先水平、高度集聚的先進光源設施群；三是為大科學設施預留發展空間，主要結合孫橋地區申江路以東部分區域以及國際醫學園部分區域。總體看來，這一階段解決了大科學設施落地保障的問題，提出了區位引導，雖然缺少對大科學設施中微觀層面空間布局特征的研究，但為下一階段更深入的研究積攢了珍貴的經驗。

經過幾年的發展，張江現有8個大科學設施（表3），都位于科學城北區，其中6個集中在國家實驗室核心區（圖8）。隨著北區張江副中心和南區科南中心的建設及作用不斷凸顯，人們對原有的規劃布局產生了一些新的規劃疑問：（1）空間需求上，大科學設施預留區是否能滿足空間需求？（2）臨近需求上，現階段國家實驗室核心區集聚了大科學設施、大學、科研院所等多類科創要素，這種多要素空間臨近的布局模式是否適合大科學設施，它與其他要素空間聯系的必要性是什么？（3）空間品質上，現有大科學設施的空間品質是否滿足科研需求？（4）區位偏好上，大科學設施和功能屬性與張江副中心和科南地區中心的屬性是否適合臨近布局？區位上是否有更好的選擇？

表3 張江科學城現有大科學設施一覽表（截至2021年）

圖8 張江科學城原有大科學設施及預留地區圖

基于張江科學城擴區的最新需求，《張江科學城空間戰略規劃》在220平方千米的擴區范圍對新設施進行規劃引導，提出了“大空間、低影響”對于設施群選址的必要性，因此沒有局限于大型地塊，而是選取了西區戰略預留區作為未來設施的儲備空間，為設施群的新增和擴充提供了充足的空間保證，同時在沒有具體項目支撐時，對其路網及用地都不進行規劃，二者都體現了大科學設施空間預留彈性上的創新性。

（二）對于大科學設施空間布局的優化引導建議

以促進大科學設施的最大效用、強化科學城功能、提升我國戰略科技力量為目的，在總結全球大科學設施布局特點的同時，應進一步結合我國科學城的特點及上海市的空間特征。通過比較發現，國內外科學城內大科學設施布局有兩點差異：一是我國的科學城一般擁有完備的生活服務設施，強調“科學”與“城”的雙重功能，大科學設施不僅需要滿足科研需求，也應與城市屬性契合；二是科學城與中心城市有著緊密的聯系，一方面中心城市的成熟性服務于科學城，另一方面科學城的創新性也促進了中心城市的發展，因此大科學設施的布局應強調與中心城市的便捷連通。在空間需求上，應注重結合城市地塊大小和城市預留空間綜合考慮占地需求。在臨近需求上，應充分考慮與其他科研要素臨近的特殊需求。在空間品質上，應選址在交通便利的地區，強化與市中心的公交連通性。在區位偏好上，應結合城市服務屬性布局，若采用遠郊布局也應盡可能保證服務的完善性和便利性。

為了合理評估現狀設施布局、引導新增設施，基于前文研究，本文提出“‘4×5’張江科學城大科學設施空間策略工具包”（表4）作為優化和制定空間戰略的工作模型，以提升科學城布局的效用及品質。矩陣縱軸面向設施群和獨立設施，對其空間需求、臨近需求、區位和空間品質提供了一個對照索引，并作為矩陣的橫軸。通過工具包可以初步回答對張江科學城原有規劃布局的疑問，同時提出引導建議。

表4 “4×5”張江科學城大科學設施空間策略工具包

1.空間需求上，應提供差異化的大科學設施預留區域

（1）不同設施的空間需求差異較大，應注重彈性預留。獨立設施的建筑形態可以是單體建筑也可以是建筑群，一般預留獨立地塊即可，其中大型設施往往需要較大地塊。設施群多數以建筑群方式布局，需要較為完整連續的板塊地區為空間單元。根據前文研究，中小型獨立設施一般可以較好地融入城市路網，因此設施類型的占地和街坊尺寸密切相關。以張江較為常見的單邊長約300米、面積約10公頃的街坊為劃定尺度，則可明確，設施類型以10公頃占地為分界。對于獨立設施，占地小于10公頃可以歸類為中小型設施；占地超過10公頃往往需要不常見的較大地塊承載，則定義為大型設施。而設施群占地更大，考慮到遠期發展預留，以大于100公頃為佳。

（2）原預留地區無法有效承載多類型、多研究領域的設施。原預留地區地塊中超過10公頃的大型地塊有限，僅適宜布局中小型獨立設施，對于大型設施受用地制約較大。同時，考慮到現狀建成情況和既有規劃，原預留區也缺乏可以承載設施群的連續性的城市空間，以滿足多種研究領域需求。

2.臨近需求上，現狀眾多創新要素與大科學設施緊鄰布局不具必要性

除特殊需要，大多數大科學設施研究較為獨立，通過實地對設施的使用情況以及對臨近需求的走訪調查和座談調研，明確目前運行的設施與周邊科研功能無學科交叉，現階段國家實驗室核心區集中多種科研要素的空間形式對大科學設施并無必要性，新增設施的選址也無須拘泥于臨近性，更應考慮其他影響設施使用效率和城市布局的選址因素，如區位、空間需求等。

3.空間品質上，應注重高品質自然景觀的營造

科學城自然景觀有助于激發科研人員的靈感，營造潛心研究的氛圍。美國勞倫斯伯克利國家實驗室和歐洲核子研究中心都強調，自然壯美的景觀對科研人員具有重要吸引力。由于張江現有設施集中于科學城北區，建成環境以城市化、人工化景觀為主，外部自然環境不足，目前更注重地塊內部環境的營造，因此在新增引導選址層面，應加強內外部高品質自然景觀的營造，形成令人心曠神怡的科研環境。

4.區位偏好上，擴區后為新增設施提供了更優的區位選擇

（1）北區科學設施集群與張江副中心等地區不適合臨近布局。由于設施群及大型裝置占地較大且較為內向，屬于不活躍的城市空間，應布局于遠郊地區以減少對周邊城市環境的消極影響，同時未來選址應遠離科學城內的中心地區。對張江副中心周邊現有的大型設施，應評估其對周圍地塊空間品質的影響。以“上海光源”為例，其位于張江副中心附近，毗鄰產業集群，占地大且退界較多，是較為封閉的內向型空間，對周邊的空間品質有較大影響，后續可依據需求，提升其周邊的空間活力與品質。

（2）新增設施群可選址西區遠期預留備用地。設施群需要較大空間板塊，為減少對于已建成城市空間的影響，同時考慮科學城現有土地供應情況，建議結合康橋工業園戰略預留區進行選址（圖9），預留區約160公頃，面積相當于美國勞倫斯伯克利國家實驗室的兩倍，空間充足。其臨近兩條地鐵線，區位便利。同時，預留區風光優美，毗鄰外環綠帶和康橋生態園，適合打造純粹且充滿創意的科研氛圍，成為科研能級提升的新著力點。

圖9 新增大科學設施及遠期設施群布局引導圖

（3）新增獨立設施以自然景色、交通條件、地塊尺度為主要考慮因素。大型設施對地塊需求較大，應避免對已建成城市空間產生消極影響。由于北區、南區已無可供應的大型地塊，東區未建大型地塊交通便利度較差，結合土地供應情況和之前的研判，在西區選取一處風光優美且對周邊影響較小、約15公頃的地塊，靠近地鐵，交通便利。另一方面，中小型設施選址較為靈活，可獨立布局也可以集聚式布局。考慮到南部醫學園區有較多的醫療機構，科研環境舒適有序，其臨近2條地鐵線，毗鄰生態廊道，交通便利且景色宜人，結合土地供應情況，在南區預留了約10公頃的選址一處，可容納一個或多個新增設施（圖9）。

結語

科學城是我國科技領域競爭和國家創新體系建設的重要戰略布局，大科學設施作為科學城內重要的科學力量，其空間布局研究是我國科學城創新要素空間策略的基礎，而目前我國在這方面的研究仍在起步階段。通過對大科學設施的空間需求進分類研究并提出未來的布局導向，有助于促進科學城科學策源能力的整體高效發揮，是對科學城科創要素空間布局研究的創新和突破方向，讓科學城的創新空間不僅能用，更要真正做到適用、好用，從空間層面真正支撐中國建設世界主要科學中心和創新高地的目標。

需要說明的是，每座大科學設施在具體布局上可能還會受到更具體的因素影響，如地形、供電需求、風環境等，本文不做個體探討，僅做歸納研究。同時，我國科學城都在建設初期階段，其中的大科學設施布局沒有經過時間的檢驗，無法提供最有效的經驗借鑒，因此國際經驗尤為重要，我國科學城建設應因地制宜結合自身情況適當借鑒。科學城大科學設施空間策略工具包旨在為正在開展的其他科學城規劃編制提供參考思路，隨著后續實踐的深入，工具包將進一步完善，并在具體的空間引導層面形成可對比、可探討的經驗。