現代實驗室建筑設計方法探討

文／王方明、楊筱菲 浙江大學建筑設計研究院有限公司 浙江杭州 310000

引言：

隨著現代化科技的不斷創新，我國開展高尖端技術實驗越來越多，高校的大型實驗室已經無法滿足先進的科學實驗要求，因此國家加大了對現代化大型實驗室的建設投入力度。在現代實驗室建筑設計工作當中，需要科學全面的規劃出新的實驗室平臺，把現有資源充分應用起來，實現實驗室規范化的設計和建設，滿足現代化科學技術創新發展需求。

1、實驗室建筑設計基本原則分析

1.1 高效性

實驗室建筑設計需要遵守高效性原則，有效的應用先進的手段，節省資源消耗，盡可能的應用較少的建筑材料獲得更加良好的設計效果，提升發展效益[1]。高效性原則還體現在建筑空間設計組織方面，設計人員需要有效地利用實驗室內空間，不僅僅指平面空間，還包括了立體空間。深入挖掘三項度空間，提升設計效率。

1.2 集約化

目前高等院校土地資源相對來說比較寬松，但是在土地應用過程中也需要把土地資源充分、合理的應用起來，提升用地空間的開發力度。在這里集約化體現在兩個方面。第一，在建筑空間設計當中，盡可能地采用更加輕薄的新型節能環保建筑材料，減少建筑面積的占用，同時也能夠實現技術的創新，實現能源集約化利用。第二，大型實驗室功能配置的集約化。同類實驗室或相近功能實驗室所需要的設備用房、試液制備、廢液處理等功能空間，可綜合考慮，集中設置。

1.3 適宜性

實驗室建筑設計一定要適合科研空間建設客觀條件，比如土地和資金等要求，根據高校建設地區的地形、地貌特征進行設計，同時也需要符合區域文化特色需求。

1.4 循環利用

建筑設計的循環利用指的是再利用和再循環兩個方面。再利用是確保建筑產品以及建筑形式能夠多次利用，既能夠對早期建筑進行改造利用，同時也能夠重復利用建筑結構構件、照明設施、管道設施、各類設備設施等。再循環指的是在建筑產品完成使用功能之后，通過一定的加工處理確保可以再次利用，成為可再次利用的資源。設計人員在設計當中，需要嚴格遵守循環利用原則，提升設計效果。

1.5 綠色環保

在建筑設計當中工作人員需要注重對能耗的控制、排廢排污的治理。首先建筑設計方面需要首先采取被動節能方式降低能耗，在建筑全生命周期過程中，需要考慮能耗使用和碳排放量。鼓勵使用可再生資源、新型技術。同時作為實驗室建筑本身的特殊性，決定了實驗廢水、廢液、廢料的必然性。排污排廢的治理策略，需作為實驗室設計的重點環節。

2、實驗室創新設計理念和方法

實驗室建筑設計具有較久遠的發展歷程，在1965年初次提出了服務與被服務的空間設計理念，實驗室建筑設計跟普通的住宅設計和辦公建筑設計有十分明顯的區別。實驗室建筑包含有十分復雜的機電設備管線風道。為了能夠設計出更加完整、布局靈活的實驗室空間，在實驗室設計中選擇使用了二元空間關系設計方法。服務空間設計為空心柱形狀，其中包含有樓梯、電梯和管道等輔助功能。公共性服務空間包含有實驗室，公共空間等功能。服務空間可以在建筑設計中單獨出來，這樣服務空間設計更加靈活[2]。這種設計手段既能夠優化建筑空間設計秩序，同時也為后期實驗室空間變化升級提供可能性。

隨著現代化建筑設計理念的不斷創新，實驗室建筑空間設計逐漸更具有開放性和共享性。開放性實驗室與封閉式實驗室相比，更加強調了工作的獨立性，提升了管理工作的便利性，能夠更加包容和靈活，更加適合現代化科學研究工作的開展。在開放性建筑實驗室設計當中，極大的提升了實驗室設計本身的分享性，在后續使用過程中，研究人員可以分享實驗設備、實驗工作臺和助手等，有效提升了工作效率和工作質量。設計人員在工作當中想要提升實驗室建筑設計的開放性，可以采用中庭空間元素強化空間設計的綜合性、開放性和共享性。中庭空間元素類似于酒店建筑的大堂、休閑會客區等，能夠為研究人員提供閱覽區域和健身活動區域，幫助研發人員緩解工作壓力，提升研發人員在實驗室當中的歸屬感和群體感。在實驗室設計當中還可以適當添加藝術品裝飾，通過完善室內陳設來給實驗室建筑增加人文藝術氣息。

3、實驗室建筑設計前提條件

3.1 科學規劃實驗室的建設

實驗室能夠提供科學研究和人才培養服務，因此實驗室建設需要明確發展方向、專業設置、學科建設、科研方向等，綜合性考慮經費投入、隊伍建設、實驗建設場地以及國內外同類實驗室建設技術水平，這樣才能夠具備更加合理的規劃設計方案，為接下來實驗室建筑設計工作開展打下良好的基礎。

3.2 針對實驗室建設進行準確定位

實驗室建設需要以實驗室自身功能性作為目標，做好實驗室的準確定位，這是優化實驗室建設規劃設計工作的前提條件。進行實驗室定位，需要根據學科發展目標、專業人才培養目標以及科研工作開展需求為主，綜合性的分析實驗室的功能、目標和空間容量，確保把有限的資源最大化發揮出來，并在設計工作當中嚴格遵守行業標準和技術安全規范要求。

3.3 提前做好前期的調研工作

實驗室建筑設計工作開展，需要滿足使用單位的建設需求，在建筑設計工作開展之前，做好使用單位調研工作，針對性進行設計問卷調查工作，要確保調研問卷內容簡單明了，反饋得到的數據信息能夠為實驗室建筑設計工作開展提供準確的數據依據[3]。要求使用單位需要認真的填寫調查問卷，對于不清楚的問題需要及時地跟相關部門進行溝通交流，針對調研問卷當中并沒有涉及到的特殊問題進行明確研究，隨時掌握實驗室建筑設計情況。

3.4 滿足實驗室建設的基本條件

實驗室建筑設計屬于系統性工作，需要同時掌握資金、管理人員、土地資源等基本條件的情況，科學合理的統籌好各個新建建筑單位的資金和管理人員的配置，才能夠真正提升現代實驗室建筑設計質量。

4、現代化實驗室建筑設計有效措施

實驗室建筑空間包含實驗室、辦公室和實驗輔助用房等建筑區域，需要針對建筑區域的不同選擇不同的設計方法。

4.1 直線型走廊設計

實驗室建筑設計選擇直線型走廊設計方案，能夠確保實驗室建筑內部所有區域呈現出直線布置的方式，走廊主要位于整個設計平面的中部，貫穿整個實驗室空間，而走廊的兩側則可以布置上實驗室功能區域[4]。直線型走廊設計還可以根據走廊個數的不同，分成為單走廊和多走廊兩種方式。

單走廊直線布局占據面積更小，平面使用效率非常高。使用直線型單走廊時，所有用房均依靠外墻進行設計，能夠把自然采光和自然照明充分應用起來，提升空間通風性，幫助節約更多的資源。這種平面布局方式還能夠讓交通路線和參觀路線更加簡潔明了，提升了建筑設計的通透性。但是直線型單走廊設計也存在弊端，走廊需要科研人員、實驗室材料以及實驗室廢棄物共同使用，有可能會存在流線交叉的情況。距離較長的走廊還會使人們在其中感受到壓力，影響了使用效果。

為了能夠有效克服上述直線型單走廊設計存在的缺點，還可以進行多平行走廊設計，這種布局方式能夠有效地避免在設計中出現形體系數大、流線交叉的問題。直線型多走廊設計同樣擁有良好的通風采光效果。同時，遠離外墻的內部區域，可以更好地控制室內的溫濕度環境而不受自然環境氣候的影響，滿足實驗室設計需求。多條走廊可以分散不同的流線，避免出現在實驗室中出現流線交叉的情況。多走廊與單走廊平面設計相比，占據建筑體型系數更小，有利于建筑的環保節能設計目標達成。

4.2 內部環狀走廊設計

實驗室內部環狀走廊設計，主要位于建筑中部，走廊平面由靠近外墻的區域、內部環形走廊以及中部區域共同組合而成[5]。在內部環狀走廊設計當中，需要劃分出不同的設計區域，并確保各個區域相互之間連通。跟直線型走廊設計相比，建筑內部環狀走廊設計占據的建筑體積系數更小，在相同的建筑面積下，空間利用更有效。這種平面布局形式的可塑性更強，可以在其中增加綠化造型和生態中庭等元素的應用，打造出舒適度及親切度更高的實驗室場所。內部環狀走廊設計的中間區域相對來說更加獨立，可以設置有特殊要求的實驗室，防護等級高、有屏蔽需要的實驗室均可設置在此區域。內部環狀走廊設計也有一定的缺點，較大的進深會影響室內空氣流動性，需要配置較高的空調通風負荷來提升室內空氣的流動性，產生的能耗比較高。內部區域的采光性不能保證，需要通過設計內庭來進行解決，而內部庭院設置則會相對應的降低平面使用效率。

4.3 外周環狀走廊設計

外周環狀走廊位于實驗室設計的外周，可以利用一部分或者是全部的建筑外墻作為走廊的外墻[6]。外周環狀走廊設計具備更加良好的采光和通風效果，能夠為實驗室工作人員營造出更加明快清新的工作環境。科研人員在外周走廊針對實驗室進行參觀時，也不會對實驗室本身的工作開展產生影響。外周走廊設置在內部實驗室區外圍，更加有效地幫助實驗室控制好溫濕度環境，這種設計對溫濕度要求較高的實驗室較為友好。這種平面布置方式的缺點在于，容易造成流線交叉。同時，除實驗室外的其余功能房間，難以獲得自然采光和通風。

4.4 空間分隔設計

實驗室建筑設計需要保證把建筑空間的基本功能發揮出來，做好功能空間的分隔設計[6]。有些實驗空間對于潔凈度要求非常高，需要設置空調或者是機械通風系統。某些實驗空間的地面荷載量需求非常大，需要具備較高的裝修質量標準。把實驗室進行集中設計，能夠組成統一的實驗室區域，合理規劃配置，更加體現了集約化的新型實驗室的特點。

實驗室操作經常會產生氣味或者是聲響，并且實驗室當中具有較多的儀器設備，內部環境比較雜亂。長期處于這樣的環境中，很容易讓工作人員產生煩躁不安的情緒，嚴重影響工作人員的身體健康。同時，研究人員在實驗過程中需要查閱大量的資料，整理繁雜的數據信息，因此在寫字臺周邊需要保證安靜的工作環境。在實驗室設計當中，為了能夠有效提升科研工作人員的工作效率，滿足科研人員在實驗過程中的生理需求和心理需求，提升功能空間風格設計的合理性，需要合理規劃實驗空間及辦公休息空間。既要做到互不干擾，又要做到方便通達。在空間設計時，可以在實驗室單元空間之外另外設置研究辦公區域。可以使用玻璃隔斷圍成封閉或者是半封閉空間，這種方式既能夠產生領域感，同時也能夠幫助工作人員保證穩定平靜的心態。

隨著現代化科技的不斷創新發展，實驗室建筑空間需要有利于不同學科專業之間的聯系和交融，具有更加開放性特點的實驗室空間，能夠把個實驗區域相互連通，加強相互之間的聯系，也能夠提升安全感，保證相對獨立性。

4.5 室內外空間環境設計要相互呼應

實驗室室內空間和室外空間屬于連續性的整體，二者共同構成了統一的建筑空間環境[7]。建筑是構成整體環境的重要主體，外部空間則是構成整體環境的主要基調。只有室內外空間環境相互和諧地融合在一起，才能夠優化實驗室建筑設計質量。科研人員在實驗室建筑設計當中主要從事思維勞作，長期處于單一的固定空間當中，很容易產生枯燥厭倦的情緒，科研人員的思維也會逐漸變得遲鈍。在實驗室設計當中需要考慮科研人員的工作壓力，充分考慮休憩空間，加強室內外空間環境的融合。把室外的優美自然環境通過玻璃窗戶、開敞庭院、陽臺、景觀平臺等灰空間引入到室內，讓科研人員能夠在工作間隙看到美麗的室外風景，幫助工作人員及時調整工作心態，消除疲勞感。

4.6 動態空間設計中創造出靜態空間設計

在現代化建筑設計當中越來越重視建筑整體空間環境的創造，現代實驗室建筑設計也需要積極創新設計理念，為實驗室建筑設計增添新意[8]。在走廊和門廳等動態空間設計當中，需要增加交往空間設計，滿足日常交往行為和休息行為的要求，及時補充實驗室的功能空缺。在動態空間當中能夠讓科研人員進行信息交流，幫助科研人員轉換心理機制。設計人員在實驗室建筑設計當中，可以利用地面設計、標高設計、建筑小品、盆景綠化等設計方案，營造出更加生機盎然的空間環境，讓科研人員能夠在此處進行安靜的交談和休息。例如在美國的卡布里奇科學院實驗室設計當中，就優化了景觀大廳設計，在其中栽培了更多的綠植，既能夠調整人們的心緒和情感，幫助科研人員緩解緊張煩躁的情緒。同時也設計出了半封閉建筑空間，為科研人員提供了休閑娛樂的空間環境。

4.7 節能設計

實驗室建筑產生的能耗非常大，相比于辦公類建筑來說能耗高達10倍以上[9]。實驗室建筑主要的能耗來源于設備散熱、室內換氣以及設備排風的，因此在實驗室建筑設計當中，需要更加注重綠色節能設計，促進實驗室建筑朝著更加綠色環保的方向發展。現代實驗室建筑工藝設計可以把安裝有精密空間的實驗室，朝北進行布置，減少光照對試驗器具的損傷，有效滿足環境需求，做到被動節能。把具有潔凈設計要求的實驗室，設置在內部區域當中，免受外部氣候環境變化影響，幫助減少能源消耗。除了設計內容之外，從材料、設備的應用也需要達到節能性設計要求。比如在設計當中使用節能環保的建筑材料，應用廢水收集、雨水收集等設備，盡量使用可再生能源、能源回收再利用等手段幫助降低運行能耗。根據耗電設備的特點科學合理的選擇用電系數，并優化配電設施的選擇，減少能源消耗。

結語：

實驗室建筑屬于科研工作開展的重要場所，在現代化實驗室建筑設計當中，既需要承襲傳統設計當中的優勢，同時也需要滲透新的設計理念和設計技術，設計出更加人性化、開放化、節能化的實驗室建筑。設計人員需要充分了解實驗室日常科研活動開展特征，設計出更加超前性的實驗室建筑，提升科研工作開展質量。