来自建筑师的关爱：科研建筑设计随笔
2006-01-11刘卫纲
刘卫纲
摘要：作者通过文章阐述科研建筑的使用者除了对建筑空间的功能需求外，对精神需求也是同等重要的，宜人的建筑空间对于改善科研人员的工作状态，甚至对于激发科研人员的灵感都有着积极的作用。
关键词：科研建筑试验环境科研人员
中图分类号：TU244
文献标识码：B
文章编号：1004－8537(2006)12－0028－06
纵览我国现存的大量1980年代以前设计的科研建筑实例，其建筑功能的组织和处理是比较成功的，但是，也不难发现，科研建筑的真正主人——科研人员在这些实验室、研究室里没有充分得到来自建筑师的关爱。当时的科研建筑的营造目的主要是高效、经济地取得科研成果。面对这样的科研建筑，科研人员和建筑师都渐渐习以为常。直到改革开放10年后，科研人员、科研机构的领导者、建筑师们有机会走进发达国家的科研机构，才发现科研建筑也可以如此舒适宜人、环境优美。
功能的合理性、适用性对于科研建筑来说无疑是最为重要的，但是科研人员的精神需求同样是不能被忽视的。我们正处在一个新的科研建筑建设高峰期，新一批的科研建筑设计不应再留下遗憾。笔者近年来主持过多项科研建筑项目的设计工作，以下是在这些工程中的一些体会，希望借此机会与大家交流。
中科院化学所分子中心实验楼
1999年10月，有机会参与了中国科学院化学所分子科学中心实验楼的设计工作。在设计工作开始初期，中科院化学所的甲方安排我们的设计组参观了中科院现有的实验室，这些实验室几乎无一例外的以实验设备为中心，狭窄昏暗的走道、低矮的层高、较差的通风、采光条件，很难想象这样的实验环境是我国的国家级试验基地。同时，我们搜集了大量的国内外科研建筑资料(图1～图10)，在对资料比较和研究之后，发现国内现有的科研建筑和国外同类设计存在着很大差距。差距主要在于对于科研人员工作方式的研究，交流空间的塑造、细节的处理等方面。通过这些实例，我们开始研究提高科研建筑舒适度的方法，并在这次设计中进行了尝试。
中科院化学所分子中心实验楼是中科院的重点工程，项目的建设目标是建成国内一流的化学试验中心及分子科学研究中心。项目总建筑面积16808m2，地上4～10层，地下1层，主要功能有大型仪器实验室、有机固体实验室、工程塑料实验室、光化学实验室、纳米科学实验室、高分子物理实验室、洁净实验室、低温实验室、高压实验室、各专科研究室、院士办公室、行政办公室、会议室、科普展厅等，以及配套服务的各种机电用房、卫生间、垃圾间等。我们在和中科院化学所甲方的沟通过程中逐步达成了共识——实验室的设计应以科研人员为本，建筑空间不能仅仅停留在满足试验的需求上，要塑造能够疏解压力的科研环境和丰富的交流空间(图12、14)。
为了达到设计目标，我们从多方面入手，尝试了多种处理办法，下面是其中主要几点
①在研究区，将办公室的进深减小到6．6m，进一步改善办公室的自然通风、采光条件：加宽走道宽度，使走廊变得明亮宽敞，并像学校走廊一样，在走廊内设置了个人储藏柜，方便了研究人员的日常生活。在走廊内设宣传栏、展示架，增加科研人员交流机会。各层设置阅览室、咖啡厅等交流空间，为科研人员创造横向交流的条件，同时提供放松的場所(图13)。
②在实验室、研究室南侧设置室外阳台，使研究人员在工作之余能够便捷的接触到室外新鲜空气和阳光。
③建筑内外装修采用明快的色彩，使科研人员身心愉悦。
④建立建筑内部的标识系统，便于各部门之间的识别和查询。
⑤在裙楼的设计中，采用了共享空间门厅的方案，使进入科研楼的人员有豁然开朗的第一感觉。
为确保实验室有良好的自然通风，采光条件，建筑主体选择了南北向的板式形式，实验楼的进深也控制在合理范围内，争取自然采光，降低能源消耗。平面中采用了中走道模式，走道两侧是两排通风竖井，竖井再往外就是标准的实验单元，通风竖井的集中排布，提高了平面的使用效率。
实验室内的通风柜可以通过风道将实验废气排进通风竖井，进而排向屋顶的排风烟囱，将废气对环境的影响降到最低。
通过对现有资料的分析，可以确定7．5m×6．6m是比较理想的柱网模数。这一尺寸是根据实验台宽度、实验区宽度、过道宽度等基本尺寸推算而来的，基本能够涵盖化学实验和物理实验的布置模式。方案中以7．5m×6．6m的建筑空间为一个标准的实验单元，并要求机电专业在每个标准试验单元内预留相同的通风、供电、网络、电话、光照、上下水的条件，通过不同组合可以形成灵活多变的各学科实验室，为将来的科研课题变化提供了条件，实现了实验室的可持续发展(图11)。
方案中将主楼平面西侧的实验区和东侧的研究室区严格分开，并且在实验区和研究区之间，设置了南北贯通的走廊，形成了良好的通风条件，这样即使有部分实验室废气弥散到走道，也会被走廊的“穿堂风”带到室外，有效地保护了研究区。
在施工图设计中，我们发现方案中仍存在不足之处，例如：实验室内保证试验安全的细节设计、垃圾处理、废气、废物处理及清运等等。而对于科研人员的真正关爱也正体现于这些细节当中。其中，解决实验室安全方面的问题是施工图设计的一个重点，以下几点是比较有代表性的：
①实验室内的安全监控：在实验室门、隔墙设置观察窗，保证实验室内视线通畅，做实验的科研人员彼此之间可以相互监护，减少了因疲倦或疏忽造成的事故。在部分必须封闭的实验室内，如高压实验室、低温实验室内设置了闭路电视监视系统，使实验室外人员随时能观察试验进展情况，避免事故发生，事故发生后的及时处理。
②实验室发生有害液体喷溅事故后的处理：为了避免试验中实验液体喷溅后造成人员伤害，在实验室内设置了紧急冲洗装置(尽快稀释有害液体的浓度是十分有效的初期处理办法)。因此，在施工图设计中，实验单元内设置了脚踩式的可上翻的出水口，在实验单元门口还设置了紧急淋浴装置，在门的一侧设置了应急开关，在发生大面积喷溅时可以使用，将对人员的损伤降到最低。
③实验室内药品的存放：实验室内对化学药品、试剂的管理是十分重要的，有部分是要低温存放的；有部分是要避光的，有部分是有挥发性的。这样就要求药品柜不仅有密封条件，还要设置排风装置。对于需要持续低温存放的药品，还要保证冷藏柜的不间断供电条件。对于剧毒、易爆的药品更要设专门存放处和监控设施。
④化学实验需要的通风柜的设计：在分子中心实验楼内有大量的化学实验室，根据实验要求需要安排大量的通风柜。这些通风柜带来的问题是噪音和实验室负压，以及大量的通风竖井占用建筑空间。大量的通风柜是化学实验室的一个共
同特点，这项设计需要建筑、结构、机电多专业共同协作完成。其中，为了降低噪音，设计中将近80台排风机集中设置在屋顶机房，并做了减震和隔声处理，在排风竖井内壁贴岩棉，起到吸声作用。为了解决开启通风柜造成的负压问题，实验室门均设有百页，并通过吊顶内风道向实验室内补风。通风柜设有信号线和大楼中控机房相连，中控机房能够收集各层通风柜开启使用情况，并调整各层送风机房送风机的补风量，从而解决实验室内的负压问题。这些处理办法使实验环境进一步得到改善。
在分子中心实验楼项目上，我们在方案中的设想基本得到了实现。目前，该项目已经投入使用近4年，从使用情况上来看，基本满足了科研工作的需要。经过多次工程回访，和工作人员交流，各种设计设想慢慢得到了印证，这其中有经验，也有教训。对于建筑内交流空间的处理是比较成功的，科研人员普遍表欢迎；科研人员对于实验室环境表示基本满意，认为实验室内的脚踩式水龙头很实用，因为实验时经常需要冲洗试验器皿，脚踩式的比较方便，通风柜的设计也比较成功，使用效果较好，研究区一侧的室外阳台使办公环境更加舒适，可以看到科研人员中午在阳台休息以及做工间操等室外活动。但是，同时也提出不足，例如实验室门下设百页，隔音不好；南侧连通的室外阳台不是很实用，因为实验室要求一定的清洁度，不能经常开关阳台门，这样阳台的使用率就不高。
在分子中心实验楼的整个设计过程中，我们和科研人员试着进行着交流和沟通，得到了大量第一手资料，总结了多方面的经验和教训，为接下来的项目设计提供了依据(图15～19)。
国家纳米科学中心
在做国家纳米科学中心大楼设计时，由于有了分子中心实验楼的设计经验，少走了不少弯路。国家纳米科学中心是中国科学院和教育部联合组建的国家级科研单位，研究方向以纳米技术的实际应用为主。总建筑面积13550m2，地上主楼10层，配楼5层、地下2层，建筑檐口高度45m。主楼地上西侧是实验室，东侧及配楼是研究室、办公室及会议室，主楼地下两层是超净实验室及辅助用房，配楼地下两层是变配电室、空调机房及泵房(图23、24、25)。
这个项目的地上部分功能设置和分子中心很接近，因此在平面设计方面采用了相近的布局方案。纳米中心以材料科学研究为主，也有需要通风柜的化学类试验室，通风竖井的设计延续了分子中心的方法。对于科研人员的交流空间、休息空间的关注还是一如既往，阳台的设计上吸取了上一次的教训，只在研究室一侧设置了阳台。这个项目最大的难点也是和分子中心的不同点在于，纳米中心地下设置了一个600m2的超净实验室洁净度为外侧走廊万级、实验室内部为千级、中心内部设百级试验台，而且在超净实验室内还设置了需要防微震的电镜实验室。在这超净实验室设计中，相关专业设计院提供了技术支持，我们关注的重点则放在超净实验室的安全疏散和功能组织方面(图21、22)。
超净实验室部分可以分为灰区(与外界联通的区域)和洁净区本项目采用外设环形参观走道，内部设独立超净小室的平面结构。这种方式既有利于减少外界对超净实验室的影响，在发生故障时又可关闭个别独立小室，将损失降到最低。从楼电梯到地下1～2层的超净实验室可以通过灰区内楼梯相互联系。从中部的交通核心通向超净实验室是一条近40m长的通道，这条通道的作用是使外来者携带的灰尘在进入超净实验室前充分下落，在通道附近还设置了存衣间，避免大量灰尘进入灰区。地下2层超净实验室内的RIE实验室在实验过程中会使用部分有毒气体，考虑到试验时操作失误的可能性，在主楼地下室的北侧设置了一部专用疏散楼梯，直通室外，另借用主楼西侧的楼梯在首层直通室外，并通过气体泄漏监控装置联动关闭超净实验室其他通向大楼的疏散门，避免毒气泄漏到大楼内部(图20)。
超净实验室内有大量防震要求较高的实验设备，为解决这一问题，本项目采取了两方面措施：一是为实验设备做隔振基础，采用多层杯形隔振基础(混凝土结构之间填充隔振材料)；二是将震动源尽量放置在配楼地下室内，通过结构断开实现隔振，部分放置在主楼地下的风机采用隔振基础处理。另外在风道连接上采用软管，减少震动传递。
信息產业部电信研究院3G实验楼
信息产业部电信研究院3G手机模拟环境实验楼又是和前两个项目完全不同的科研建筑类型。该项目是国家第三代移动通信技术研究、试验、认证基地，是展示国家现代通信前沿技术的重要场所，总建筑面积25864m2，地上10层，地下3层。3G实验楼主要以计算机模拟环境机房为主，对于试验环境来说，除了防静电和个别机房恒温、恒湿的要求以外，没有特殊的要求。在人员办公区，我们进行了大胆的尝试。
项目位于市区内，用地比较紧张，加之北侧有日照间距要求，建筑整体进深较大，内部空间环境较差。为了解决这一问题，在方案中，1～4层是三跨的进深，到5层及以上，中间一跨作为共享中庭直通室外，中庭采用电动开启玻璃屋顶。这个方案在科研建筑的传统模式上进行了突破，把商业建筑、办公建筑中常用的中庭手法引入到科研建筑当中，使原本大进深的不良室内环境得到了彻底改善。这个方案不仅使中庭两侧研究室都得到了充足的自然通风和采光，并且因为有了可开启的天窗，改善了室内的空气质量和热工环境，降低了空调能耗。科研人员置身其中，更能享受空间变化所带来的乐趣。该项目已于2006年5月动工，更多的细节设计正在完善中(图27)。
在这些实践当中，我们逐渐认识到，科研建筑设计手法是多种多样的，可以从室外环境人手，也可以从室内空间入手，可以继续推敲科研人员在工作中的尺度、行为模式等等，但归根到底还是要真正了解科研人员的需求，贴近科研人员日常的工作，聆听科研人员的诉说，不落下每一个细节，使“关爱科研人员，以科研人员为本”不成为一句空话。这样的设计才能塑造出环境真正宜人的科研建筑空间，在这样的环境下才能更好地激发科研人员的工作热情和创造力。
作者：刘卫钢，北京市建筑设计研究院3A2工作室
收稿日期：2006年10月
