基于开放建筑理念的高校科研实验中心设计——以山东建筑大学科研实验楼概念设计为例

李东和，仝晖，李达

（1.山东建筑大学建筑城规学院，山东济南　250101；2.山东建大建筑规划设计研究院，山东济南　250101；3.山东建筑大学艺术学院，山东济南　250101）

基于开放建筑理念的高校科研实验中心设计
——以山东建筑大学科研实验楼概念设计为例

李东和1，2，仝晖1，李达3

（1.山东建筑大学建筑城规学院，山东济南250101；2.山东建大建筑规划设计研究院，山东济南250101；3.山东建筑大学艺术学院，山东济南250101）

高校校园承载了教育教学、科学研究、学习运动、生活休闲、交流活动等多重功能。高校科研实验中心属于实用功能型建筑，是科学研究的空间载体，科技成果转化的重要场所。文章概述了国内外“开放建筑”的理论及其发展情况，通过对项目基地概况的调研分析及设计任务书的研究，结合历史文脉，以“方形庭院”、“轴线”、“开放建筑”、“对称+非对称布局”为设计理念，采用“模块化”的手法，对山东建筑大学的科研实验中心的建筑进行了概念设计；解决了“如何在原校园肌理的基础上使设计的建筑与原先的校园建筑相结合”和“如何解决传统科研实验建筑因没有采用开放建筑理论而使得建筑空间‘僵化’”的两个主要的建筑设计问题；从而营造一个具有强烈导向性与轴线感、朴素而内敛、丰富而多变的高品质科研实验开放建筑的空间环境。

高校科研实验中心；开放建筑；模块化；建筑设计

0　引言

高校校园承载了教育教学、科学研究、学习运动、生活休闲、交流活动等多重功能［1］。高校科研实验建筑属于实用功能型建筑［2］，具有先进复杂的技术设计、灵活的建筑空间设计、人性化的设计、环境可持续的设计等特点［3］。它是科学研究的空间载体，科技成果转化的重要场所，也是需要强大技术支持、较多资金投入的一类建筑［4］。

目前，高校科学研究工作出现了多种新特点，向科学实验建筑提出了新的要求，推动着科学实验建筑的发展和变化。科学发展的新趋向，冲击着科学实验建筑的空间组合方式，出现了由单一的专用空间向多部门、多学科兼容并蓄的综合性、整体性、开放性科学实验空间发展趋向，导致现代实验建筑的规模日益扩大［5］。

基于开放建筑理念的高校科研实验中心设计的实践，将其核心理念和优势与建筑设计的自身特点相结合，形成通用的设计原则和要点，在建筑空间、结构、功能、形式方面完成理论知识的现实转换［6］。落实开放建筑体系与建筑工业化之间理论、技术与实践的结合。开放建筑体系通过不断的建筑实践和使用者的需求反馈，逐渐丰富完善自身的设计方法理论，拥有完整的理论体系，发展出各种相关理论作为补给和支撑。

山东建筑大学科研实验楼项目基地，依托原有环境，背靠雪山，面向校园生态轴带，北依学校图书信息中心，东与建艺馆相呼应。建成后的科研实验中心将是山东省重要的建筑学术研究基地，是校园所处区域地块的标志性建筑，对山东建筑大学校园风貌的延续发展起到引领作用。文章概述了开放建筑理论及其发展，通过对项目基地概况的调研分析及设计任务书研究，提出了建筑设计的两个主要问题:如何在原校园肌理的基础上使设计的建筑与原先的校园建筑相结合［7］；如何解决传统科研实验建筑因没有采用开放建筑理论而使得建筑空间“僵化”的问题。在建筑设计中，结合历史文脉，以“方形庭院”、“轴线”、“开放建筑”、“对称+非对称布局”为设计理念，将建筑设计为方形庭院形式使其与校园轴线形成一个内向型的开放空间，在与雪山的视觉轴线上，形成既有独特的建筑院落，又有强烈导向性的轴线感的校园空间。

1　开放建筑概述

1.1开放建筑理论

开放建筑理论起源于1960年代的荷兰。二战后，西方国家为了应对战后住房数量的不足，广泛推行住房标准化以推动大规模的住房建设。统一、标准化的住房设计导致了简单单一的居住方式和千篇一律的城市景观，无法应对不同阶层人群的居住需求，从而导致众多的社会问题。为了解决这一问题John Habraken在1965年12月的荷兰建筑师协会上首次提出了以不同于传统建筑构成方式建造住房的设想，将住房的设计与建造过程分为“支撑体（Support）与“填充体”（Infill）两个范畴，从此奠定了开放建筑的理论基础［8］。

支撑体和填充体是开放建筑理论的两个重要组成部分。所谓支撑体，是指房屋的结构部分，例如梁、板等，是由群体共同决定的，相对稳定耐久；而填充体则指可以变动及属于使用者的元素，例如隔墙家具等，是由个人掌握的，相对灵活、多变。哈布瑞肯教授率领SAR小组潜心研究欧洲的住房设计和建造数十年，探索开放建筑理论在住房建造中的应用，并在支撑体理论的基础上，研究出一整套理论和方法，被称为SAR理论［8］。这一理论目前己经由单纯的住房设计理论发展为群体规划的理论和方法。

随着时代的发展，关于开放建筑的研究也在不断深入。从1970年代开始，SAR设计方法经由OH（Open Building International）、开放建筑基金会等杂志和组织进行广泛的传播，推动了许多国家的住房建设［8］。

到了80年代，开放建筑理论的提出，不仅系统诠释了哈布瑞肯教授的主张，而且进一步扩充了其理论体系，使支撑体理论得到了得到了进一步的继承和发展。

进入90年代以后，从事开放建筑理论研究的学者们开始对支持新型开放建筑的技术和填充体的部品体系进行研究。21世纪之后，各国都开始重视建筑资源的循环利用，作为开放建筑要素之一的“填充体”，可以分类拆除并且再生利用，这一特性为开放建筑理念的推广和发展起到了有力的推动作用［6-8］。

1.2开放建筑理论在国内的实践研究

20世纪60年代，“支撑体”理论提出之后发展成为“开放建筑”理论。然而“开放建筑”理论引进国内以后的发展中始终局限于住宅工业化、产业化的发展，同时由于受到日本住宅产业化的影响，我国的建筑工业化更多围绕住宅内装展开［6-13］。

鲍家声最早对中国式开放住房进行了研究，提出开放性住宅的建设途径——进行支撑体住宅的建设，从而解决住宅建设的工业化、标准化与多样化的矛盾，并于1984年完成无锡支撑体住房的设计和建设［8-10］。此后，陆续建成了多个开放建筑的实例: 如:1991年由周逢等设计的北京华威23号公寓建成；2004年由岳子清等设计的深圳蛇口花园城三期建成；2008年由李海乐设计的重庆玛雅上层住房建成；2011年由刘东卫等设计的北京市住房示范项目——雅士合金公寓建成［8］。

2012年11月20日，我国在北京首次主办了国际开放建筑大会，由CIB和国家住宅与居住环境工程技术研究中心、香港大学联合主办。虽然会议首推的住宅项目实践占据了全部项目百分之九十以上［13］，但是在会上也展示了一些基于开放建筑体系的多方向建筑工业化实践，包括学校、公园、文展建筑等。开放建筑理论在中国经历了研究——实践——反思——再实践的过程，在这个过程中，中国的开放住房体系得到了极大的推动和发展。

2　项目概况

2.1项目背景

山东建筑大学始建于1956年原为山东建筑工程学院，于2005年更名为山东建筑大学，坐落在文脉绵延、风景秀丽的国家历史文化名城——泉城济南。学校设有17个学院（部），55个本科专业，全日制在校生2.5万人，是一所以工科为主，以土木建筑为特色的多科性大学，山东省首批应用型人才培养特色名校、服务国家特殊需求“绿色建筑技术及其理论”博士人才培养高校。2013年，为落实教育部2011协同创新项目，山东建筑大学联合清华大学中国建科院、深圳建科院等九家绿色建筑领域优势单位，成立国内首个绿色建筑协同创新中心，被评为山东省高校协同创新中心首批立项建设单位。为开展提升学科建设平台，开展协同创新研究，特在学校信息楼南侧、雪山东南侧地块建设“山东建筑大学科研实验中心设计”项目。

项目基地位于山东省济南市历城区山东建筑大学校内，该科研实验中心设计时既要考虑当前实验需要，也要估计未来实验室使用的多种可能性。

2.2地理位置

山东建筑大学位于济南市东部临港开发区雪山片区，占地面积约166 hm2，校舍面积70余万m2南侧临84 m宽的经十东路，东、北两侧邻60 m宽城市干道，交通便捷；中南部有植被茂密的雪山镶嵌其中，成为校区环境景观中心。

山东建筑大学科研实验中心设计位于校区总体规划环雪山轴带南侧重要节点位置。建成后的山东建筑大学科研实验中心不仅是山东省重要的绿色建筑学术研究的重要基地，而且会成为山东省最重要的绿色建筑技术集成展示场所，校园所处区域地块的标志性建筑。建筑力求整体形象有所创新，对山东建筑大学校园风貌的延续发展起到引领作用。

济南市地属亚热带季风气候区，校园用地范围内西南高，东北低，东西高差约20 m，中南部有植被茂密的雪山镶嵌其中，雪山上植被覆盖率高，其相对高程约80 m，成为校区环境景观中心。

基地整个地势高差较大，西北高、东南低，南北高差约为2 m，东西高差约为9 m。基地较为方正，其南北长为148 m，东西长为112 m（如图1、2所示）。

2.3设计内容

山东建筑大学科研实验中心设计总建筑面积22500 m2，实验室楼为5层，研究楼为6层，由各学科试验用房区、专家工作室用房区、陈列展示区、报告及交流区、技术及管理办公用房等部分组成。

图1　基地区位图

图2　基地区位鸟瞰图

2.4规划设计条件

建筑用地面积1.52 hm2，建筑密度:≤50%，绿化率≥35%，建筑红线退校园道路红线不小于8 m。建筑高度依据学校环境自行控制，专家工作室部分层高不低于3.6 m；实验区部分层高不低于4.5 m依据相关规范要求，结合建筑用地中的场地组织地面临时停车，及地下停车场（地下停车不计入总面积），总车位数不少于50辆。

2.5建筑设计具体指标要求

山东建筑大学科研实验中心设计规模为22500 m2（上下浮动不超过5%），内部功能分区及面积（每部分均含交通面积、公共卫生设施等，约占建筑面积的30%）要求如下:

（1）试验用房部分面积为10500 m2（见表1）

（2）专家工作室部分面积为4000 m2专家工作室两部分的面积分别为 70 m2×240=2800 m2和40 m2×30=1200 m2

（3）展示部分面积为1600 m2，其中展览厅面积为1400 m2，储藏间面积为200 m2

（4）技术及管理办公部分面积为1300 m2，管理办公面积为20 m2×10=200 m2，会议室面积为40 m2，设备用房面积为1060 m2

（5）报告厅及公共活动空间部分面积为2500 m2300人学术报告厅、接待室、设备间面积为800 m2，学术交流空间面积为1700 m2

（6）其他预留空间面积为2600 m2，集中或分散式中庭空间、休息空间、卫生间等。

表1　项目面积分配表

3　建筑规划设计方案构思

3.1规划设计目标及定位

根据项目整体规划和要求，将此建筑定位为开放的科研实验楼，既建筑空间可随着使用者的需求灵活划分的科研实验建筑——开放建筑。

3.2设计依据

（1）项目设计任务书；（2）国家相关规范标准的要求；（3）人体尺度和人体活动所需的空间尺度；（4）家具、设备的尺寸和使用它们的必要空间；（5）温度、湿度、口照、雨雪、风向、风速等气候条件；（6）地形、地质条件和地震烈度；（7）建筑模数和模数制；（8）开放建筑理论。

3.3规划设计理念

该方案设计理念主要有以下几点:

（1）“方形庭院”。实验楼、科研楼、报告厅等建筑借鉴了学校早期建成的建筑:以方型庭院为原型布局，强化了校园的精神文化气氛。

（2）“轴线”，学校建筑的总体规划采用以雪山为中心，放射状的轴线布局。所以在方形庭院的基础上，加入一个朝向雪山的主轴线，通过轴线对空间进行不同功能的划分，轴线通过阶梯进行强调，尽端是雪山，加强空间导向性和建筑仪式感（如图6所示）。

（3）“开放建筑”设计理念，将建筑分为可变和不可变两个部分［14］。将建筑的不可变部分如:楼梯卫生间、主要交通空间及建筑的辅助用房分布在建筑的两侧，将建筑的可变部分如:实验室，科研办公室等重复空间布置在建筑中间，这样设计方法可以最大限度的增加建筑的功能空间的使用灵活度，让建筑的使用者在建筑规定的空间中随者自己的需求划分空间

（4）“对称+非对称布局”，在建筑设计中并没有采用完全对称的轴线布局，而是将实验楼与科研楼分开，并通过自然的高差，形成更大尺度的围合（如图3所示）。同时，将建筑中人流量较大的报告厅单独拉出于主体之外，既有利于人流疏散，又有利于减少结构难度，降低工程造价。

图3　科研实验中心建筑非对称效果图

3.3规划设计总体布局

通过对学校建筑群关系的分析以及学校校园内的建筑肌理和轴线（如图4所示）分析，同时结合实验楼、科研楼、报告厅等建筑的特点，最终确定使用方形庭院时式建筑形式。解决山东建筑大学校园中丰富的庭院空间模式问题，与雪山的视觉轴线形成既有独特的建筑院落，又有强烈导向性的轴线感的校园空间。

图4　学校建筑肌理与轴线分析图

此设计借助方形庭院和轴线形成一个内向型的开放空间，从而构建一种科研的宁静氛围，找回校园学术研究所应有的历史感与独立精神，科研实验中心建筑的总平面图如图5所示，总效果鸟瞰图如图6、7所示。

图5　科研实验中心总平面图1：800

图6　科研实验中心建筑鸟瞰效果图

图7　科研实验中心不同方位效果图

3.4设计策略

（1）建筑及室内空间与开放单元模块的结合

依据项目及任务书要求，实验的房间主要分为600、800、1200 m2三种空间大小而科研的房间主要有40和70 m2两种。由此，以开放建筑理念为核心，分析分别在一个开放单元、二个开放单元以及二个半开放单元的空间中，灵活空间与固定空间的布局（其分析的示意图如图8～10所示，从而解决了如何将不同面积要求房间与开放单元模块有机结合的问题［15］。

（2）建筑各层平面设计 科研实验中心建筑六个层的分层平面设计如图11～13所示。

（3）建筑竖向设计科研实验中心建筑主要由两部分组成，主体建筑分南北两个部分，南半部分为实验楼，总共5层，每层层高4.5 m；北半部分为科研楼，总共6层，每层层高3.6 m；竖向设计图（如图14～16所示）。

图8　600 m2房间与开放单元模块结合示意图

图9　800 m2房间与开放单元模块结合示意图

图10　120 m2房间与开放单元模块结合示意图

图11　科研实验中心一层平面图/mm　1：400

图12　科研实验中心二层平面图/mm　1：400

图13　科研实验中心三层平面图/mm 1：400

图14　科研实验中心建筑南、东立面图/m

图15　科研实验中心建筑北、西立面图/m

图16　科研实验中心建筑剖面图/m

（3）功能布局建筑主要由两部分构成，科研中心与实验中心，其间由台阶相连。依据项目要求，设计内容主要有:城乡规划学实验室；供热、供燃气、通风及空调工程实验室；结构工程实验室；检测技术与自动化装置实验室；材料加工工程实验室；建筑设计及其理论实验室；机械电子工程实验室；管理科学与工程（建设领域）实验室；工程结构与防灾减灾实验室；道路与交通工程实验室；机械工程创新技术实验室；给水排水综合实验室。

平面功能上考虑设备承重的要求，实验楼部分建筑一层为工程结构与防灾减灾实验室和给水排水综合实验室；二层为结构工程实验室和材料加工工程实验室；三层为供热、供燃气、通风及空调工程实验室和机械工程创新技术实验室；四层为城乡规划学实验室、建筑设计及其理论实验室和道路与交通工程实验室；五层为机械电子工程实验室和管理科学与工程（建设领域）实验室。另外，将房间分类为400 m2的空间单元，通过空间单元的组合形成600 800、1200 m2的大型实验空间，设计将的300人报告厅独立出主体外，这在结构上更合理。科研实验中心建筑的平面功能布局示意（如图17所示）。

图17　科研实验中心平面功能布局示意图

3.5交通组织

学校的科研实验中心建筑的位置处于校园规划道路及校园景观轴线西侧，在建筑东侧设置建筑主入口，次入口分别开设在南北侧与西侧，同时楼梯分布在建筑的两侧减少垂直交通对建筑功能空间构成的影响。建筑北侧靠近校园主路的部分形成大型架空空间，通过架空底部的台阶可以进入整个建筑庭院内部。可通过建筑主入口与主体建筑连通（如图18、19所示）。

图18　科研实验中心入口效果图

图19　 庭院空间效果图

在平面交通上，由于房间空间大小的不同，实验楼采用边廊的形式而科研楼采用中廊的形式，建筑东侧增设学习交流场所，在展览期间可以成为临时的展厅。

垂直交通上，总共设置了四处疏散楼梯，科研和实验楼各有两部。疏散楼梯沿建筑东西向及角部设置，满足消防疏散要求。

4　结语

基于开放建筑理念的高校科研实验中心设计，突破了形式与功能的束缚，文章以高校科研实验楼建筑为设计对象，通过对教学科研楼概况的调研，总结，分析出现状问题，进而提出公共空间的设计策略。该科研实验楼设计的容积率为1.65，绿化率为20%，建筑密度为39%，完全符合规划设计条件。该设计方案特色为:针对当前较为零散的相关研究，对高校教学科研楼公共空间设计进行了系统整理和总结，重点体现了朴素而又内敛的科研建筑特点，运用了优化的院落式布局，营造出丰富多变的高品质空间。

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［8］吴鹏飞，基于开放建筑理论的北京市高层保障性住房设计策略研究［D］.北京:北京工业大学，2013.

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（学科责编：吴芹）

Experiment center design of university's scientific research based on open architecture concept:A case study of conceptual design of Research Lab Building of Shandong Jianzhu University

Li Donghe1，2，Tong Hui1，Li Da3
（1.School of Architecture and Urban Planning，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Archicecture of Urban Planning Design Institute，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；3.School of Art，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）

The college campus has multiple functions of teaching，scientific research，sports，leisure life，exchange activities，and so on.The experiment center belongs to university's scientific research building with practical function，is the spatial carrier of scientific research，and an important part in transformation of scientific and technological achievements.The article summarizes the“open architecture”theory and its development both at home and abroad.The paper carries on the conceptual design of the research experiment center building of Shandong Jianzhu University through the analysis of general situation and design specification of the project base，combined with the historical context，with“square courtyard”，“axis”，“open architecture”，“symmetric and asymmetric layout”as the design concept，and by using the technique of“modular”.It settled the two main problems of architectural design as to how to make the design on the basis of the original campus texture of building combined with the original campus building and how to solve the problemof architectural space rigidity of the traditional scientific experiment building for not using open architectural theory，thus building an open architecture space environment with a strong guidance and axis，simplicity and inside collect，rich and changeful high-quality in scientific research and experiment building.

experiment center of university's scientific research；open architecture；modularity；architectural design

1673-7644（2015）06-0579-11

TU208.2

A

2015-12-05

李东和（1991-），男（满族），助理工程师，本科，主要从事建筑设计等方面的研究.E-mail:874704882@qq.com