高校生物医药类研发建筑设计探索

叶依谦，陈震宇，迟海鹏，代苏义，王春鑫

1 高校生物医药类实验室的核心问题与趋势

高校中的研发建筑既是开展教学实验、培养创新人才的空间场所，又是支撑科学研究、实施科技创新的摇篮，具有多重属性，生物医药类研发建筑是其中需求更为多样、工艺条件更为复杂的一种类型。近年来，随着我国生物医药产业的蓬勃发展，多学科深度交叉融合和人工智能的广泛应用，与之密切相关的研发实验室呈现出明显的变化趋势：

（1）实验需求的多变性趋势。科学研究是团队化的探索行为，科研方向、团队规模、技术路线都会随着研究工作的深入而调整变化，新课题的加入，特别是跨学科课题的增加，使实验需求和实验方向的不确定性更为明显。我国高校中的院系设置、科研体系、导师项目组等制度构建与改革进一步强化了这种趋势。此外，生物医药实验室的生物安全性与工艺复杂性的要求也更为突出。

（2）多学科的交叉融合趋势。生物医药工程本身就是一门交叉学科，生物医药实验室除满足相关基础学科的实验需求外，更要面对前沿多学科和交叉学科研究需求的全新的挑战。

（3）教学型实验室与科研型实验室的通用融合趋势。教学型实验室与科研型实验室担负着不同任务，其使用目的、空间形式、工艺配置条件均存在明显差异。随着我国高等教育不断发展，教学实验室与研究实验室的界限逐步弱化，研究实验室向本科生开放共享，以“开放式实验平台”的形式满足学校不同层次的教育和科研需求。这种变化趋势对实验空间的灵活性提出了更高的要求和挑战。

1 哈工大（深圳）重点实验室平面

[北航5号实验楼和北区实验楼]

建筑设计：北京市建筑设计研究有限公司

建筑面积：46,944.5m2，其中地上17,197.5m2，地下29,747m2

建筑高度：24m

建筑层数：地上5层，地下3层

实验室类型：通用实验室，医学实验室，医工交叉实验室，微纳实验室等

设计时间：2017-2018

竣工时间：2020

（4）既有实验建筑的可持续升级改造。受限于建国以来国家经济发展水平和高校基建投资水平，高校中大量既有实验室建筑功能单一落后、实验工艺配置严重不足，严重制约科研工作发展，亟需改造升级。

2 设计策略与实践

2.1 研发建筑的“模块化”布局策略

2.1.1 以“模块化”实现通用性与灵活性的统一

依据实验建筑服务空间与被服务空间的基本逻辑，结合在此基础上优化实验工艺管网系统的基本原理[1]，建筑布局应明确划分实验区、实验辅助区、人员区的功能模块，形成针对不同建筑平面关系和实验室工艺需求的“模块化”组合模式。在此基础上，实验区形成相对独立的功能分区，以大开间柱网形式，为实验空间提供最大的空间通用性和使用灵活性。

实验室的柱网跨度一般以3.3m 为模数，便于内部实验台、通风柜、落地设备的“模块化”布置，使得空间组织更灵活、实验流线更便捷，更好地满足人体工程学的要求。实验区应优先采用灵活开间和大进深的布置方式，结合统一的管线空间和未来发展空间预留，在不进行大规模改造的情况下实现实验空间的功能转化，如大开间实验室与小型实验单元灵活转换、实验区内部调整功能区或功能模块，为科研活动提供最大限度的灵活性。

哈工大（深圳）重点实验室集群项目的标准层布置充分体现了这种“模块化”的布局策略，左侧D1 为人员核心筒，右侧D2 为物流核心筒，中间区域全部为“模块化”的实验空间，为日常使用和空间划分提供了最大便利性（图1）。

北航5 号实验楼和北区实验楼项目（以下简称北航5 号实验楼，北京市建筑设计研究有限公司设计）的平面布局是“模块化”策略的另一种探索。项目位于北航学院路校区核心区，紧邻历史保护建筑，平面轮廓、尺寸、立面形式均受到严格限定（图2-5）。标准层平面轮廓为“工字型”和中走廊形式，实验区大开间灵活布置方式，为可持续使用和升级改造预留空间；机房与管道竖井形成工艺模块，采用分散与集中相结合的灵活布置方式，适应高校实验室独立使用的特征（图6）。

2.1.2 “模块化”的功能与空间组合模式

2 北航5号实验楼外景

3 北航5号实验楼夜景

4 北航5号实验楼门廊细部

5 北航5号实验楼近景

6 北航5号实验楼标准层平面及功能分区

7 北航5号实验楼地下一层实验空间布局模式

8 北航5号实验楼地下一层实验空间布局模式

9 北航5号实验楼地下一层实验室“模块 化”布局模式

10 北航5号实验楼地下共享中庭

11 北航5号实验楼地下实验区走廊

12 北航5号实验楼地下共享交流空间

在高校建设用地紧张的大背景下，建筑空间的集约化利用显得至关重要，而“模块化”的功能与空间组合是重要手段。研发建筑从水平延展的布局模式逐步向空间集成模式转变，科研、教学、办公、会议室等多种功能模块按照竖向划分集中于一栋建筑内，实现高效集成成为一种必然选择。此外，充分利用地下空间也是城市中心区高校建筑提高土地使用效率的重要途径。

在北航5 号实验楼项目中，设计团队探索了一种创新的实验空间组合布局模式。项目包括教学实验室、研发实验室、公共交流空间等多种空间类型，涵盖了生物医学、医工交叉、微纳等多种方向，同时因规划条件限制面临地下建筑面积远大于地上面积的挑战。设计采取功能模块和工艺模块结合的空间组合模式，地上空间充分利用采光通风的优势安排教室、教学实验室；地下空间利用大进深、大荷载、大层高的特点安排研发实验室，并根据平面的布置区位、通风条件、人防要求等因素划分实验方向的功能分区，形成了分区合理的实验空间序列（图7、8）。地下实验空间平面尺寸约110m×100m，地下总面积达29,747m2。如何提供高品质和高舒适性的实验空间是项目面对的挑战。为此，地下空间巧妙插入了1 个共享中庭和5 组线性窗井，80%的地下使用空间引入自然采光，为学校科研人员提供了与地上实验空间相似的使用品质和使用体验。与此同时，通过均匀分布4 组标准化的实验辅助空间，实验室区域连续完整，实验工艺管道路径便捷，从而令实验室空间获得最大限度的灵活性（图9）。

2.2 空间融合与共享交流的设计策略

基于研发建筑高度功能化、技术化的特点和以科研人员高效舒适使用为核心的本质属性，决定了设计必须将人性化与使用者体验作为设计的最高目标。在学科交叉融合的大趋势下，共享空间和交流空间成为研发建筑的一种设计趋势。在高校的研发建筑中，融合与共享空间不仅可以提升使用效率和空间感受，还可以打破院系和学科之间的壁垒，为教师、学者、学生之间的非正式交流提供更多机会和可能性。共享交流空间应强调与主交通动线、空间组织有机结合，多层级与均质化分布、适宜而非过大的空间尺度都更加符合高校研发建筑的使用特质。

在北航5 号实验楼项目中，充分体现了在有限空间内设置多层次的共享交流空间以强化共享交流的重要性。在地下实验空间，嵌入3 层通高的共享中庭，围绕周边的是主电梯厅、共享大厅、报告厅与共享交流区、公共实验平台，形成了整个地下空间集交通组织、共享交流、共享实验的核心公共空间；地上部分则结合工字型平面的连接体部分设置小型共享交流空间，便于师生与科学家随时随地进行休息与交流（图10-13）。

2.3 实验工艺通用条件与专用条件的平衡策略

有研究表明，从研发建筑的内部空间组织方式看，“非定制化”的空间更加宽松、灵活，具有冗余度，同时“专门化”的空间越来越“专门”，两端都做到极致，再把它们组合在一起[2]，这种变化同样体现在高校的研发建筑。与企业研发专注于特定领域不同，高校的科研方向和实验需求更为多样化，对于国有投资控制的要求更为严格。因此，高冗余度的通用条件预留策略并不适用高校研发建筑，我们提出了实验工艺通用条件与专用条件预留的平衡策略，更加强调设计的精细化和经济性。

2.3.1 通用实验条件

13 北航5号实验楼地下共享中庭空间分析

14 北大医学部科技楼实验室功能分区示意

15 实验室集群空间布局示意

16 公共实验平台空间布局示意

如前所述，结合整体功能分区布局，实验室标准层配置标准化工艺竖井和工艺机房形成工艺模块，从而实现通用、灵活、柔性的目标。根据生物医药类研发工作特点，统一设定楼层荷载，统一配置工艺新风排风、工艺给排水、工艺气体、工艺强弱电、工艺自控等标准实验条件，形成“工艺机房—工艺竖井—实验室”的完整工艺流线，构建满足基础实验需求的通用实验条件。根据不同学校和院系的差异化需求，充分研究分析通用实验条件的配置标准，探究日常实验需求与特殊实验需求的合理平衡点。同时，考虑可持续性发展和投资控制，工艺竖井和机房应预留分步安装和后续更新的条件。

2.3.2 专用实验条件

生物医药类实验室对洁净细胞间、超低温冰箱、冷库等专用实验空间的需求比较普遍，上述通用实验条件无法满足其个性化的实验工艺需求。这些专用实验条件可能包括细胞间的洁净空调系统、超低温冰箱间的24 小时制冷系统、冷库间的专用空调系统，还可能包括更为复杂的恒温恒湿、超大排风与排热、隔振与减振、超大尺寸与超大荷载等实验条件。

专用实验空间的数量和位置具有不确定性，合理预留相应的专用实验条件成为必然选项。建筑和工艺设计应具有弹性和前瞻性，采用“通用实验条件+专用实验条件”组合方式统筹土建设计、工艺需求和投资要求是一种有效策略。通用实验条件与专用实验条件的合理边界并非一成不变，应根据实验需求和未来发展、投资水平、建筑基础条件等因素综合确定，以期实现最佳使用效果和最优性价比。

专用实验条件应强调系统性预留，从而确保其有效性，主要包括：

（1）专用实验室的建筑平面区域规划与预留；

（2）专用工艺机房与工艺竖井；

（3）专用工艺条件的土建条件，如室外机组平台、取风排风百叶、屋面设备区等；

（4）预留相应的配电、通风等基础机电条件，预留相应的扩容和改造空间。

例如，北大医学部科技楼（清华大学建筑设计研究院有限公司设计）的生物标准层的工艺设计就考虑了通用实验条件与专用实验条件的平衡。在通用实验条件的基础上，在楼层两个角落预留特殊实验区，临近位置设有室外机组平台（图14）。北航5 号楼的地下实验空间，除通用实验条件外，通过室外窗井、专用竖井与机房预留工艺空调系统条件和工艺配电条件，提供了实现医工交叉实验室等专用实验室的后续建设与升级的条件。

2.4 实验空间集群化策略

在学科交叉融合的趋势下，实验空间的集群化配置趋势日益明显，也成为体现科研建筑高效集约、提高实验室效益重要设计策略，主要包括：

2.4.1 组建实验室集群

高校实验室为形成布局完善、技术先进、运行高效、支撑有力、交叉互促、协同催化的科技创新平台体系，通常会将各型实验室集中设置，形成实验室集群。实验室集群在设计时，应首先充分分析不同实验方向的需求特征，将相同相近工艺进行大类归并，同时避免不同实验方向的振动干扰、废气干扰等不利因素。在此基础上对实验室集群合理布局，采取竖向相邻布置和水平向靠近布置两种基本方式并加以灵活组合，强化相邻学科之间的创新共享，促进不同学科的交叉共融，产出交叉性的学科学术成果，哈工大（深圳）重点实验室集群项目（中国建筑设计研究院设计）就是一个典型代表（图15）。

2.4.2 搭建公共平台

为提高空间利用率、提升设备使用率、降低初期投资，搭建公共实验平台是高校研发建筑的重要趋势。公共平台主要集成配置微纳实验平台、电镜平台、核磁平台、光学影像平台等多种实验平台，平台内的大型、高精密、高价值仪器设备往往对于空间、实验环境条件的要求更为复杂，利用公共平台利于共享使用和集中配置相应的实验工艺条件。因此，公共平台宜设置在首层或公共连接层，便于校内各学院各学科预约使用。以南京大学苏州校区产研总院项目（中衡设计集团股份有限公司设计）为例，电镜、核磁、微纳等对环境震动敏感的设备布置于产研总院的地下一层，方便设置独立基础，气相、液相、气质、液质等实验室布置于首层，均采用共享空间设置形式（图16）。

2.4.3 配置公共转化平台

高校“产学研一体化”是科研、教育、生产不同社会分工在功能与资源优势上的协同与集成，是技术创新上中下游的对接与耦合。伴随着产学研模式的推广，搭建公共转化平台成为高校建设的趋势。公共转化平台一般要求空间更大、流程及功能分区更完善，配备更大型的仪器设备，对荷载承重要求较高，且为利于高校各平台能够便利使用，一般放置在低楼层或首层。以北航5 号楼为例，利用地下3 层大层高、重荷载优势设置部分医工结合的交叉实验室，促进科研产业化。

2.5 应对特殊实验室设计挑战的技术策略

由于研究方法、研究对象的特殊性，生物医药类研究对动物实验室、生物安全实验室、GMP1）实验室等特殊实验室的刚性需求更为突出。这类实验室通常层高大于6m，结构荷载要求高，与通用实验室的转换难度大，需要在规划设计时提前考虑，适当做好扩展预留。

动物实验室、生物安全实验室、GMP 实验室投入使用后，一般需要24 小时×365 天不间断运行并保持稳定的温湿度环境，对于能源保障可靠性、经济性有非常高的需求。这类特殊实验室在功能区域划分、建筑条件、机电系统、生物安全、环境控制等方面都面临更大挑战，应根据气候特点、区域能源条件进行分析论证，需要更充分地平衡各方面因素，制定最优技术策略并提供综合性解决方案。

2.5.1 动物实验室设计策略要点

动物实验室作为生命科学研究的重要支撑平台，其需求规模及投资日益增长。动物实验室因其特定的洁物、污物、动物运输需求、异味排放、生物安全等因素，合理的选址至关重要。设计师应充分考虑动物实验室使用效率和对实验人员的不利干扰之间的矛盾，综合多方面因素和技术措施加以解决。

首先，设计师需要在与用户充分沟通动物实验室的功能与动物的种类、数量，确定合理规模的基础上，确定恰当的选址。对于规模较大的动物实验室，在园区条件许可的情况下宜安设独立单体建筑，设置地下或地上连廊通道以方便科研人员使用。动物房选址宜在园区全年主导风向下风处，同时远离震动噪音源，配置便捷独立的货运通道，宜设置货车直达的卸货平台。体量较小的动物实验室可设置于建筑顶层，设置独立的动物房专用电梯以减少对其他楼层和区域的干扰。以深圳清华国际校区（中国建筑设计研究院设计）为例，项目场地局促且科研楼均为高层建筑，动物房位于21 层（顶层）的独立区域，设有专用货梯及首层独立出入口，最大限度方便使用并避免了气味干扰（图17）。通常情况，动物实验室不建议设置于地下空间，如因条件所限必须设置在地下空间时，应重点考虑货运流线和洁净空调系统的新风排风条件，综合优化消防分区、消防疏散策略、气味控制策略等。

其次，对于规模较大的动物实验室应考虑自动化集约化设计策略，设置集中笼具清洗区或楼层，利用洁污分离的垂直交通系统，可设计AVG2）运输车或轨道车等自动化物流系统进行笼盒的无人化转运。集中笼具清洗区设置带自动机械臂的高通量隧道洗笼机等设备，实现笼盒转运、脏垫料倾倒、清洗、烘干、干净垫料填装等全自动化处理，减少人员数量及劳动强度，提升动物房运营效率，降低运行成本（图18）。

2.5.2 生物安全实验室设计策略要点

高校中生物安全实验室主要用于生物、微生物、动物、生态环境等各个学科。据实验室所处理对象的生物危害程度和采取的防护措施，生物安全实验室分为4 个防护等级。微生物生物安全实验室可采用BSL-1、BSL-2、BSL-3、BSL-43）表示相应级别的实验室；动物生物安全实验室可采用ABSL-1、ABSL-2、ABSL-3、ABSL-44）表示相应级别的实验室。

BSL-1、BSL-2、ABSL-1、ABSL-2 实验室一般结合学科要求在楼层中就近设置；但对于BSL-3 中bl 类实验室（指可有效利用安全隔离装置进行操作的实验室）不宜直接与其他公共区域相邻，ABSL-3 中的b2 类实验室（指不能有效利用安全隔离装置进行操作的实验室）和四级生物安全实验室宜独立于其他建筑。三级和四级生物安全实验室防护区的围护结构宜远离建筑外墙，主实验室宜设置在防护区的中部。四级生物安全实验室建筑外墙不宜作为主实验室的围护结构。

18 动物实验室集约化竖向设计模式

2.5.3 GMP 实验室设计

GMP 实验室作为生命科学成果转化的重要设施，其选址要避开污染源，远离动物房，宜选在环境空气质量及自然环境条件较好的区域。GMP 实验室主要的设计策略是其合规性，在建筑和机电系统设计上最大限度地保障生产活动产品质量的稳定，消除污染风险。办公区、质控区、生产区要进行严格的分区，人流、物流、污物流也要尽量分离、减少交叉。生产区通常环绕设置CNC5）走廊，希望设置较大的建筑进深为工艺房间及流线的合理布局提供条件。

2.6 基于技术整合的精细化改造策略

与高校中的教学建筑、宿舍建筑等建筑类型相比，对研发建筑的改造更新更为频繁。这种广义的改造更新，既包括了单个实验室的内部升级改造，也包括整个实验区甚至整栋建筑的整体更新改造，并伴随建筑的全生命过程。新建研发建筑的策略同样适用于研发建筑改造，但考虑到我国高校内的实验建筑往往年代久远、设计标准与建筑品质偏低的现实情况，常年使用改造导致建筑条件更为复杂，需采取更为务实和精细化的改造策略。

2.6.1 可持续发展的实验室改造理念

研发建筑改造前应完成整体评估诊断，通过建筑、结构、机电系统、实验工艺系统的有效评估，明确改造目标和基本技术路线。在此基础上，基于对实验区、实验辅助区的充分整合改造，达到现阶段的改造目标并为实验室日后的发展变化预留条件，从而实现在改造后全生命周期的可持续使用。

为此，与原建筑结构形式相匹配的开放式实验空间，是实现实验室空间、寿命的可持续性的关键路径。可持续的空间设计将使得建筑功能空间具有更大的弹性，大幅提高实验空间的后续使用寿命，减少改造投资。同时，以可持续性模块化实验室理念为设计基础，实现机电管线的模块化建设和预留，为研发方向改变提供灵活性的支持，实现由当前功能实验室向未来发展需求功能实验室的转化。

2.6.2 以全专业技术整合提供精细化定制的技术方案

在研发建筑改造设计过程中，应充分实现全专业的设计整合，实验室工艺专业的同步设计甚至适当前置设计是关键环节。既有建筑的基础条件相对“固化”而使用需求却与时俱进，设计中充分的技术整合和设计统筹至关重要。同时，改造设计应充分考虑施工环节和运营环节的要求，在设计阶段提供全专业的BIM 设计并延伸至施工和运维阶段、采用综合管线集成与综合管道支吊架、运用装配式的实验室施工技术、基于网络技术的智能化管理运营平台进行设计等先进设计理念和技术手段，综合应用为更高层面提供技术整合的可能，从而实现针对特定建筑基础条件、特定使用功能、特定运营模式的完整设计方案。

3 结语

通过对近年具有代表性的设计实践进行解析，总结出高校生物医药类研发建筑的一系列策略：“模块化”布局策略、空间融合与共享交流的设计策略、实验工艺通用条件与专用条件的平衡策略、实验空间集群化策略、应对特殊实验室设计挑战的技术策略、基于技术整合的精细化改造策略。随着生物医药技术的高速发展和研究工作的进步，建筑师需要持续跟踪技术进步和科研需求，以更加广阔和前瞻性的视角，为高校研发建筑的不断迭代演进做出专业贡献。□

注释

1）GMP，Good Manufacturing Practices，生产质量管理规范，公布时间：1975年11月，公布组织：世界卫生组织，作用：提供药品生产和质量管理基本标准。

2）AGV，Automated Guided Vehicle，自动导引运输车。

3）BSL-1～BSL-4,微生物生物安全实验室1～4级。

4）ABSL-1～4，动物生物安全实验室1～4级。

5）CNC，Controlled/Not Classified，受控但不分级。