探索一种当代生物医药实验室园区规划设计方法

张维，赵婧贤

随着社会经济的发展，我国生物医药实验室建设突飞猛进[1]。在取得斐然成就的同时，建筑师在工作中也面临多方面的挑战：（1）对国际生物医药实验室建设前沿动态、特征和趋势方面研究不充分、不系统。我国发表的项目针对设计的研究多，针对整体特征的梳理少，直接参考指导设计容易缺项漏项。（2）生物医药实验室涉及医药工业工艺设计，有严格的目标控制性指标要求。建筑师如果仅仅按照经验采用民用建筑设计流程，在指标数据上很难得到及时的反馈并修正设计。基于数据的设计响应与方案生成的方法，通过人机交互/人机协同推动实验室设计的科学性研究方面尚存空白。（3）生物医药实验室由于其综合性特征，建设单位越来越趋向采用EPC 或设计总包方式推动设计工作，建筑师作为业主的技术代理人在职业实践领域迎来新的挑战。在“保安全、保进度、保质量、控造价”的多重目标下，很多要求超出了建筑师传统执业范围的“舒适区”，使之在项目策划、设计、督造时力不从心，尤其是在专业协同和流程再造、BIM 的设计管控方面缺乏抓手，进而影响建设品质。针对上述3 个方面的问题，本文建立如下研究技术路线，从整体特征分析、基于数据的设计响应与方案生成、设计管理等方面进行探讨，进而提出集“数据—设计—管控”于一体的技术方法，并结合示范项目做陈述（图1）。

1 国内外生物医药实验室园区建设综述

1.1 国际生物医药实验室园区建设前沿

1 本文研究框架

21 世纪的许多重大科学挑战需要协作和跨学科的团队[2]。生物医药产业本身具有“临床—科研—制造—临床”的循环特征，而这一属性又很大程度上决定了生物医药园区功能的复合性。生物医药的研究本身越来越多地引入交叉学科的技术，是一门大跨度、强交叉的学科。2012年，美国实验生物学联合会发布了题为“投身转化研究的基础科学家：抓住机会、克服障碍”的进展报告，探索了基础科学家、临床研究人员和医师间合作的新模式[3]。国际顶尖生物医药实验园区大多数都具有多功能交融和多学科综合的特征，园区周边产、学、研、企资源高度聚集，因此才形成了有效的避险机制与竞争优势。国际顶尖的生物医药实验园区因建设主体的差异、发展历史的不同等原因，形成了不同特色[4]。

斯坦福大学医学部由1959 年搬迁的斯坦福医学院发展而来，当时的斯坦福大学校长斯特林（Wallace Sterling）就提出这样一个理念：“未来医学发展的进程和基础物理学、生物学的发展密不可分，和社会科学的发展也密不可分。”[5]如今的医学部不仅包括高水平的医院设施，也包含生物学研究实验室、动物实验楼等多学科实验设施，与斯坦福周边强大的工科发展形成互动。研究中心楼宇内，也充分考虑不同学科的独立使用和协同使用的可能性。

瑞士巴塞尔诺华总部园区不仅容纳了各类实验室、生产车间等科研办公建筑，还包含了大量的公共空间、商店、咖啡馆和餐馆等功能，此外还设置有诺华展馆。展馆以及园区内的部分公共空间以及服务功能目前都对公众开放。总裁洛伊恩伯格（Matthias Leuenberger）表示：“诺华园区的开放是迈向更加开放性、交流性和协作性的文化的重要一步。这里将成为一个创造知识、相遇和互动的场所。”[6]（表1）

表1 国际生物医药实验室园区建设前沿

1.2 我国生物医药实验室园区发展历程

随着国家对生物医药产业的重视，生物医药园区建设渐渐成为新的主流趋势，具体呈现为两种模式：一种是以国家投资为主导，创建大规模的科研基础设施园区，如位于怀柔科学城的北京大学多模态跨尺度生物医学成像设施。该园区由北京大学联合中科院生物物理所共建，将为生物医学研究提供革命性的新工具。园区将与周边的国家重大科技基础设施形成集群效应，促进多学科交叉融合[7]。

另外一种模式则为“政商产学研”多位一体的生物医药园区模式。此模式典型代表（表2）包括：

（1）上海张江生物医药基地

基地位于上海张江高科技园区，重点集聚和发展生物技术与现代医药产业领域创新企业。经过10 余年的发展，基地内集聚了国内外生命科学领域企业、科研院所及配套服务机构400多家，形成了完善的生物医药创新体系和产业集群，已成为国内生物医药领域研发机构最集中、创新实力最强、新药创制成果最突出的基地之一[8-9]。

（2）中关村生命科学园区

作为中关村科技园区的重要组成部分，中关村生命科学园区是以生命科学研究、生物技术和生物医药相关领域研发创新为主的高科技专业园区，是北京的“国家生物产业基地”。园区将建成集“生命科学研究、企业孵化、中试与生产、成果评价鉴定、项目展示发布、风险投资、国际交流、人员培训”于一体的国际一流的生物技术园区。

（3）中科院广州生物医药与健康研究院

院区位于广州科学城，由当地政府与科学院共建，填补了当时华南地区生物医药领域国家科研机构的空白。其用地旁的莱迪创新科技园作为一家生物医药产业的专业型孵化器，引进了广州健康院再生医学与健康国家重点实验室。二者之间形成了产学研互动的融合模式。

表2 我国生物医药实验室园区“政商产学研”多位一体的新趋势

2 规划设计新趋势

2020 年底，世界卫生组织印发了《实验室生物安全手册（第四版）》[10]，该手册被普遍视为界定和设定生物安全趋势的实际全球标准，强调在所有国家促进可实现和可持续的生物安全。在国际建协（UIA）发布的《联合国 17 项可持续发展目标的架构指南》中，也提到了“可持续、健康、多方协作”等原则[11]。美国国家建筑科学研究所制定的《全过程建筑设计指南》总结了新的实验室设计趋势[12-13]。在美国建筑师协会2016 年举办的设计与健康研究联盟会议中，医学博士泰德· 艾坦（Ted Eytan ）提到：“人们生活和工作场所的健康受到设计方式和设计人员的影响。因此，建筑师对健康和幸福有着巨大的影响。”[14]基于这些研究，可归纳生物医药实验室园区规划建设的5 个鲜明趋势。

2 波特神经科学研究中心的中庭激发科 研工作者的交流行为，来源：Bill Branson,NIH.[EB/OL].(2022-04-27) [2022-12-22]https://irp.nih.gov/ catalyst/22/3/porter-neuroscience-research-center

3 CDC 110 号大楼项目采用通用建筑和 设施设计，研究团队搬入后能够创 建 60 多种不同的定制实验室配置，来源：Trends in Lab Design.[EB/OL]. (2016-08-29) [2022-12-22].https:// www.wbdg.org/resources/trends-lab-design

4 波特神经科学研究中心的开放实验室 设计，来源：Perkins&Will.[EB/ OL].(2022-12-22) [2022-12-22]https:// perkinswill.com/project/john-edward-porter-neuroscience-research-center-phase-ii/

5 斯坦福大学克拉克中心吊顶灵活的设 备系统，来源：Fosters+Partners.[EB/ OL].(2022-12-22) [2022-12-22]https:// www.fosterandpartners.com/ projects/james-h-clark-center-stanford-university/#gallery

2.1 社会化：团队研究的“社会建筑”

生物医药研究实验室正在逐渐成为促进互动和团队协作的“社会建筑”，在设计中应尽可能多地创造交往空间以及模块化的空间。这些空间可以是正式的交往空间，例如展厅、中庭等，也可以是非正式的交往空间，如连廊、室外空间等。此外，在生物医药研究中，不同专业背景的研究者组成的科研团队需要完整的实验室及相关支持服务，实验室空间设计应考虑模块化、标准化的配置，彼此之间可以快速组合，适应不同团队需求[15-16]（图2、3）。

2.2 均衡性：“开放”与“封闭”实验室，学科交叉与独立研发

在生物医药研究机构中，“开放式”实验室有利于资源的共享和不同学科团队之间的交流，研究人员不仅共享空间本身，还共享设备和支持人员。但是，特定类型的研究或某些设备仍需要封闭的实验室。此外，封闭实验室更有利于保证成果的独立性和私密性。因此，应均衡考虑开放与封闭的需求。单独的封闭实验室可与共享开放实验室组合，满足不同使用模式。实验室模块中的玻璃隔墙和观察窗，可以让研究人员既看到彼此，又拥有自己的空间（图4）。

2.3 适应性：灵活性，适应变化

生物医药实验需求随学科发展时常发生变化。实验室建筑的灵活性可以体现为轻松扩展的能力、轻松适应重新配置和其他更改的能力及允许多种用途的能力。

在园区规划尺度方面，可通过分期建设的方式，预留规划条件和生长可能；在建筑单体尺度方面，可采用指状平面等模式，适合单体的生长和衔接，并预留足够的层高以及设备管井，为后续灵活使用创造条件。在实验室尺度方面，设备系统尽量按照实验室最大设备容量的需求来设置，预留25%的余量，并预留灵活的天花板或墙壁接口。可设置架空的设备桥架，桥架采用标准宽度，具有快速连接和断开功能，容纳电气和通信插座、灯具、工艺管道服务装置和排气通气管（图5、6）。

2.4 可持续：降低能源和资源消耗

一个典型的生物医药实验室使用的能源和水资源远远多于普通办公建筑，原因包括：大量的密封和排气装置，实验设备大量发热，实验环境恒温恒湿需求，科学家不间断的访问需求，备份系统和不间断电源（UPS）或应急电源等[17]。此外，大部分生物医药实验室，都有密集的通风（包括“一次通过”空气）及实验室正负压要求，并且必须满足其他健康和安全规范，这都增加了能源使用。在达到或超过健康和安全标准的同时，实验室建筑尤其应注重可持续目标：可通过巧妙的系统设计，节约使用能源并提升能源利用效率；减少或消除有害物质和废物；有效利用材料和资源；回收和增加使用含有回收成分的产品。诸如采用冷梁 HVAC 技术，安装低流量管道装置的方式，都可有效降低能源和水资源的消耗[18]（图7、8）。

2.5 园区化：基础研发和成果转化融合一体

生物医药行业涉及“实验室研究、药物研发、药物中试、药物生产”等多个环节，天然具有“产学研”融合的特征，具有基础研发和成果转化融合一体的长产业链特征。且随着行业发展，企业力量、资本力量的参与也愈发重要。“园区化”趋势具有以下几个特征：靠近教育机构或研究机构，具备受过高等教育的劳动力的可用性，附近城市的生活质量高，靠近机场等快速交通设施，附近研究型企业的类型和数量较多，具备未来扩展空间。

3 设计响应与生成式设计

生物医药实验室建筑设计的核心是要为功能服务，满足各种显性因素和隐性因素控制指标要求。生物医药实验室由于方向众多，不同学科团队要求可能迥异。同时，由于技术演变迭代速度加快，同一课题组团队的空间需求和参数需求也会发生变化。为契合时代特点和工艺需求，需要构建一套基于数据设计响应和方案生成的技术路线。围绕控制目标，设计响应通常包括（1）确定目标的控制指标、（2）明确数据与设计导则、（3）制定数据与方案，共3 个步骤，结合前沿趋势，通过综合判断确定最终的设计方案[19]53。

3.1 目标的控制指标

生物医药实验室的目标控制指标，可以划分为显性和隐性因素。显性因素主要聚焦于空间相关的因子，包括总图、平面、立面、剖面等，通常表现为实验室、实验支持空间、研究和办公空间基本尺寸。根据使用功能的不同，进而细化成不同的空间组合模式。在这一阶段，需要控制单元模块平面、空间高度、窗墙比、风道尺寸、给水点位、泄爆墙等指标。生物医药实验室隐性因素主要聚焦于性能相关的因子，包括结构、通风、洁净、照明、温度等。实验室的控制目标包括洁净度等级、气密性、照度、实验动物微生物控制标准、污物处理等指标。

7 俄克拉荷马医学研究机构中，天花 板上的方形面板是冷梁，冷梁使用了 新技术降低换气率，但不危及安全，来源：Sustainable Laboratory Design. [EB/OL].(2016-08-19) [2022-12-22]. https://www.wbdg.org/resources/ sustainable-laboratory-design

8 俄克拉荷马医学研究机构中，采用 多类型的照明方式，以节约能源，来源：Sustainable Laboratory Design.[EB/OL].(2016-08-19) [2022-12-22]. https://www.wbdg.org/resources/ sustainable-laboratory-design

9 建筑设计响应与方案生成路线[19]53

在建设过程中，工艺设计介入往往滞后于主体建筑且存在不断调整的可能。建筑师需要的不仅仅是传统的标准建筑空间设计图集，还应是一套带有参数的BIM 模型模块。在方案初期，将含参数的实验室模块嵌入到空间设计中，既满足显性因素的要求，又要模拟各种设计隐性因素的性能参数，以确保工艺方案的安全性和合理性，同时还要和主体建筑的结构、设备条件等匹配并控制造价（图9）。

3.2 数据与设计导则

对于重要部位的实验室，宜有基于前期策划的设计导则。以某实验室为例，在一个标准研究单位内，完成一个具备各类参数的需求表单，同时注明重点的设计规范条文，以及使用单位特殊需求。如果使用单位缺席，可以用此类需求表发建设单位确认后实施，避免后期反复拆改（表3）。

表3 动物实验用房需求表单实例

3.3 参数化与生成式设计

美国建筑师学会（AIA）设计与健康联盟将“为熟悉当前研究的实践人员开发基于证据的工具”作为最重要的三大任务之一，但我国在这方面的工具开发非常薄弱[20]。在方案阶段，可以应用数据和参数化模型辅助设计。一些相对成熟的通用实验室单元的BIM 模型可以通过选型嵌入到建筑模型中。此阶段，不仅可以检验方案模型，也可以对性能模型进行模拟测算。建筑师应用BIM 模型进行设计过程，同时也是性能目标即时调整的过程，此过程中可以即时得到目标参数的反馈进而修正设计。

围绕最初确定的目标控制指标，通过设计过程中的形式与性能评价，综合实现生成式设计，再通过综合评价选出方案最优解。生成式设计在平面布局、建筑形式、实验室空间设计等方面提供了更多可能性。同时，机器学习大大提升性能优化过程中的计算和结果呈现速度，从而提高设计工作的效率[19]54。值得注意的是，这种设计方法虽然强调目标的控制指标，但并非单纯以性能为导向，而是在这个基础上结合建设方、建筑师的主观偏好（如形式、材料等）实现人机协同。同时，还应关注通过类似案例的使用后评估，结合使用者的行为特征和需求，与实测数据结合作为设计参数输入，修正部分项目实际运行过程中性能模拟值和实测值偏差较大的问题。通过类似项目建筑全生命周期调研数据的反馈，可以在较大程度上使生成式设计更加合理，提升决策的科学性。在此过程中，前沿设计趋势将为设计整体把控方向。

4 全过程多专业协同的设计管控模式

基于生物医药实验室建筑使用需求变化多、工艺设计专项多等特点，全过程的参数化管控设计模式以及多专业协同设计流程十分必要。

4.1 全过程参数化整合设计模式

生物医药实验室园区是一个从规划到建筑、从建筑到内部房间的全尺度设计对象，具有功能复杂度高、机电设备种类多、安全及性能要求高等特点。采用参数化模型对不同尺度、不同阶段的设计对象进行整合，将使得建筑师以更直观的方式控制项目整体，形成高品质、高性能的建筑。

在园区建设尺度上，不仅涉及到各科研建筑单体，也涉及到园区范围内的地下管路、人流物流组织以及如废品库、燃气站之类的辅助设施（表4）。在建筑单体尺度上，生物医药实验室类型较多，如动物实验用房、病毒间、细胞间、中试车间等。这些实验室按照其实验对象、安全等级的不同，又有着各不相同的工艺需求。各类实验室组合在一起，对于设备管井、屋面空间、外立面开洞的需求综合叠加，对建筑外观造成较大影响[21]（表5）。在实验室尺度上，这些工艺需求突出体现为设备管线繁多，尤其是暖通专业相关管线。纯水系统、真空管路系统等多系统叠加，也使得实验室建筑的设备管路更为复杂（表6）。此外，当代生物医药园区在向更加开放、透明、宜人的方向发展，园区的室内室外环境品质要求较高，也有对外开放需求，因此园区设计也涉及到诸多专项设计。这些专项互相叠加，与科研建筑设计本身共同作用（表7）。

4.2 多专业协同、“前策划—后评估”全咨管控设计流程

生物医药实验室设计过程涉及到的专项设计团队种类繁多，建筑空间不仅仅是传统意义上人的行为的容器，更是多样实验设备的容器。因此，在整个设计过程中，全专业协同模式极为重要。值得注意的是，建筑师仍应发挥设计团队的领导、协调作用，作为业主的全过程代理人，对各专业、各分项设计进行整体控制（图10）。

表4 园区参数化模型整合要素

表5 建筑参数化模型整合要素

表6 实验室参数化模型整合要素

表7 特殊专项参数化模型整合要素

10 全咨管控设计流程与前沿趋势应用矩阵[22]

在策划过程中，具有多学科视野的建筑策划团队应及时介入，将科研需求准确翻译为空间需求，收集各实验室的荷载、机电等相关要求，制定合理的任务书。在方案设计阶段，主要是针对显性因素进行设计，如园区整体的规划布局、单体建筑的平面布局、立剖面设计等。在这一阶段，总图、建筑、结构、机电、概算等专业密切配合，打造实验室建筑空间基底。在设计深化阶段，各专项设计团队，尤其是实验室工艺相关团队开始介入。这一阶段，针对实验室性能等隐性因素的提升逐渐成为设计主要关注对象。建筑师扮演陪伴式的“业主代理人”角色，起到设计管理的作用，并负责督促各工艺团队，预判各类专项评审及各种专项规范对设计过程可能带来的影响。实验室建筑项目建设周期长，科研需求变化快，在施工过程中的变更需求较一般建筑类型更多。在施工过程中，建筑师应延伸“陪伴式”服务，把控建筑设计变更，避免大拆大改。

5 案例研究

南湖实验室是嘉兴市人民政府创办的新型科研机构（图11-14），是市政府探索“世界级科创湖区”发展之路的关键一环，也是嘉兴市融入“G60 科创走廊”的重要支撑。实验室引入国内6 位知名院士领衔入驻，聚焦前沿科技领域，打造创新策源地和科技创新平台。项目一期位于湘家荡湖畔，地上建筑面积约为45,000m2，地下建筑面积约为31,000m2，总计约76,000m2。地上3层，地下部分整体连通。项目设计理念顺应当前生物医药园区设计新趋势（表8）。

5.1 设计响应与生成式设计工作流

在南湖实验室设计过程中，设计团队基于“设计响应—生成设计”的工作模式，对各个单体实验室进行了参数化与生成式设计。

（1）提取控制指标，生成设计导则

目标控制指标提取可分为显性因素与隐性因素两方面，经与科研团队及工艺设计团队沟通，将控制指标细化为需求参数，综合各类控制指标，生成设计导则。以南湖实验室某科研中心的细胞间和病毒间为例，按照此方法，建立参数化复合模型，形成实验室生成式设计的基本模块（图15）。

（2）参数化设计生成与反馈

围绕上述控制指标和设计导则，通过过程中对形式、性能的综合评价实现生成式设计，再通过综合评价选出方案最优解。以动物实验用房为例，在设计中，“平面布局和流线”这一显性因素以及“通风设计”这一隐性参数互相作用，最终形成了最优方案（图16）。

在平面布局中，需考虑实验室、前室、缓冲间、暂存间以及走廊等不同区域之间的平面关系与流线。显性因素控制目标为：流线最短，容纳可用空间最多，洁物流与污物流不交叉。在通风设计中，需考虑不同污染程度的区域的压差。隐性因素控制目标为：两个相邻空间中，相对污染较大的区域气压更低。通过应用BIM 模型和CFD 方法进行参数化设计[23]，结合目标进行即时调整，并结合建设方、建筑师、使用团队等的主观偏好（如形式、材料、使用习惯等）实现人机协同，得出最终可实现的方案。

11 围绕人工湖布置连廊亭榭，串联各单 体建筑，形成大量室外交流空间

12 功能分区和分期建设示意

13 不同单体共享生态基底和地下连通空间

14 自南向北俯瞰南湖实验室

表8 南湖实验室设计理念

15 南湖实验室某科研中心的细胞间和病毒间复合参数化模型

16 南湖实验室动物实验用房流线与压差相互作用的生成过程

5.2 基于参数化模型的全过程多专业协同管控模式

在南湖实验室的设计过程中，设计团队与建设单位、使用单位、主体施工单位、工艺设计团队、工艺施工团队密切配合，在策划、设计、施工、使用、后评估等多阶段深度介入。结合科研需求和项目需要，在园区尺度、建筑尺度、实验室尺度构建全过程参数化模型，将各个专项设计融入设计全过程，与各专项设计团队和施工团队密切配合（图17、18）。在施工阶段，由于科研需求变化等原因，导致走廊上的工艺管道增高，入口处公共空间吊顶高度降低，建筑设计团队和使用单位一起与工艺施工团队及主体施工团队配合，通过BIM 模型，对原有走廊机电管线进行调整，利用房间内空间走管，从而在保证走廊工艺管线所需空间前提下实现室内净高的提升。再如，在实验室团队入驻后，将原有设备房间改造为适合使用单位需求的实验室空间，将新增实验室设备管线接入房间预留管线，实现功能灵活性改造。

在设计全过程中，建筑师及全专业设计团队，除了针对建筑本体的设计过程进行把控外，更多地扮演了一个协同的角色，无论是面对外部审查单位，还是在团队内部面对不同专项的施工团队、合作设计团队以及不同的科研团队，全过程的陪伴式管理模式对于整个项目的顺利进行都至关重要（图19、20）。

6 结语

在我国生物医药实验室园区快速发展的过程中，其规划建设的新趋势为建筑师的传统工作方法带来了挑战。本研究从设计响应以及全咨管控两方面，提出集“数据—设计—管控”于一体的技术方法，并在南湖实验室项目进行应用。目前，针对生物医药实验室园区的研究仍有较大空白，亟待在未来研究中，建立多类型的实验室参数化模型，集合显性因素与隐性因素，构建实验室模块数据库，在建筑设计中实现“即插即用”和实时反馈。同时，在设计响应的技术方法体系中，针对生物医药实验室的性能评价模式亟待完善，需构建建筑师、设备工程师、科研工作者、实验室管理团队共同参与的沟通平台，从不同角度完善评价指标和设计导则，构建完备的模拟运行体系，在设计前期将实验室的性能提升纳入核心目标。此外，在生物医药实验室设计中全咨管控的模式亟需更多针对性的探索，如何在设计初始阶段构建完整的团队架构，整合不同专项设计团队，预判全项目周期的审查流程、认证过程，并将多种因素纳入设计考虑，需要全行业多专业技术团队的共同参与。□

17 园区尺度参数化管控模型

18 建筑尺度参数化管控模型

19 会议展示中心水面倒影

20 科研中心水面倒影