历史环境中的高校动物实验中心设计——以山东大学趵突泉校区动物实验中心为例

姜娓娓，董华

1 用地范围

2 保护规划

随着现代科学技术水平尤其是生命科学的快速发展，实验动物对我国科研工作的重要性与日俱增。实验动物中心是为培养实验动物提供符合要求的相关环境、设施及设备，满足培育指定条件的实验动物的场所。我国实验动物中心大多数依托高校和科研机构存在，其中高校的实验动物中心是进行医疗教学、科研任务的重要组成部分，是提升教学质量、加强科研成果的重要保证。近年来，越来越多的高校建设了独立的实验动物中心，研究生物医药与人类健康的重大问题，成为国家重大疾病的生物医药动物实验研究基地。

1 项目概况

山东大学趵突泉校区动物实验中心位于山东大学趵突泉校区，这里原为山东医科大学，前身是齐鲁大学校园，其主体为1901 年创办的山东大学堂，是继京师大学堂之后中国创办的第二所国立大学。校园整体于2013 年3 月被国务院核定为第七批全国重点文物保护单位“原齐鲁大学近现代建筑群”（图1、2）。

项目用地位于校园东西轴线的西侧，紧邻城市环形水系广场西沟，与城市顺河高架路相距80m。用地南高北低，最大高差3.5m，并在中部形成25%左右的陡坡。用地南侧是一座5 层歇山灰瓦灰砖的药学院实验楼，北侧是一座3 层的红色四坡顶耳鼻喉实验楼，东侧是校园现状道路。

3 历史图片4 原状现场

用地内有两座历史建筑，一座是建于1924 年的砖混结构的水塔，为原齐鲁大学供水系统的一部分，位于校园东西向副轴线的西侧尽端。校园建设之初的历史照片可以展现出从名为“号院”的建筑群远望水塔的景象，而今已经被校园浓密的树冠完全遮挡。水塔曾经作为麻风病人的隔离区，后用作解剖实验室的库房，被称作“死人塔”，笼罩着诡异神秘的气氛。另一座是红色屋顶的两层的半围合建筑——美德楼，该建筑始建于1933年，一直以来作为女生宿舍使用（图3、4）。

2 设计任务

山东大学趵突泉校区是我国培养高级医学人才的重要基地之一。校方要求建设一座校园内集中独立的动物实验中心，成为学校集“实验动物饲养育种、教学科研、新药安全评价和转化医学科研”为一体的医学实验、科研、教学公共服务平台。主要功能包括3 个部分：（1）标准化实验动物的生产繁育，（2）规范化动物实验管理与技术服务，（3）转基因动物模型及模式动物研究。此外，本项目还包含1000m2的解剖中心，主要设有解剖实验室和尸库。

3 面临的挑战

设计面临3 个方面挑战：

（1）用地内的两座文物建筑是场地的特点也是设计的难点。建筑如何处理与场地内两座文物建筑的关系？如何延续原有大学校园的肌理和文脉？如何重塑城市空间，增加大学校园与城市公共空间之间的有机联系？

（2）动物实验中心流线复杂，相关动物环境、设施及设备需要大平面、层高5.5m 以上。这样的体量远远超过文物建筑的高度和尺度，很容易对文物建筑历史环境造成破坏。建筑如何更好地解决自身复杂的功能需求和文物建筑保护之间的矛盾？这类建筑设计中，建筑师如何发挥自身作用，整合多方需求，既满足高功能的实验教学需求，也满足教师和学生以及管理者的心理需求？

（3）场地地形高差较大，地下空间开发需按照《济南市明泉保护条例》的要求，开挖深度不能超过12m。如何充分利用地形，合理确定地下开发深度？

4 分析与策略

针对上述问题，设计团队从以下几点展开分析研究，并提出相应的设计原则。

4.1 延续校园文脉肌理，重塑历史环境

建筑设计团队与校园历史环境保护性规划团队共同推进，研究校园整体规划和建筑的历史特征，重点分析用地内两座文物建筑的空间关系、色彩和材料，由此确定适合文物建筑历史环境的新建建筑的体量和尺度。

水塔作为原齐鲁大学校园东西轴线的西侧尽端，是建筑群重要的轴线对景，具有校园空间标识性的重要作用，也承载着师生的集体记忆。水塔也是城市的重要的视觉记忆的载体，它作为校园和西侧城市顺河高架路之间的视觉焦点，其视线通廊需要保留并保护。此外，新建建筑需要保留校园内部与西侧的广场西沟之间的可达性，并在广场西沟一侧有步行通道保证人行道路的连贯性。

我们用谷歌地图追溯了场地肌理的历史演变。从2003-2013 年的历史地图可以看到，水塔一直被1-2 层的低矮小尺度的院落式建筑环绕，这些建筑和美德楼在肌理上连成一体，呈水平形态展开，较好地衬托出水塔的垂直形态。2013 年后水塔周边的小建筑被拆除，只留下美德楼。因此，新建建筑需要控制尺度规模，高度应低于24m 的水塔，以保护水塔在校园内的标识性与城市空间的视廊通道，并确保通往广场西沟的可达性。

4.2 充分尊重文物建筑，甘当配角

一般来讲，建筑师都会不自觉地将所设计的建筑作为场所中的主角来对待。然而，这个项目最重要的角色是水塔和美德楼。它们不仅仅是两座文物建筑，而且是几代人的校园生活记忆和情感载体，是物质上的联络纽带，它们必须是整个项目的精神核心。新建建筑要以重新修补和整合场地与自然和人的关系，突出文物建筑在校园和城市层面的价值为设计出发点。

具体策略是：（1）空间尊重：塔是保护对象中的首要要素，要尽量远离它，给它足够空间予以尊重；（2）视线尊重：保护水塔作为校园东西方向主要轴线的西侧对景，保护西侧城市高架路的对水塔的视廊，形成水塔周边的建筑高度控制范围；（3）体量尊重：美德楼是保护对象中的次要要素，建筑以不破坏其建筑基础为原则尽量靠近它，并采用不高于美德楼的体量。这也是为了争取建筑和塔的最大空间；（4）建筑是不同建筑控制线交集的剩余部分，让大体量的新建建筑在小体量的文物建筑面前保持谦虚姿态甚至呈现出“消失”感（图5）。

5 建筑总图

6 建筑鸟瞰

7 建筑鸟瞰

8 文物建筑元素梳理

[山东大学趵突泉校区动物实验中心]

建设地点：山东大学趵突泉校区

建设单位：山东大学

设计单位：清华大学建筑设计研究院有限公司

项目负责人：刘玉龙，姜娓娓

建筑设计：姜娓娓，李炎，田雨

室内设计：姜娓娓，田雨，郭学源，王茜（实习生）

景观设计：姜娓娓，郭学源，田雨

结构设计：祝天瑞，刘梦娇

给排水设计：刘福利，张伟

暖通设计：于丽华，乔钰淇

电气设计：张松，贾启超

建设单位：山东大学基建部

建筑面积：总建筑面积12,477m2其中地上5393m2，地下7420m2

建筑层数：地上3层，地下2层

建筑层高：地下部分5.5m，地上部分3.9m

建筑高度：20.5m

总投资约：15,888万元

项目工期：17个月

4.3 化整为零，采用小元素的设计策略

任务书要求建筑的总建筑面积为12,500m2左右，主要功能部分层高5.5m 以上。这样的建筑规模和只有几百平方米的文物建筑相比过于庞大。设计将7500m2的面积置于地下，5300m2面积置于地上。地上部分的建筑体量再被分解为两组平台和7 个1～3 层的小房子，这些小房子离水塔越近则体量越小，匍匐在塔的周围，修补、缝合它与场所以及人之间的关系，因其小而更加灵活实用、贴心温和、舒适柔和（图6、7）。

建筑细节上，我们将校园历史建筑按照时间轴，对其建筑元素（屋顶、门窗、勒脚、线脚、材料等）进行分类、整理和分析，以此作为新建筑设计尺度的参考（图8）。

4.4 在合理范围内尽量将主体建筑置于地下

通过与使用者以及工艺公司的沟通，我们将研究实验动物中心的不同功能需求分成两类。第一类是屏障环境SPF 级动物饲养、保种和培育，以及普通级大动物的饲养区，建筑面积约7500m2，占总面积的60%。这部分功能工艺性强、设备层占用空间高、完全依赖机械通风和人工采光，对温湿度、洁净度都有相关国家标准要求，因此层高要求5.5m 以上。此外需要大而完整的平面，便于以便实现其综合性、开放性和灵活性的学科和实验发展需要。

第二类是不涉及感染性的动物实验和生物安全二级（ABSL-2）实验室、开放实验室、供试品分析、毒理实验室、药理实验室以及辅助的办公、会议、报告厅等用房。这部分功能层高3.9m可以满足要求，良好的自然采光和通风可以为使用者提供更好的使用感受并降低建设和运营成本。此外，解剖中心位于北侧地下一层和地下二层，有独立的出入口以便独立管理。这部分面积约5000m2，占总面积的40%。

我们将第一类功能置于地下，第二类功能置于地上，并利用高差设置半地下室，大大缓解了地上建筑的容量压力。置于地下部分的建筑开挖深度小于10m，满足《济南市明泉保护条例》，并在开挖范围内严格保证水塔的基础不受影响。

9-12 建筑剖面

充分利用地形特点设计不同运输通道的独立的出入口。建筑外部交通分为实验动物中心与解剖中心的人员流线、实验动物中心与解剖中心的货物流线，以及消防流线。实验动物中心的货物流线位于南侧，解剖中心的货物流线位于建筑北侧和美德楼之间。建筑的人员流线可以分别从建筑一层东侧、地下一层庭院内进入。内部庭院仅设置消防车进入，平时作为师生活动休闲场所。

根据当地风向解决实验动物气味排放的问题。项目用地偏于校园西侧，便于消除实验动物饲养和实验过程中体内排出的有害气体和堆积粪便发酵过程中产生的臭味。同时利用金属格栅屋面放置具有活性炭吸附功能的装置处理后排放，活性炭的吸附效率达80%以上，项目动物恶臭污染物H2S 和NH3 排放能够满足《恶臭污染物排放标准》（GB 14554-93）二级新扩改建标准限值的要求。

设计下沉庭院解决局部采光通风要求，降低成本。充分利用场所内3m 的高差，将建筑设计为双首层入口形式。此外，由于建筑的一多半的体量位于地下，在建筑北侧设计了宽5m、长30m 的庭院，这个窄长的庭院解决了地下一层的物流、疏散、采光、通风等一系列问题，此外，还给犬类提供了户外活动空间（图9-14）。

4.5 建筑平面综合、开放、灵活，以适应不断发展的学科需求

4.5.1 实验动物环境

根据设计任务书提出的实验动物的功能需求和《实验动物 环境及设施》（GB14925-2010）要求，本项目的实验动物环境分为普通环境、屏障环境和隔离环境3 类。其中普通环境适用于饲育基础级实验动物，符合动物居住的基本要求，控制人员和物品、动物出入；屏障环境适用于饲育清洁实验动物及无特定病原体实验动物，符合动物居住要求，严格控制人流、物品和空气的进出；隔离环境采用无菌隔离装置以保持装置内无菌状态或无外来污染物，适用于饲育无特定病原体、悉生及无菌实验动物。

4.5.2 工艺流线

3 类实验动物环境均有4 种独立流线，并遵循单向原则。4 种流线分别是：

（1）人员流线：实验人员经更衣风淋后由清洁走廊进入各用房。实验饲喂完毕后，经清洁走廊、次清走廊、缓冲间离开，通过公共走廊回到更衣及其他房间。进入大小鼠观察室的人员则经缓冲间离开。

（2）动物（货物）流线：动物经货梯送达后，由公共走廊送至清洗消毒间，经紫外线传递窗对外包装照射消毒后进入观察室及实验室。大小动物需要分流。

（3）洁净物流：通过洁梯到达后，饲料、垫料、笼具等经高压灭菌器消毒灭菌送入洁存间，整理后送入各用房。不耐高温高压物品经传递窗消毒后进入洁存间、各实验室及观察室。

（4）污物流线：大小鼠观察室污物，包括物料、垫料、笼具、动物尸体等，分类打包后经缓冲间送出，手术室及大动物污物分类打包后，经次清走廊、缓冲间送出。动物尸体及污物由实验室统一作为医疗垃圾处理。

上述4 种独立的流线使人、动物和物品的流动路线合理，作业方便，避免交叉污染，严格区分清洁区域和污染区域，以保证人和动物的健康，确保实验的准确性。此外，本项目设置了5 部电梯，其中4 部分别满足人员、动物、清洁物流、污物流线独立使用，还有1 部供解剖中心使用。

13 建筑东侧全景

14 建筑主要入口

15 实验室模式

16 地下二层平面

17 地下一层平面

18 首层平面

19 二-三层平面

20 屋顶平面

21 建筑材料和细节

4.5.3 平面模式

针对高校的实验类建筑，我们总结了8 种实验建筑的平面模式（图15）。本项目主要采用了模式3 和模式4。建筑地上部分的具体功能为不涉及感染性的动物实验和生物安全二级（ABSL-2）实验室及辅助的办公、会议等功能，采用了模式3（双走廊模式），中间是共享实验器材，局部封闭采用模式4（单走廊模式）。

建筑地下二层（图16）是SPF 级大小鼠动物实验区，采用模式3（双走廊模式）。屏障环境SPF 级大小鼠饲养区，由于采用了自带主机的IVC 笼架，采用模式4（单走廊模式），以便提高使用效率。屏障环境SPF 级大小鼠保种和培育，重要等级高，依然采用了模式3（双走廊模式）。地下一层（图17）为普通级大动物饲养区，采用双层不锈钢动物笼架，实验区位置相对独立，没有其他实验室封闭。

建筑平面及流线是设计团队与校使用方、工艺公司、动物中心检测与评定机构以及校基建部等5 方共同合作完成。在这个过程中，设计团队面对复杂的功能要求，着眼于实验动物中心的学科特征和未来发展空间，设计具有综合性、开放性、灵活性的弹性发展建筑空间，以适应不断发展的学科需求。为此，设计团队在多方共同合作的过程中应充分深入了解使用方的需求、工艺特点对建筑的需求、并满足国家相关检测规定，在合理的造价范围内整合多方诉求，提出一个科学合理灵活的建筑平面布局模式（图18-24）。

4.6 关爱科研工作者，尊重实验动物，塑造有情感的建筑环境

22 新旧建筑对比

23 建筑材料和细节

24 建筑材料和细节

25 室内大厅

26 室内楼梯和天窗

27 室内

28 环绕塔的庭院

29 环绕塔的庭院

为了缓解科研工作者的工作压力、促进交流，我们在建筑东西两端设计了共享大厅、休息厅等开放空间，并在北侧靠近水塔的部分设计了通透的大片玻璃，使用者可以一边喝咖啡一边观塔和美德楼。建筑东侧3 层高的共享大厅是串联建筑各层的垂直空间，延续室外的木纹材料，在室内形成一个温暖的木质核心，在灰砖、灰涂料的素净之中加入一些生命力和希望。这个木质核心连接各层双走廊中部的共享实验器材区域以及休息区、咖啡区等公共区域，有效避免了工作人员在双走廊内部迷路的情况，也能使科研人员能在紧张的工作中得到放松（图25-27）。

在这个建筑实践中，我们进一步思考关于生与死的问题。实验动物用自己的生命换来了人类在生命科学的探索和进步。法国思想家阿尔贝特·施韦泽（Albert Schweitzer）在《敬畏生命》中指出，敬畏生命的人，只是出于不可避免的必然性才伤害和毁灭生命，但从来不会由于疏忽而伤害和毁灭生命。动物福利强调在实验过程中积极遵守《动物伦理学》“3R 原则”，即“Replacement”（代替）、“Reduce”（减少）、“Refinement”（优化）。我们希望通过设计，激发实验动物工作者内心怀揣对生命和医学的敬畏之心。以庭院的草木、苔痕、石阶、慰灵碑塑有造禅意、给人慰籍的场所，让人尊重和感谢在实验中奉献生命的动物（图28、29）。

6 结语

本项目从面临的问题和挑战出发，将项目所处的大学校园的历史环境和文物建筑与动物实验中心的功能要求和工艺特点等多方面进行整体思考，以甘当配角的精神、采用化整为零的手法，实现对文物建筑的尊重和校园历史环境的修补，以及在城市环境层面保护水塔的城市视廊。

同时，作为一座功能复杂的高校动物实验中心，在多团队共同协作的基础上，采用合理的平面模式满足实验动物环境所需的工艺和流线。在此基础上设计综合、开放、灵活的建筑空间，以适应不断发展的学科需求。

我们希望塑造有情感的建筑环境，使科研人员潜心研究，培养人才，并怀着对生命的敬畏之心引领学术的发展。□