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模块化可生长的实验室布局探析——以深圳医学科学院及其实验基地方案为例

发布于：2024-04-15 14:21:15 来自：建筑设计/建筑方案设计

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实验室不仅是开展教学实验、培养人才的空间，还是承担科技、科研创新的场所。随着科学技术的日益发展，科研活动范式的不断升级，许多大型实验室已经不能满足先进科学实验的要求。生物医药实验室与化学实验室是实验室建筑类型中需求较为多样、工艺条件较为复杂的类型，随着相关学科及产业的蓬勃发展，实验场所与高校教学的结合愈加紧密，实验室作为科研活动载体，呈现出更高的建设需求与更先进的发展趋势。本文通过研究模块化实验室平台建设的规划，整合各学科资源，加强实验室的模块化建设，满足其灵活性需求，为实验室的高效使用提供方向。

1 实验室建筑设计的核心问题与发展趋势

本文通过分析国内外实验室建筑设计案例，解读实验室建筑的发展趋势，从平面设计角度分析了生物医药与化学实验室的设计要点，为推导实验室平面布局提供依据。

1.1 实验室设计的核心问题

1）实验室的安全性。生物医药与化学实验容易产生废气、废水、废弃物，对于“三废”排放、实验风险及科研人员的安全等问题，洁污分流、废弃物收集与排放等都是在实验室的功能布局中，需要着重考虑的问题。安进实验室在单层平面内解决了大部分功能问题，并通过走道与门扇的组合形成洁污分区，使实验活动能安全进行（图1）。 [1]

1 安进实验室平面图

2）实验流程的高效性。实验室除了提供基本实验功能空间外，还不能缺少教学实验室、研究室、药品室、准备室、记录台、办公室等功能空间。各功能空间的合理排布、服务与被服务空间的区分，能够提高科研人员的流线效率及工作效率。杜克大学弗兰奇家族科学中心通过模块单元整合实验室、办公室、准备室等功能空间，缩短流线，最大限度地提高实验活动的效率（图2）。 [2]

2 杜克大学弗兰奇家族科学中心实验室平面图

3）科研人员工作环境的舒适性。实验室不能只考虑实验功能，还应考虑科研人员的活动。根据使用后评估的结果，科研人员对实验空间、记录空间的采光及舒适度要求较高，因此应着重考虑实验室的舒适度及采光通风的设计。圣和药业实验室在平面中充分考虑了各分区的独立性与舒适度，并设置了开放的共享交流空间（图3）。 [3]

3 圣和药业实验室平面图

1.2 实验室设计的发展趋势

1）实验室的空间灵活性组织与模块化策略。科研内容、技术方向、团队规模等可能会随着研究工作的深入与升级而面临调整。另外，跨学科的交叉配合、专家项目组的制度差异、教学与科研实验室的融合共享等发展趋势，对实验室空间的灵活性与可生长性提出了更高的要求和挑战。因此，实验室的模块化设计将会成为大势所趋。 [4]

2）实验室的空间开放共享与透明性策略。在高速发展的现代社会中，知识的产生与传播愈加透明，实验室建筑在对内促进科研人员通力合作的同时，承担着对外信息传播的职能。隔而不断的大空间实验室的单元组织，可以模糊封闭实验室之间的边界感，削弱室内与室外的割裂感，从而鼓励多学科交叉人员的交流、跨学科团队的面对面协作，以及面向公众的可视化信息传播。 [5]

2 实验室建筑平面的“模块化”设计策略

青木昌彦指出：“模块（module）是一个半自律的子系统，模块化是模块通过和其他同样的子系统按照一定的规则相互联系而构建成的更加复杂的系统或过程。” [6] 模块具有标准化的属性，具备可置换性和兼容性。随着实验室设计不断创新，很多私人研究机构每年会对其25%的实验空间进行物理状态的改变，大多数学术机构每年会改变5%～10%的实验室的布置。 [7] 标准化的模块单元能够根据实验室各个功能区域的特点，以标准化的单元容纳不同的功能空间。因此，实验室平面采用模块化的布局方式，能够更加适应发展需求，从而应对内部空间未来的改造。为了使实验室达到高度模块化，从人体尺度到家具尺寸，从基本工作岗位到完整实验室单元，从平面组合到竖向布局，设计应考虑模块的介入与组成。 [8]

2.1 实验室的基本模块

1）实验室基本工作岗位的组成与尺度。最基础的模块单元由符合人体尺度和使用需求的基本工作单位组成。决定工作岗位参数的因素有科学设备的外形轮廓尺寸、人体工程学的资料、技术工艺和一般管网的布置方法，以及工作岗位的主要组成设备。其中，组成工作岗位的设备及尺寸如图所示（图4）。 [9]

4 实验室基本工作岗位的尺度

各项家具尺寸与活动空间的尺度由人、设备、交通及管网等多个要素之间的作用关系决定，以保证人体工程的合理性及实验活动的高效性。

2）实验室平面设计的基本模数与模块。在确定基本工作岗位尺寸的基础上，设计进一步推导出实验室平面的基本模数。基本实验室宽度的模数尺寸应能在纵深方向上设置两列工作台和设备、一条1.5～1.8 m宽的走道及实验室隔墙。 [10]

实验室的模数主要取决于实验人员活动空间与设备管网的合理组织。本文综合国内外实验室的开间和进深数据，总结出较为合适的实验室模数（表1）。在实际应用中，实验室可根据平面的灵活排布，如是否设置中庭、交流空间等情况，进一步调整各开间和进深的尺寸，并根据设备管线的布置及平面形式的选择，调整层高和走廊的宽度。 [11]

2.2 实验室的双向模块

双向实验室模块的进深采用宽度模数的两倍，确保工作台能在任意方向上进行组织。与基本模块相比，双向实验室模块的空间使用更加方便，有利于不同长度工作台的排列。在双向模块化的组合设计中，建筑的结构体系、设备、水电、通风、空调、网络等也应呈单元化设计布局，类似于路易斯·康在萨尔克生物研究中心中运用的“服务与被服务”理念，将服务空间进行单元化组合定型，确保被服务的主要功能空间的完整性与高效性（图5）。 [12]

5 双向实验室平面模块示意图

2.3 实验室的竖向布局

实验室的竖向模块指在确定一个基本或双向实验室模块的基础上，对所有竖向升起部分进行协调（包括楼梯、电梯、卫生间、公用管道竖井等空间），在此基础上，机械、电气、管道系统等置于顶棚并结合走廊布置，结构应选择合理的柱网。三维立体化的模块设计使空间的分隔更加独立、灵活（图6）。

6 竖向实验室模块示意图

1）竖向交通——外部入口与洁污流线的组织。对实验室建筑流线与出入口的合理组织是洁污分流的重点，宜分为主要人员出入口，供应货物出入口，污物、危险药品及废品出入口。入口之间宜设置合适的距离，避免互相影响。此外，建筑的内部空间流线也应进行相应组织，洁污分区对应竖向交通布置，保障空间的完整性，促进科研实验活动的高效进行。

2）竖向设备——实验室设备管井模块化布局。通风对于化学实验室和生物医药实验室来说十分重要，通风系统应与实验室紧密结合。设计需要妥善解决管网与结构体系的关系，并与平面模块配合布置，以便后期能够对管网进行可持续改造。竖向通风的管道井的布局类型包括管廊式、分散式和集中式。其中，分散式竖向管井能够适应大型实验室，是一种最经济的布局类型，不仅能缩短管道的水平服务距离，增加房间净高，还能独立运作，便于维修，适应实验室越来越高的卫生要求，但是建筑平面布置不宜变动。集中式管井的设备空间相对较小，对于工艺和平面布置来说，具有高度灵活性。 [9]

3 模块化可生长实验室的设计实践

在专项学科高速发展的时代背景下，实验空间的集群化配置趋势日益明显，这也成为实现科研活动高效、集约的重要策略。灵活性、最大化是实验室建筑设计关注的重点，包括便于扩建、迅速适应重组及允许承载多功能等能力。因此，设计要考虑实验室在未来发展中的内部空间灵活性与实验室集群的可生长趋势。设计者对于实验室建筑灵活性的考虑，不应局限于确保灵活性的单一标准开间设计，还应该将其发展到单元、建筑、规划中，并且从工作单元到开间进深，从结构到装修，从个体建筑到总平面规划，都可以参考模数网格的设计方法，以最大限度地表达建筑集群的灵活性与适应性。在深圳医学科学院及其实验基地方案中，从实验室模块到实验室单元组合，再到实验室组团的组合，笔者团队对实验室模块化可生长的设计策略进行了多种尝试（图7）。

7 深圳医学科学院及其实验基地方案效果图

3.1 实验室模块的形成

为了满足实验室在时间与空间上的变化需求，提升空间的灵活性，深圳医学科学院及其实验基地以3.3 m×3.3 m的规格为一个模数块，并以9.9 m×9.9 m的规格为一个标准的平面模块，以此为基础进行合理范围内的调整，实现内部平面功能的合理性及模块组合单元的灵活性。

深圳医学科学院及其实验基地的实验室模块设计以两跨为一个标准单元，面积适中，可在横向上拓展为大型实验空间，且拓展后的实验空间配套设施不受影响，满足单独控制的需求。同时，设计集中设置特殊实验室，明确区分实验工作区域与公共服务区域，并灵活布局科研办公空间。

3.2 实验室模块单元的形成

1）实验室标准层模块。在9.9 m轴距的基础柱网中，设计确定了服务功能模块的位置，灵活布置实验室模块、办公模块等，形成三种多层实验楼的标准层模块单元和两种高层实验楼的标准层模块单元。其中，实验室模块单元可根据需要灵活调整为大空间的科研实验单元和小空间的教学实验单元（图8）。

8 实验室模块单元的形成

两条走廊之间的服务空间主要包括卫生间、竖向交通、设备管井及一些有特殊要求的实验室、仪器库房等，旨在打造一个集约、高效的固定服务组团。平面外侧主要布置一些通用实验室模块、研究室、办公室等辅助模块，根据不同的使用需求，可以在确保竖向管井位置不变的情况下灵活调整其实验空间，实现平面的自由划分与后续使用的可持续改造。

2）实验室模块化单元的组合。综合考量实验室工作空间需求、设备与管井尺寸的预留空间等问题后，深圳医学科学院及其实验基地以模块化方式组合成五种不同的实验室单体（图9、图10），并灵活组合为五种形态各异的实验室组团，创造出丰富多样、尺度宜人的室内外建筑空间。

9 实验室模块单元的组合

10 深圳医学科学院及其实验基地方案室外活动空间效果图

3.3 实验室组团的空间组织

深圳医学科学院实验室集群由形象突出、模块化构成感较强的单体组合而成，与场地结合紧密。实验室集群布局的设计考虑了现在和未来科研空间的发展，建筑各自独立分区且注重彼此的协作联系。单元式的布局形式充分考虑通用实验室及特殊实验室的空间需求，通过模块单元组合的方式，让实验室具有更高的适应性及可生长性，使实验室建筑的内外空间迅速跟上迭代的新要求（图11）。

11 实验室组团的空间组织

在总平面布局中，深圳医学科学院及其实验基地充分考虑可生长性的设计策略，在时间与空间上留有余地，促使实验室建筑集群在适应发展的过程中，协调模数，并调整为所要求的布局形式。在建筑群的空间组织中，设计采用院落围合、街巷交通的方式，在适应不同实验室功能要求的前提下，形成宜人的院落街巷空间。同时，基地预留一定面积的发展空地作为实验室建筑集群有机生长的空间。

2）实验组团间采用廊道串联，打造立体交通。实验室组团间的联系是跨学科实验室沟通的重要环节。设计团队在东西向轴线上将由两条廊道围合出的中心——绿谷作为建筑集群的核心，并在廊道的南、北两侧分别布置相应的实验室模块化组团，形成既互相独立，又高效联系的实验室建筑布局。这个交通廊道结合平台节点空间，在线性空间上进行收放渗透，形成立体交通，并呈现自内向外生长的趋势。

3.4 辅助模块的植入布局

在建筑集群的整体布局中，除了考虑专门用于科研实验的研究类功能外，面对新时代更加丰富的休闲交流及文化传播需求，集群的设计要更加关注社群化趋势，增加生活配套、会议研讨、展览宣传等功能。

深圳医学科学院及其实验基地涵盖不同属性的教学与科研实验模块、通用科研模块、住宿接待模块、会议展览模块、餐饮服务模块、集中办公模块及休闲交流模块。各组团严格按照模块化的基础进行设计，相互独立又紧密联系。在场地的总体布局中，设计以3～4个建筑单体组合形成建筑组团，作为主干轴线南、北两侧的主要分支，并在轴线——绿谷系统内植入体量较小的辅助交流模块，以增加场地内的空间层次。在建筑层面，设计丰富了场地的空间多样性；在功能层面，设计丰富了科研人员的交流、休闲需求，形成了活跃的空间界面和开放空间（图12）。

12 辅助模块的植入布局

4 结语

实验室作为高等教育与科研活动的载体，其承载的意义和重要性是不言而喻的。本文认为标准化、模块化、集成化的实验室将成为未来实验室设计的主要趋势，也是整合实验类建筑内部功能空间、提高科研活动效率、打造灵活性空间、方便建筑建设施工的重要途径。在此基础上，本文提出了实验室建筑单元模数制、功能模块化、组团生长性的设计策略，并应用于深圳医学科学院及其实验基地的设计实践，希望能够紧跟技术进步与科研需求，通过创新的设计理念，打造更加开放、灵活、高效、安全的实验室类建筑集群，为实验室类建筑设计的不断迭代进步提供参考。

实验室科学

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全部回复（1 ）

只看楼主我来说两句 抢板凳

加倍努力沙发

学习了模块化可生长的实验室布局探析——以深圳医学科学院及其实验基地方案为例，多谢了。

2024-04-16 08:52:16
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