現(xiàn)代實驗室建筑設(shè)計方法探討

王方明

【摘要】科教興國、科教強國理念不斷深入貫徹落實，國家對于科學(xué)技術(shù)發(fā)展以及科學(xué)研究工作加大的投入力度，并持續(xù)提升了科研基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)力度。實驗室建筑設(shè)計具有專業(yè)性強、功能多樣化、技術(shù)復(fù)雜化等特點。本文主要分析了現(xiàn)代實驗室設(shè)計原則、設(shè)計前提條件，并針對性研究了現(xiàn)代實驗室有效建筑設(shè)計方法。

【關(guān)鍵詞】現(xiàn)代實驗室;建筑設(shè)計;方法

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.06.

引言：

隨著現(xiàn)代化科技的不斷創(chuàng)新，我國開展高尖端技術(shù)實驗越來越多，高校的大型實驗室已經(jīng)無法滿足先進的科學(xué)實驗要求，因此國家加大了對現(xiàn)代化大型實驗室的建設(shè)投入力度。在現(xiàn)代實驗室建筑設(shè)計工作當(dāng)中，需要科學(xué)全面的規(guī)劃出新的實驗室平臺，把現(xiàn)有資源充分應(yīng)用起來，實現(xiàn)實驗室規(guī)范化的設(shè)計和建設(shè)，滿足現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展需求。

1、實驗室建筑設(shè)計基本原則分析

1.1高效性

實驗室建筑設(shè)計需要遵守高效性原則，有效的應(yīng)用先進的手段，節(jié)省資源消耗，盡可能的應(yīng)用較少的建筑材料獲得更加良好的設(shè)計效果，提升發(fā)展效益[1]。高效性原則還體現(xiàn)在建筑空間設(shè)計組織方面，設(shè)計人員需要有效地利用實驗室內(nèi)空間，不僅僅指平面空間，還包括了立體空間。深入挖掘三項度空間，提升設(shè)計效率。

1.2集約化

目前高等院校土地資源相對來說比較寬松，但是在土地應(yīng)用過程中也需要把土地資源充分、合理的應(yīng)用起來，提升用地空間的開發(fā)力度。在這里集約化體現(xiàn)在兩個方面。第一，在建筑空間設(shè)計當(dāng)中，盡可能地采用更加輕薄的新型節(jié)能環(huán)保建筑材料，減少建筑面積的占用，同時也能夠?qū)崿F(xiàn)技術(shù)的創(chuàng)新，實現(xiàn)能源集約化利用。第二，大型實驗室功能配置的集約化。同類實驗室或相近功能實驗室所需要的設(shè)備用房、試液制備、廢液處理等功能空間，可綜合考慮，集中設(shè)置。

1.3適宜性

實驗室建筑設(shè)計一定要適合科研空間建設(shè)客觀條件，比如土地和資金等要求，根據(jù)高校建設(shè)地區(qū)的地形、地貌特征進行設(shè)計，同時也需要符合區(qū)域文化特色需求。

1.4循環(huán)利用

建筑設(shè)計的循環(huán)利用指的是再利用和再循環(huán)兩個方面。再利用是確保建筑產(chǎn)品以及建筑形式能夠多次利用，既能夠?qū)υ缙诮ㄖM行改造利用，同時也能夠重復(fù)利用建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件、照明設(shè)施、管道設(shè)施、各類設(shè)備設(shè)施等。再循環(huán)指的是在建筑產(chǎn)品完成使用功能之后，通過一定的加工處理確?？梢栽俅卫?，成為可再次利用的資源。設(shè)計人員在設(shè)計當(dāng)中，需要嚴(yán)格遵守循環(huán)利用原則，提升設(shè)計效果。

1.5綠色環(huán)保

在建筑設(shè)計當(dāng)中工作人員需要注重對能耗的控制、排廢排污的治理。首先建筑設(shè)計方面需要首先采取被動節(jié)能方式降低能耗，在建筑全生命周期過程中，需要考慮能耗使用和碳排放量。鼓勵使用可再生資源、新型技術(shù)。同時作為實驗室建筑本身的特殊性，決定了實驗廢水、廢液、廢料的必然性。排污排廢的治理策略，需作為實驗室設(shè)計的重點環(huán)節(jié)。

2、實驗室創(chuàng)新設(shè)計理念和方法

實驗室建筑設(shè)計具有較久遠(yuǎn)的發(fā)展歷程，在1965年初次提出了服務(wù)與被服務(wù)的空間設(shè)計理念，實驗室建筑設(shè)計跟普通的住宅設(shè)計和辦公建筑設(shè)計有十分明顯的區(qū)別。實驗室建筑包含有十分復(fù)雜的機電設(shè)備管線風(fēng)道。為了能夠設(shè)計出更加完整、布局靈活的實驗室空間，在實驗室設(shè)計中選擇使用了二元空間關(guān)系設(shè)計方法。服務(wù)空間設(shè)計為空心柱形狀，其中包含有樓梯、電梯和管道等輔助功能。公共性服務(wù)空間包含有實驗室，公共空間等功能。服務(wù)空間可以在建筑設(shè)計中單獨出來，這樣服務(wù)空間設(shè)計更加靈活[2]。這種設(shè)計手段既能夠優(yōu)化建筑空間設(shè)計秩序，同時也為后期實驗室空間變化升級提供可能性。

隨著現(xiàn)代化建筑設(shè)計理念的不斷創(chuàng)新，實驗室建筑空間設(shè)計逐漸更具有開放性和共享性。開放性實驗室與封閉式實驗室相比，更加強調(diào)了工作的獨立性，提升了管理工作的便利性，能夠更加包容和靈活，更加適合現(xiàn)代化科學(xué)研究工作的開展。在開放性建筑實驗室設(shè)計當(dāng)中，極大的提升了實驗室設(shè)計本身的分享性，在后續(xù)使用過程中，研究人員可以分享實驗設(shè)備、實驗工作臺和助手等，有效提升了工作效率和工作質(zhì)量。設(shè)計人員在工作當(dāng)中想要提升實驗室建筑設(shè)計的開放性，可以采用中庭空間元素強化空間設(shè)計的綜合性、開放性和共享性。中庭空間元素類似于酒店建筑的大堂、休閑會客區(qū)等，能夠為研究人員提供閱覽區(qū)域和健身活動區(qū)域，幫助研發(fā)人員緩解工作壓力，提升研發(fā)人員在實驗室當(dāng)中的歸屬感和群體感。在實驗室設(shè)計當(dāng)中還可以適當(dāng)添加藝術(shù)品裝飾，通過完善室內(nèi)陳設(shè)來給實驗室建筑增加人文藝術(shù)氣息。

3、實驗室建筑設(shè)計前提條件

3.1科學(xué)規(guī)劃實驗室的建設(shè)

實驗室能夠提供科學(xué)研究和人才培養(yǎng)服務(wù)，因此實驗室建設(shè)需要明確發(fā)展方向、專業(yè)設(shè)置、學(xué)科建設(shè)、科研方向等，綜合性考慮經(jīng)費投入、隊伍建設(shè)、實驗建設(shè)場地以及國內(nèi)外同類實驗室建設(shè)技術(shù)水平，這樣才能夠具備更加合理的規(guī)劃設(shè)計方案，為接下來實驗室建筑設(shè)計工作開展打下良好的基礎(chǔ)。

3.2針對實驗室建設(shè)進行準(zhǔn)確定位

實驗室建設(shè)需要以實驗室自身功能性作為目標(biāo)，做好實驗室的準(zhǔn)確定位，這是優(yōu)化實驗室建設(shè)規(guī)劃設(shè)計工作的前提條件。進行實驗室定位，需要根據(jù)學(xué)科發(fā)展目標(biāo)、專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)以及科研工作開展需求為主，綜合性的分析實驗室的功能、目標(biāo)和空間容量，確保把有限的資源最大化發(fā)揮出來，并在設(shè)計工作當(dāng)中嚴(yán)格遵守行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)安全規(guī)范要求。

3.3提前做好前期的調(diào)研工作

實驗室建筑設(shè)計工作開展，需要滿足使用單位的建設(shè)需求，在建筑設(shè)計工作開展之前，做好使用單位調(diào)研工作，針對性進行設(shè)計問卷調(diào)查工作，要確保調(diào)研問卷內(nèi)容簡單明了，反饋得到的數(shù)據(jù)信息能夠為實驗室建筑設(shè)計工作開展提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)[3]。要求使用單位需要認(rèn)真的填寫調(diào)查問卷，對于不清楚的問題需要及時地跟相關(guān)部門進行溝通交流，針對調(diào)研問卷當(dāng)中并沒有涉及到的特殊問題進行明確研究，隨時掌握實驗室建筑設(shè)計情況。gzslib202204031511

3.4滿足實驗室建設(shè)的基本條件

實驗室建筑設(shè)計屬于系統(tǒng)性工作，需要同時掌握資金、管理人員、土地資源等基本條件的情況，科學(xué)合理的統(tǒng)籌好各個新建建筑單位的資金和管理人員的配置，才能夠真正提升現(xiàn)代實驗室建筑設(shè)計質(zhì)量。

4、現(xiàn)代化實驗室建筑設(shè)計有效措施

實驗室建筑空間包含實驗室、辦公室和實驗輔助用房等建筑區(qū)域，需要針對建筑區(qū)域的不同選擇不同的設(shè)計方法。

4.1直線型走廊設(shè)計

實驗室建筑設(shè)計選擇直線型走廊設(shè)計方案，能夠確保實驗室建筑內(nèi)部所有區(qū)域呈現(xiàn)出直線布置的方式，走廊主要位于整個設(shè)計平面的中部，貫穿整個實驗室空間，而走廊的兩側(cè)則可以布置上實驗室功能區(qū)域[4]。直線型走廊設(shè)計還可以根據(jù)走廊個數(shù)的不同，分成為單走廊和多走廊兩種方式。

單走廊直線布局占據(jù)面積更小，平面使用效率非常高。使用直線型單走廊時，所有用房均依靠外墻進行設(shè)計，能夠把自然采光和自然照明充分應(yīng)用起來，提升空間通風(fēng)性，幫助節(jié)約更多的資源。這種平面布局方式還能夠讓交通路線和參觀路線更加簡潔明了，提升了建筑設(shè)計的通透性。但是直線型單走廊設(shè)計也存在弊端，走廊需要科研人員、實驗室材料以及實驗室廢棄物共同使用，有可能會存在流線交叉的情況。距離較長的走廊還會使人們在其中感受到壓力，影響了使用效果。

為了能夠有效克服上述直線型單走廊設(shè)計存在的缺點，還可以進行多平行走廊設(shè)計，這種布局方式能夠有效地避免在設(shè)計中出現(xiàn)形體系數(shù)大、流線交叉的問題。直線型多走廊設(shè)計同樣擁有良好的通風(fēng)采光效果。同時，遠(yuǎn)離外墻的內(nèi)部區(qū)域，可以更好地控制室內(nèi)的溫濕度環(huán)境而不受自然環(huán)境氣候的影響，滿足實驗室設(shè)計需求。多條走廊可以分散不同的流線，避免出現(xiàn)在實驗室中出現(xiàn)流線交叉的情況。多走廊與單走廊平面設(shè)計相比，占據(jù)建筑體型系數(shù)更小，有利于建筑的環(huán)保節(jié)能設(shè)計目標(biāo)達成。

4.2內(nèi)部環(huán)狀走廊設(shè)計

實驗室內(nèi)部環(huán)狀走廊設(shè)計，主要位于建筑中部，走廊平面由靠近外墻的區(qū)域、內(nèi)部環(huán)形走廊以及中部區(qū)域共同組合而成[5]。在內(nèi)部環(huán)狀走廊設(shè)計當(dāng)中，需要劃分出不同的設(shè)計區(qū)域，并確保各個區(qū)域相互之間連通。跟直線型走廊設(shè)計相比，建筑內(nèi)部環(huán)狀走廊設(shè)計占據(jù)的建筑體積系數(shù)更小，在相同的建筑面積下，空間利用更有效。這種平面布局形式的可塑性更強，可以在其中增加綠化造型和生態(tài)中庭等元素的應(yīng)用，打造出舒適度及親切度更高的實驗室場所。內(nèi)部環(huán)狀走廊設(shè)計的中間區(qū)域相對來說更加獨立，可以設(shè)置有特殊要求的實驗室，防護等級高、有屏蔽需要的實驗室均可設(shè)置在此區(qū)域。內(nèi)部環(huán)狀走廊設(shè)計也有一定的缺點，較大的進深會影響室內(nèi)空氣流動性，需要配置較高的空調(diào)通風(fēng)負(fù)荷來提升室內(nèi)空氣的流動性，產(chǎn)生的能耗比較高。內(nèi)部區(qū)域的采光性不能保證，需要通過設(shè)計內(nèi)庭來進行解決，而內(nèi)部庭院設(shè)置則會相對應(yīng)的降低平面使用效率。

4.3外周環(huán)狀走廊設(shè)計

外周環(huán)狀走廊位于實驗室設(shè)計的外周，可以利用一部分或者是全部的建筑外墻作為走廊的外墻[6]。外周環(huán)狀走廊設(shè)計具備更加良好的采光和通風(fēng)效果，能夠為實驗室工作人員營造出更加明快清新的工作環(huán)境?？蒲腥藛T在外周走廊針對實驗室進行參觀時，也不會對實驗室本身的工作開展產(chǎn)生影響。外周走廊設(shè)置在內(nèi)部實驗室區(qū)外圍，更加有效地幫助實驗室控制好溫濕度環(huán)境，這種設(shè)計對溫濕度要求較高的實驗室較為友好。這種平面布置方式的缺點在于，容易造成流線交叉。同時，除實驗室外的其余功能房間，難以獲得自然采光和通風(fēng)。

4.4空間分隔設(shè)計

實驗室建筑設(shè)計需要保證把建筑空間的基本功能發(fā)揮出來，做好功能空間的分隔設(shè)計[6]。有些實驗空間對于潔凈度要求非常高，需要設(shè)置空調(diào)或者是機械通風(fēng)系統(tǒng)。某些實驗空間的地面荷載量需求非常大，需要具備較高的裝修質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。把實驗室進行集中設(shè)計，能夠組成統(tǒng)一的實驗室區(qū)域，合理規(guī)劃配置，更加體現(xiàn)了集約化的新型實驗室的特點。

實驗室操作經(jīng)常會產(chǎn)生氣味或者是聲響，并且實驗室當(dāng)中具有較多的儀器設(shè)備，內(nèi)部環(huán)境比較雜亂。長期處于這樣的環(huán)境中，很容易讓工作人員產(chǎn)生煩躁不安的情緒，嚴(yán)重影響工作人員的身體健康。同時，研究人員在實驗過程中需要查閱大量的資料，整理繁雜的數(shù)據(jù)信息，因此在寫字臺周邊需要保證安靜的工作環(huán)境。在實驗室設(shè)計當(dāng)中，為了能夠有效提升科研工作人員的工作效率，滿足科研人員在實驗過程中的生理需求和心理需求，提升功能空間風(fēng)格設(shè)計的合理性，需要合理規(guī)劃實驗空間及辦公休息空間。既要做到互不干擾，又要做到方便通達。在空間設(shè)計時，可以在實驗室單元空間之外另外設(shè)置研究辦公區(qū)域?？梢允褂貌ＡЦ魯鄧煞忾]或者是半封閉空間，這種方式既能夠產(chǎn)生領(lǐng)域感，同時也能夠幫助工作人員保證穩(wěn)定平靜的心態(tài)。

隨著現(xiàn)代化科技的不斷創(chuàng)新發(fā)展，實驗室建筑空間需要有利于不同學(xué)科專業(yè)之間的聯(lián)系和交融，具有更加開放性特點的實驗室空間，能夠把個實驗區(qū)域相互連通，加強相互之間的聯(lián)系，也能夠提升安全感，保證相對獨立性。

4.5室內(nèi)外空間環(huán)境設(shè)計要相互呼應(yīng)

實驗室室內(nèi)空間和室外空間屬于連續(xù)性的整體，二者共同構(gòu)成了統(tǒng)一的建筑空間環(huán)境[7]。建筑是構(gòu)成整體環(huán)境的重要主體，外部空間則是構(gòu)成整體環(huán)境的主要基調(diào)。只有室內(nèi)外空間環(huán)境相互和諧地融合在一起，才能夠優(yōu)化實驗室建筑設(shè)計質(zhì)量。科研人員在實驗室建筑設(shè)計當(dāng)中主要從事思維勞作，長期處于單一的固定空間當(dāng)中，很容易產(chǎn)生枯燥厭倦的情緒，科研人員的思維也會逐漸變得遲鈍。在實驗室設(shè)計當(dāng)中需要考慮科研人員的工作壓力，充分考慮休憩空間，加強室內(nèi)外空間環(huán)境的融合。把室外的優(yōu)美自然環(huán)境通過玻璃窗戶、開敞庭院、陽臺、景觀平臺等灰空間引入到室內(nèi)，讓科研人員能夠在工作間隙看到美麗的室外風(fēng)景，幫助工作人員及時調(diào)整工作心態(tài)，消除疲勞感。

4.6動態(tài)空間設(shè)計中創(chuàng)造出靜態(tài)空間設(shè)計

在現(xiàn)代化建筑設(shè)計當(dāng)中越來越重視建筑整體空間環(huán)境的創(chuàng)造，現(xiàn)代實驗室建筑設(shè)計也需要積極創(chuàng)新設(shè)計理念，為實驗室建筑設(shè)計增添新意[8]。在走廊和門廳等動態(tài)空間設(shè)計當(dāng)中，需要增加交往空間設(shè)計，滿足日常交往行為和休息行為的要求，及時補充實驗室的功能空缺。在動態(tài)空間當(dāng)中能夠讓科研人員進行信息交流，幫助科研人員轉(zhuǎn)換心理機制。設(shè)計人員在實驗室建筑設(shè)計當(dāng)中，可以利用地面設(shè)計、標(biāo)高設(shè)計、建筑小品、盆景綠化等設(shè)計方案，營造出更加生機盎然的空間環(huán)境，讓科研人員能夠在此處進行安靜的交談和休息。例如在美國的卡布里奇科學(xué)院實驗室設(shè)計當(dāng)中，就優(yōu)化了景觀大廳設(shè)計，在其中栽培了更多的綠植，既能夠調(diào)整人們的心緒和情感，幫助科研人員緩解緊張煩躁的情緒。同時也設(shè)計出了半封閉建筑空間，為科研人員提供了休閑娛樂的空間環(huán)境。gzslib202204031511

4.7節(jié)能設(shè)計

實驗室建筑產(chǎn)生的能耗非常大，相比于辦公類建筑來說能耗高達10倍以上[9]。實驗室建筑主要的能耗來源于設(shè)備散熱、室內(nèi)換氣以及設(shè)備排風(fēng)的，因此在實驗室建筑設(shè)計當(dāng)中，需要更加注重綠色節(jié)能設(shè)計，促進實驗室建筑朝著更加綠色環(huán)保的方向發(fā)展?，F(xiàn)代實驗室建筑工藝設(shè)計可以把安裝有精密空間的實驗室，朝北進行布置，減少光照對試驗器具的損傷，有效滿足環(huán)境需求，做到被動節(jié)能。把具有潔凈設(shè)計要求的實驗室，設(shè)置在內(nèi)部區(qū)域當(dāng)中，免受外部氣候環(huán)境變化影響，幫助減少能源消耗。除了設(shè)計內(nèi)容之外，從材料、設(shè)備的應(yīng)用也需要達到節(jié)能性設(shè)計要求。比如在設(shè)計當(dāng)中使用節(jié)能環(huán)保的建筑材料，應(yīng)用廢水收集、雨水收集等設(shè)備，盡量使用可再生能源、能源回收再利用等手段幫助降低運行能耗。根據(jù)耗電設(shè)備的特點科學(xué)合理的選擇用電系數(shù)，并優(yōu)化配電設(shè)施的選擇，減少能源消耗。

結(jié)語：

實驗室建筑屬于科研工作開展的重要場所，在現(xiàn)代化實驗室建筑設(shè)計當(dāng)中，既需要承襲傳統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中的優(yōu)勢，同時也需要滲透新的設(shè)計理念和設(shè)計技術(shù)，設(shè)計出更加人性化、開放化、節(jié)能化的實驗室建筑。設(shè)計人員需要充分了解實驗室日?？蒲谢顒娱_展特征，設(shè)計出更加超前性的實驗室建筑，提升科研工作開展質(zhì)量。

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