高校土木學科實驗室建筑設計策略研究

蔡偉華

（佛山科學技術學院交通與土木建筑學院 廣東·佛山 528000）

0 引言

土木工程是建造各類工程設施的科學技術的統稱，既指代所應用的材料、設備和所進行的勘探、設計、施工、保養、維修等技術活動，也指代工程建設的對象。高校開設此門學科的最終目的在于創造出人類生產生活所需的、具備良好功能以及舒適感十足的空間和通道，同時涉及物質、精神兩個方面的需求。為了使土木學科學生在校期間能夠更好地參與實驗研究，高校土木學科實驗室建筑設計需進行創新，幫助更多的學生良好的成長。

1 高校土木學科實驗室建筑存在的問題簡析

1.1 實驗室建筑與教學科研建筑之間的“呼應程度”不足

由于眾所周知的原因，我國社會在一段時間內陷入動亂，高校科研體系受到了巨大影響。直至20世紀80年代初期，高校的“科研”職能才逐漸恢復。彼時，高校科研領域處于百廢待興的狀態，為了集中有限的資源，盡快取得成果，很多高校將很多屬性相近學科的教學與實驗空間集中在同一個場所，多個專業共用一個實驗室的現象并不罕見。在隨后的一段時間內，很多大學在擴大規模的過程中也沿用了此種模式。應該說，受歷史因素的影響，高校不同專業實驗室“共用”這種組織模式在客觀關上起到了互相促進教學、協同發展的作用。但時至今日，由于綜合國力的提升以及高校發展建設的新需要，傳統的實驗室設計建造模式已經不再適用。以土木學科為例，實驗室建筑與教學科研建筑之間已經呈現出較為明顯的“呼應程度不足”問題。具體而言：第一，部分高校在擴大規模的過程中，新舊兩個校區的選址之間相隔甚遠。實際上，造成此種問題的原因并不在于高校，更多與市政建設總體規劃有關。比如我國河南省鄭州市，新的大學城坐落于龍澤湖大學城，屬于鄭州新區，很多大學的新校區均選在此處；而老校區則分散坐落于城市的不同地區。如此一來，大學的教學科研主樓可能位于新校區，實驗室短期內無法全部搬到新校區，不僅不利于實驗室教學與專業教學之間的相互促進，不同教學專業在設備及其他教學資源共用方面均產生了極大的問題。第二，一些高校在規劃新校區時，盡管將實驗室和對應專業的教學樓規劃在地理位置相近的區域，但并未預留足夠的空間。由此導致的后果是，當該類高校的生源急劇增多時，原有的實驗室和專業教學資源（如小體量的建筑教學空間）難以承擔繁重的教學任務，致使排課工作無法進行，嚴重影響教學進度。

1.2 實驗室并未適應土木學科發展創新的實驗要求

1.2.1 實驗工藝較為單一

目前，我國高校土木學科的理論研究與有關科學技術的構建已經趨于完善，土木工程結構體系已經朝著更加復雜的方向而發展。高校土木科研人員若要取得新的研究成果，僅僅靠重復傳統的土木工程實驗幾乎無法獲得任何新的信息，只能依靠結構試驗和計算機軟件進行模擬實驗。因此，高校土木學科實驗室在設計建造師，必須圍繞“結構試驗”和“計算機模擬”兩項重要因素進行系統性的考量。前者是指對某種特定的環境進行模擬，為科研人員營造出較為理想的土木作業環境；后者主要通過仿真實驗，對一種解決實際問題的理論的可行性進行驗證。令人遺憾的是，當前，我國高校土木學科實驗室在技術工藝方面較為單一，無法滿足科研人員的很多需求。

1.2.2 實驗室在試驗強度方面的可提升性相對較差

土木學科注重研究建筑工程。在很多情況下，開展相關試驗時不僅需要實驗室提供充足的空間，實驗室的其他硬性條件也需要足以承載實驗的強度。具體而言，土木學科實驗室建筑在結構、抗震等級等方面不能以常規建筑為標準，而是應該以特殊類型建筑為標準。比如西南交通大學土木系下屬道路與鐵道專業的某個實驗室，在進行強度實驗時，由于實驗室建筑本身的強度不足，導致實驗室地面開裂，致使實驗被迫中止。設計人員需要吸取教訓，在日后進行實驗室設計建造時，需要在強度本身和強度可提升空間方面做文章，以應對后續的使用要求。

1.2.3 實驗室的科研空間靈活度不足

土木工程科學的發展具備一定的不可預測性，故科研空間設置方面需留有一定的靈活性。如上文所述，實驗室結構強度即為其中一項需要重點考慮的內容。不僅如此，在設計者可預見的范圍內，實驗室的任何設計均應留有一定的余地，目的在于，當實驗室在后續使用過程中需要進行改造時，無須“傷筋動骨”，即可以最少的工程量完成改造建設。

1.2.4 實驗室缺乏足夠的交流活動空間

科研工作需要務實、刻苦鉆研等精神，但在大多數情況下，靈感產生于廣泛的交流。目前，我國搞下土木學科實驗室并未給科研人員留下足夠的交流空間，導致不同科研團隊之間互相借鑒的機會較少。

1.3 實驗室外部空間營造與校園整體環境之間的協調性不足

近年來，我國高校加大了對土木學科實驗室建設的資金投入力度，使得很多新型實驗室在構造、功能等方面能夠全面滿足科研人員的需求。但在“資金”的支持下，一個新的問題隨之產生——實驗室的外形設計與外部空間營造與高校整體環境之間存在“匹配度”不足的問題。此外，在一些學校中，實驗室建設完畢支護，大量工程廢料隨意丟棄在實驗室周圍，不僅影響師生的正常通行，還嚴重破壞了校園的整體美感。

2 高校土木學科實驗室建筑設計具體策略分析

2.1 基于角色定位的土木學科實驗室建筑設計總體布局

若要提高高校土木學科實驗室建筑設計質量，設計人員需從整體角度出發，圍繞土木學科的常規教學需要與實驗室的功能性需求進行布局，避免出現資源分配有失公允等問題。具體而言，設計人員需明確高校土木學科教學模塊組成方式，以此為基礎對教學樓和實驗室進行設計。以我國南方某知名高校土木學科為例，該校土木系本科生實驗教學模塊構成如下：第一，工程專題實驗，分為課內和課外兩個部分，前者包含市政工程、管理實驗、施工實訓、結構試驗四個部分；護著包含實際參與土木工程科研項目一個環節。第二，工程基礎實驗，同樣分為課內課外兩個部分，前者分為結構原理試驗、土力學實驗、水力學實驗、工程材料實驗四個部分，后者包含結構創新實驗一個部分。第三，基礎力學實驗分為工程土力學實驗以及各類結構競賽共兩大組成部分。當設計人員明確高校土木學科實驗教學模塊構成方式之后，為了盡量滿足不同年級、同一學院（系）下不同專業的教學需求與實驗目的（如本科生尚未進入“科研”階段，只是通過模擬已經經過反復驗證的實驗增加自身的經驗；而碩士、博士研究生除了基礎學習之外，還需根據導師給出的要求，進行探索性實驗，目的在于驗證一種新的理論假說是否具備可行性等），設計人員需要對實驗室進行“區別處理”，使不同需求者均能可通過實驗室學習過程獲得收益。

2.2 基于實驗工藝的單體建筑設計

2.2.1 工藝需求

高校土木學科的日常研究主要圍繞科學研究性實驗而展開，如上文所述，碩士、博士研究生的日常工作即為在實驗室內驗證多種架設是否正確。為了防止實驗室建筑本身的原因導致實驗結果出現偏差，土木學科的實驗室建設需要參照特殊工藝。首先，土木學科實驗室的設備體積很大、荷載較重，進出實驗室的過程完全無法依靠人力搬運，需借助起吊設備。因此，實驗室的空間必須得到保證，實驗室結構的整體承載力必須足夠。其次，在最大化利用有限資金的情況下，土木實驗室大廳必須同時具備跨度大、凈空高等特點。總之，寬敞、交通方便、承載力強是土木專業實驗室的基本設計工藝。

2.2.2 平面空間組合與試驗大廳

土木學科實驗室除了需要滿足實驗教學、科研方面的需求之外，還需在平面空間最優組合與試驗大廳兩個方面加以重視。平面空間組合。一棟完整的土木學科實驗室建筑的平面空間功能分布圖應該滿足如下標準：首先，實驗樓一側的核心區域用于實驗教學和科研，四周應環繞實驗教學樓入口、報告廳、管理中心、資料檔案庫、行政后勤管理部門、會議廳等；其次，實驗樓另一側應包含主次實驗大廳，主要用于開展結構試驗、環境模擬、試件處理等實驗活動，周圍應環繞數據采集中心、輔助設備室、試件儲存材料預制中心和廢渣廢氣廢物臨時存放區。最后，實驗樓內還應按照相應的安全標準，設置滅火系統、逃生通道等，以便在意外情況發生時，現場人員能夠迅速且安全撤離。

2.3 實驗室內外空間環境營造思路

重慶大學建筑學碩士研究員廖浩翔認為，構成土木學科“完整實驗室”的要素除了實驗樓本身之外，還應包含建筑外部的臨近空間。盡管該空間并未處于試驗活動的第一線，但教學功能卻在一定程度上得到了外延，故該空間可被視為試驗教學的“第二空間”。綜合而言，實驗室內外空間環境的營造思路應集中在：視野開闊、光照充足、交通便捷。在此基礎上，還應考慮天氣變化可能對試驗造成的影響。有效的解決方式為，在該段空間搭建頂棚，構成半封閉空間，可有效緩解全開放形式下的問題。

3 結語

綜合而言，高校土木學科實驗室的設計建設既是一個建筑問題，又是一個文化問題，設計人員需要考慮土木學科常規教學與科研教學的實際需求，圍繞多個環節詳細考量，從而設計出滿足多方需求的優質實驗室。