關于科研實驗建筑設計規范的思考

文／成宇 中國中元國際工程有限公司 北京 100089

引言：

科研實驗建筑是一種承擔科學實驗研究功能的建筑物，可以為科學實驗研究提供安全性高、穩定性強的環境，為多學科綜合實驗提供堅實的支撐。在相關規范表述中，科學實驗建筑被定義為包括實驗用房、公用設施、實驗輔助用房等用房種類的從事科學研究工作以及實驗工作的建筑。科研實驗建筑根據其使用需求的不同可分為兩類，第一類為專用實驗室，這類實驗室通常有恒溫恒濕、防電磁干擾、防輻射、防振性能好、潔凈無菌等使用需求，或者實驗室配備了諸如電子顯微鏡等大型、精密的實驗器材對實驗室環境要求較高；第二類為通用實驗室，這類實驗室適用于多學科的以實驗臺規模進行經常性科學研究和實驗工作的實驗室。

伴隨著經濟社會的飛速發展，科技發展日新月異，傳統的實驗室環境已經不能很好的滿足當下乃至未來一段時間內的科學研究工作的需求，并且在新的時代背景下，科學研究的發展也呈現出密集化、整體化的新趨勢。因此，在科學研究和實驗工作的新需求、新趨勢的要求下，我們必須對科研實驗建筑的設計進行深入思考，結合科研實驗工作的實際以及對科技發展的合理預期，探索出符合發展需要以及現實需求的科研實驗建筑設計規范，從而使建筑能夠為科學研究和實驗工作服務，提高大規模科研開發項目的組織協調的效率[1]。

1.科研實驗建筑規劃設計流程及策略

1.1 科研實驗建筑規劃設計流程

概括來說，科研實驗建筑的規劃流程包含6 大環節，分別為收集整理使用需求、實驗建筑建設目標的確定、實驗建筑建設選址、項目可行性論證、實驗建筑建設方案設計、審核報批。這六大環節作為一個有機的整體共同保證了科研實驗建筑的規劃、設計的科學性、有效性，為科研實驗建筑的順利建設以及投入使用之后使用需求的滿足打下堅實的基礎。

此外，隨著建筑行業的發展，新的建筑規劃理念在實踐中得到了充分的應用和發展，一座科研實驗建筑優秀與否不僅需要滿足現階段科研實驗團隊的實驗需求，更重要的在于科研實驗建筑能否為未來的科研發展提供充足的拓展空間，從而兼顧未來的科研實驗使用需求[2]。因此，在科研實驗建筑規劃設計的初始階段，建筑設計人員需要深入學科實驗實際，與科研工作人員進行充分的交流，了解建筑使用者的使用需求，并結合學科實驗要求進行綜合分析，在整體規劃范圍之內進行建筑項目選址，建筑設計人員進行方案涉及的過程中需要充分考慮并遵循實驗工藝流程，對實驗室需要配備的實驗裝置了然于心，確保科研實驗建筑設計能夠滿足實驗安全管理要求。在進行科研實驗建筑規劃設計時，需要對實驗廢棄物的存儲、處理、轉運進行統籌考慮，提高科研實驗建筑廢棄物智能化管理和綠色處理能力，實現科研實驗建筑的可持續發展。在科研實驗建筑的規劃設計過程中，以打造使用便利性高、功能及配套設施完善、維護管理水平現代化為主線，破除傳統實驗室設計中存在的區塊壁壘嚴重的弊端，以科學合理的科研實驗建筑設計促進科研人員交流，推動合作與創新。

1.2 科研實驗建筑設計策略

現代科研實驗建筑是具有實用功能的大樓,其創意設計最重要的目的是適應科研工作者的工作特點。這類建筑設計不同于地標式建筑設計。所以通常不要求將"地標性"或"象征性"當作建筑設計的重點,更多的是采用"理性設計"的建筑理念，即重視環境與功能的分析以及重視文化與理念的探求。

環境是指建筑物所在區域的周邊自然環境,建筑物必須與之協調發展、和睦共存。科研類建筑物通常設在工業園區或高校等特定環境中,在建筑總體布局方面需要特別重視周圍原有的自然環境,例如:建筑總圖關系、軸線關系以及建筑物的整體形態和色調都應當與周邊建筑物和環境和諧統一、不突兀。在功能用途方面,由于科研人員是科研建筑的最主要使用者,所以最主要的功能房間是供科學實驗所使用的實驗室、科研辦公研究室及輔助用房。其次,是促進各領域的科研工作者溝通交流、學習和協作的空間。

現代科研實驗建筑本身的特點一是用于科研的技術與創新，其形象應包容高新技術的特征，二是體現環境與文化建筑的內涵。科研建筑一般位于科技園區或高校校園內.所以應該根據建筑所處的環境,設計時應體現并尊重環境的文化氛圍等。建筑設計應體現現代建筑的簡潔實用，運用新的建筑技術，提供能夠滿足使用者要求的良好物質基礎與設施條件.創造良好的物質環境空間，如:合理的分區與布局、先進的技術設施、人性化的空間及令人愉悅的氛圍等。

現代科研建筑是提供現代科學研究的物質空間和設施基礎，其中實驗室部分是科研建筑的核心。如何保證科研建筑的合理、高效、適用、節能環保是技術設計階段主要解決的問題。現代科研實驗建筑設計除了具有一般辦公建筑的共性,還具有如下的特點:靈活的實驗空間設計、復雜的技術設計和人性化設計、綠色建筑設計。

2.科研實驗建筑規劃設計思考

2.1 建設選址科學集約，充分利用當地有利因素

科學合理的用地選擇是科研實驗建筑設計極其重要的基礎所在。科研實驗建筑選址時必須滿足當地城市規劃和區域規劃的需要,應利用已有地形地貌,構筑環境良好、配套設施完善的建筑群。

科研實驗的污廢物排放主要是指科研實驗產生的廢氣、廢液、固體廢棄物的排放。在建筑設計之初就要根據建筑所排放的污廢物成分進行分析，并采取相應的處理方式。在科研實驗建筑的規劃工作中首要考慮是建筑選址的風向問題，由于在實驗過程中會產生實驗廢氣，因此在建筑規劃工作中需要深入考察建筑選址的風向問題，為處理后實驗廢氣的安全排放打下基礎。在科研實驗建筑中進行實驗工作，產生的實驗廢水一旦反生泄露會對外界環境產生嚴重影響，應統一規劃,安全專門的廢水存儲設施和處理設施，并且預留好轉運通道,最大程度的避免廢水泄露。處理后的實驗廢水可以進行回收利用，科學實驗建筑也應該配備專用的排水管道用于處理后的廢水排放，避免與周邊居民區共用同一個排水系統。在進行科研實驗建筑設計時也需要全面考慮建筑所在區域的功能利用、通風、供水條件等,并預留未來的開發用地[3]。

2.2 合理設置平面布局和實驗工藝流線

在對科研實驗建筑的實驗室進行設計時,可以對實驗室的布局進行符合實際情況的空間安排，例如，將實驗室的空間按照使用需求和功能的不同劃分為多個實驗區，使實驗室內部的布局各自獨立又相輔相成。實驗室的平面布置應當符合科學易用特點,配備相應的實驗設備。科學規劃實驗室和科研實驗建筑整體的動線，將人流與物流動線相互分離，避免實驗品或實驗試劑等可能產生人身安全危害與環境污染的物品流動動線與人流動線相重合，降低碰擦產生污染等問題發生的可能。為了實現上述的設計目標，在科研實驗建筑的設計工作中可以從以下幾個方面進行。

有潔凈要求的實驗室的平面布局應該按照由潔至污的次序進行設計，且實驗室的整體布局需要與實驗室的整體流線相吻合。為了滿足實驗室的潔凈要求，可以將科研辦公區與實驗區相互分離獨立設置。科研辦公室可以安排在在靠近建筑景觀條件較良好的一側,并與實驗室相對隔離,既防止了與其他研究區域產生互擾,保證了科研辦公室的相對安全,也便于與其研究區域形成高效緊密的聯系，也滿足了實驗室潔污分離的要求[4]。

設置大空間通用實驗區，可由數個建筑面積較小的實驗模塊組成，可服務于小團隊或大型研究團隊。分區域設置特殊實驗室。可以在科研實驗建筑不同樓層的相同區域設計用于集中放置重型設備的場所，使在建筑物中工作的科研人員都可以就近、方便的使用到最先進的實驗設備。污染較大的化學實驗室及異味實驗室可以安排在頂樓，便于排風管道的設置。危險性較大的實驗室單獨設置在樓層角落，四周有墻體物理隔斷。多數潔凈室可以設置在建筑內側及北側， 確保通用實驗室獲得更多自然采光[5]。

2.3 實驗室模塊化配置力求靈活可變

在進行科研實驗建筑設計工作時，設計人員需要充分了解各個實驗室所涉及學科的實驗需求，按照學科類別的不同以及污染程度的高低對實驗室進行模塊化布置。例如，在對化學實驗室的設計中主要采取了普通實驗室配以輔助實驗室和配套空間的設計方式,以最大程度滿足應用要求,同時根據空氣污染程度的不同,在科研實驗建筑的化學實驗室與普通實驗室之間分別根據高、中、低污染實驗類型,配套以不同規模的通風設備與新風設備,實現了模塊化配置，根據科研實驗建筑通風的特性，在建筑構造細部設計上需要考慮相應的構造特點。例如:實驗室通風柜、藥品柜常年處于排風狀態，實驗室處于負壓環境；氣瓶間是用于儲存實驗氣體的空間，由于儲存危險氣體濃度宜超標，因此常設計為開敞陽臺或封閉陽臺增加外窗排氣設施。另外,還配備有專業實驗區,主要用以集中布置特殊設備,并分別配備了專用區域的中央空調設備,以適應特定設備的散熱、降溫等條件。輔助實驗區則主要用來規整實驗區的設施,并按照專業要求實行了多樣化選擇[6]。

在傳統的實驗室設計中，實驗室的供電及給排水管道均采取埋設于地面之下的設計思路，一旦在實驗室建成之后需要進行設施改造工作時，實驗室原有的管道就面臨著廢除不用的局面，新管道的鋪設又需要重新挖開地面進行埋設,這不僅造成了一定程度的資源及資金浪費且改建工作的工期也普便較長。因此，在新的科研實驗建筑的規劃設計中對科研實驗室的給水方式、強弱電管路布設均采取功能柱與上部連接的方法,這樣的管道架設方法既有利于在發生故障之后進行管路的檢修及時恢復實驗室正常工作秩序，減少實驗損失,并且在后期開展實驗室改建以及增加實驗裝置時也能解決相應的供水、排水、供電要求。而模塊型布局結合靈活多樣的供給體系使實驗室具有了靈活可變性,便于其在后期改建更新時重新組合供水系統和實驗臺設備。

2.4 實驗室規劃重視科技創新

科研實驗的宗旨是通過實踐進行創新，因此在科研實驗建筑的規劃設計中也要秉持創新理念開展設計工作，力求突出創新和科學,以形成富有設計感、衛生安全、節能環保、人性化、智能化的實驗室環境,讓建筑使用者在踏入科研實驗建筑的一瞬間,就可以體會到一個全新的科學感受[7]。

科研實驗建筑的設計工作也要在高度的人文關懷理念的指導下進行，在建筑設計中不僅需要考慮到建筑美學，更要在設計中體現出人文關懷，這就要求建筑設計人員結合實際，切近科研實驗工作，尋找科研實驗建筑中建筑美學與人文關懷的聯系，并且這兩者有機結合起來。

科研實驗建筑在設計中,要以滿足實驗使用需求為最基本的前提,以此為基礎在設計上強調設計美感,最大程度突出設計的現代風格,并充分利用建筑的各個位置,設計嵌入式社交場所[8]。在大樓內部結構,設計多樣的會議與互動空間,包括中庭、通道區、道路流線、研究區、可通達的實驗室空間等,創造出富有向心力和活力的交流氛圍。

科研實驗建筑的現代化、科技化已經成為當前科研實驗建筑發展潮流和必然趨勢,建設現代化的實驗室將能為廣大科學工作者創造優越的科研工作環境,并助力于培育先進的科技人才、生產前沿的科學成果。科研實驗建筑的智慧管理體系的構建可以從以下幾個方面實施，其一，智能化實驗室管理,如實驗室入口身份認證系統、物品存放柜智能識別系統等；其二，自動化的建筑環境監測及報警系統，通過布置多種傳感器實現全天候自動化建筑環境監測以及及時預警；其三，實驗室通風控制系統，包含互相聯動、可自動預警的實驗室空調系統、新風系統、廢氣排放及處理系統。設備領先、自主智能化的實驗室及樓宇管理系統,將有效助力于實驗室的智能管理，提升科研實驗建筑的智能化水平，更好的服務于科研試驗工作。

2.5 注重實驗室安全環保措施

在科研實驗建筑的設計中，為建筑使用人員和科研工作者創設一個安全、衛生、潔凈的實驗環境是建筑設計人員關注的重點，也是建筑設計工作的重要目標之一。科研實驗建筑需要滿足應急撤離設備的建筑強制規定,并且還需要針對實驗室配備適當的環境監測感應裝置,如化學煙霧檢測儀。為實驗室配置實驗通風裝置、氣體滅火裝置、通風試劑柜、滅火器、消防毯等安全設備。根據實驗規范配備應急噴淋設施,以保證科研工作人員在突發情況下可以就近進行處置,使實驗的損失減少至最少[9]。

實驗通風裝置主要由通風管道裝置和通風末端裝置等構成。實驗通風設計是實驗室規劃設計的重要基礎。按照實驗室內通風裝置的規模和風量配置補風設備,以保證實驗室內空氣質量。在實驗室配備一定規模的通風型試劑柜，對危險程度不用的實驗用品和試劑進行分別存放，避免發生意外。儀器柜必須符合較高的防火性能,對易燃、容脆、易揮發、高危險化學試劑應當嚴格分類放置,并保持全天候小風量抽排風,以降低化學試品揮發給實驗室內部環境所帶來的影響危害。

2.6 體現綠色可持續發展理念

建設資源節約型、環境友好型科研實驗建筑是規劃設計階段的主要考量因素。對此,在實際的科研實驗建筑設計工作中，從設計思想、建設選材、科學要求、設施裝備選型的角度出發,遵循環境影響少、能源消耗小的原則進行了完善實驗室的配套建設。從建筑空調選擇、材料選用、空間布局、光伏發電、雨水回用體系等系統的設計均可以實現建設綠色節能的科研實驗建筑。

結語：

綜上所述，科研實驗建筑的設計不僅需要對建筑的使用功能和使用需求進行充分、全面的分析、研究和掌握，還需要將建筑的美學設計同人文關懷結合起來，為科研人員創設一個功能完備、環境舒適的科研實驗空間，并且在科研實驗建筑的設計中需要時刻關注建筑的安全設計，確保建筑投入科研使用后的安全性，還需要在設計過程中秉持綠色節能、可持續發展理念進行環境友好型、資源節約型科研實驗建筑的設計，這些在建筑設計中需要關注的方面共同構成了科研實驗建筑設計工作的復雜性，因此設計人員需要在科研實驗建筑設計中遵循設計規范、尊重科學，為科技創新和科研隊伍建設提供有力支撐。