城市高密度环境下的科研建筑设计实践——以张江科学城科研项目设计为例

林春旺

上海建筑设计研究院有限公司 上海 200041

1 概述

加快向具有全球影响力的科技创新中心进军，是习近平总书记对上海城市发展的新定位、新要求。上海作为中国技术创新高度的代表城市，将以国际视野、全球标准深入实施创新驱动发展战略，建设科学特征明显、科技要素集聚、充满环境人文生态和创新活力的世界一流科学城市，打造出一片像张江科学城这样的世界级大科学设施群，建设综合性国家科学中心。我院作为“上海设计”的代表，参与建设了上海光源工程、上海硬X射线项目、上海飞机设计研究院科技创新楼以及上海检测中心二期项目等一系列上海重点科研领域的项目建设，见证了城市高度发展带来的变革机遇，引领着建筑领域设计质量的提升。

2 中心城市高密度环境背景

城市的不断发展与进步，带来城市人口的不断增加，也导致了建筑的密集度也在不断增加。中心城市全方位优势吸引着越来越多的高端科研人才聚集，以张江科学城为例，园区内聚集了复旦大学、交通大学、浙江大学等知名高校和国际知名企业的一系列科研园区。园区内建筑密度大，建筑空间立体化日趋明显。如何在空间有限的场地里，建设集约化同时保证建筑使用功能及员工办公生活环境不受影响，最大限度的提高可利用的土地资源，是业主和设计方共同解决的问题。笔者结合张江科学城内两个上海市重点项目:上海市检测中心二期项目和张江复旦国际创新中心微纳电子与量子科技融合创新大楼项目（下面简称“张江复旦项目”），阐述城市高密度环境下的科研建筑设计实践。

3 机遇与挑战

相对于大园区式的分散布局，因地制宜，集约化建设一座满足尖端科学实验、研究等多种功能复杂、环境优美的现代化科研楼，提高土地利用率，是一种必然的选择。但是科研建筑不同于一般的商业办公建筑、不是简单的功能堆砌，在设计过程中面临着各种挑战，需要解决一系列难点。

多个重要实验室同时在一栋建筑内，空间要求大不相同。在一栋建筑合理的放下多个不同空间要求的实验室，并理顺内在功能关系，是项目设计的关键因素。以检测中心项目为例，有超25m高的星空实验室、35m长20m宽15m高的大型屏蔽室，和50m高水塔的水流量实验室等一系列各种规格需求的实验室，需要通过合理分区组合，才能达到最优设计满足业主需求。

各个实验室实验环境要求很高，存在互相干扰。一些有微振动设计要求的实验室对实验环境要求非常高，一些有冲击振动的实验室又会给整栋建筑带来干扰，需要通过合理设计，解决互相干扰问题。

顶级科研实验室相对普通实验室工艺要求特别复杂，且设计无成熟案例可参考。与常规的民用建筑不同，每个建筑都面临新的问题，需要专项研究解决。以复旦张江项目为例，以往大型微纳电子净化实验室工艺复杂，常规都是独立建设，较少像本项目一样建于民用建筑内，除了满足工艺使用需求以外，还得同时满足民用建筑一系列规范要求。具体来说，实验室工艺对结构微振动设计及均匀送风要求严格，首层楼板必须采用1m厚华夫板(均布等距穿孔楼板)设计，导致一层和地下一层两个楼层贯通，设计按照3000㎡设置一个防火分区，地下一层也独立设置直通室外地面出口，满足消防要求。

科研设备更新速度快，设计需要解决空间定制化和弹性化需求。尖端科技变化日新月异，在整个项目建设周期中，还存在科研设备还未安装其产品就已经迭代的情况，因此，我们在设计中除了根据实验空间进行定制化设计以外,还需要考虑空间的弹性需求，适当预留，对实验设备定型保持跟踪。

4 科研建筑设计理念

设计科研建筑，必须要有“全生命生长周期”的设计理念。这里面包含着合理的功能流线组织，能提供良好的环境设施，并能支持科研实验的生长性，还能着重考虑建筑绿色设计，创造优美的内部环境，充分体现“以人为本”理念。为科研工作人员创造便捷高效舒适的工作环境，能激发其自身创造力，获取优秀的实验成果，达到设计的本意。

5 合理的功能流线设计

科研建筑按照使用功能划分，主要有实验室区域以及配套用房、办公、会议、展厅以及休息交流区等空间。为适应各类不同实验功能的特殊需求，我们需要在空间组织、流线设计、光线运用、空间高度预留、结构荷载、机电设计等方面，进行合理而具有前瞻性的考虑和设计，满足特殊研究需求。

5.1 建筑复杂空间功能组织

根据实验室不同的需求合理安排各项功能设施。设置标准大柱网，空间可灵活分隔，具备功能调整可能；按照不同实验属性分区设置，减少互相干扰；每个实验单元配置独立调控的机电系统；在交通、卫生间等方面展开标准化设计，展现建筑整体性。

5.2 结构注重减、隔振设计

对环境微振动的要求高的实验室，采用以隔振为主、减振为辅的设计思路。实验室结构与主体结构脱开，成为独立单体。单独设计桩基与底板、围护等，隔离振动传播路径作用，地下室底板、顶板及连续墙均加厚设计。对微振动要求较高的设备采用减振与消振基础的精细化设计（含基础质量体系设计、减隔振支座形式的确定、减隔振参数的设计、土建施工图深化、二次装修减隔振设计等）。

对会产生明显的冲击振动或持续性周期振动的实验室设备，对其进行专门的减隔振设计。该区域的底板加厚，动力设备下基础加桩，增加桩长或桩数量，增大底板整体刚度和振动参与质量；对上述设备的基础进行专门的减振深化设计（含减隔振支座设计、基础与底板的连接构造深化设计等），减小实验室产生的振动对周边环境的影响。

5.3 复杂机电流线设计

机电设计是科研建筑实验室配套保障的核心。重点实验室需保证设备不断电，保障恒温恒湿实验环境，极其严格。因此，在上海市检测中心项目上，我们设置独立能源中心，为实验室提供专门保障，在管线通路上设置共同管沟连至科研建筑内，随时检修（共同管沟剖面示意图见图1）。在某些重点区域内，设置自动灭火系统射水器保护复杂电磁环境下产品检测实验室。大空间自动灭火装置中的电磁阀需具有由红外线探测组件自动控制，消防控制室手动强制控制并设有防误操作设施及现场人工控制，防止勿喷，各种控制方式应能相互进行转换。

图1 共同管沟剖面示意图

6 注重交流空间的设计

在保证科研办公主要使用功能用房的同时，我们需要为科研人员设计多样化的休憩场所，如多功能厅、咖啡厅、茶水间、研讨室等，有利于不同部门、不同学科领域的研究人员进行碰撞和交流，从而诞生出更多更好的想法。落位到细节，可通过设置相对混合空间（如扩大茶水间，设置讨论区甚至是健身区），成为一个相互交流、锻炼身体和休息的场所。

7 整体高效的立面设计

在立面设计上要注重科研建筑本身的语言表达，通过建筑体量的穿插错动、虚实对比、近地空间的细节控制，实现科学楼的灵动并富于韵律，表现科研建筑所具有的健康视觉需求。通过变截面竖向杆件设计形成疏密变化、高低错落的立面肌理，有效的起到了遮阳作用，实现了自然光影所具有的独特效果，丰富了科研建筑的立面形象。

8 结束语

总之，我国社会和经济发展的指导性思想就是要建设成为资源节约型社会，我们通过合理的设计，提高了土地利用效率，提升了科研建筑的使用效果和质量，为具有人文情怀和创意特征的科学工作者提供舒适、优美的工作环境，是我们设计工作者的责任和义务，希望通过我们的努力，能为我国科研战略和发展添砖加瓦，做出贡献。