高校科研建筑的设计策略及发展趋势

高校作为学科和人才的聚集地、育人的高地和创新的策源地，是科技创新的重要载体和关键平台。高校科研建筑作为校园建筑的重要组成部分，不仅要提供创新研发和科研探索的科研物理空间，同时也要为高校教授、学生、科研工作者提供一个能承载和孕育丰富创新思想、科学新发现的“科学策源地”，与各大科研院所和研究机构不同，高校科研既要解决科技创新，实现“从 0 到 1”的突破，同时又要承担教学、高水准育人的重要教育职能。因此在科研建筑空间的打造方面也提出了兼具科研和教学属性的双重要求，以激发学生教师的科研和探索热情。

伴随着科学发展的日新月异，高校科研建筑的塑造和设计也在不断探索者新的方向：

（1）从强调使用效率、模块化到对于公共交流空间的关注。

（2）从功能单一、封闭内向的实验空间到复合多元、开放共享的实验空间。

（3）从水平分布的实验室排布，到立体垂直的实验功能叠加。

（4）从严谨、单调的实验环境延伸至户外、自然的科学花园。

（5）强化数字化和低碳绿色的科研空间。

几个世纪来高校科研建筑的设计发生了翻天覆地的变化，高校科研建筑正从传统的内向型研发空间向强化开放、共享、交流和注重人性的方向发展；近年来众多国际一流科学试验建筑，如华盛顿大学生命科学楼、丹麦哥本哈根，Maersk 实验室大楼、纽约市立大学先进科学研究中心、以色列埃德蒙德和莉莉萨夫拉脑科学研究中心等国际众多优秀的高校科研建筑，均展现了以上发展特征[1]，本文将对以上设计趋势和设计策略加以简述。

1 激发灵感的人性化科研空间

高校科研工作者和研究人员，一方面是严谨的科学家、教授、老师；另一方面，也是有着交往、生活、休憩和交流的基本需求；在紧张、严谨的科学实验和研究教学的同时，科研人员承受着巨大的研究和工作压力，精神高度集中。如何通过人性化的空间设计和塑造，激发科研工作人员的灵感和潜能，使科研空间既具有科研人才汇聚的吸引力和亲和力，同时又能促进科研人员的多元交流，增加交流沟通的活力，激发创造思维的“想象力”。并找到科研、教学、学习、交流的平衡点，是高校科研建筑设计的核心目标[2]。

传统科研空间布局将实验室、辅助功能、办公室、学术活动、图书资料用房、行政用房等，通过内走廊将各种功能串联起来，强调建筑的高效率和使用高效性，但同时也带来了空间相对单一、千篇一律、空间单调呆板、公共交流空间缺失、空间较为封闭等弱点；忽视了科研人员严谨工作之余，对于活动、交流的基本需求。高校科研建筑近年来更加关注公共间的趣味性和人性化设计，在张江复旦国际创新中心项目中，设计者结合景观视线及空间特色，在每层均设有可供科研人员沟通、交流的特色公共空间，既满足实验之余，休憩、交流、接待等需要，也提供了一种灵活工作、团队开放讨论、开放办公的“第三空间”，同时也为高校研究生学习，提供了开放自习的特殊空间模式。

2 复合、共享的科研功能

在高校校园的众多建筑中，科研建筑往往是带有神秘感的科学堡垒，不仅体现在科研空间的较为封闭，部分实验室及装置空间需要暗空间或专用空间，往往有清晰的结构边界、封闭的走廊空间；科研功能的单一性和专业性也进一步加剧了高校师生和社会对于科研建筑的距离感和神秘感[3]。

伴随着科研创新的高速发展，高校科研空间，正在探索更加开放、复合的模式，更加强调将边界打开，建立“无墙”化的实验空间，以更加灵活的实验分隔，取代传统的小隔间实验室，利用轻巧、透明的分割体系结合大开间实验室，进行灵活的分隔；创造更加明亮、开放和灵活的科研空间，同时配有中庭、咖啡、走廊座椅和开放学习位，尽可能创造交流、谈话、灵活教学，创造思想和科学观点碰撞交流的机会；同时更多高校科研机构创造更多开放共享实验室，以服务于内部团队的科研数据、信息、实验设备、科研装置共享，同时也提供对外部社会科研机构的共享实验室，带动周边集城市的整体实验室、平台、仪器装置共享及预约使用，提升全社会的整体科研水平。斯坦福大学克拉克中心实验室，就是一个开放型科研中心的典范，它强调鼓励不同学科的学生、教授、老师和科研人员学术沟通和相互交流。区别于传统封闭的实验室设施及封闭孤立的房间不同，克拉克中心更加开放、包容、灵活适变：更加适合不同领域科研团队的交流和学习，互动与共享。

同时更加复合的科研建筑的配套功能，将有效促进科学研究的多样性、活力氛围。科学展厅、规模不等的会议空间、研讨空间、资料阅读室、图书室、教室、交流空间、富于艺术感的休息空间、咖啡厅和绿色生态的室外露台等多元复合的配套都将促进高校科研空间的活力和营造轻松地科研氛围；分布于不同楼层的开放学习空间、自习座椅，也是高校科研建筑的教、研功能融为一体[4]。

3 专项定制和灵活适变

3.1 专项定制式实验空间

科研建筑的设计与科研类型及实验工艺密切相关,,伴随着科学的高速发展,对于科研建筑和实验空间提出了更加严格的专业性和定制性需求;一些具有特殊科研装置和特殊实验需求的实验室，在建筑场地选择、土建荷载、空间尺度、震动限制、温湿度控制、辐射等以及危废气液的处理都提出了严格的专项性需求，建筑空间只有在充分满足以上精细化要求的基础上，才能全面的反映出科学家实验的特殊化需求。同时也要求设计团队要与科学家使用团队，有深入的紧密沟通，深刻理解科研团队的科研和生活规律，通过建筑设计全面满足科学家的使用需求，精细化设计、预留余量，以满足高水平定制化实验的设计需求[5]。

3.2 灵活适变的通用实验室

伴随科研建筑的高速建设，在科研建筑的立项初期，虽已拟定了科研方向，但对于科研专项团队及使用方，难以早期确定，因此往往是以“通用实验室”的方向来设计，这就为设计团队提出了较高的设计“适变性“要求，既要充分预测到未来实验室的可能类型、人员规模、成长规律，从而预留好结构荷载、机电可能、空间分割的灵活性，特别是实验室专用通道等条件的思考和预留。除此之外，要结合科研团队的规模、发展壮大、成长规律，做好大小不同规模实验空间灵活分隔，土建、机电划分的可能。通过规划灵活适变的复合型通用实验空间，以适配不同成长阶段的科研团队，从初创团队、小型团队到中型团队、大型团队，均可为其提供不同规模、满足不同使用需求的硬件条件。同时从规模可适配、功能可转换、平面模块化、线路集成化、设备可发展、管路可调整、空间可共享等方面着手，为实现灵活适变的模块空间提供技术支撑。

4 从水平到垂直的立体科研,从地上向地下延伸的尝试与探索

伴随着城市建设的高速发展，土地资源的价值不断提升，综合集约的高效利用校园土地资源，也提出严格的要求；科研建筑的规划布局也逐渐从早期的水平式展开，低多层建设，向立体垂直和高层化分布不断尝试，更多的科研、配套、教学功能在不同高度的楼层分布，出现了明显的立体化科研的特征；将科研、会议、办公、展示、教学、研讨等功能汇集于一座建筑不同楼层中，实现科研功能的立体复合、实验空间的垂直生长。在上海前滩纽约大学项目中，由于项目位于寸土寸金的城市中心，土地资源稀缺，因此将更多的功能布置在高层建筑中，采用垂直叠加的方式，也是科研建筑的一种立体化尝试；上海前滩纽约大学、纽约、张江复旦国际创新中心，均位于城市发展的核心，呈现出鲜明的立体化科研建筑特征；此外各等学校也在努力尝试向地下发展科研空间的可能，一方面解决一些特殊大型科研装置重量较大,空间需求较大等原因,一方面也适应了部分特殊试验空间对于封闭环境、震动要求、地面连接紧密等特殊要求。

5 科研空间从室内延伸至户外

科研工作人员长期处于高强度、高集中度的科学实验和研究中，精力高度集中，在工作或休息之余，对于户外环境、大自然有着天然的热爱，良好的景观环境、室外露台、屋顶花园、绿化阳台将为科研人员提供优质的放松空间，将缓解他们的精神疲劳；在高校科研建筑设计中，结合建筑的造型，有意识的预留出合理的半室外空间、室外空间等自然花园休闲空间，既美化科研环境，也将原有的科研空间延伸至户外，进一步激发科研工作人员的科研灵感。

6 科研建筑的数字化和智慧化

近年来，我国高校的科研建筑和实验室建设，已基本实现了日常科研工作管理的信息化，但仍存在业务系统之间彼此孤立，信息管理碎片化、设备管理静态化、环境管理非低碳化等问题。数字实验室以物联网、云计算、大数据、人工智能、虚拟现实等新兴信息技术为基础，全面感知实验室物理环境，智能识别师生工作学习情景、设备使用状态，实现智慧化的教学科研活动，并能为实验室管理、实验教学、仪器设备管理、实验室安全等提供大数据决策与科学分析，实现实验室智能、安全、开放和高效运行。高校科研建筑的数字化已成为科学研究和科研教学的重要支撑和关键变量，正得到越来越的关注和重视，也是高校科研建筑设计的重点策略。

7 科研建筑的低碳与健康

经统计，科研建筑及实验室所消耗的能源是普通办公楼的 5～10 倍，并且会产生数量惊人的塑料垃圾和危险的化学物质。因此实验空间绿色设计和低碳健康也得到了越来越多的关注；即将“碳中和”理念融入高校科研建筑及校园的设计、建设、管理各个阶段之中，促进科研教学的绿色化发展、能源低碳化转型、设施集聚化共享、资源循环化利用，实现生产、生活、生态相融合的新型低碳校园[6]。

（1）提倡绿色建筑、超低能耗建筑。科研建筑以二星级绿色建筑以上标准建设，推进超低能耗建筑试点建筑示范，实现校园建筑的能耗较国家标准降低 20%～50%，减少建筑运营过程中的碳排放。

（2）关注绿色建造。采用绿色建材、耐久性好、长寿命的产品；就地取材；施工过程减少废弃钢筋、混凝土的产生，同时对废弃材料进行回收再利用，减少建筑建造过程中的碳排放。

（3）低碳路网。利用数字孪生建立校园交通模型，在虚拟空间中对路网数据进行映射、仿真，实现智慧交通管理，交通流量的动态调控，提升路网通行效率，降低园区通勤的间接碳排放。

（4）海绵城市。打造富有“弹性”的海绵园区，利用低影响开发技术实现园区生态的修复，在降低内涝灾害风险的同时储存和净化雨水并在园区内循环使用，最终降低园区整体水耗。

（5）零废弃物。园区内建立垃圾收集、流转、处置系统，通过垃圾物流信息监控平台提高垃圾回收处置效率，通过卫生填埋、焚烧、堆肥等方式对垃圾进行无害化处理，以及垃圾资源化利用。

（6）以光伏发电为主要能源的微电网。采用光伏发电，整合校园内科研建筑屋面资源，构建校园微电网。微电网建设采用动态智能化系统促进清洁能源消纳、增强能源梯级利用，实现园区内能源的综合利用和分配。

（7）智慧科研。结合大数据、AI、人工智能、知识图谱等新一代信息技术，打造覆盖数据采集、转换、清洗直至数据建模等全过程的“双碳”操作系统，构建形成区域“碳家底”资源池和“双碳”智慧大脑模型库，为“双碳”应用场景提供丰富的模型工具。

（8）绿色碳汇。园区内由绿地、屋顶绿化组成的绿色生态系统，同时是植物碳汇系统。结合可漫游绿地长廊，利用复层绿化创建共享景观平台，集室外活动交流空间和生态碳汇于一体。

8 结 语

当今世界正经历这历史性的变革与更新，科技创新是其中一个关键变量。高校作为学科和人才聚集地、育人高地、创新策源地，正在面对跨学科领域教学与研究的迫切需求，通过打破院系壁垒，建设多学科实验平台，将相关学科的实验项目进行优化配置，实现高校实验空间的共享，激发学生、教师科研学者及各学科间的交流、交往及研究的创新能力。高校科研建筑作为科学家研究重要载体，将不断追求与新的科研思想、协作模式、创新创意结合，打造更适于高校研究模式的科研空间。