科学城大科学设施空间布局研究——以张江科学城为例

■李梦芸

引言

在全球科技竞争日益激烈的背景下，各国纷纷增强科技创新战略布局，通过科技创新带动国家全面创新[1]。通过形成高效且统筹协调的科技资源配置模式，未来我国将呈现“小核心、大网络”的科技创新力量结构[2]，从中央到地方合力形成国家战略科技力量，结合科技资源的优势实施区域布局和协同发展[3]。近年来，我国进一步加强科学城的整体战略布局，各城市结合自身优势开展科学城规划编制工作，提升了“全国一盘棋”下的局部布局整合能力。其中，科学城内的大科学设施作为国家战略科技力量的载体，将有效支撑我国多学科原始创新能力，是国家战略科技力量的重要依托[4]。大科学设施空间布局对自身的运营效用和科学城的空间结构影响巨大，对此展开相关研究是科学城规划工作至关重要的一环。

张江科学城是上海“建设具有全球影响力的科技创新中心”的核心区[5]，也是我国四大综合性国家科学中心之一。其先后经过两次规划，第一次是2017年上海市人民政府批复的《张江科学城建设规划》，规划明确总面积95平方千米。这一阶段的张江科学城规划重点在于落实园区向城区转型，明确“科学+城”的定位格局，同时探索了大科学设施的布局。第二次是2021年上海市人民政府印发《上海市张江科学城发展“十四五”规划》（以下简称《张江“十四五”》），对张江科学城总体空间进行了优化调整，规划面积由95平方千米扩大至约220平方千米。《张江“十四五”》的空间专项《张江科学城空间战略规划》对前一阶段科学城的规划经验做了总结，并进一步构建大科学设施的空间策略。本文在回顾两次张江科学城规划历程的基础上，尝试构建其大科学设施空间布局策略“工具包”，提出具体优化建议，希望为其他科学城规划提供有参考价值的大科学设施布局技术框架经验，以促进科学城科学策源能力的整体高效发挥，让空间布局更高效地服务科学功能，提升城市科技创新竞争力，通过高效整合局部科技资源增强保障国家战略科技力量的能力。

一、研究综述

大科学设施也被称为大科学装置、重大科技基础装置，是指通过较大规模投入和工程建设来完成、建成后基于长期的稳定运行和持续的科学技术活动，实现重要科学技术目标的大型设施[6]，已成为产出科学重大原创成果、抢占科技竞争制高点的利器，也是全面体现国家综合实力和科技创新能力的一个重要标志[7]。20世纪上半叶，发达国家开始重视大科学设施的建设，并且以设施集群的形式发挥作用，形成了若干大型、综合性的科学研究中心和实验室。大科学设施在我国国家创新体系建设中具有重要地位，有着明确的科技目标和国家战略使命。近年来，我国不断加强大科学设施的建设力度，国家批准设立的4个综合性国家科学中心分别是北京怀柔综合性国家科学中心、上海张江综合性国家科学中心、合肥综合性国家科学中心、深圳综合性国家科学中心。我国目前大科学设施分布以北京、上海、广东、江苏、四川为主，主要是依托这些省市较强的经济和科研实力，其中较知名的有北京正负电子对撞机、国家蛋白质科学研究（上海）设施、合肥同步辐射装置、强流重离子加速器装置（惠州）等。从研究领域上来看，我国大科学设施涉及时间标准发布、遥感、粒子物理与核物理、天文、同步辐射、地质、海洋、生态、生物资源、能源和国家安全等众多领域[8]。

早期科学城一般是原城市的卫星城，通过集中大量科研机构促进科学研究[9]，承担科学理论研究的职能，其中典型例子包括前苏联的新西伯利亚科学城和日本的筑波科学城。早期科学城存在科研转化与产业脱节的问题[10]。其后，科学城的概念不断发展，地理位置不再追求独立于城市，科研与产业进一步融合，如美国的硅谷的成功模式便是其成熟的创新网络、紧密的产学研合作和发达的科技服务机构[11]。近年来，在我国深入实施创新驱动发展战略的背景下涌现出一批科学城：它们离中心地区不远，一般处在城市周边，生态环境良好，内部一般包含科学研究、高等教育、科技园区等功能，并提供便捷的城市服务[12]。根据我国科创战略布局，目前有4座作为综合性国家科学中心空间载体的科学城，包括北京怀柔科学城、上海张江科学城、合肥滨湖科学城和深圳光明科学城。这类科学城与国家综合性科学中心呈复合空间格局，占地面积较大，远离市区或位于城市远郊，与一般科学城相比，前者承担着国家战略层面重大科技创新职能[13]，以大科学设施为基础支撑，以基础科学研究、原始创新、重大技术研发和促进技术产业化为重点任务[12]，是国家科技领域竞争和国家创新体系建设的重要战略布局[14]。空间布局上，强调聚集科创资源要素，同时也拥有完备的生活配套服务[9]，形成“科技+创新+城市”的综合体。针对我国科学城内大科学设施上位布局的发展现状，学界认为仍存在两点问题：一是布局过于集中，存在同质化竞争倾向；二是设施布局与综合性国家科学中心功能定位不够明确，与区域发展协同程度不高等[15]。

关于科学城内大科学设施的空间布局，彭浩等指出应整合大科学装置集群、研究型大学和科研院所等核心要素，成为科学圈，建设用地规模一般为10～20平方千米[16]；朱东等提出构建以大科学装置为中心的科研设施集群，并集中布局在2平方千米范围内，形成足够的科研强度。同时考虑到科研装置的迭代升级需求，应预留足够空间[1]。

综上，针对我国科学城内大科学设施规划布局，学界开展了初步研究，但总体上仍是片段性的，缺乏对空间布局的系统性研究与论证，空间策略仍聚焦于宏观层面，缺少对大科学设施中微观层面的系统性研究。

二、全球大科学设施空间布局研究

针对我国目前大科学设施规划布局刚起步及科学城建设方兴未艾的情况，为进一步厘清各领域大科学设施的空间布局特征，首先在全球层面充分了解世界级大科学设施的空间布局需求及特征，其次结合我国科学城的特点和建设要求，提出因地制宜的借鉴方式。根据大科学设施占地和空间组群关系，可以分为大科学设施群（以下简称“设施群”）和独立设置的大科学设施（以下简称“独立设施”）两类。在全球层面对设施进行筛选时，主要循序五点原则：（1）研究领域方面，聚焦重大基础科学的前沿突破；（2）科研水平方面，在全球处于领先水平，物理、化学、生物医药领域以有诺贝尔奖获得者为标准，其他领域有重要国际奖项或国际认可；（3）研究学科方面，涵盖核物理、天文、海洋生物、医药等众多领域；（4）地理分布方面，不局限于某一个国家，而是选取各大洲的不同国家；（5）空间布局方面，大科学设施所在的科学城或创新地区与城市关系密切。根据以上条件选取案例做统计，从各类设施的空间需求、与其他创新要素的临近需求、空间品质和区位偏好4个方面，形成世界知名大科学设施的空间布局研究。

（一）大科学设施群空间布局特征总结

大科学设施群通常与多个设施及其所隶属的相关机构联合运行，国际上通常以实验室进行数据统计，如美国劳伦斯伯克利国家实验室、日本高能加速器研究机构、欧洲核子研究中心等。这些设施群隶属于全球有重要影响力的研究机构，已发展为聚集式的大型科学研究基地（表1）。

表1 世界知名大科学设施群的特征及布局情况

1.空间需求：设施群占地普遍较大，不同研究领域占地需求不同

设施群占地11～2130公顷不等，占地巨大。从研究领域来看，高能物理、核物理、粒子物理相关领域的设施群占地相对较大，从82至2130公顷不等。与物质和材料、能源、环境、人类健康、地球系统相关的设施群占地相对较小，从11至35公顷不等。除美国国家大气科学中心外，其他设施群都以建筑群形式布局。美国劳伦斯伯克利国家实验室坐落着91座建筑，包括5座国家级科学设施（图1）。欧洲核子研究中心占地211公顷，包括两处场地，分别占地155公顷和56公顷，均呈建筑群式布局（图2），中间间隔着迄今为止世界上最大的粒子加速器大型强子对撞机（LHC），其周长约27千米，埋在地下100米处。若算上对撞机区位的隐性空间需求，研究中心的占地空间远大于211公顷。

图1 美国劳伦斯伯克利国家实验室布局图

图2 欧洲核子研究中心布局图

2.临近需求：设施群较为独立，无须与其他科研要素临近

总体来看，设施群与其他科研功能没有明显的临近需求，一般来说，每个设施按自身需求而定。除了美国国家大气科学中心在选址上提出与科罗拉多大学靠近、美国劳伦斯伯克利国家实验室在加州大学伯克利分校，其他设施并没有提出相关需求。由于这些设施大部分时间供研究机构自身使用，与其他科研功能临近需求不大。

3.空间品质：设施群偏好景观优美、交通便利的地区

这些设施群无一不享有优美宁静的远郊风光：美国劳伦斯伯克利国家实验室处在远离城市的山顶，被绝佳的自然资源和秀美风光环绕的同时，可以看到旧金山湾的壮观景色（图3）；欧洲核子研究中心景色优美，一半的占地面积都留给了公园绿地。这样的空间品质为其科研人员带来纯粹宁静的研究环境。同时，这些设施群交通便利，由于所处城市本身规模较小，所以从郊区到市区交通距离并不远，如美国劳伦斯伯克利国家实验室还提供班车服务，可接驳伯克利市中心以及公交枢纽。美国国家大气科学中心虽然位于山顶台地，但其交通同样便捷，距离机场车程不远，又有着广阔的视野和极佳的景观，非常受到科研工作者的喜爱。中心曾征求科研工作者意见，问他们是否愿意搬到山下的科罗拉多大学工作，无果，这也反映出风景优美和交通便利对科研人员的吸引力较大。

图3 美国劳伦斯伯克利国家实验室场地景观

4.区位偏好：设施群偏好选址于远郊地区

占地较小的设施群应充分考虑其特殊需求，如美国国家大气科学中心选址上需要便于从大环境观察，经过对博尔德市南郊泰柏山的选址分析，最终选定海拔1829米处的一个台地。而占地巨大的设施群选址时，由于与其他科研功能没有明确的临近需求，其选址更偏好于远郊地区。同时远郊充足的空间也为设施群的远期拓展预留了弹性，如欧洲核子研究中心位于瑞士日内瓦西北侧的法瑞边境城郊地区（图4），美国布鲁克海文国家实验室位于长岛中部郊区地区，瑞士保罗谢勒研究所位于苏黎世和巴塞尔之间的自然环境中。

图4 欧洲核子研究中心梅兰场地鸟瞰图

（二）独立设置的大科学设施空间布局特征总结

独立设置的大科学设施无须与其他相关机构联合运行，其内部通常已经包括一定的研究空间，因此可以独立设置。同时，许多独立设置的设施开放共享程度较高，欢迎世界各地的机构及科学家使用（表2）。

表2 世界知名独立设置的大科学设施的特征及布局情况

1.空间需求：独立设施可按占地需求分为中小型设施和大型设施

独立设施根据不同的类型和需求，占地面积差异较大，可分为大型和中小型两类设施。大型设施中，光源和大型天文观测设施占地几十到上百公顷。如Spring-8作为一个大型同步辐射设施，总共占地141公顷，包括直径457米的大储存环及其他研究楼宇（图5）。另一类占地较小的中小型设施包括生物实验室、地球系统装置等，如地球系统数值模拟装置占地仅1公顷，布局在一个街坊内。

图5 日本Spring-8布局图

2.临近需求：独立设施与其他科研要素无明显临近需求

由于这些设施大部分时间供自身研究机构使用，在选址方面与其他科研功能临近需求不大。例如，地球系统数值模拟装置位于北京怀柔密云经济开发区，项目建设法人是中国科学院大气物理研究所，共建单位为清华大学，但前者位于北京朝阳区，后者位于海淀区，车程都超过一个小时，空间上并无临近关系。

3.空间品质：偏好景观优美、交通便利的地区

使用独立设施与使用设施群的科研人员需求相近，虽然设施形式不尽相同，但由于他们都在从事着源头创新的工作，因此都偏好景观优美、交通便利的地区。如日本Spring-8位于远郊山脚下，空气清新且景色宜人，同时其到城市中心车程便利，拥有科研人员理想的科研环境。

4.区位偏好：中小型设施选址灵活，大型设施偏好远郊

中小型设施可灵活选址，如地球系统数值模拟装置选址于怀柔科学城东部组团密云经济开发区，其较小的占地需求可以较好地融入城市路网，作为北京综合性科学中心的重要组成部分服务于怀柔科学城（图6）。占地较大的设施对周边空间影响较大，容易形成较为消极的城市空间，偏好远离活力集聚的地区，一般在远郊布局，如Spring-8选址日本兵库县播磨科学公园城郊区（图7）。而位于贵州黔南布依族苗族自治州的500米口径球面射电望远镜由于对地形有特殊需求，因此选址在天然喀斯特巨型洼地中。

图6 地球系统数值模拟装置效果图

图7 日本Spring-8鸟瞰图

三、张江科学城的应用：对于大科学设施空间布局策略框架

（一）张江科学城大科学设施布局发展演进及问题

张江科学城前身是张江高科技园区。2016年2月，国家发展改革委、科技部批复同意建设张江综合性国家科学中心。2017年7月，《张江科学城建设规划》正式发布，这是张江科学城第一次在规划层面探索大科学设施的布局。规划编制时期张江拥有上海光源一期工程、上海超级计算机中心和国家蛋白质科学中心（上海）这3座国家大科学设施。规划强调集中布局和全力保障国家大科学设施的落地实施，有三个方面的典型策略：一是强调科研要素聚集，依托北部国家实验室核心区，集聚大科学设施、高水平研究型大学和国家级科研院所；二是提出设施群的概念，如建设具有世界领先水平、高度集聚的先进光源设施群；三是为大科学设施预留发展空间，主要结合孙桥地区申江路以东部分区域以及国际医学园部分区域。总体看来，这一阶段解决了大科学设施落地保障的问题，提出了区位引导，虽然缺少对大科学设施中微观层面空间布局特征的研究，但为下一阶段更深入的研究积攒了珍贵的经验。

经过几年的发展，张江现有8个大科学设施（表3），都位于科学城北区，其中6个集中在国家实验室核心区（图8）。随着北区张江副中心和南区科南中心的建设及作用不断凸显，人们对原有的规划布局产生了一些新的规划疑问：（1）空间需求上，大科学设施预留区是否能满足空间需求？（2）临近需求上，现阶段国家实验室核心区集聚了大科学设施、大学、科研院所等多类科创要素，这种多要素空间临近的布局模式是否适合大科学设施，它与其他要素空间联系的必要性是什么？（3）空间品质上，现有大科学设施的空间品质是否满足科研需求？（4）区位偏好上，大科学设施和功能属性与张江副中心和科南地区中心的属性是否适合临近布局？区位上是否有更好的选择？

表3 张江科学城现有大科学设施一览表（截至2021年）

图8 张江科学城原有大科学设施及预留地区图

基于张江科学城扩区的最新需求，《张江科学城空间战略规划》在220平方千米的扩区范围对新设施进行规划引导，提出了“大空间、低影响”对于设施群选址的必要性，因此没有局限于大型地块，而是选取了西区战略预留区作为未来设施的储备空间，为设施群的新增和扩充提供了充足的空间保证，同时在没有具体项目支撑时，对其路网及用地都不进行规划，二者都体现了大科学设施空间预留弹性上的创新性。

（二）对于大科学设施空间布局的优化引导建议

以促进大科学设施的最大效用、强化科学城功能、提升我国战略科技力量为目的，在总结全球大科学设施布局特点的同时，应进一步结合我国科学城的特点及上海市的空间特征。通过比较发现，国内外科学城内大科学设施布局有两点差异：一是我国的科学城一般拥有完备的生活服务设施，强调“科学”与“城”的双重功能，大科学设施不仅需要满足科研需求，也应与城市属性契合；二是科学城与中心城市有着紧密的联系，一方面中心城市的成熟性服务于科学城，另一方面科学城的创新性也促进了中心城市的发展，因此大科学设施的布局应强调与中心城市的便捷连通。在空间需求上，应注重结合城市地块大小和城市预留空间综合考虑占地需求。在临近需求上，应充分考虑与其他科研要素临近的特殊需求。在空间品质上，应选址在交通便利的地区，强化与市中心的公交连通性。在区位偏好上，应结合城市服务属性布局，若采用远郊布局也应尽可能保证服务的完善性和便利性。

为了合理评估现状设施布局、引导新增设施，基于前文研究，本文提出“‘4×5’张江科学城大科学设施空间策略工具包”（表4）作为优化和制定空间战略的工作模型，以提升科学城布局的效用及品质。矩阵纵轴面向设施群和独立设施，对其空间需求、临近需求、区位和空间品质提供了一个对照索引，并作为矩阵的横轴。通过工具包可以初步回答对张江科学城原有规划布局的疑问，同时提出引导建议。

表4 “4×5”张江科学城大科学设施空间策略工具包

1.空间需求上，应提供差异化的大科学设施预留区域

（1）不同设施的空间需求差异较大，应注重弹性预留。独立设施的建筑形态可以是单体建筑也可以是建筑群，一般预留独立地块即可，其中大型设施往往需要较大地块。设施群多数以建筑群方式布局，需要较为完整连续的板块地区为空间单元。根据前文研究，中小型独立设施一般可以较好地融入城市路网，因此设施类型的占地和街坊尺寸密切相关。以张江较为常见的单边长约300米、面积约10公顷的街坊为划定尺度，则可明确，设施类型以10公顷占地为分界。对于独立设施，占地小于10公顷可以归类为中小型设施；占地超过10公顷往往需要不常见的较大地块承载，则定义为大型设施。而设施群占地更大，考虑到远期发展预留，以大于100公顷为佳。

（2）原预留地区无法有效承载多类型、多研究领域的设施。原预留地区地块中超过10公顷的大型地块有限，仅适宜布局中小型独立设施，对于大型设施受用地制约较大。同时，考虑到现状建成情况和既有规划，原预留区也缺乏可以承载设施群的连续性的城市空间，以满足多种研究领域需求。

2.临近需求上，现状众多创新要素与大科学设施紧邻布局不具必要性

除特殊需要，大多数大科学设施研究较为独立，通过实地对设施的使用情况以及对临近需求的走访调查和座谈调研，明确目前运行的设施与周边科研功能无学科交叉，现阶段国家实验室核心区集中多种科研要素的空间形式对大科学设施并无必要性，新增设施的选址也无须拘泥于临近性，更应考虑其他影响设施使用效率和城市布局的选址因素，如区位、空间需求等。

3.空间品质上，应注重高品质自然景观的营造

科学城自然景观有助于激发科研人员的灵感，营造潜心研究的氛围。美国劳伦斯伯克利国家实验室和欧洲核子研究中心都强调，自然壮美的景观对科研人员具有重要吸引力。由于张江现有设施集中于科学城北区，建成环境以城市化、人工化景观为主，外部自然环境不足，目前更注重地块内部环境的营造，因此在新增引导选址层面，应加强内外部高品质自然景观的营造，形成令人心旷神怡的科研环境。

4.区位偏好上，扩区后为新增设施提供了更优的区位选择

（1）北区科学设施集群与张江副中心等地区不适合临近布局。由于设施群及大型装置占地较大且较为内向，属于不活跃的城市空间，应布局于远郊地区以减少对周边城市环境的消极影响，同时未来选址应远离科学城内的中心地区。对张江副中心周边现有的大型设施，应评估其对周围地块空间品质的影响。以“上海光源”为例，其位于张江副中心附近，毗邻产业集群，占地大且退界较多，是较为封闭的内向型空间，对周边的空间品质有较大影响，后续可依据需求，提升其周边的空间活力与品质。

（2）新增设施群可选址西区远期预留备用地。设施群需要较大空间板块，为减少对于已建成城市空间的影响，同时考虑科学城现有土地供应情况，建议结合康桥工业园战略预留区进行选址（图9），预留区约160公顷，面积相当于美国劳伦斯伯克利国家实验室的两倍，空间充足。其临近两条地铁线，区位便利。同时，预留区风光优美，毗邻外环绿带和康桥生态园，适合打造纯粹且充满创意的科研氛围，成为科研能级提升的新着力点。

图9 新增大科学设施及远期设施群布局引导图

（3）新增独立设施以自然景色、交通条件、地块尺度为主要考虑因素。大型设施对地块需求较大，应避免对已建成城市空间产生消极影响。由于北区、南区已无可供应的大型地块，东区未建大型地块交通便利度较差，结合土地供应情况和之前的研判，在西区选取一处风光优美且对周边影响较小、约15公顷的地块，靠近地铁，交通便利。另一方面，中小型设施选址较为灵活，可独立布局也可以集聚式布局。考虑到南部医学园区有较多的医疗机构，科研环境舒适有序，其临近2条地铁线，毗邻生态廊道，交通便利且景色宜人，结合土地供应情况，在南区预留了约10公顷的选址一处，可容纳一个或多个新增设施（图9）。

结语

科学城是我国科技领域竞争和国家创新体系建设的重要战略布局，大科学设施作为科学城内重要的科学力量，其空间布局研究是我国科学城创新要素空间策略的基础，而目前我国在这方面的研究仍在起步阶段。通过对大科学设施的空间需求进分类研究并提出未来的布局导向，有助于促进科学城科学策源能力的整体高效发挥，是对科学城科创要素空间布局研究的创新和突破方向，让科学城的创新空间不仅能用，更要真正做到适用、好用，从空间层面真正支撑中国建设世界主要科学中心和创新高地的目标。

需要说明的是，每座大科学设施在具体布局上可能还会受到更具体的因素影响，如地形、供电需求、风环境等，本文不做个体探讨，仅做归纳研究。同时，我国科学城都在建设初期阶段，其中的大科学设施布局没有经过时间的检验，无法提供最有效的经验借鉴，因此国际经验尤为重要，我国科学城建设应因地制宜结合自身情况适当借鉴。科学城大科学设施空间策略工具包旨在为正在开展的其他科学城规划编制提供参考思路，随着后续实践的深入，工具包将进一步完善，并在具体的空间引导层面形成可对比、可探讨的经验。