现代实验室建筑设计方法探讨

王方明

【摘要】科教兴国、科教强国理念不断深入贯彻落实，国家对于科学技术发展以及科学研究工作加大的投入力度，并持续提升了科研基础设施的建设力度。实验室建筑设计具有专业性强、功能多样化、技术复杂化等特点。本文主要分析了现代实验室设计原则、设计前提条件，并针对性研究了现代实验室有效建筑设计方法。

【关键词】现代实验室;建筑设计;方法

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.06.

引言：

随着现代化科技的不断创新，我国开展高尖端技术实验越来越多，高校的大型实验室已经无法满足先进的科学实验要求，因此国家加大了对现代化大型实验室的建设投入力度。在现代实验室建筑设计工作当中，需要科学全面的规划出新的实验室平台，把现有资源充分应用起来，实现实验室规范化的设计和建设，满足现代化科学技术创新发展需求。

1、实验室建筑设计基本原则分析

1.1高效性

實验室建筑设计需要遵守高效性原则，有效的应用先进的手段，节省资源消耗，尽可能的应用较少的建筑材料获得更加良好的设计效果，提升发展效益[1]。高效性原则还体现在建筑空间设计组织方面，设计人员需要有效地利用实验室内空间，不仅仅指平面空间，还包括了立体空间。深入挖掘三项度空间，提升设计效率。

1.2集约化

目前高等院校土地资源相对来说比较宽松，但是在土地应用过程中也需要把土地资源充分、合理的应用起来，提升用地空间的开发力度。在这里集约化体现在两个方面。第一，在建筑空间设计当中，尽可能地采用更加轻薄的新型节能环保建筑材料，减少建筑面积的占用，同时也能够实现技术的创新，实现能源集约化利用。第二，大型实验室功能配置的集约化。同类实验室或相近功能实验室所需要的设备用房、试液制备、废液处理等功能空间，可综合考虑，集中设置。

1.3适宜性

实验室建筑设计一定要适合科研空间建设客观条件，比如土地和资金等要求，根据高校建设地区的地形、地貌特征进行设计，同时也需要符合区域文化特色需求。

1.4循环利用

建筑设计的循环利用指的是再利用和再循环两个方面。再利用是确保建筑产品以及建筑形式能够多次利用，既能够对早期建筑进行改造利用，同时也能够重复利用建筑结构构件、照明设施、管道设施、各类设备设施等。再循环指的是在建筑产品完成使用功能之后，通过一定的加工处理确保可以再次利用，成为可再次利用的资源。设计人员在设计当中，需要严格遵守循环利用原则，提升设计效果。

1.5绿色环保

在建筑设计当中工作人员需要注重对能耗的控制、排废排污的治理。首先建筑设计方面需要首先采取被动节能方式降低能耗，在建筑全生命周期过程中，需要考虑能耗使用和碳排放量。鼓励使用可再生资源、新型技术。同时作为实验室建筑本身的特殊性，决定了实验废水、废液、废料的必然性。排污排废的治理策略，需作为实验室设计的重点环节。

2、实验室创新设计理念和方法

实验室建筑设计具有较久远的发展历程，在1965年初次提出了服务与被服务的空间设计理念，实验室建筑设计跟普通的住宅设计和办公建筑设计有十分明显的区别。实验室建筑包含有十分复杂的机电设备管线风道。为了能够设计出更加完整、布局灵活的实验室空间，在实验室设计中选择使用了二元空间关系设计方法。服务空间设计为空心柱形状，其中包含有楼梯、电梯和管道等辅助功能。公共性服务空间包含有实验室，公共空间等功能。服务空间可以在建筑设计中单独出来，这样服务空间设计更加灵活[2]。这种设计手段既能够优化建筑空间设计秩序，同时也为后期实验室空间变化升级提供可能性。

随着现代化建筑设计理念的不断创新，实验室建筑空间设计逐渐更具有开放性和共享性。开放性实验室与封闭式实验室相比，更加强调了工作的独立性，提升了管理工作的便利性，能够更加包容和灵活，更加适合现代化科学研究工作的开展。在开放性建筑实验室设计当中，极大的提升了实验室设计本身的分享性，在后续使用过程中，研究人员可以分享实验设备、实验工作台和助手等，有效提升了工作效率和工作质量。设计人员在工作当中想要提升实验室建筑设计的开放性，可以采用中庭空间元素强化空间设计的综合性、开放性和共享性。中庭空间元素类似于酒店建筑的大堂、休闲会客区等，能够为研究人员提供阅览区域和健身活动区域，帮助研发人员缓解工作压力，提升研发人员在实验室当中的归属感和群体感。在实验室设计当中还可以适当添加艺术品装饰，通过完善室内陈设来给实验室建筑增加人文艺术气息。

3、实验室建筑设计前提条件

3.1科学规划实验室的建设

实验室能够提供科学研究和人才培养服务，因此实验室建设需要明确发展方向、专业设置、学科建设、科研方向等，综合性考虑经费投入、队伍建设、实验建设场地以及国内外同类实验室建设技术水平，这样才能够具备更加合理的规划设计方案，为接下来实验室建筑设计工作开展打下良好的基础。

3.2针对实验室建设进行准确定位

实验室建设需要以实验室自身功能性作为目标，做好实验室的准确定位，这是优化实验室建设规划设计工作的前提条件。进行实验室定位，需要根据学科发展目标、专业人才培养目标以及科研工作开展需求为主，综合性的分析实验室的功能、目标和空间容量，确保把有限的资源最大化发挥出来，并在设计工作当中严格遵守行业标准和技术安全规范要求。

3.3提前做好前期的调研工作

实验室建筑设计工作开展，需要满足使用单位的建设需求，在建筑设计工作开展之前，做好使用单位调研工作，针对性进行设计问卷调查工作，要确保调研问卷内容简单明了，反馈得到的数据信息能够为实验室建筑设计工作开展提供准确的数据依据[3]。要求使用单位需要认真的填写调查问卷，对于不清楚的问题需要及时地跟相关部门进行沟通交流，针对调研问卷当中并没有涉及到的特殊问题进行明确研究，随时掌握实验室建筑设计情况。gzslib202204031511

3.4满足实验室建设的基本条件

实验室建筑设计属于系统性工作，需要同时掌握资金、管理人员、土地资源等基本条件的情况，科学合理的统筹好各个新建建筑单位的资金和管理人员的配置，才能够真正提升现代实验室建筑设计质量。

4、现代化实验室建筑设计有效措施

实验室建筑空间包含实验室、办公室和实验辅助用房等建筑区域，需要针对建筑区域的不同选择不同的设计方法。

4.1直线型走廊设计

实验室建筑设计选择直线型走廊设计方案，能够确保实验室建筑内部所有区域呈现出直线布置的方式，走廊主要位于整个设计平面的中部，贯穿整个实验室空间，而走廊的两侧则可以布置上实验室功能区域[4]。直线型走廊设计还可以根据走廊个数的不同，分成为单走廊和多走廊两种方式。

单走廊直线布局占据面积更小，平面使用效率非常高。使用直线型单走廊时，所有用房均依靠外墙进行设计，能够把自然采光和自然照明充分应用起来，提升空间通风性，帮助节约更多的资源。这种平面布局方式还能够让交通路线和参观路线更加简洁明了，提升了建筑设计的通透性。但是直线型单走廊设计也存在弊端，走廊需要科研人员、实验室材料以及实验室废弃物共同使用，有可能会存在流线交叉的情况。距离较长的走廊還会使人们在其中感受到压力，影响了使用效果。

为了能够有效克服上述直线型单走廊设计存在的缺点，还可以进行多平行走廊设计，这种布局方式能够有效地避免在设计中出现形体系数大、流线交叉的问题。直线型多走廊设计同样拥有良好的通风采光效果。同时，远离外墙的内部区域，可以更好地控制室内的温湿度环境而不受自然环境气候的影响，满足实验室设计需求。多条走廊可以分散不同的流线，避免出现在实验室中出现流线交叉的情况。多走廊与单走廊平面设计相比，占据建筑体型系数更小，有利于建筑的环保节能设计目标达成。

4.2内部环状走廊设计

实验室内部环状走廊设计，主要位于建筑中部，走廊平面由靠近外墙的区域、内部环形走廊以及中部区域共同组合而成[5]。在内部环状走廊设计当中，需要划分出不同的设计区域，并确保各个区域相互之间连通。跟直线型走廊设计相比，建筑内部环状走廊设计占据的建筑体积系数更小，在相同的建筑面积下，空间利用更有效。这种平面布局形式的可塑性更强，可以在其中增加绿化造型和生态中庭等元素的应用，打造出舒适度及亲切度更高的实验室场所。内部环状走廊设计的中间区域相对来说更加独立，可以设置有特殊要求的实验室，防护等级高、有屏蔽需要的实验室均可设置在此区域。内部环状走廊设计也有一定的缺点，较大的进深会影响室内空气流动性，需要配置较高的空调通风负荷来提升室内空气的流动性，产生的能耗比较高。内部区域的采光性不能保证，需要通过设计内庭来进行解决，而内部庭院设置则会相对应的降低平面使用效率。

4.3外周环状走廊设计

外周环状走廊位于实验室设计的外周，可以利用一部分或者是全部的建筑外墙作为走廊的外墙[6]。外周环状走廊设计具备更加良好的采光和通风效果，能够为实验室工作人员营造出更加明快清新的工作环境。科研人员在外周走廊针对实验室进行参观时，也不会对实验室本身的工作开展产生影响。外周走廊设置在内部实验室区外围，更加有效地帮助实验室控制好温湿度环境，这种设计对温湿度要求较高的实验室较为友好。这种平面布置方式的缺点在于，容易造成流线交叉。同时，除实验室外的其余功能房间，难以获得自然采光和通风。

4.4空间分隔设计

实验室建筑设计需要保证把建筑空间的基本功能发挥出来，做好功能空间的分隔设计[6]。有些实验空间对于洁净度要求非常高，需要设置空调或者是机械通风系统。某些实验空间的地面荷载量需求非常大，需要具备较高的装修质量标准。把实验室进行集中设计，能够组成统一的实验室区域，合理规划配置，更加体现了集约化的新型实验室的特点。

实验室操作经常会产生气味或者是声响，并且实验室当中具有较多的仪器设备，内部环境比较杂乱。长期处于这样的环境中，很容易让工作人员产生烦躁不安的情绪，严重影响工作人员的身体健康。同时，研究人员在实验过程中需要查阅大量的资料，整理繁杂的数据信息，因此在写字台周边需要保证安静的工作环境。在实验室设计当中，为了能够有效提升科研工作人员的工作效率，满足科研人员在实验过程中的生理需求和心理需求，提升功能空间风格设计的合理性，需要合理规划实验空间及办公休息空间。既要做到互不干扰，又要做到方便通达。在空间设计时，可以在实验室单元空间之外另外设置研究办公区域。可以使用玻璃隔断围成封闭或者是半封闭空间，这种方式既能够产生领域感，同时也能够帮助工作人员保证稳定平静的心态。

随着现代化科技的不断创新发展，实验室建筑空间需要有利于不同学科专业之间的联系和交融，具有更加开放性特点的实验室空间，能够把个实验区域相互连通，加强相互之间的联系，也能够提升安全感，保证相对独立性。

4.5室内外空间环境设计要相互呼应

实验室室内空间和室外空间属于连续性的整体，二者共同构成了统一的建筑空间环境[7]。建筑是构成整体环境的重要主体，外部空间则是构成整体环境的主要基调。只有室内外空间环境相互和谐地融合在一起，才能够优化实验室建筑设计质量。科研人员在实验室建筑设计当中主要从事思维劳作，长期处于单一的固定空间当中，很容易产生枯燥厌倦的情绪，科研人员的思维也会逐渐变得迟钝。在实验室设计当中需要考虑科研人员的工作压力，充分考虑休憩空间，加强室内外空间环境的融合。把室外的优美自然环境通过玻璃窗户、开敞庭院、阳台、景观平台等灰空间引入到室内，让科研人员能够在工作间隙看到美丽的室外风景，帮助工作人员及时调整工作心态，消除疲劳感。

4.6动态空间设计中创造出静态空间设计

在现代化建筑设计当中越来越重视建筑整体空间环境的创造，现代实验室建筑设计也需要积极创新设计理念，为实验室建筑设计增添新意[8]。在走廊和门厅等动态空间设计当中，需要增加交往空间设计，满足日常交往行为和休息行为的要求，及时补充实验室的功能空缺。在动态空间当中能够让科研人员进行信息交流，帮助科研人员转换心理机制。设计人员在实验室建筑设计当中，可以利用地面设计、标高设计、建筑小品、盆景绿化等设计方案，营造出更加生机盎然的空间环境，让科研人员能够在此处进行安静的交谈和休息。例如在美国的卡布里奇科学院实验室设计当中，就优化了景观大厅设计，在其中栽培了更多的绿植，既能够调整人们的心绪和情感，帮助科研人员缓解紧张烦躁的情绪。同时也设计出了半封闭建筑空间，为科研人员提供了休闲娱乐的空间环境。gzslib202204031511

4.7节能设计

实验室建筑产生的能耗非常大，相比于办公类建筑来说能耗高达10倍以上[9]。实验室建筑主要的能耗来源于设备散热、室内换气以及设备排风的，因此在实验室建筑设计当中，需要更加注重绿色节能设计，促进实验室建筑朝着更加绿色环保的方向发展。现代实验室建筑工艺设计可以把安装有精密空间的实验室，朝北进行布置，减少光照对试验器具的损伤，有效满足环境需求，做到被动节能。把具有洁净设计要求的实验室，设置在内部区域当中，免受外部气候环境变化影响，帮助减少能源消耗。除了设计内容之外，从材料、设备的应用也需要达到节能性设计要求。比如在设计当中使用节能环保的建筑材料，应用废水收集、雨水收集等设备，尽量使用可再生能源、能源回收再利用等手段帮助降低运行能耗。根据耗电设备的特点科学合理的选择用电系数，并优化配电设施的选择，减少能源消耗。

结语：

实验室建筑属于科研工作开展的重要场所，在现代化实验室建筑设计当中，既需要承袭传统设计当中的优势，同时也需要渗透新的设计理念和设计技术，设计出更加人性化、开放化、节能化的实验室建筑。设计人员需要充分了解实验室日常科研活动开展特征，设计出更加超前性的实验室建筑，提升科研工作开展质量。

参考文献：

[1]皮妙，李瑞昕.河北省某实验室建筑结构基础设计[C].北京力学会第26届学术年会论文集，2020：426-428.

[2]秦丽.实验室建筑创新设计理念与方法[J].建筑技术开发，2019，46（16）：23-25.

[3]赵川石.“现代生土建筑实验室”建筑设计研究[D].西安建筑科技大学，2016.

[4]张竞竞，阎福胜.现代实验室建筑设计与发展趋势研究[C].《工业建筑》2015年增刊Ⅰ，2015：130-133.

[5]楊志远.实验室建筑的设计与布置[J].建设科技，2015（12）：138-139.

[6]李云峰.实验室建筑设计研究[J].实验技术与管理，2012，29（03）：331-333.

[7]章国英.现代电教实验室建筑设计之管见[J].外语电化教学，1993（01）：34-37.

[8]孙萃芸.现代实验室建筑空间环境[J].哈尔滨建筑工程学院学报，1991（01）：99-104.