實(shí)驗(yàn)室建筑歷史沿革與空間演變研究

張昕瑋 崔彤

“實(shí)驗(yàn)室”一詞源于拉丁語“l(fā)aboratorium”（意為勞動(dòng)、工作）。作為前瞻性機(jī)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)室建筑伴隨著學(xué)科與思想的發(fā)展而發(fā)生演化，其規(guī)模由簡(jiǎn)到繁，功能由單一到復(fù)合。在既往學(xué)術(shù)研究中，對(duì)于20世紀(jì)之前的實(shí)驗(yàn)室建筑與文化缺乏系統(tǒng)性總結(jié)，較少以建筑視角出發(fā)研究實(shí)驗(yàn)室歷史沿革，類似內(nèi)容通常作為一段簡(jiǎn)要的歷史回顧出現(xiàn)在一些實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)書籍的開頭。

在經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的有關(guān)煉金活動(dòng)、手稿以及煉金術(shù)士私人生活的探討后，20世紀(jì)70年代，英國(guó)學(xué)者希爾（C.R.Hill）將研究視角聚焦到圖像學(xué)，研究文藝復(fù)興時(shí)期繪畫中的煉金術(shù)實(shí)驗(yàn)室生活場(chǎng)景與設(shè)備，但并未涉及空間分析以及建筑結(jié)構(gòu)。隨后英國(guó)學(xué)者歐文x 漢納威（Owen Hannaway）對(duì)16世紀(jì)兩座著名實(shí)驗(yàn)室平面進(jìn)行比較研究，試圖探索當(dāng)時(shí)西方文化中出現(xiàn)的新科學(xué)生活模式及其思想根源。在此基礎(chǔ)上，英國(guó)學(xué)者莫里斯x 克羅斯蘭（Maurice Crosland）對(duì)16—18世紀(jì)早期實(shí)驗(yàn)室建筑進(jìn)行研究，這是首次對(duì)一個(gè)較長(zhǎng)歷史時(shí)期內(nèi)的實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)所及其活動(dòng)進(jìn)行的完整總結(jié)。與上述研究同一時(shí)期的學(xué)者還對(duì)19世紀(jì)德國(guó)物理實(shí)驗(yàn)室機(jī)構(gòu)以及工業(yè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行過研究，但研究?jī)?nèi)容并未在時(shí)間線和技術(shù)層面產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)研究對(duì)于實(shí)驗(yàn)室建筑的歷史分期并無權(quán)威界定。南希x 所羅門（Nanry B.Solomon）曾以靈活性為標(biāo)志，將戰(zhàn)后建立的一批實(shí)驗(yàn)室視為不同以往的現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室。美國(guó)學(xué)者彼得x 加里森（Peter Galison）提出了不同看法，認(rèn)為這種靈活性伴隨著19世紀(jì)末工業(yè)化程度的提高，在當(dāng)時(shí)就已初見端倪。在上述研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)歷史上科學(xué)中心的幾次轉(zhuǎn)移、功能類型及使用人群，將實(shí)驗(yàn)室建筑的發(fā)展分為四個(gè)階段：自由的個(gè)人研究、全面的專業(yè)研究、集中式研究以及當(dāng)代多群體綜合研究（圖1）。

1 家宅實(shí)驗(yàn)室：自由的個(gè)人研究

早期科學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展同煉金術(shù)有著密不可分的關(guān)系。公元前6世紀(jì)，希臘出現(xiàn)了對(duì)于事物構(gòu)成來源的討論。直到中世紀(jì)，包括萊布尼茨與牛頓在內(nèi)的著名科學(xué)家與貴族均進(jìn)行過類似的研究?，F(xiàn)有科學(xué)史研究?jī)A向于將16世紀(jì)煉金術(shù)士的工作場(chǎng)所視為早期實(shí)驗(yàn)室的原型，這一時(shí)期以自由的個(gè)體研究為主，通常包含熔爐及一些蒸餾設(shè)備，研究方向分散且不確定，研究場(chǎng)所也不受拘束，甚至在廚房就可以進(jìn)行（圖2）。有條件的實(shí)驗(yàn)哲學(xué)家們會(huì)選擇遠(yuǎn)離世俗，將知識(shí)置于家宅內(nèi)一個(gè)“受限的公共空間”之中。

基于這樣的背景，1606年，德國(guó)化學(xué)家利巴維烏斯在其著作《煉金術(shù)》中詳細(xì)描述了可同時(shí)作為研究人員住所的理想實(shí)驗(yàn)室空間，其平面布局圍繞中央空間展開，空間私密性由東向西逐漸遞增（圖3,4）。主入口位于東側(cè)，一座帶有畫廊的半圓形花園作為對(duì)外的公共空間；中部為實(shí)驗(yàn)空間，功能包含主實(shí)驗(yàn)室、若干輔助實(shí)驗(yàn)空間以及進(jìn)行熱浴與結(jié)晶的專門用房等，允許部分專業(yè)人士在此參觀停留；西側(cè)是私人實(shí)驗(yàn)室，通過內(nèi)置的旋轉(zhuǎn)樓梯通往二層書房及居住領(lǐng)域，除了最信賴的技師和學(xué)徒，其余人不得進(jìn)入。

相較于同時(shí)期的其他實(shí)驗(yàn)室，該方案在某種程度上是實(shí)驗(yàn)原則與使用者個(gè)人意志的充分體現(xiàn)。利巴維烏斯通過墻壁與門窗劃分空間，按照工藝層面的實(shí)驗(yàn)秩序以及由公共過渡到私密的內(nèi)外秩序建立內(nèi)在邏輯。通過有意識(shí)地將一部分空間隔離出來作為展示使用，并設(shè)置分隔將專有工作空間私密化，利巴維烏斯建立了一種“領(lǐng)域梯度”（Territorial Gradient），以區(qū)分公共知識(shí)與私人知識(shí)、一般性研究與特殊研究，使整座建筑在滿足實(shí)驗(yàn)需要的同時(shí)完成了人員的過濾與篩選。

隨著文藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)的興起，17世紀(jì)以后近代科學(xué)體系逐漸形成，人們已能熟練地通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行科學(xué)研究。研究人員的工作場(chǎng)所不再局限于私人住宅，范圍逐漸擴(kuò)大至大學(xué)與一些獨(dú)立研究機(jī)構(gòu)之中。直到19世紀(jì)初，熔爐都是大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室的動(dòng)力來源，也因此成為視覺與功能上的焦點(diǎn)。為了防火，戶外廚房成為早期實(shí)驗(yàn)室的候選場(chǎng)所之一，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室通常設(shè)高大的拱頂，并在側(cè)面開若干小窗通風(fēng)散熱（圖5）。

1 實(shí)驗(yàn)室發(fā)展歷史沿革與空間演變

2 經(jīng)典實(shí)驗(yàn)室：全面的專業(yè)研究

第一次工業(yè)革命結(jié)束至19世紀(jì)，科學(xué)研究同工業(yè)生產(chǎn)緊密結(jié)合，其重要性達(dá)到了前所未有的高度，科學(xué)實(shí)踐在這段時(shí)間逐漸由個(gè)人研究轉(zhuǎn)向以生產(chǎn)為目的集體協(xié)作，私人及政府引導(dǎo)的研究機(jī)構(gòu)相繼出現(xiàn)，科學(xué)活動(dòng)呈現(xiàn)組織化，并迅速發(fā)展到較高水平。在德意志地區(qū)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)革命中涌現(xiàn)了一批“經(jīng)典實(shí)驗(yàn)室”，其布局通常毗鄰講堂，由若干房間組合成一片獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)區(qū)域，室內(nèi)家具陳設(shè)同過去相比更加標(biāo)準(zhǔn)化，某些專業(yè)中會(huì)將家具同建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件統(tǒng)一考慮，內(nèi)部的燃?xì)?、水電線路也會(huì)根據(jù)家具擺放的實(shí)際情況鋪設(shè)，這一時(shí)期的實(shí)驗(yàn)室布局已十分接近我們印象中的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室建筑。

隨著專業(yè)的分化，除了功能需求更加多樣，不同學(xué)科對(duì)實(shí)驗(yàn)室建筑的建造要求也發(fā)生了改變。以物理學(xué)科為代表，為避免來自外界的振動(dòng)與磁場(chǎng)干擾，1900年左右的物理研究所在建筑布局與結(jié)構(gòu)方面采取了相似的措施，如遠(yuǎn)離有軌電車，建筑內(nèi)部避免使用鐵梁，以及建造更為堅(jiān)固的整體建筑等。

以斯特拉斯堡大學(xué)物理研究所為例，這座大樓由德國(guó)建筑師赫爾曼·艾格特（Hermann Eggert）設(shè)計(jì)。建筑平面為“H”形，包含一個(gè)2層高的階梯教室、供全職教授與助理使用的放置絕緣儀器的封閉大教室（東翼），以及學(xué)生們的實(shí)驗(yàn)工作場(chǎng)地（西翼），這三部分彼此聯(lián)系又相互獨(dú)立（圖6）。中部有一座6層高的空心塔，用于進(jìn)行天體觀測(cè)、鐘擺實(shí)驗(yàn)與重力實(shí)驗(yàn)等，其地板底座可以分段拆除，塔身內(nèi)部均為無鐵構(gòu)件，以避免對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生干擾。此外，建筑部分基礎(chǔ)柱墩從地下一層一直向上延伸至一層實(shí)驗(yàn)室，作為穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)，盡可能減少測(cè)量?jī)x器與地面的接觸，降低實(shí)驗(yàn)誤差（圖7）。

3 現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室：“方盒子”里的集中研究

19世紀(jì)下半葉，隨著工業(yè)生產(chǎn)模式在建筑文化中的傳播，效率成為建筑技術(shù)的焦點(diǎn)。二戰(zhàn)前以奧斯汀（The Austin Company）為代表的各大建筑公司已投入生產(chǎn)大規(guī)模新型結(jié)構(gòu)。1915年奧斯汀引入標(biāo)準(zhǔn)化桁架后，在1925年完善了沒有角撐板的焊接桁架，為當(dāng)時(shí)的工業(yè)廠房帶來了更多的開放區(qū)域、更高的地面承載能力以及更靈活的使用空間，并將其分割為重復(fù)性單元，便于未來擴(kuò)展改造。這種模塊化的設(shè)計(jì)趨勢(shì)延續(xù)到戰(zhàn)后科研實(shí)驗(yàn)建筑的設(shè)計(jì)之中，與此前厚實(shí)、不可移動(dòng)的墻壁建造的空間形成鮮明對(duì)比。

2 早期實(shí)驗(yàn)室的室內(nèi)空間（1574 年）

3 利巴維烏斯化學(xué)館立面（1606 年）

4 利巴維烏斯化學(xué)館平面（1606 年）

5 阿爾特多夫大學(xué)實(shí)驗(yàn)室（1720 年）

6 斯特拉斯堡大學(xué)物理研究所二層平面（1894 年）

7 斯特拉斯堡大學(xué)物理研究所基礎(chǔ)剖面（1894 年）

表1 各時(shí)期實(shí)驗(yàn)室體量與空間關(guān)系簡(jiǎn)圖

由于工作流程、技術(shù)要求以及設(shè)備的確定，不同專業(yè)實(shí)驗(yàn)室在當(dāng)時(shí)已進(jìn)化為特定的空間類型，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室所需尺寸及內(nèi)部組織十分相似。1941年，距紐約市中心約32km的貝爾電話實(shí)驗(yàn)室（一期）運(yùn)用模塊化手段建立科研實(shí)驗(yàn)建筑，為之后的實(shí)驗(yàn)室空間布局樹立了標(biāo)準(zhǔn)模板。在該方案中，為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)程序，建筑師對(duì)來自不同專業(yè)的科研人員所需的實(shí)驗(yàn)室空間進(jìn)行統(tǒng)一考慮，以6ft為基本模數(shù)設(shè)計(jì)了三種大小不一的實(shí)驗(yàn)?zāi)K（圖8,9），每種模塊除了包含其自身所有的建筑、機(jī)械、電氣、結(jié)構(gòu)特征以及標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)驗(yàn)操作臺(tái)之外，還為研究人員提供了足夠的交流互動(dòng)空間，模塊內(nèi)部的輕質(zhì)隔墻也可以根據(jù)研究計(jì)劃的變更重新配置。

同過去自由的個(gè)人研究相比，科學(xué)研究集體化程度的提高帶來了人員的集中與空間的集約，科研人員與組織之間的依附關(guān)系更強(qiáng)，這種關(guān)系隱含在由標(biāo)準(zhǔn)模塊擴(kuò)展成的模數(shù)網(wǎng)格之中，空間上以“個(gè)人工位—工作面—工作單元—工作區(qū)—整體平面”的順序依次展開，而6ft模塊單元的應(yīng)用賦予了實(shí)驗(yàn)室空間極強(qiáng)的靈活性，使用空間可根據(jù)工作性質(zhì)與內(nèi)容的變化迅速調(diào)整，重新安排實(shí)驗(yàn)室設(shè)施，以適應(yīng)不斷發(fā)展的科研活動(dòng)需要，并在某種程度上淡化了不同實(shí)驗(yàn)室間的區(qū)隔，鼓勵(lì)跨學(xué)科交流。直到今天，模塊化實(shí)驗(yàn)室單元仍是實(shí)驗(yàn)室建筑中的基本范式。

4 結(jié)語

從科學(xué)發(fā)展早期的個(gè)人研究到以生產(chǎn)教學(xué)為目的的集體協(xié)作，再到以模塊為基礎(chǔ)的跨學(xué)科協(xié)同研究，以上三個(gè)來自不同時(shí)期的案例在不同程度上體現(xiàn)了彼時(shí)科研活動(dòng)與空間形態(tài)之間的映射關(guān)系，呈現(xiàn)出不同的空間特征（表1）。在早期學(xué)科分類尚未明確的情況下，實(shí)驗(yàn)室通常為個(gè)人自發(fā)組織的空間，內(nèi)部通過簡(jiǎn)單分隔出實(shí)驗(yàn)工位與交通空間，平面多為集中式布局，圍繞熔爐等實(shí)驗(yàn)器具展開，以私密的探究活動(dòng)為主；伴隨文藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)的興起，近代科學(xué)體系逐漸形成，“實(shí)驗(yàn)室”的使用逐漸由化學(xué)擴(kuò)展到其他學(xué)科，平面多為圍合式院落，四周布置教室、實(shí)驗(yàn)室、報(bào)告廳等功能，以滿足教學(xué)與研究需要，其家具陳設(shè)和實(shí)驗(yàn)室單元也呈現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展趨勢(shì)；二戰(zhàn)后的實(shí)驗(yàn)室建筑深受工業(yè)化影響，布局同戰(zhàn)時(shí)工廠十分相似，將集中式的工業(yè)研究、規(guī)模擴(kuò)大化生產(chǎn)以及跨學(xué)科的學(xué)術(shù)研究結(jié)合在一起，為適應(yīng)來自不同學(xué)科科學(xué)家之間的協(xié)作對(duì)空間進(jìn)行模塊化處理，內(nèi)部設(shè)置易于更換的輕質(zhì)隔墻，樓板之下鋪設(shè)易于擴(kuò)展與定位的服務(wù)管線，以應(yīng)對(duì)未來的復(fù)雜變化。

與其他建筑類型不同，科研實(shí)驗(yàn)建筑空間的專業(yè)性與實(shí)用性是科學(xué)訴求物質(zhì)化的集中體現(xiàn)。歷史上實(shí)驗(yàn)室建筑空間的演變是一個(gè)由封閉到開放、由松散到集約的過程，各時(shí)期在場(chǎng)地選擇、管理模式與空間組織上不盡相同。回歸當(dāng)下，科學(xué)技術(shù)的日益進(jìn)步對(duì)科研建筑設(shè)計(jì)提出了更高的要求，摒棄“科研空間=實(shí)驗(yàn)室”的固有印象，設(shè)計(jì)過程在滿足基本實(shí)驗(yàn)工藝需要的同時(shí)，還要考慮科研人員的行為與使用模式等諸多方面，跨越學(xué)科間的藩籬，營(yíng)建支持科研創(chuàng)新、適合團(tuán)隊(duì)研究的社會(huì)化建筑。

8 貝爾電話實(shí)驗(yàn)室（一期）平面圖

9 貝爾電話實(shí)驗(yàn)室（一期）模塊軸測(cè)圖

① 直到20世紀(jì)70年代之前，煉金術(shù)研究一直活躍于國(guó)外的科學(xué)史期刊中，如Ambix，Annals of Science等。

② 以化學(xué)專業(yè)為例，熔爐在這一時(shí)期已被全新的氣動(dòng)化學(xué)代替。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部通常為木制工作臺(tái)，上方為瓶架，下方有抽屜和儲(chǔ)藏柜，內(nèi)部裝有煤氣與自來水管道。工作臺(tái)的末端有洗手盆，排水系統(tǒng)把所有的液體廢物排到靠近外墻的污水管內(nèi)。由于當(dāng)時(shí)還沒有密閉通風(fēng)柜，會(huì)在開放工作臺(tái)上配備強(qiáng)制通風(fēng)裝置。詳見文獻(xiàn)[11]。

③19 世紀(jì)90 年代末，機(jī)械振動(dòng)的主要外部來源是附近的車輛，其中有軌電車在后來又帶來了全新的電磁場(chǎng)干擾，影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，甚至使當(dāng)時(shí)的一些著名研究所淪落至一文不名。詳見文獻(xiàn)[12]。

1 作者自繪

2 來源于文獻(xiàn)[11]

3,4 來源于文獻(xiàn)[7]

5 來源于文獻(xiàn)[10]

6,7 來源于文獻(xiàn)[13]

8,9 來源于文獻(xiàn)[14]

1 作者自繪