化學(xué)實(shí)驗(yàn)室建筑空間演變研究＊

馬佳怡 崔彤 王一鈞

在科技創(chuàng)新的時(shí)代背景下，提升我國(guó)科研實(shí)驗(yàn)室的水平具有必要性。梳理國(guó)內(nèi)外化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的空間演變特征及脈絡(luò)，有利于認(rèn)清化學(xué)實(shí)驗(yàn)室建筑的發(fā)展趨勢(shì)，并從適應(yīng)學(xué)科發(fā)展的角度提出前瞻性建議。

1 國(guó)外化學(xué)實(shí)驗(yàn)室建筑空間演變脈絡(luò)

化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,其發(fā)展歷程大致可分為五個(gè)階段（表1）。

表1 世界化學(xué)實(shí)驗(yàn)室空間發(fā)展歷程

1.1 萌芽階段（1590—1820年）

化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的概念最早出現(xiàn)于帕拉塞爾蘇斯（Paracelsus）提出的醫(yī)療化學(xué)概念中，由于對(duì)熱量和光的需求，其特征是以熔爐和蒸餾裝置為核心的實(shí)驗(yàn)空間。早期的藥劑師和煉金師都有作坊，以熔爐為核心的特定空間構(gòu)成了化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的雛形。到18世紀(jì)70年代，隨著氣動(dòng)化學(xué)的興起，蒸餾裝置替代熔爐主導(dǎo)了實(shí)驗(yàn)空間。安東尼x 拉瓦錫（Antoine Lavoisier）于1777年在巴黎兵工廠建立了新型實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室中間擺放著大桌子和氣動(dòng)設(shè)備，存放設(shè)備的架子首次出現(xiàn)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中。

1.2 過渡階段（1820—1850年）

19世紀(jì)初期，化學(xué)教學(xué)模式的改變及有機(jī)化學(xué)的發(fā)展促進(jìn)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)室空間布局的調(diào)整，通風(fēng)柜、長(zhǎng)桌、櫥柜、瓶架的設(shè)置，對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)室的空間布局產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

有機(jī)化學(xué)的發(fā)展使實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生了使用通風(fēng)柜的需求，同時(shí)李比希（Justus von Liebig）創(chuàng)造了一種新型研究生培養(yǎng)制度，以培訓(xùn)大量化學(xué)科研人員，并在吉森大學(xué)創(chuàng)建了公共實(shí)驗(yàn)室，其空間內(nèi)設(shè)置了可容納多人同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的通風(fēng)柜、長(zhǎng)桌、櫥柜、瓶架等設(shè)施。伯克貝克實(shí)驗(yàn)室延續(xù)了吉森實(shí)驗(yàn)室的布置模式。

1.3 發(fā)展階段（1850—1890年）

1855年，羅伯特·本生（Robert Bunsen）在德國(guó)海德堡建立的實(shí)驗(yàn)室將水、氣、電等現(xiàn)代化設(shè)施接通至每個(gè)工作臺(tái)，為經(jīng)典化學(xué)實(shí)驗(yàn)室由實(shí)驗(yàn)臺(tái)主導(dǎo)的空間奠定了基礎(chǔ)。

19世紀(jì)60年代早期，德國(guó)率先意識(shí)到化學(xué)是科技進(jìn)步的關(guān)鍵，進(jìn)而研發(fā)建設(shè)規(guī)模宏大的新型實(shí)驗(yàn)建筑。其實(shí)驗(yàn)室單元包含了當(dāng)時(shí)所有可大規(guī)模生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)設(shè)施，如通風(fēng)柜、實(shí)驗(yàn)臺(tái)、配套的燃?xì)?、水管、試劑架、洗漱池及廢物處理系統(tǒng)，并為提升實(shí)驗(yàn)室舒適度配備了經(jīng)過改善的暖氣和照明，同時(shí)增加了存放室和暗室等專用房間。有別于上一時(shí)期實(shí)驗(yàn)室的長(zhǎng)桌靠墻布置，這種“經(jīng)典實(shí)驗(yàn)室”布局將實(shí)驗(yàn)臺(tái)沿橫向陣列排布，中間設(shè)置過道，兩端開門，沿墻壁布置通風(fēng)柜。萊比錫實(shí)驗(yàn)室、格里夫斯瓦爾德大學(xué)實(shí)驗(yàn)室等都采用了“經(jīng)典實(shí)驗(yàn)室”布局。此后，西方國(guó)家紛紛效仿德國(guó)建造實(shí)驗(yàn)室。

1.4 變革階段（1890—1990年）

19世紀(jì)中期，化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的范疇已經(jīng)從高校拓展到多種工業(yè)實(shí)驗(yàn)室，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展引發(fā)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)室空間的變革，出現(xiàn)以儀器設(shè)備為主導(dǎo)的專用實(shí)驗(yàn)室空間，與經(jīng)典實(shí)驗(yàn)室并存。

20世紀(jì)30年代末，迅速發(fā)展的石油精煉技術(shù)及石化工業(yè)迫切需要精確而快速的方法來分析氣體流，進(jìn)而誕生了核磁共振儀、氣相色譜儀、火焰電離探測(cè)器等新型化學(xué)儀器。工業(yè)實(shí)驗(yàn)室不受傳統(tǒng)束縛，投入資金率先引進(jìn)新儀器并單獨(dú)設(shè)置在類似物理實(shí)驗(yàn)室的專用實(shí)驗(yàn)室里。從此，工業(yè)實(shí)驗(yàn)室由學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室的模仿者轉(zhuǎn)變?yōu)橐I(lǐng)者。到20世紀(jì)50年代，電子儀器開始大量應(yīng)用，進(jìn)而出現(xiàn)了儀器專業(yè)操作人員和相應(yīng)空間。

1.5 優(yōu)化階段（1990年至今）

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著科技的快速發(fā)展和新型研究領(lǐng)域的不斷出現(xiàn)，儀器和實(shí)驗(yàn)設(shè)備已不再是影響實(shí)驗(yàn)室品質(zhì)的主導(dǎo)要素，現(xiàn)代化學(xué)實(shí)驗(yàn)室要求更高的系統(tǒng)性和前瞻性，并關(guān)注數(shù)字技術(shù)。

現(xiàn)代科研活動(dòng)所具有的集約復(fù)雜、團(tuán)隊(duì)協(xié)作和持續(xù)變化的特點(diǎn)要求實(shí)驗(yàn)室空間布置具有統(tǒng)一性、開放性和靈活性。同時(shí)，現(xiàn)代化學(xué)實(shí)驗(yàn)室要求綜合系統(tǒng)地考慮包含設(shè)備管網(wǎng)布局的工程技術(shù)設(shè)備；實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)不僅要滿足不斷變化的實(shí)驗(yàn)工藝需求，還要形成各類靈活便捷的人流、物流交通體系，并為研究員提供宜人的、可促進(jìn)研討交流的創(chuàng)新空間環(huán)境。

1.6 小結(jié)

在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室四百多年的發(fā)展歷程中，從以裝置為核心的工坊到以教學(xué)為核心的實(shí)驗(yàn)空間模式，從經(jīng)典實(shí)驗(yàn)室的出現(xiàn)到其后續(xù)的快速變革，科技的進(jìn)步、教研模式的轉(zhuǎn)變、設(shè)備的迭代不斷促進(jìn)著化學(xué)實(shí)驗(yàn)室空間的演變。如今，隨著科學(xué)和技術(shù)變革步伐的不斷加快，化學(xué)實(shí)驗(yàn)室也在不斷增加靈活性、開放性和人性化特征，以更適應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)研究的新模式。

2 我國(guó)近現(xiàn)代化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的空間演變脈絡(luò)

2.1 萌芽階段（建國(guó)前）

我國(guó)具有科學(xué)理論體系的近代化學(xué)是在明末清初由歐洲傳入的。20 世紀(jì)初，京師大學(xué)堂創(chuàng)建的化學(xué)樓配備了教室、化學(xué)實(shí)驗(yàn)室及煤氣凈化室。1916 年成立的農(nóng)商部工商試驗(yàn)所，是中國(guó)最早的化學(xué)研究試驗(yàn)機(jī)構(gòu)。當(dāng)時(shí)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室空間小，只靠墻放置著普通的木質(zhì)長(zhǎng)桌和一些簡(jiǎn)單的儀器設(shè)備，十分簡(jiǎn)陋。

2.2 起步階段（1949—1955年）

20世紀(jì)50年代第一個(gè)五年計(jì)劃期間，全國(guó)掀起了大規(guī)模工業(yè)建設(shè)浪潮。從1953年起，國(guó)家逐步從國(guó)外購(gòu)置儀器設(shè)備，直接在毛坯建筑內(nèi)的大空間里安裝實(shí)驗(yàn)設(shè)備，形成化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，設(shè)備管線多裸露布置，如華東化工學(xué)院化工原理實(shí)驗(yàn)室。

2.3 自主開拓階段（1956—1966年）

20世紀(jì)50年代末，我國(guó)開始自主探索實(shí)驗(yàn)室建設(shè)。60年代末，部分高校陸續(xù)建設(shè)了一批國(guó)家發(fā)展急需的科研實(shí)驗(yàn)室。其內(nèi)部實(shí)驗(yàn)臺(tái)尺寸較短，垂直窗戶陣列布置，實(shí)驗(yàn)設(shè)備直接零散放置在臺(tái)上，沿墻布置儲(chǔ)藏柜。建筑自身沒有完備的現(xiàn)代設(shè)施，缺少上下水及通風(fēng)系統(tǒng)。

2.4 停滯階段（1967—1976年）

1967—1976年，除少數(shù)國(guó)家重點(diǎn)研究機(jī)構(gòu)得以保留外，大部分研究機(jī)構(gòu)遭到破壞，全國(guó)的科學(xué)技術(shù)發(fā)展處于停滯階段。

2.5 改革階段（1977—1991年）

十一屆三中全會(huì)后，我國(guó)科研事業(yè)迎來了新的發(fā)展階段。隨著高校資源配置的優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)儀器和試劑種類增多，開始采用中央實(shí)驗(yàn)臺(tái)、試劑架，一些實(shí)驗(yàn)室增加了通風(fēng)及水、暖、電管網(wǎng)等現(xiàn)代化設(shè)施，并引進(jìn)了先進(jìn)的電子設(shè)備，已基本具有“經(jīng)典實(shí)驗(yàn)室”的空間格局。

2.6 快速發(fā)展階段（1992年至今）

隨著“科教興國(guó)”戰(zhàn)略的確立，我國(guó)科學(xué)事業(yè)發(fā)展迅速，并積極學(xué)習(xí)西方先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)思路。至2019年，我國(guó)各類化學(xué)研究機(jī)構(gòu)已有近千個(gè)，通風(fēng)及水、暖、電管網(wǎng)等現(xiàn)代化設(shè)施成為實(shí)驗(yàn)室的必備選項(xiàng)，化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的空間環(huán)境及科學(xué)儀器設(shè)備，已經(jīng)逐漸向國(guó)際看齊。但是，我國(guó)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室在空間布局的開放性以及空間環(huán)境的人性化設(shè)計(jì)方面仍顯落后。

2.7 小結(jié)

我國(guó)化學(xué)學(xué)科及化學(xué)實(shí)驗(yàn)室在1949年后開始發(fā)展，經(jīng)歷了開拓、停滯、改革等階段。如今，化學(xué)學(xué)科體系完善，研究方向明確，化學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)在功能、技術(shù)、設(shè)備、建造水平等方面也有顯著提升（表2）。

表2 我國(guó)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室發(fā)展歷程

3 當(dāng)代化學(xué)實(shí)驗(yàn)室建筑空間發(fā)展趨勢(shì)

隨著化學(xué)學(xué)科的快速發(fā)展，更高的適應(yīng)性和更好的空間環(huán)境是新時(shí)期化學(xué)實(shí)驗(yàn)室建筑設(shè)計(jì)不斷追求的目標(biāo)，化學(xué)實(shí)驗(yàn)室建筑正朝著具備靈活性、開放性和人性化的方向發(fā)展。

3.1 靈活性

靈活性是指能夠在不改變實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)體系和內(nèi)部空間的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整不同功能空間的位置及其相互聯(lián)系的方式來迅速適應(yīng)實(shí)驗(yàn)空間的不同需求，使實(shí)驗(yàn)室具有重新組合和允許多種用途的能力。靈活性體現(xiàn)在“功能靈活設(shè)置”和“空間布局可變”兩方面?！肮δ莒`活設(shè)置”指建筑空間可根據(jù)需求進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓δ馨才牛▓D1），如教學(xué)實(shí)驗(yàn)室可改為科研實(shí)驗(yàn)室?！翱臻g布局可變”是指實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部設(shè)施可形成多種布局模式，如進(jìn)行團(tuán)體研究項(xiàng)目時(shí)，實(shí)驗(yàn)桌可采取組合放置模式；進(jìn)行個(gè)人獨(dú)立研究時(shí)，可采取單獨(dú)放置模式（圖2）。靈活性的實(shí)現(xiàn)需要借助懸掛服務(wù)支架系統(tǒng)和可移動(dòng)家具。懸掛服務(wù)支架系統(tǒng)是一種可以靈活變動(dòng)的活動(dòng)式服務(wù)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)管道固定布置的模式不同，供給系統(tǒng)可隨實(shí)驗(yàn)設(shè)備移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)臺(tái)的隨意變換。如新加坡卓越研究和技術(shù)企業(yè)園的實(shí)驗(yàn)室中，將工程管網(wǎng)集中布置在天花板上，預(yù)留設(shè)備與管道的接口，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)室儀器與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的快速連接與斷開（圖3），為實(shí)驗(yàn)室未來功能轉(zhuǎn)變或布局變化提供可能?？梢苿?dòng)家具可根據(jù)需求的變化組合形成多種不同的布置方案，滿足多功能的使用需求，實(shí)現(xiàn)空間布局的靈活可變（圖4）。

1 功能靈活布置

2 空間布局可變

3 新加坡卓越研究和技術(shù)企業(yè)園

4 實(shí)驗(yàn)室可移動(dòng)家具

3.2 開放性

21 世紀(jì)以來，合作共享的理念正成為主流，實(shí)驗(yàn)室也逐步顯現(xiàn)出由“封閉”到“開放”的趨勢(shì)。對(duì)于以團(tuán)隊(duì)合作模式為導(dǎo)向的科學(xué)研究工作來講，為增強(qiáng)研究人員的互動(dòng)學(xué)習(xí)，開放性十分重要（圖5,6）。

5 奧地利科學(xué)院實(shí)驗(yàn)室

6 新加坡卓越研究和技術(shù)企業(yè)園開放性實(shí)驗(yàn)室

在開放性理念的引導(dǎo)下，可在教學(xué)實(shí)驗(yàn)室等私密性較低的空間采用透明邊界，提升內(nèi)部空間的可見性（圖7）；采用局部開放的形式，將危險(xiǎn)性高、有特殊要求的化學(xué)實(shí)驗(yàn)在封閉實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，將常規(guī)性的實(shí)驗(yàn)在開放實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行（圖8）。此外，可局部打破課題組空間界限，將相鄰實(shí)驗(yàn)室組合布置，在中部共享空間放置使用頻率較低、體量較大的儀器，兩側(cè)不同課題組的研究人員均可使用（圖9）。這不僅節(jié)約了實(shí)驗(yàn)室面積，還加強(qiáng)了不同課題組之間的交流協(xié)作。

7 實(shí)驗(yàn)室邊界透明化

8 局部開放實(shí)驗(yàn)室

9 實(shí)驗(yàn)室局部共享

3.3 人性化

人性化設(shè)計(jì)要求針對(duì)不同使用人群的個(gè)性化需求考慮空間的設(shè)計(jì)特色。化學(xué)實(shí)驗(yàn)室包括教學(xué)實(shí)驗(yàn)室和科研實(shí)驗(yàn)室，這兩類實(shí)驗(yàn)室在使用人數(shù)、使用頻率和使用方式上各有不同，需要個(gè)性化的設(shè)計(jì)（表3）。教學(xué)實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)具備多媒體展示屏、演示臺(tái)等教學(xué)設(shè)備；具有連續(xù)的環(huán)形流線，方便學(xué)生與老師之間的互動(dòng)交流；可變換的家具布局，能夠方便快捷地實(shí)現(xiàn)教學(xué)、交流、實(shí)驗(yàn)等不同課堂形式之間的轉(zhuǎn)換?？蒲袑?shí)驗(yàn)室則具備更高的私密性，但能為研究團(tuán)隊(duì)的交流學(xué)習(xí)創(chuàng)造條件，能夠滿足大量?jī)x器設(shè)備及私人物品的存儲(chǔ)需求。

表3 不同類型實(shí)驗(yàn)室對(duì)比表

人性化的設(shè)計(jì)還要注意營(yíng)造良好的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，充分利用邊角空間，通過功能疊加的方式為人們提供公共服務(wù)、休閑交流的場(chǎng)所（圖10）。如圖11所示，在實(shí)驗(yàn)室的墻壁上設(shè)置移動(dòng)白板，可方便研究團(tuán)隊(duì)隨時(shí)交流。

10 奈特癌癥研究大樓

11 墻面移動(dòng)白板

4 總結(jié)

從國(guó)內(nèi)外化學(xué)實(shí)驗(yàn)室建筑空間的發(fā)展歷程來看，科技的進(jìn)步、學(xué)科的發(fā)展、工藝的更新直接影響了化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的規(guī)模、布局和功能的演變。我國(guó)經(jīng)典化學(xué)實(shí)驗(yàn)室空間布局的普及比西方發(fā)達(dá)國(guó)家晚了約100年，但發(fā)展至今，我國(guó)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的儀器設(shè)備及空間環(huán)境已逐漸向國(guó)際看齊。未來，實(shí)驗(yàn)設(shè)備及工藝將更加復(fù)雜化、精細(xì)化、自動(dòng)化、數(shù)字化，網(wǎng)絡(luò)信息時(shí)代的科研工作模式也在不斷演化，“人—機(jī)”“人—人”“人—環(huán)境”“物—物”及其空間屬性的重新定義將帶來化學(xué)實(shí)驗(yàn)室更新迭代的加速，其空間逐漸呈現(xiàn)出靈活性、開放性、人性化的發(fā)展趨勢(shì)。

1,2 作者自繪

7-9 作者自繪

3,6 來源于www.iarch.cn

4 來源于文獻(xiàn)[6]

5 來源于文獻(xiàn)[10]

10 來源于www.gooood.cn

11 來源于www.hok.com

1 圖片來源于zh.wikipedia.org，文獻(xiàn)[10]，文獻(xiàn)[11]，其余由作者自繪

2 圖片來源于www.sohu.com，edu.sina.com.cn，其余由作者自繪、自攝

3 作者自繪

①帕拉塞爾蘇斯（Paracelsus）是中世紀(jì)歐洲的醫(yī)生、煉金師，他最先提出把醫(yī)學(xué)和煉金術(shù)結(jié)合成為一種新的醫(yī)療化學(xué)。