科研实验建筑定制化设计——上海交通大学闵行校区绿色增长及应对全球气候变化研究中心设计解析

科研实验建筑定制化设计——上海交通大学闵行校区绿色增长及应对全球气候变化研究中心设计解析

张敏1 ,韩莉莉2 ,李诗怡3

1.3.中船第九设计研究院工程有限公司     2.上海交通大学

摘要： 当代科学实验建筑不再是单一的功能性场所，它趋于复合化、多元化，不仅要满足科研实验的功能，同时要兼具成果转化、平台共享、交流展示、绿色节能等多重属性。且与普通民用建筑不同，科研实验建筑需要各专业对特定的设计内容进行量身定制，同时随着科研技术的日新月异，对建筑的适应性、灵活性、可持续性也提出了更高的要求。

关键词：科研实验建筑 定制化 功能 空间 工艺

1项目概况

在“科技强国”的时代背景下，上海交通大学为满足建设世界一流大学和一流学科的需要，通过提供更好的基础设施条件，促进环境学院发展和高素质、高层次人才培养，为国家生态环境保护战略的实施做出贡献。因此，拟建设一栋具有前瞻性、可持续性的科研实验建筑：上海交通大学闵行校区绿色增长及应对全球气候变化研究中心。

该项目位于上海交通大学闵行校区，总建筑面积34542平方米，其中地上建筑面积27600平方米，地下建筑面积6942平方米。分为东楼和西楼，东楼地上10层，西楼地上4层，并设置一层地下室。使用功能主要包括环境科学与工程学院多元创新实践基地、科研平台、公共服务测试平台等。

2总体设计

本项目用地紧凑，基地中间存在南北向道路，将基地分为东、西两块。高层布置在相对宽裕的东侧地块，标准层方整，经济实用；西侧用地局促，布置多层，同时减少了对北侧宿舍日照的影响范围。

东楼建筑造型分为上下两个部分，以四层的露台花园作为过渡层。上部高区建筑风貌简洁明快，立面采用横向设计元素，弱化建筑体量，使建筑形态舒展，窗台及檐口处用金属线脚收边，增加立面细节，体现科研建筑气质。下部低区以传承交大文脉为基调，立面采用“学院红”陶板材质，与校园内现有建筑色彩统一，塑造端庄典雅形象，彰显校园人文气息。西楼建筑造型延续了同样的设计手法，与东楼呼应。

3设计策略

当代科学实验建筑不再是单一的功能性场所，它趋于复合化、多元化，不仅要满足科研实验的需求，也要兼具成果转化、平台共享、交流展示、绿色节能等多重属性。且与普通民用建筑不同，科研实验建筑需要建筑及各专业对特定的设计内容进行量身定制，包括场地布局、空间尺度、室内环境、工艺流线、环保处理等等，同时随着科研技术的日新月异，对建筑空间的适应性、灵活性、可持续性也提出了更高的要求。

3.1建筑设计

建筑标准层采用环廊式布局，核心是通高中庭，走廊围绕中庭将实验室、研究室串联起来。研究室进深较小，位于内圈；实验室进深较大，且会使用到易燃易爆气体，并排放大量的废气，出于安全和通风的考虑，布置于外圈；实验室和研究室之间可以通过走廊双向交流，高效互动的工作环境符合未来实验室的发展需求。在平面的东西四角布置交通核及辅助房间，使用便捷，也避免了东西朝向对工作空间的不利影响。每个楼层还设有面向中庭的开放讨论区，与实验室、研究室共同组成学术研究及交流共享圈。

一二层主要是公共空间，包括前厅、大台阶、休闲区等，促进师生交流、学科互动，营造了活跃的学术氛围。建筑一层以报告厅为核心，围绕布置开放式台阶发布厅、展廊、茶水间、讨论区、活动区等各类功能，同时大台阶与活动区两层通高，与二楼的环廊、公共休闲区联通，使得整个大楼底层空间开放流动，创造出多样化的学院共享空间，也成为校级交流活动的重要公共平台。

三层至顶层的中心是通高的矩形中庭，中庭的侧向天窗可开启调节，有效应对昼夜和季节的变换，改善了室内采光通风，并降低能耗。中庭南北侧布置科研室、讨论室，朝向良好，东西两侧布置较宽的走廊，联系南北两侧功能。中庭内部设置有空中连廊，增加了通高采光中庭的空间层次，也提高了中庭的利用率。

3.2工艺设计

在实验室工艺平面设计中遵循三区明确和三流清晰的原则。三区明确就是实验区、办公区、公共区（电梯、楼梯间、卫生间）三区划分清晰。实验区设立门禁系统，实验区内根据实验级别不同设定受控级别，划分不同的操作区域，保证实验区不受外界干扰、实验室之间不出现交叉污染的现象。三流清晰就是实验室规划按照人流、物流、污物流的流向进行规划，避免人人污染、人物污染等交叉污染的情况。

在实验室工艺竖向设计上，根据实验类型及排风量大小的不同，将比较干净、排风量较少的物理类实验设置于低区，将产生较多污染物质、局部排风量较多、比较“污”的化学类、生物类实验室置于高区，便于竖向排风系统的组织，同时也可减少竖向风管穿越楼层对于平面布局的影响。对于大型重型实验设备，振动噪声较大，需要做设备基础，且对高度有一定要求，固设置在首层和地下室，以满足特殊的工艺需求。

此外，由于实验室的工艺流程会因检测技术和设备的更新而发生变化，实验室空间设计应具有一定前瞻性，因此采用模块化布局、灵活可变，机电管路设置、机电井道布置均考虑一定变更余量，以便在实验室未来改造中，将土建的影响与追加的成本控制在最小。

3.3结构设计

根据上海市装配式建筑相关要求，本项目建筑单体预制率不应低于40%；且中庭通高大面积开洞，造成建筑物结构超限；同时建筑功能上，大部分房间为实验室，荷载较重。基于以上特点，经计算比较后，本工程采用钢结构形式，并进行了以下优化设计：

首先，选用合理桩型，大幅节省造价。以局部钢柱内浇灌混凝土，提高了框架柱的承载力，用较小柱截面，满足了大荷载的要求，同时节省用钢量，拓展了建筑的室内使用空间。其次，通过楼板与钢梁的组合，以较小的梁高来满足大跨大荷载的功能要求，也为室内提供了舒适的净高空间。最后，根据大震下楼板应力分析，加厚楼板并在薄弱处加强配筋，加强了整栋建筑的整体性。并考虑最不利情况下各因素的影响，对南北部分别做推覆验算，结果仍可满足规范的要求，践行了大震不倒的结构理念。

3.4暖通设计

本项目空调系统分为办公等场所的舒适性空调系统和理化实验类场所的工艺性空调系统。考虑到经济性、节能性、改造便捷性的要求，项目采用了多联机加直膨新风的空调系统。此类空调方式可按层、按区域、按需设置空调系统，对未来的使用、改造提供了各种可能性。

其中实验区空调排风量、新风送风量都较大。如全部采用全空调则投资运营成本太高，针对具体问题具体分析，对不同区域采用不同的空调类型：实验区内实验工艺对有温湿度有严格要求的特殊房间采用独立的恒温恒湿机组类直膨机组；其余对温湿度没有特别要求实验房间均采用平时多联机加直膨新风的空调系统，实验过程加大排风量时采用自然新风由风机直接补风的方式。既能达到了使用的舒适性，又满足了建筑的低碳节能。

3.5给排水设计

本项目充分利用市政水压，地下一层至一层由市政压力直供，二层以上由变频给水设备供水；并采用节水型卫生器具，按用途设置分级计量水表；地下室设置雨水回用系统收集基地洁净雨水，经处理后供景观绿化浇洒、道路冲洗使用。实验室废水中无害废水直接排至室外污水管；实验室酸碱废试剂和其初道清洗的酸碱废水单独收集，定期送至地下室酸碱中和设备进行中和处理，PH达标后外排；其它有毒有害实验废液单独收集在专用废液桶中，由相关部门处理。

3.6电气设计

本项目采用建筑设备监控管理系统对给排水系统、采暖通风系统等机电设备进行测量、监控、达到最优运行方式。系统配置向本市建筑能耗监管信息系统的数据上传功能模块，实现与本市建筑能耗监管信息系统的连接。

由于建筑内有大量的电子类负荷，且谐波分布多变，谐波工程计算比较复杂。本次设计采用整体的谐波治理方案，对变电站考虑采用滤波器等滤波设备；电源侧采用电容补偿加装串联电抗器，改善三相不平衡；对于变频等谐波含量超出标准的设备，采取就地设置谐波吸收装置，提高设备或装置抗谐波干扰能力。根据上述方案综合作用，最终将谐波值控制在国家电网的标准内。

4小结

作为高度定制化的科研实验建筑，本项目从设计初期就进行了相应的统筹规划，对各专业进行综合考虑，以寻求建筑的经济性、实用性、舒适性、美观性、前瞻性、可持续性之间的平衡，是一次对当下科研实验建筑的初步探索。

参考文献：

[1]崔彤，王一钧．当代科研建筑发展趋势展望．当代建筑，2022（1）：16-20．