基于“地域适宜性”表达的科研建筑设计——福州大学电镜中心.pdf

035233|2023|08建筑学摘要：福州大学依据福建省中长期教育改革和发展规划纲要福建省人民政府关于进一步支持高校加快发展的若干意见有关要求及“双一流”大学发展目标，开展福州大学化学学院双一流学科建设，特别是球差校正平台的搭建。文章围绕该平台的核心项目福州大学电镜中心设计展开论述，针对球差实验室的减振、电磁屏蔽等重点难点提供理论依据及实例支撑，力求为严肃的科研建筑设计融入有温度的人文关怀。Abstract：In accordance with the relevant requirements of the Fujian Province Medium and Long-term Education Reform and Development Plan,Several Opinions of the Fujian Provincial Peoples Government on Further Supporting the Accelerated Development of Colleges and Universities and the development goals of double first-class universities,Fuzhou University carries out the construction of double first-class disciplines in the school of chemistry of Fuzhou University,especially the construction of the spherical aberration correction platform.This paper focuses on the core project of the platform-the design of the electron microscope center of Fuzhou University,provides theoretical basis and practical support for key difficulties such as vibration reduction and electromagnetic shielding of spherical aberration laboratory,and strives to integrate warm humanities into serious scientific research building design.关键词：福州大学；科研建筑；地域适宜性；电子显微镜；球差Keywords：Fuzhou University；scientific research building；suitability in regions；electron microscope；spherical aberration文马非福州大学建筑与城乡规划学院副教授系主任（通讯作者）吴昕福建省建筑设计研究院有限公司高级工程师DOI：10.19875/ki.jzywh.2023.08.012引言世界一流大学和世界一流学科简称“双一流”，是中共中央、国务院作出的重大战略决策，也是中国高等教育领域继“985工程”“211工程”之后的又一国家战略，有利于提升中国高等教育综合实力和国际竞争力1。建设任务中明确了“提升科学研究水平”，重点建设一批国内领先、国际一流的优势学科和领域。为配合政府、学校“双一流”大学发展目标，福州大学化学学院开展球差校正平台搭建工作，而电子显微镜实验中心是该平台的重点工程项目。该中心按科研实验楼类型设计，力求建设成为高端、智能、现代的综合性科研大楼（图 1）。1 研究对象电子显微镜是纳米乃至皮米级的结构分析工具，在观察材料的微细结构领域是其他设备不可取代的。一流的科研设施是一流科研成果的重要保障，目前国内部分高校的电镜中心大楼建设，为所在学校的学科建设、科研水平、学校重大研究项目和国家课题的完成、高水平论文的发表等多方面提供了必要的硬件技术保障。福州大学电镜中心借助透射电子显微镜，主要从事原子尺度的材料分析与表征，用以支持学校的双一流学科建设。作为学校的重大仪器平台，支撑学校重大研究项目和国家课题的完成，提高科学研究水平特别是支撑高水平论文的发表。该Scientific Research Building Design based on the Expression of Suitability in Regions:Electron Microscope Center of Fuzhou University基于“地域适宜性”表达的科研建筑设计福州大学电镜中心基金项目：一流本科教学改革建设项目学习共同体的建构（项目编号：校教 201858）图 1福州大学电镜中心远景（图片来源：作者自摄）036入口空间退让、人流密集程度、环境震动特点等因素，有了以下电镜中心总体设计。福州大学电镜中心占地 2700m2，总建筑面积 5000m2，地上 3 层，建筑高度 15.1m。基地西临山地，北面为学生公寓，南侧为专家公寓楼，东侧为景观水体。周边环境优美，交通便捷，水电通信等各项设施齐全。基地内部地势平整。建筑总体布局结合场地特点，呈大开口的“V”型，建筑西侧体块平行西侧山体布置，东侧体块平行于南侧规划路布置，既考虑朝向条件，又满足观景要求。主要出入口面向东侧规划路，次要出入口位于西侧体块，面向东北面。环形车道环绕建筑布置（图 2）。3.2 平面功能设计化学、生物与金工实验室的工艺，相对教室、行政及其他普通实验室，复杂得多也机械得多4。故而在功能布局上，我们力求简洁明了，以契合其高效快捷的工作节奏。“V”型西侧体块一层设置球差实验用房，二层为相关科研用房；东侧体块一、二层主要为普通科研用房，三层设置科报厅。东西两个体块在功能、流线上相互独立，分别设置出入口及垂直交通，疏散时又可兼顾使用。环境即教育5，我们在严谨的科研用房缝隙中植入休憩院落，供科研、教学之余的松弛（图3）。功能的“主”“次”安排中，透射电镜实验室是作为主要角色存在的，其他类型实验室和配套用房是次要部分。遵循“地域适宜性”中的“可持续性原则”，将透射电镜实验室作为“不变”的因素，其他实验室及配套办公会议空间作为“变”的因素融合考量：除电镜实验室因工艺需求有其特殊空间隔断、室内净高、柱网结构布置、并置于走道端头外，其他功能用房均按普适性原则布置，灵活安排柱网及空间隔断，方便将来改造升级的可能。3.3 外观形态设计科研建筑褪去原有的古板印象，逐渐向多元化的趋势发展6。建筑是为人服务的，“以人为本”是各类建筑设计的核心思想。作为使用主体的教师与学生的感受，是设计的重中之重。我们力求大效果契合科研建筑的性格，小空间塑造亲切宜人的尺度。立面主体材料采用 25 度灰色干挂水泥板，配以少量灰色真石漆，色调统一干净，简洁大气。西侧二层及东侧三层两个体块错落穿插，严谨中富有体量感，丰富的天际线及空间处理，充分体现科研用房高效、明快、简洁且典雅的风格。通过整体的“少”和细部的“多”进行建筑的自我对话，是科研建筑的自我思考，也是设计回应周边自然环境、人文环境的积极姿态。科研建筑设计标准（JGJ 91-2019）明确规定，科研建筑宜设置供科研人员交流与研讨的公共空间，该区域宜具有良好的空间环境7。我们在体块转角、交接处设置休憩景观内院，对“严肃稳定”的科研空间与“活跃流动”的休憩空间关系的可持续重点关注技术要素，而不仅仅是一层皮的形式问题。寻求建筑及其环境可持续发展的解决方案是每一位建筑师的职责。电镜中心在场地设计及功能空间的“变”与“不变”的探索中力求找到合理的平衡点。2.3 高效集约性原则场地利用是绿色生态城市重要环节。场地的方位、角度、形状、尺寸均对工程项目提出新的要求。电镜中心因其特殊的地质需求及环境需求，在场地设计上需要更为精准高效的方案。除了二维平面集约高效外，三维竖向的把握也是重要课题。3 研究内容福州大学电镜中心3.1 总体设计与其他实验室不同，高校实验室是为人才培养和科学研究共同服务的，因此它必须符合学校的办学规模、发展方向、专业设置、学科建设、科研方向2。本案的核心因素电镜成像需要极高分辨率，普通实验室配置无法满足其要求，需要特殊设计或进行大刀阔斧的改造，包括基础施工、磁屏蔽、防震、隔噪声、独立地线和恒温低湿系统3。经过化学学院实验中心、学校基建处、设计单位、勘察单位多方调研测试，将项目选址定于旗山校区生活 1 区山麓。遵循“地域适宜性”中的“高效集约性原则”，充分考虑梯形场地二维形态，结合日照通风朝向、中心将提供前沿的透射电镜表征工作，主要应用于各种化学、化工、材料等相关学科，可实现催化剂、纳米材料、金属、陶瓷、高分子、复合材料等多种材料的微观形貌观察和原子结构解析。电镜中心的启动运作，将为校内外相关领域提供高水平专业化的技术服务，为学校教学、科研和“双一流”建设提供新动能。2 研究方法与原则福州大学电镜中心设计作为地方高校的科研建筑项目，遵循“地域适宜性”宗旨，分解为以下三大设计原则适宜性、可持续性、高效集约性。2.1 适宜性原则适宜性原则包含技术适宜与地域适宜。在全球化、一体化的总体框架下寻求地域特色的发掘与表达，是本案设计的重要目标。不论是消耗型建设模式还是“千城一面”的形象呈现均对地域性设计构成威胁。技术上的“炫技”是一种变相的“殖民化”，而形态上单纯的“借鉴”与折中则是不负责任的妥协。电镜中心在技术上采用紧缩适用模式，强调技艺上的适度；在形态上追求场地与空间上的“唯一性”。2.2 可持续性原则除了绿色节能外，场地与功能空间的可再生、再创造是可持续的重要标志。“地域适宜性”中图 2总平面图（1 电镜中心 2 学生宿舍 3 山体 4 湖面 5 绿化 6 校园道路 7 停车位）（图片来源：作者自绘）图 3首层平面图（图片来源：作者自绘）（1 门厅 2 值班室 3配电房 4 科研室 5 球差校正电镜实验室 6 设备间 7 球差操作间 8 TALOS 操作间 9 实验室 10 仪器室 11 门厅 12 内院）图 4科研入口（图片来源：作者自摄）037233|2023|08建筑学梳理和优化，实现建筑空间的长效优化设计（图4、图 5）。3.4 电镜球差实验室3.4.1 实验室减振设计电子显微镜是能够观察样品极细微结构的大型精密仪器，在化学、生物学等学科领域观察纳米级材料、细胞超微结构是其他设备手段无法替代的。它具有极高的分辨率、放大倍率和原子级的观察尺度8，因此与一般大型实验设备最大的区别是电子显微镜尤其是透射电子显微镜对工作环境的条件要求极为严苛。实验室对于振动、电磁场、噪音、洁净度、环境温度和湿度有着极其严格的要求，不断变化的环境对高端透射电镜实验结论会造成严重影响和偏差。为此，实验室根据透射电镜场地技术指标要求、场地测试报告和建设单位建议等多方需求优化布置透射电镜平台设计方案，对实验室房间进行特殊的电磁屏蔽、抗震、降噪及温度、湿度控制系统有针对性的深入设计。为最大限度减小振动带来的实验数据偏差，实验室设置 148m 玻璃纤维筋混凝土独立基础用以消除高频振动。基础之上再铺设独立减振台，与上部电磁屏蔽仓自成一体（图 6）。3.4.2 实验室电磁屏蔽设计为满足球差实验室对于电磁场屏蔽的要求，项目组在实验室空间内设置电磁屏蔽仓，屏蔽体钢框架部分附着于建筑墙体，部分为独立支撑钢框架，将原实验室划分为透射电镜室和设备间（图 7）。屏蔽仓施工方制定优化施工工艺流程，各专业、各工种方面得以密切配合协调工作，提高施工效率（表 1）。在外观设计和实验室工艺设计上，建筑师遵循“地域适宜性”中的“适宜性原则”，即造型上追求体现福大地域特色、电镜中心建筑性格特色的不妥协；工艺技术上采取紧缩适用态度，强调技艺、成本上的适度。结语正向的价值观应是建立在人文关怀基础上的价值体系，建筑承载着文化，文化也反映在建筑上9，我们希望在实验室严肃、冰冷的外表下绽放有热度的生命力。“地域适宜性”是整个福州大学电镜中心项目的总基调，一切技术与形态设计方法均围绕这宗旨运作。项目启动之初我们提出“地标性、文化性、生态性”三大目标体现在建筑形式、建筑技术及材料设备选用上的“地标性”；营造福州大学“三种精神”的校园“文化性”；创造“以人为本”的绿色、生态、可持续的科研空间“生态性”。随着项目的深入，以球差实验室的减振、电磁屏蔽等问题为代表的技术性难点逐步凸显，各工种、各专业的设计配合乃至施工协调均给项目的开展提出了挑战。结合产学研一体的高校大型电镜综合实验室的设计、施工尚属探索阶段，专业的设计、专业的施工团队仍在磨合。为此，在项目竣工后整理经验得失，梳理“地域适宜性”三原则在项目设计方方面面的融合运用，期待能为相关研究提供理论依据及前沿案例支撑。参考文献：1中华人民共和国中央人民政府.国务院关于印发统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案的通知（国发201564号）.EB/OL.2022-12-15.http:/ Paola,Castagnetti Marina,Giudici Claudia.Loris Malaguzzi and the Schools of Reggio Emilia:A selection of his writings and speeches,19451993M.London:Routledge,2016.6付茂甦.基于案例的办公建筑多元化设计与分析J.中外建筑,2015(10):118-119.7徐元卿,景泉,张翼南,等.绿色共享文化科研建筑公共空间设计策略初探J.建筑技艺,2021(03):118-119.8陈明霞.提高电子显微镜使用效率的方法探讨J.电子显微学报实验技术与管理,2013(01):83-84.9马非.一汲清泠水 高风味有余武夷山茶博物馆设计J.新建筑,2012(10):78-81.图 5办公入口（图片来源：作者自摄）图 6球差屏蔽室减震台剖透视（1 玻璃纤维筋混凝土 2钢筋混凝土 3 玻璃纤维筋 4 波导处理 5 缓冲垫层 6 硅胶 7钢丝绳 8 屏蔽板 9 橡胶地面 10 素土夯实）（图片来源：作者自绘）图 7电磁屏蔽仓详图（图片来源：作者自绘）（1 玻璃纤维筋混凝土 2 高强度灌浆 3 屏蔽板 4 找平层 5 橡胶卷材 6铝单板 7 波峰消音 8 工字钢 9 屏蔽板 10 镀锌方管 11 槽钢）（图片来源：作者自绘）表 1球差实验室电磁屏蔽施工工艺流程（表格来源：作者自绘）