马佳怡 崔彤 王一钧

在科技创新的时代背景下，提升我国科研实验室的水平具有必要性。梳理国内外化学实验室的空间演变特征及脉络，有利于认清化学实验室建筑的发展趋势，并从适应学科发展的角度提出前瞻性建议。

1 国外化学实验室建筑空间演变脉络

化学实验室的发展伴随着科学技术的发展,其发展历程大致可分为五个阶段（表1）。

表1 世界化学实验室空间发展历程

1.1 萌芽阶段（1590—1820年）

化学实验室的概念最早出现于帕拉塞尔苏斯（Paracelsus）提出的医疗化学概念中，由于对热量和光的需求，其特征是以熔炉和蒸馏装置为核心的实验空间。早期的药剂师和炼金师都有作坊，以熔炉为核心的特定空间构成了化学实验室的雏形。到18世纪70年代，随着气动化学的兴起，蒸馏装置替代熔炉主导了实验空间。安东尼x 拉瓦锡（Antoine Lavoisier）于1777年在巴黎兵工厂建立了新型实验室，实验室中间摆放着大桌子和气动设备，存放设备的架子首次出现在化学实验室中。

1.2 过渡阶段（1820—1850年）

19世纪初期，化学教学模式的改变及有机化学的发展促进了化学实验室空间布局的调整，通风柜、长桌、橱柜、瓶架的设置，对后续实验室的空间布局产生了深远的影响。

有机化学的发展使实验室产生了使用通风柜的需求，同时李比希（Justus von Liebig）创造了一种新型研究生培养制度，以培训大量化学科研人员，并在吉森大学创建了公共实验室，其空间内设置了可容纳多人同时进行实验操作的通风柜、长桌、橱柜、瓶架等设施。伯克贝克实验室延续了吉森实验室的布置模式。

1.3 发展阶段（1850—1890年）

1855年，罗伯特·本生（Robert Bunsen）在德国海德堡建立的实验室将水、气、电等现代化设施接通至每个工作台，为经典化学实验室由实验台主导的空间奠定了基础。

19世纪60年代早期，德国率先意识到化学是科技进步的关键，进而研发建设规模宏大的新型实验建筑。其实验室单元包含了当时所有可大规模生产的标准化实验设施，如通风柜、实验台、配套的燃气、水管、试剂架、洗漱池及废物处理系统，并为提升实验室舒适度配备了经过改善的暖气和照明，同时增加了存放室和暗室等专用房间。有别于上一时期实验室的长桌靠墙布置，这种“经典实验室”布局将实验台沿横向阵列排布，中间设置过道，两端开门，沿墙壁布置通风柜。莱比锡实验室、格里夫斯瓦尔德大学实验室等都采用了“经典实验室”布局。此后，西方国家纷纷效仿德国建造实验室。

1.4 变革阶段（1890—1990年）

19世纪中期，化学实验室的范畴已经从高校拓展到多种工业实验室，科学技术的发展引发了化学实验室空间的变革，出现以仪器设备为主导的专用实验室空间，与经典实验室并存。

20世纪30年代末，迅速发展的石油精炼技术及石化工业迫切需要精确而快速的方法来分析气体流，进而诞生了核磁共振仪、气相色谱仪、火焰电离探测器等新型化学仪器。工业实验室不受传统束缚，投入资金率先引进新仪器并单独设置在类似物理实验室的专用实验室里。从此，工业实验室由学术实验室的模仿者转变为引领者。到20世纪50年代，电子仪器开始大量应用，进而出现了仪器专业操作人员和相应空间。

1.5 优化阶段（1990年至今）

进入21世纪，随着科技的快速发展和新型研究领域的不断出现，仪器和实验设备已不再是影响实验室品质的主导要素，现代化学实验室要求更高的系统性和前瞻性，并关注数字技术。

现代科研活动所具有的集约复杂、团队协作和持续变化的特点要求实验室空间布置具有统一性、开放性和灵活性。同时，现代化学实验室要求综合系统地考虑包含设备管网布局的工程技术设备；实验室的设计不仅要满足不断变化的实验工艺需求，还要形成各类灵活便捷的人流、物流交通体系，并为研究员提供宜人的、可促进研讨交流的创新空间环境。

1.6 小结

在化学实验室四百多年的发展历程中，从以装置为核心的工坊到以教学为核心的实验空间模式，从经典实验室的出现到其后续的快速变革，科技的进步、教研模式的转变、设备的迭代不断促进着化学实验室空间的演变。如今，随着科学和技术变革步伐的不断加快，化学实验室也在不断增加灵活性、开放性和人性化特征，以更适应现代科学研究的新模式。

2 我国近现代化学实验室的空间演变脉络

2.1 萌芽阶段（建国前）

我国具有科学理论体系的近代化学是在明末清初由欧洲传入的。20 世纪初，京师大学堂创建的化学楼配备了教室、化学实验室及煤气净化室。1916 年成立的农商部工商试验所，是中国最早的化学研究试验机构。当时的化学实验室空间小，只靠墙放置着普通的木质长桌和一些简单的仪器设备，十分简陋。

2.2 起步阶段（1949—1955年）

20世纪50年代第一个五年计划期间，全国掀起了大规模工业建设浪潮。从1953年起，国家逐步从国外购置仪器设备，直接在毛坯建筑内的大空间里安装实验设备，形成化学实验室，设备管线多裸露布置，如华东化工学院化工原理实验室。

2.3 自主开拓阶段（1956—1966年）

20世纪50年代末，我国开始自主探索实验室建设。60年代末，部分高校陆续建设了一批国家发展急需的科研实验室。其内部实验台尺寸较短，垂直窗户阵列布置，实验设备直接零散放置在台上，沿墙布置储藏柜。建筑自身没有完备的现代设施，缺少上下水及通风系统。

2.4 停滞阶段（1967—1976年）

1967—1976年，除少数国家重点研究机构得以保留外，大部分研究机构遭到破坏，全国的科学技术发展处于停滞阶段。

2.5 改革阶段（1977—1991年）

十一届三中全会后，我国科研事业迎来了新的发展阶段。随着高校资源配置的优化，实验仪器和试剂种类增多，开始采用中央实验台、试剂架，一些实验室增加了通风及水、暖、电管网等现代化设施，并引进了先进的电子设备，已基本具有“经典实验室”的空间格局。

2.6 快速发展阶段（1992年至今）

随着“科教兴国”战略的确立，我国科学事业发展迅速，并积极学习西方先进的实验室设计思路。至2019年，我国各类化学研究机构已有近千个，通风及水、暖、电管网等现代化设施成为实验室的必备选项，化学实验室的空间环境及科学仪器设备，已经逐渐向国际看齐。但是，我国化学实验室在空间布局的开放性以及空间环境的人性化设计方面仍显落后。

2.7 小结

我国化学学科及化学实验室在1949年后开始发展，经历了开拓、停滞、改革等阶段。如今，化学学科体系完善，研究方向明确，化学实验室建设在功能、技术、设备、建造水平等方面也有显著提升（表2）。

表2 我国化学实验室发展历程

3 当代化学实验室建筑空间发展趋势

随着化学学科的快速发展，更高的适应性和更好的空间环境是新时期化学实验室建筑设计不断追求的目标，化学实验室建筑正朝着具备灵活性、开放性和人性化的方向发展。

3.1 灵活性

灵活性是指能够在不改变实验室结构体系和内部空间的基础上，通过调整不同功能空间的位置及其相互联系的方式来迅速适应实验空间的不同需求，使实验室具有重新组合和允许多种用途的能力。灵活性体现在“功能灵活设置”和“空间布局可变”两方面。“功能灵活设置”指建筑空间可根据需求进行适当的功能安排（图1），如教学实验室可改为科研实验室。“空间布局可变”是指实验室内部设施可形成多种布局模式，如进行团体研究项目时，实验桌可采取组合放置模式；进行个人独立研究时，可采取单独放置模式（图2）。灵活性的实现需要借助悬挂服务支架系统和可移动家具。悬挂服务支架系统是一种可以灵活变动的活动式服务系统，与传统管道固定布置的模式不同，供给系统可随实验设备移动，从而实现设备及实验台的随意变换。如新加坡卓越研究和技术企业园的实验室中，将工程管网集中布置在天花板上，预留设备与管道的接口，能够实现实验室仪器与实验平台的快速连接与断开（图3），为实验室未来功能转变或布局变化提供可能。可移动家具可根据需求的变化组合形成多种不同的布置方案，满足多功能的使用需求，实现空间布局的灵活可变（图4）。

1 功能灵活布置

2 空间布局可变

3 新加坡卓越研究和技术企业园

4 实验室可移动家具

3.2 开放性

21 世纪以来，合作共享的理念正成为主流，实验室也逐步显现出由“封闭”到“开放”的趋势。对于以团队合作模式为导向的科学研究工作来讲，为增强研究人员的互动学习，开放性十分重要（图5,6）。

5 奥地利科学院实验室

6 新加坡卓越研究和技术企业园开放性实验室

在开放性理念的引导下，可在教学实验室等私密性较低的空间采用透明边界，提升内部空间的可见性（图7）；采用局部开放的形式，将危险性高、有特殊要求的化学实验在封闭实验室内进行，将常规性的实验在开放实验室内进行（图8）。此外，可局部打破课题组空间界限，将相邻实验室组合布置，在中部共享空间放置使用频率较低、体量较大的仪器，两侧不同课题组的研究人员均可使用（图9）。这不仅节约了实验室面积，还加强了不同课题组之间的交流协作。

7 实验室边界透明化

8 局部开放实验室

9 实验室局部共享

3.3 人性化

人性化设计要求针对不同使用人群的个性化需求考虑空间的设计特色。化学实验室包括教学实验室和科研实验室，这两类实验室在使用人数、使用频率和使用方式上各有不同，需要个性化的设计（表3）。教学实验室中应具备多媒体展示屏、演示台等教学设备；具有连续的环形流线，方便学生与老师之间的互动交流；可变换的家具布局，能够方便快捷地实现教学、交流、实验等不同课堂形式之间的转换。科研实验室则具备更高的私密性，但能为研究团队的交流学习创造条件，能够满足大量仪器设备及私人物品的存储需求。

表3 不同类型实验室对比表

人性化的设计还要注意营造良好的实验室环境，充分利用边角空间，通过功能叠加的方式为人们提供公共服务、休闲交流的场所（图10）。如图11所示，在实验室的墙壁上设置移动白板，可方便研究团队随时交流。

10 奈特癌症研究大楼

11 墙面移动白板

4 总结

从国内外化学实验室建筑空间的发展历程来看，科技的进步、学科的发展、工艺的更新直接影响了化学实验室的规模、布局和功能的演变。我国经典化学实验室空间布局的普及比西方发达国家晚了约100年，但发展至今，我国化学实验室的仪器设备及空间环境已逐渐向国际看齐。未来，实验设备及工艺将更加复杂化、精细化、自动化、数字化，网络信息时代的科研工作模式也在不断演化，“人—机”“人—人”“人—环境”“物—物”及其空间属性的重新定义将带来化学实验室更新迭代的加速，其空间逐渐呈现出灵活性、开放性、人性化的发展趋势。

1,2 作者自绘

7-9 作者自绘

3,6 来源于www.iarch.cn

4 来源于文献[6]

5 来源于文献[10]

10 来源于www.gooood.cn

11 来源于www.hok.com

1 图片来源于zh.wikipedia.org，文献[10]，文献[11]，其余由作者自绘

2 图片来源于www.sohu.com，edu.sina.com.cn，其余由作者自绘、自摄

3 作者自绘

①帕拉塞尔苏斯（Paracelsus）是中世纪欧洲的医生、炼金师，他最先提出把医学和炼金术结合成为一种新的医疗化学。