陸紫生

(上海交通大學 制冷與低溫工程研究所, 上海 200240)

我國高?？蒲袑嶒炇以诮┠甑玫斤w速發(fā)展,尤其是在房屋建設和儀器購置等方面有較大投入[1],但其建設水平與世界一流院所現(xiàn)代實驗室依然存在顯著差距。我國正在進行“雙一流”大學建設,其中科研實驗室在建設中起到無可替代的重要作用。所以,筆者研究了美國、英國、日本等發(fā)達國家的著名現(xiàn)代實驗室的規(guī)劃和建設情況,為我國高?？蒲袑嶒炇医ㄔO提供參考。

1 我國高?？蒲袑嶒炇遗c海外現(xiàn)代實驗室存在的主要差距

我國高校科研實驗室由于沒有統(tǒng)一專業(yè)頂層規(guī)劃,多數(shù)是教授根據(jù)自己的科研項目情況,提出實驗室的建設布局和改造方案,主要工作是進行平面的功能布局,添置實驗家具、實驗臺架、儀器設備以及水電管路設計等。這樣的后果是科研實驗室運行后普遍存在亂拉電線等安全隱患,還存在著通風、環(huán)保、儀器共享、學科交叉、功能配套等方面問題[2]。

在化學品使用方面,很多高校的化學品采購源頭多元化, 學校很難監(jiān)管?；瘜W品的使用、存儲、廢物處理以及防護用品、急救物品也不夠規(guī)范，時常發(fā)生由于使用不當、存儲不當和廢棄物處理不當而引發(fā)的安全事故[3-7]。

高校實驗室建設普遍存在重投資、輕維護的問題[8]。例如,由于缺乏足夠的維修資金支持,實驗室在建設之后很難進行及時的維護維修。同時,實驗室很難靈活組合,以適應現(xiàn)代科研的不斷發(fā)展。此外,科研實驗室的貴重儀器也缺乏及時維護,往往由于小零件未及時更換而導致整個儀器的癱瘓。

現(xiàn)代科研實驗室是一個專業(yè)的系統(tǒng)工程,所以,在建筑和工藝施工前,學科專業(yè)實驗室設計方、科研使用方以及實驗室管理方等就應該充分討論好學科整合、學科交叉、儀器共享、實驗室靈活性、實驗室安全、消防以及門禁管理等問題[9],而不應該僅是在實驗室建成之后,對其進行簡單的面積分配。

海外一流現(xiàn)代實驗室在規(guī)劃以及建設方面具有值得我們借鑒的經(jīng)驗。從上個世紀90年代開始,美國等大多數(shù)現(xiàn)代實驗室的設計就探索朝著具備某類學科的開放性、靈活性、安全性等方向發(fā)展[10-13]。

2 海外現(xiàn)代實驗室規(guī)劃和建設的特點

2.1 基于學科整合和學科交叉的實驗室專業(yè)規(guī)劃

海外現(xiàn)代實驗室建設早已成為獨立的建筑體系。在實驗室體系中,科學研究、會議以及研討等活動都會在一個舒適的環(huán)境中進行,這種環(huán)境為科研人員提供隨時進行非正式討論的平臺,使得科研人員更高效地研究,也讓科研團隊成員關(guān)系更加密切。美國和日本的一些大學生物學開放式實驗室環(huán)境如圖1所示。

圖1 基于學科整合和交叉規(guī)劃的開放式實驗室

在實驗室規(guī)劃期間,科研專家應對實驗室的方向及學科整合進行討論和決定。將相近學科以及交叉學科的實驗室盡量安置在一起,并巧妙設計和布局,形成開放式實驗環(huán)境。例如取消單人辦公室,設立開放大空間。開放式實驗空間便于人們的交流和合作,使得科學家、研究生以及技術(shù)人員等能夠隨時走到一起,進行有益的交流和討論。所以在設計上,規(guī)劃出隨時可以碰頭討論的場所；規(guī)劃出人流行走路線,突出交流和互動；選擇靈活的設備、家具,方便對場所進行隨時組合。

在實驗樓內(nèi)設置大量開放式互動空間,這些空間包括隨機的休息空間、靈活設置的咖啡區(qū)、飲水區(qū)、討論區(qū)以及會議室等,如圖2所示。這些設計可以有力地促進實驗室人員的交流互動,減少壓力,提升群體感,對于科學探索以及跨學科人才培養(yǎng)都起到積極作用。

美國從20世紀90年代以來,大多數(shù)實驗室進行了學科整合,促進不同團隊融合合作。英國MRC (Medical Research Council) 研究所科學人員常常在咖啡休息區(qū)進行交流。美國Rice大學的科研實驗室同樣設計多樣的開放空間,使得科研人員處于知識和文化交融的環(huán)境中,培養(yǎng)科研人員無限想象力和創(chuàng)造力的人際關(guān)系。美國艾倫研究所發(fā)展團隊科學的概念,即每個人都尋求研究所共同的成果。所以,研究所的空間和設備是研究所整體科學目標的一部分,而不屬于任何個人,即個人沒有固定的空間或設備,這樣使得研究所致力于實現(xiàn)共同科研目標。

2.2 實驗室靈活性方面的設計

據(jù)統(tǒng)計,全球現(xiàn)代化實驗室每年的重組率為35%。所以需最大限度地提高實驗室的靈活性以滿足科研實驗室多變的要求。實驗室可采用模塊化結(jié)構(gòu),實驗室的面積可以根據(jù)需要隨意擴張或縮小。實驗室的靈活性主要表現(xiàn)在易換、易接、易斷、易移動。例如實驗室的墻壁和天花板必須易于拆卸；實驗室的儀器車、寫字臺、物品柜、工作臺以及實驗臺架等,盡量使用可移動式的,以配合現(xiàn)代實驗室靈活多變的需求。

圖2 實驗樓內(nèi)設置開放式互動空間

例如英國弗朗西斯·克里克研究所絕大部分物品是可以移動的,科研人員在1～2個小時內(nèi)就可以完成實驗室的簡單布局?？蒲腥藛T根據(jù)科研項目情況,將辦公室、初級實驗室、共享二級實驗室以及專用二級實驗室進行靈活組合分配,從而形成新的研究區(qū)域。美國懷俄明大學的Enzi教育大樓,科學實驗室、計算機實驗室、學生工作室以及會議室同樣可以分組排列?？梢苿拥牟Ａ?、可移動的桌椅以及架空運輸工具等可以使各實驗室和工作室之間自由流動,這樣可以適應科研項目、會議討論、學生工作室以及舉辦小型講座等各種活動,增加了實驗室利用效益,如圖3所示。

圖3 實驗室靈活性方面的設計

2.3 實驗室在基礎設施方面的建設

海外現(xiàn)代化科研實驗室利用充足的資金,建設完善的實驗室基礎設施。水、電、氣、數(shù)據(jù)以及電話等管線安裝在實驗室上方管道架上(暫時未用的,可預留快速連接接口),盡量避免安裝于不易拆卸的吊頂中,如圖4所示。

這些管路接口可以做到易于移動或伸縮,例如伸縮式排風設備、伸縮式電源線等。同時可以實現(xiàn)快速連接或斷開。另外這類管線接口設置數(shù)量充足,以便隨時變化的實驗臺架及電腦能夠即插即用。

2.4 儀器密集共享區(qū)域

海外現(xiàn)代科研實驗室普遍建設儀器密集共享區(qū)域(core facility)。幾個相關(guān)學科(principal investigator)的教授共同出資購買共用的設備,放置在儀器密密集共享區(qū)域共同管理和使用。可用隔斷來建造這類區(qū)域,此類區(qū)域與開放式實驗室相連,并預留擴展空間。

圖4 美國國家再生能源實驗室在室內(nèi)上方鋪設完整的強電、弱電、數(shù)據(jù)線、通風等管路

這類區(qū)域設置的優(yōu)點在于保證科研人員既可以在開放空間進行討論,也可以在共享區(qū)域中保留獨立的實驗空間。另外,相關(guān)領(lǐng)域的人員都可以使用此類共享平臺,避免重復建設，提高了儀器的共享率，也有利于儀器設備的共同管理和維護。此外,這種區(qū)域還有利于相關(guān)人員接觸和交流。

例如,美國大學中普遍設有core facility,如圖5所示。通用的儀器設備放在其中,向校內(nèi)外共享，同時,有專門技術(shù)人員進行培訓、實驗咨詢及課題服務等。對于專用的儀器設備，如核磁共振設備、電子顯微設備、導熱系數(shù)測試儀、氣體吸附儀、熱擴散系數(shù)測試儀等需要放置于獨立的空間中，并有專人的管理和服務。

圖5 實驗室的儀器密集共享區(qū)域(core facility)

2.5 透明展示式工作環(huán)境與局部封閉空間相結(jié)合

現(xiàn)代科研實驗室鼓勵科研人員在幾乎透明的環(huán)境中工作,只對個別有特殊要求的工作放入封閉環(huán)境或做玻璃墻,看不到電腦顯示器內(nèi)容即可。這樣的環(huán)境的好處主要包括,既滿足安全要求,也可以提供人員的視覺交流，實現(xiàn)體驗式科研展示和教學，吸引最具才華的科研教師和學生,激發(fā)學生的創(chuàng)新潛力，可以向社會展示研究內(nèi)容,擴大影響力。這種體現(xiàn)融合、開放又相互獨立的實驗室更適合現(xiàn)代實驗室要求,如圖6所示。

圖6 透明工作環(huán)境與局部封閉空間相結(jié)合的實驗室內(nèi)部結(jié)構(gòu)

伊利諾伊州大學的科研實驗室用玻璃幕墻以及燈光營造,來來往往的學生和學者總會流露好奇而關(guān)注的眼神,說明他們被這些工作場景所震撼和吸引,激發(fā)他們對科學的熱愛和向往。艾倫研究所玻璃實驗室的兩側(cè)為了提供最大限度的透明度和光照,并允許附近居民從建筑物的一端看到另一端。利用透明的實驗室,使建筑物內(nèi)部的人們“穿過”并充分參與科學活動。在整個建筑物中使用透明材料旨在表達研究所的探索性質(zhì)。

2.6 高效利用立體空間

充分合理利用實驗室的空間也是實驗室建設方面的另一個關(guān)鍵點。充分利用三維空間的立體解決方案來提高實驗室空間利用效益。各類管路、存儲柜以及實驗平臺都采用從上而下的布設,充分利用空間,可便于檢修,減少管線交叉或地面漏水引起的觸電事故。例如,實驗平臺的上方作為存儲空間,其上留有檢修空間,再其上鋪設各類管路。有條件的也可以建立中央集中儲存室,從而讓出更多的空間作為科研平臺,如圖7所示。

圖7 實驗室充分利用立體空間

2.7 充足的經(jīng)費和人才隊伍保障實驗室的基礎設施及后期的維護保養(yǎng)

海外許多現(xiàn)代科研實驗室具有充足的資金和人才隊伍,統(tǒng)一規(guī)劃和建設實驗室的基礎設施,包括水、電、氣、通風、數(shù)據(jù)系統(tǒng)、地面設施、化學品存放等。

現(xiàn)代科研實驗室在建設中需要足夠的專門資金支持,進行規(guī)劃建設,以及維護維修。例如哈佛大學的超導實驗室,學校補貼大量資金,不斷吸引優(yōu)秀科研人才來校進行科學研究。耶魯大學的Keck生物技術(shù)實驗室同樣依靠充裕的資金，建設良好的基礎設施、先進的儀器實驗平臺,有優(yōu)厚的科研待遇,吸引來自世界各地高水平的科研人員,做出頂級科研成果,為學校的名譽以及吸引更多的資金起到了巨大作用。

3 在“雙一流”大學建設背景下的我國現(xiàn)代科研實驗室建設

3.1 加強科研實驗室頂層學科規(guī)劃

我國高?，F(xiàn)代科研實驗室的定位應該由學校相關(guān)部門組織科研專家,針對不同領(lǐng)域、不同專業(yè),對其實驗室進行宏觀總體規(guī)劃,體現(xiàn)學校的學科優(yōu)勢,鼓勵學科整合和交叉,為設計開放的實驗空間以及靈活的模塊組合做好前期頂層規(guī)劃。

3.2 科研實驗室專業(yè)設計

現(xiàn)代科研實驗室的建設,需要在建設之前,由專業(yè)實驗室設計公司、學校學術(shù)規(guī)劃部門、用戶、實驗室管理部門等反復溝通,確定各方需求,并按需求制定各項建設指標，如基礎建設指標、管路工藝指標、實驗配套用品指標等，進行功能區(qū)域的劃分和互動關(guān)系設計,從而建設出以人為本的安全而高效的實驗室。

現(xiàn)代科研實驗室鼓勵溝通融合,具有完善的基礎設施,可以靈活組合，從而使科研實驗室具有美觀、節(jié)能和高效特點。這樣可以吸引和培養(yǎng)頂級優(yōu)秀人才,做出頂級優(yōu)秀科研成果,提高學校聲譽以及吸引更多的資金。

3.3 共享貴重儀器、自主研制先進實驗平臺

對于通用貴重儀器,可以在前期的實驗室學科規(guī)劃和建設時,考慮建立貴重儀器密集型共享區(qū)域,提高其利用率；對于專業(yè)貴重儀器,應積極開放其新功能,以此為基礎,自主研制先進實驗平臺,讓廠家只作為輔助方提供配件,而不是單純購買商業(yè)化的設備。

3.4 做好實驗室基礎設施的維護和維修工作

現(xiàn)代科研實驗室應配備充足的資金和技術(shù)支撐人員，對實驗室應對下列項目進行定期維護維修。

(1) 貴重儀器、強電、弱電、數(shù)據(jù)系統(tǒng)等；

(2) 氣體的配送系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、凈化吹掃系統(tǒng)、防火斷氣系統(tǒng)、廢氣輸出系統(tǒng)以及廢氣凈化裝置等；

(3) 水路系統(tǒng)、動力裝置、風控調(diào)節(jié)裝置；

(4) 實驗臺架、儀器臺架、功能柜等；

(5) 室內(nèi)空調(diào)、燈光、地面、門窗、吊頂；

(6) 實驗室靈活隔斷裝置、消防系統(tǒng)、?；反娣殴竦?；

(7) 對話系統(tǒng)、報警系統(tǒng)等。

關(guān)鍵是要有過硬的實驗技術(shù)支撐人員。在人才隊伍建設方面,學校應成立實驗室建設委員會,負責實驗室學科整合和規(guī)劃建設方向。設置總工程師負責總體

規(guī)劃；聘請高級技術(shù)人員負責培訓及電路、儀器、安全、調(diào)試和功能開發(fā)等工作；安排技術(shù)人員負責維護和測試等工作。學校建立相應的激勵機制。

4 結(jié)語

本文分析了美國、英國、日本等發(fā)達國家的現(xiàn)代實驗室的規(guī)劃和建設經(jīng)驗,為我國高校的“雙一流”建設提供參考。從分析中可以看出，海外現(xiàn)代科研實驗室在建設之初,就充分考慮了學科整合以及學科交叉,將相關(guān)的實驗室合并，加強實驗室的基礎建設，充分利用實驗室空間為科研人員的互動和交流創(chuàng)造有利條件，值得我國高校建設現(xiàn)代化科研實驗室時借鑒。

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