实验室建筑历史沿革与空间演变研究

 

 

张昕玮 崔彤

“实验室”一词源于拉丁语“laboratorium”（意为劳动、工作）。作为前瞻性机构，实验室建筑伴随着学科与思想的发展而发生演化，其规模由简到繁，功能由单一到复合。在既往学术研究中，对于20世纪之前的实验室建筑与文化缺乏系统性总结，较少以建筑视角出发研究实验室历史沿革，类似内容通常作为一段简要的历史回顾出现在一些实验室设计书籍的开头。

在经历了漫长的有关炼金活动、手稿以及炼金术士私人生活的探讨后，20世纪70年代，英国学者希尔（C.R.Hill）将研究视角聚焦到图像学，研究文艺复兴时期绘画中的炼金术实验室生活场景与设备，但并未涉及空间分析以及建筑结构。随后英国学者欧文x 汉纳威（Owen Hannaway）对16世纪两座著名实验室平面进行比较研究，试图探索当时西方文化中出现的新科学生活模式及其思想根源。在此基础上，英国学者莫里斯x 克罗斯兰（Maurice Crosland）对16—18世纪早期实验室建筑进行研究，这是首次对一个较长历史时期内的实验室场所及其活动进行的完整总结。与上述研究同一时期的学者还对19世纪德国物理实验室机构以及工业实验室进行过研究，但研究内容并未在时间线和技术层面产生关联。

目前，国内外学术研究对于实验室建筑的历史分期并无权威界定。南希x 所罗门（Nanry B.Solomon）曾以灵活性为标志，将战后建立的一批实验室视为不同以往的现代实验室。美国学者彼得x 加里森（Peter Galison）提出了不同看法，认为这种灵活性伴随着19世纪末工业化程度的提高，在当时就已初见端倪。在上述研究的基础上，根据历史上科学中心的几次转移、功能类型及使用人群，将实验室建筑的发展分为四个阶段：自由的个人研究、全面的专业研究、集中式研究以及当代多群体综合研究（图1）。

1 家宅实验室：自由的个人研究

早期科学实验技术的发展同炼金术有着密不可分的关系。公元前6世纪，希腊出现了对于事物构成来源的讨论。直到中世纪，包括莱布尼茨与牛顿在内的著名科学家与贵族均进行过类似的研究。现有科学史研究倾向于将16世纪炼金术士的工作场所视为早期实验室的原型，这一时期以自由的个体研究为主，通常包含熔炉及一些蒸馏设备，研究方向分散且不确定，研究场所也不受拘束，甚至在厨房就可以进行（图2）。有条件的实验哲学家们会选择远离世俗，将知识置于家宅内一个“受限的公共空间”之中。

基于这样的背景，1606年，德国化学家利巴维乌斯在其著作《炼金术》中详细描述了可同时作为研究人员住所的理想实验室空间，其平面布局围绕中央空间展开，空间私密性由东向西逐渐递增（图3,4）。主入口位于东侧，一座带有画廊的半圆形花园作为对外的公共空间；中部为实验空间，功能包含主实验室、若干辅助实验空间以及进行热浴与结晶的专门用房等，允许部分专业人士在此参观停留；西侧是私人实验室，通过内置的旋转楼梯通往二层书房及居住领域，除了最信赖的技师和学徒，其余人不得进入。

相较于同时期的其他实验室，该方案在某种程度上是实验原则与使用者个人意志的充分体现。利巴维乌斯通过墙壁与门窗划分空间，按照工艺层面的实验秩序以及由公共过渡到私密的内外秩序建立内在逻辑。通过有意识地将一部分空间隔离出来作为展示使用，并设置分隔将专有工作空间私密化，利巴维乌斯建立了一种“领域梯度”（Territorial Gradient），以区分公共知识与私人知识、一般性研究与特殊研究，使整座建筑在满足实验需要的同时完成了人员的过滤与筛选。

随着文艺复兴运动的兴起，17世纪以后近代科学体系逐渐形成，人们已能熟练地通过实验进行科学研究。研究人员的工作场所不再局限于私人住宅，范围逐渐扩大至大学与一些独立研究机构之中。直到19世纪初，熔炉都是大多数实验室的动力来源，也因此成为视觉与功能上的焦点。为了防火，户外厨房成为早期实验室的候选场所之一，室内实验室通常设高大的拱顶，并在侧面开若干小窗通风散热（图5）。

1 实验室发展历史沿革与空间演变

2 经典实验室：全面的专业研究

第一次工业革命结束至19世纪，科学研究同工业生产紧密结合，其重要性达到了前所未有的高度，科学实践在这段时间逐渐由个人研究转向以生产为目的集体协作，私人及政府引导的研究机构相继出现，科学活动呈现组织化，并迅速发展到较高水平。在德意志地区的实验室设计革命中涌现了一批“经典实验室”，其布局通常毗邻讲堂，由若干房间组合成一片独立的实验区域，室内家具陈设同过去相比更加

化，某些专业中会将家具同建筑结构构件统一考虑，内部的燃气、水电线路也会根据家具摆放的实际情况铺设，这一时期的实验室布局已十分接近我们印象中的传统实验室建筑。

随着专业的分化，除了功能需求更加多样，不同学科对实验室建筑的建造要求也发生了改变。以物理学科为代

，为避免来自外界的振动与磁场干扰，1900年左右的物理研究所在建筑布局与结构方面采取了相似的措施，如远离有轨电车，建筑内部避免使用铁梁，以及建造更为坚固的整体建筑等。

以斯特拉斯堡大学物理研究所为例，这座大楼由德国建筑师赫尔曼·艾格特（Hermann Eggert）设计。建筑平面为“H”形，包含一个2层高的阶梯教室、供全职教授与助理使用的放置绝缘仪器的封闭大教室（东翼），以及学生们的实验工作场地（西翼），这三部分彼此联系又相互独立（图6）。中部有一座6层高的空心塔，用于进行天体观测、钟摆实验与重力实验等，其地板底座可以分段拆除，塔身内部均为无铁构件，以避免对实验结果产生干扰。此外，建筑部分基础柱墩从地下一层一直向上延伸至一层实验室，作为稳定的实验工作台，尽可能减少测量仪器与地面的接触，降低实验误差（图7）。

3 现代实验室：“方盒子”里的集中研究

19世纪下半叶，随着工业生产模式在建筑文化中的传播，效率成为建筑技术的焦点。二战前以奥斯汀（The Austin Company）为代表的各大建筑公司已投入生产大规模新型结构。1915年奥斯汀引入标准化桁架后，在1925年完善了没有角撑板的焊接桁架，为当时的工业厂房带来了更多的开放区域、更高的地面承载能力以及更灵活的使用空间，并将其分割为重复性单元，便于未来扩展改造。这种模块化的设计趋势延续到战后科研实验建筑的设计之中，与此前厚实、不可移动的墙壁建造的空间形成鲜明对比。

2 早期实验室的室内空间（1574 年）

3 利巴维乌斯化学馆立面（1606 年）

4 利巴维乌斯化学馆平面（1606 年）

5 阿尔特多夫大学实验室（1720 年）

6 斯特拉斯堡大学物理研究所二层平面（1894 年）

7 斯特拉斯堡大学物理研究所基础剖面（1894 年）

表1 各时期实验室体量与空间关系简图

由于

、技术要求以及设备的确定，不同专业实验室在当时已进化为特定的空间类型，大多数实验室所需尺寸及内部组织十分相似。1941年，距纽约市中心约32km的贝尔电话实验室（一期）运用模块化手段建立科研实验建筑，为之后的实验室空间布局树立了标准模板。在该方案中，为简化设计程序，建筑师对来自不同专业的科研人员所需的实验室空间进行统一考虑，以6ft为基本模数设计了三种大小不一的实验模块（图8,9），每种模块除了包含其自身所有的建筑、机械、电气、结构特征以及标准化的实验操作台之外，还为研究人员提供了足够的交流互动空间，模块内部的轻质隔墙也可以根据研究计划的变更重新配置。

同过去自由的个人研究相比，科学研究集体化程度的提高带来了人员的集中与空间的集约，科研人员与组织之间的依附关系更强，这种关系隐含在由标准模块扩展成的模数网格之中，空间上以“个人工位—工作面—工作单元—工作区—整体平面”的顺序依次展开，而6ft模块单元的应用赋予了实验室空间极强的灵活性，使用空间可根据工作性质与内容的变化迅速调整，重新安排实验室设施，以适应不断发展的科研活动需要，并在某种程度上淡化了不同实验室间的区隔，鼓励跨学科交流。直到今天，模块化实验室单元仍是实验室建筑中的基本范式。

4 结语

从科学发展早期的个人研究到以生产教学为目的的集体协作，再到以模块为基础的跨学科协同研究，以上三个来自不同时期的案例在不同程度上体现了彼时科研活动与空间形态之间的映射关系，呈现出不同的空间特征（表1）。在早期学科分类尚未明确的情况下，实验室通常为个人自发组织的空间，内部通过简单分隔出实验工位与交通空间，平面多为集中式布局，围绕熔炉等实验器具展开，以私密的探究活动为主；伴随文艺复兴运动的兴起，近代科学体系逐渐形成，“实验室”的使用逐渐由化学扩展到其他学科，平面多为围合式院落，四周布置教室、实验室、报告厅等功能，以满足教学与研究需要，其家具陈设和实验室单元也呈现出标准化发展趋势；二战后的实验室建筑深受工业化影响，布局同战时工厂十分相似，将集中式的工业研究、规模扩大化生产以及跨学科的学术研究结合在一起，为适应来自不同学科科学家之间的协作对空间进行模块化处理，内部设置易于更换的轻质隔墙，楼板之下铺设易于扩展与定位的服务管线，以应对未来的复杂变化。

与其他建筑类型不同，科研实验建筑空间的专业性与实用性是科学诉求物质化的集中体现。历史上实验室建筑空间的演变是一个由封闭到开放、由松散到集约的过程，各时期在场地选择、管理模式与空间组织上不尽相同。回归当下，科学技术的日益进步对科研建筑设计提出了更高的要求，摒弃“科研空间=实验室”的固有印象，设计过程在满足基本实验工艺需要的同时，还要考虑科研人员的行为与使用模式等诸多方面，跨越学科间的藩篱，营建支持科研创新、适合团队研究的社会化建筑。

8 贝尔电话实验室（一期）平面图

9 贝尔电话实验室（一期）模块轴测图

① 直到20世纪70年代之前，炼金术研究一直活跃于国外的科学史期刊中，如Ambix，Annals of Science等。

② 以化学专业为例，熔炉在这一时期已被全新的气动化学代替。实验室内部通常为木制工作台，上方为瓶架，下方有抽屉和储藏柜，内部装有煤气与自来水管道。工作台的末端有洗手盆，排水系统把所有的液体废物排到靠近外墙的污水管内。由于当时还没有密闭通风柜，会在开放工作台上配备强制通风装置。详见文献[11]。

③19 世纪90 年代末，机械振动的主要外部来源是附近的车辆，其中有轨电车在后来又带来了全新的电磁场干扰，影响实验数据，甚至使当时的一些著名研究所沦落至一文不名。详见文献[12]。

1 作者自绘

2 来源于文献[11]

3,4 来源于文献[7]

5 来源于文献[10]

6,7 来源于文献[13]

8,9 来源于文献[14]

1 作者自绘

 

-全文完-