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        實驗室建筑歷史沿革與空間演變研究

        2022-07-01 08:49:46張昕瑋崔彤
        建筑技藝 2022年4期
        關(guān)鍵詞:實驗室建筑實驗

        張昕瑋 崔彤

        “實驗室”一詞源于拉丁語“l(fā)aboratorium”(意為勞動、工作)。作為前瞻性機(jī)構(gòu),實驗室建筑伴隨著學(xué)科與思想的發(fā)展而發(fā)生演化,其規(guī)模由簡到繁,功能由單一到復(fù)合。在既往學(xué)術(shù)研究中,對于20世紀(jì)之前的實驗室建筑與文化缺乏系統(tǒng)性總結(jié),較少以建筑視角出發(fā)研究實驗室歷史沿革,類似內(nèi)容通常作為一段簡要的歷史回顧出現(xiàn)在一些實驗室設(shè)計書籍的開頭。

        在經(jīng)歷了漫長的有關(guān)煉金活動、手稿以及煉金術(shù)士私人生活的探討后,20世紀(jì)70年代,英國學(xué)者希爾(C.R.Hill)將研究視角聚焦到圖像學(xué),研究文藝復(fù)興時期繪畫中的煉金術(shù)實驗室生活場景與設(shè)備,但并未涉及空間分析以及建筑結(jié)構(gòu)。隨后英國學(xué)者歐文x 漢納威(Owen Hannaway)對16世紀(jì)兩座著名實驗室平面進(jìn)行比較研究,試圖探索當(dāng)時西方文化中出現(xiàn)的新科學(xué)生活模式及其思想根源。在此基礎(chǔ)上,英國學(xué)者莫里斯x 克羅斯蘭(Maurice Crosland)對16—18世紀(jì)早期實驗室建筑進(jìn)行研究,這是首次對一個較長歷史時期內(nèi)的實驗室場所及其活動進(jìn)行的完整總結(jié)。與上述研究同一時期的學(xué)者還對19世紀(jì)德國物理實驗室機(jī)構(gòu)以及工業(yè)實驗室進(jìn)行過研究,但研究內(nèi)容并未在時間線和技術(shù)層面產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。

        目前,國內(nèi)外學(xué)術(shù)研究對于實驗室建筑的歷史分期并無權(quán)威界定。南希x 所羅門(Nanry B.Solomon)曾以靈活性為標(biāo)志,將戰(zhàn)后建立的一批實驗室視為不同以往的現(xiàn)代實驗室。美國學(xué)者彼得x 加里森(Peter Galison)提出了不同看法,認(rèn)為這種靈活性伴隨著19世紀(jì)末工業(yè)化程度的提高,在當(dāng)時就已初見端倪。在上述研究的基礎(chǔ)上,根據(jù)歷史上科學(xué)中心的幾次轉(zhuǎn)移、功能類型及使用人群,將實驗室建筑的發(fā)展分為四個階段:自由的個人研究、全面的專業(yè)研究、集中式研究以及當(dāng)代多群體綜合研究(圖1)。

        1 家宅實驗室:自由的個人研究

        早期科學(xué)實驗技術(shù)的發(fā)展同煉金術(shù)有著密不可分的關(guān)系。公元前6世紀(jì),希臘出現(xiàn)了對于事物構(gòu)成來源的討論。直到中世紀(jì),包括萊布尼茨與牛頓在內(nèi)的著名科學(xué)家與貴族均進(jìn)行過類似的研究?,F(xiàn)有科學(xué)史研究傾向于將16世紀(jì)煉金術(shù)士的工作場所視為早期實驗室的原型,這一時期以自由的個體研究為主,通常包含熔爐及一些蒸餾設(shè)備,研究方向分散且不確定,研究場所也不受拘束,甚至在廚房就可以進(jìn)行(圖2)。有條件的實驗哲學(xué)家們會選擇遠(yuǎn)離世俗,將知識置于家宅內(nèi)一個“受限的公共空間”之中。

        基于這樣的背景,1606年,德國化學(xué)家利巴維烏斯在其著作《煉金術(shù)》中詳細(xì)描述了可同時作為研究人員住所的理想實驗室空間,其平面布局圍繞中央空間展開,空間私密性由東向西逐漸遞增(圖3,4)。主入口位于東側(cè),一座帶有畫廊的半圓形花園作為對外的公共空間;中部為實驗空間,功能包含主實驗室、若干輔助實驗空間以及進(jìn)行熱浴與結(jié)晶的專門用房等,允許部分專業(yè)人士在此參觀停留;西側(cè)是私人實驗室,通過內(nèi)置的旋轉(zhuǎn)樓梯通往二層書房及居住領(lǐng)域,除了最信賴的技師和學(xué)徒,其余人不得進(jìn)入。

        相較于同時期的其他實驗室,該方案在某種程度上是實驗原則與使用者個人意志的充分體現(xiàn)。利巴維烏斯通過墻壁與門窗劃分空間,按照工藝層面的實驗秩序以及由公共過渡到私密的內(nèi)外秩序建立內(nèi)在邏輯。通過有意識地將一部分空間隔離出來作為展示使用,并設(shè)置分隔將專有工作空間私密化,利巴維烏斯建立了一種“領(lǐng)域梯度”(Territorial Gradient),以區(qū)分公共知識與私人知識、一般性研究與特殊研究,使整座建筑在滿足實驗需要的同時完成了人員的過濾與篩選。

        隨著文藝復(fù)興運動的興起,17世紀(jì)以后近代科學(xué)體系逐漸形成,人們已能熟練地通過實驗進(jìn)行科學(xué)研究。研究人員的工作場所不再局限于私人住宅,范圍逐漸擴(kuò)大至大學(xué)與一些獨立研究機(jī)構(gòu)之中。直到19世紀(jì)初,熔爐都是大多數(shù)實驗室的動力來源,也因此成為視覺與功能上的焦點。為了防火,戶外廚房成為早期實驗室的候選場所之一,室內(nèi)實驗室通常設(shè)高大的拱頂,并在側(cè)面開若干小窗通風(fēng)散熱(圖5)。

        1 實驗室發(fā)展歷史沿革與空間演變

        2 經(jīng)典實驗室:全面的專業(yè)研究

        第一次工業(yè)革命結(jié)束至19世紀(jì),科學(xué)研究同工業(yè)生產(chǎn)緊密結(jié)合,其重要性達(dá)到了前所未有的高度,科學(xué)實踐在這段時間逐漸由個人研究轉(zhuǎn)向以生產(chǎn)為目的集體協(xié)作,私人及政府引導(dǎo)的研究機(jī)構(gòu)相繼出現(xiàn),科學(xué)活動呈現(xiàn)組織化,并迅速發(fā)展到較高水平。在德意志地區(qū)的實驗室設(shè)計革命中涌現(xiàn)了一批“經(jīng)典實驗室”,其布局通常毗鄰講堂,由若干房間組合成一片獨立的實驗區(qū)域,室內(nèi)家具陳設(shè)同過去相比更加標(biāo)準(zhǔn)化,某些專業(yè)中會將家具同建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件統(tǒng)一考慮,內(nèi)部的燃?xì)?、水電線路也會根據(jù)家具擺放的實際情況鋪設(shè),這一時期的實驗室布局已十分接近我們印象中的傳統(tǒng)實驗室建筑。

        隨著專業(yè)的分化,除了功能需求更加多樣,不同學(xué)科對實驗室建筑的建造要求也發(fā)生了改變。以物理學(xué)科為代表,為避免來自外界的振動與磁場干擾,1900年左右的物理研究所在建筑布局與結(jié)構(gòu)方面采取了相似的措施,如遠(yuǎn)離有軌電車,建筑內(nèi)部避免使用鐵梁,以及建造更為堅固的整體建筑等。

        以斯特拉斯堡大學(xué)物理研究所為例,這座大樓由德國建筑師赫爾曼·艾格特(Hermann Eggert)設(shè)計。建筑平面為“H”形,包含一個2層高的階梯教室、供全職教授與助理使用的放置絕緣儀器的封閉大教室(東翼),以及學(xué)生們的實驗工作場地(西翼),這三部分彼此聯(lián)系又相互獨立(圖6)。中部有一座6層高的空心塔,用于進(jìn)行天體觀測、鐘擺實驗與重力實驗等,其地板底座可以分段拆除,塔身內(nèi)部均為無鐵構(gòu)件,以避免對實驗結(jié)果產(chǎn)生干擾。此外,建筑部分基礎(chǔ)柱墩從地下一層一直向上延伸至一層實驗室,作為穩(wěn)定的實驗工作臺,盡可能減少測量儀器與地面的接觸,降低實驗誤差(圖7)。

        3 現(xiàn)代實驗室:“方盒子”里的集中研究

        19世紀(jì)下半葉,隨著工業(yè)生產(chǎn)模式在建筑文化中的傳播,效率成為建筑技術(shù)的焦點。二戰(zhàn)前以奧斯?。═he Austin Company)為代表的各大建筑公司已投入生產(chǎn)大規(guī)模新型結(jié)構(gòu)。1915年奧斯汀引入標(biāo)準(zhǔn)化桁架后,在1925年完善了沒有角撐板的焊接桁架,為當(dāng)時的工業(yè)廠房帶來了更多的開放區(qū)域、更高的地面承載能力以及更靈活的使用空間,并將其分割為重復(fù)性單元,便于未來擴(kuò)展改造。這種模塊化的設(shè)計趨勢延續(xù)到戰(zhàn)后科研實驗建筑的設(shè)計之中,與此前厚實、不可移動的墻壁建造的空間形成鮮明對比。

        2 早期實驗室的室內(nèi)空間(1574 年)

        3 利巴維烏斯化學(xué)館立面(1606 年)

        4 利巴維烏斯化學(xué)館平面(1606 年)

        5 阿爾特多夫大學(xué)實驗室(1720 年)

        6 斯特拉斯堡大學(xué)物理研究所二層平面(1894 年)

        7 斯特拉斯堡大學(xué)物理研究所基礎(chǔ)剖面(1894 年)

        表1 各時期實驗室體量與空間關(guān)系簡圖

        由于工作流程、技術(shù)要求以及設(shè)備的確定,不同專業(yè)實驗室在當(dāng)時已進(jìn)化為特定的空間類型,大多數(shù)實驗室所需尺寸及內(nèi)部組織十分相似。1941年,距紐約市中心約32km的貝爾電話實驗室(一期)運用模塊化手段建立科研實驗建筑,為之后的實驗室空間布局樹立了標(biāo)準(zhǔn)模板。在該方案中,為簡化設(shè)計程序,建筑師對來自不同專業(yè)的科研人員所需的實驗室空間進(jìn)行統(tǒng)一考慮,以6ft為基本模數(shù)設(shè)計了三種大小不一的實驗?zāi)K(圖8,9),每種模塊除了包含其自身所有的建筑、機(jī)械、電氣、結(jié)構(gòu)特征以及標(biāo)準(zhǔn)化的實驗操作臺之外,還為研究人員提供了足夠的交流互動空間,模塊內(nèi)部的輕質(zhì)隔墻也可以根據(jù)研究計劃的變更重新配置。

        同過去自由的個人研究相比,科學(xué)研究集體化程度的提高帶來了人員的集中與空間的集約,科研人員與組織之間的依附關(guān)系更強,這種關(guān)系隱含在由標(biāo)準(zhǔn)模塊擴(kuò)展成的模數(shù)網(wǎng)格之中,空間上以“個人工位—工作面—工作單元—工作區(qū)—整體平面”的順序依次展開,而6ft模塊單元的應(yīng)用賦予了實驗室空間極強的靈活性,使用空間可根據(jù)工作性質(zhì)與內(nèi)容的變化迅速調(diào)整,重新安排實驗室設(shè)施,以適應(yīng)不斷發(fā)展的科研活動需要,并在某種程度上淡化了不同實驗室間的區(qū)隔,鼓勵跨學(xué)科交流。直到今天,模塊化實驗室單元仍是實驗室建筑中的基本范式。

        4 結(jié)語

        從科學(xué)發(fā)展早期的個人研究到以生產(chǎn)教學(xué)為目的的集體協(xié)作,再到以模塊為基礎(chǔ)的跨學(xué)科協(xié)同研究,以上三個來自不同時期的案例在不同程度上體現(xiàn)了彼時科研活動與空間形態(tài)之間的映射關(guān)系,呈現(xiàn)出不同的空間特征(表1)。在早期學(xué)科分類尚未明確的情況下,實驗室通常為個人自發(fā)組織的空間,內(nèi)部通過簡單分隔出實驗工位與交通空間,平面多為集中式布局,圍繞熔爐等實驗器具展開,以私密的探究活動為主;伴隨文藝復(fù)興運動的興起,近代科學(xué)體系逐漸形成,“實驗室”的使用逐漸由化學(xué)擴(kuò)展到其他學(xué)科,平面多為圍合式院落,四周布置教室、實驗室、報告廳等功能,以滿足教學(xué)與研究需要,其家具陳設(shè)和實驗室單元也呈現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展趨勢;二戰(zhàn)后的實驗室建筑深受工業(yè)化影響,布局同戰(zhàn)時工廠十分相似,將集中式的工業(yè)研究、規(guī)模擴(kuò)大化生產(chǎn)以及跨學(xué)科的學(xué)術(shù)研究結(jié)合在一起,為適應(yīng)來自不同學(xué)科科學(xué)家之間的協(xié)作對空間進(jìn)行模塊化處理,內(nèi)部設(shè)置易于更換的輕質(zhì)隔墻,樓板之下鋪設(shè)易于擴(kuò)展與定位的服務(wù)管線,以應(yīng)對未來的復(fù)雜變化。

        與其他建筑類型不同,科研實驗建筑空間的專業(yè)性與實用性是科學(xué)訴求物質(zhì)化的集中體現(xiàn)。歷史上實驗室建筑空間的演變是一個由封閉到開放、由松散到集約的過程,各時期在場地選擇、管理模式與空間組織上不盡相同?;貧w當(dāng)下,科學(xué)技術(shù)的日益進(jìn)步對科研建筑設(shè)計提出了更高的要求,摒棄“科研空間=實驗室”的固有印象,設(shè)計過程在滿足基本實驗工藝需要的同時,還要考慮科研人員的行為與使用模式等諸多方面,跨越學(xué)科間的藩籬,營建支持科研創(chuàng)新、適合團(tuán)隊研究的社會化建筑。

        8 貝爾電話實驗室(一期)平面圖

        9 貝爾電話實驗室(一期)模塊軸測圖

        ① 直到20世紀(jì)70年代之前,煉金術(shù)研究一直活躍于國外的科學(xué)史期刊中,如Ambix,Annals of Science等。

        ② 以化學(xué)專業(yè)為例,熔爐在這一時期已被全新的氣動化學(xué)代替。實驗室內(nèi)部通常為木制工作臺,上方為瓶架,下方有抽屜和儲藏柜,內(nèi)部裝有煤氣與自來水管道。工作臺的末端有洗手盆,排水系統(tǒng)把所有的液體廢物排到靠近外墻的污水管內(nèi)。由于當(dāng)時還沒有密閉通風(fēng)柜,會在開放工作臺上配備強制通風(fēng)裝置。詳見文獻(xiàn)[11]。

        ③19 世紀(jì)90 年代末,機(jī)械振動的主要外部來源是附近的車輛,其中有軌電車在后來又帶來了全新的電磁場干擾,影響實驗數(shù)據(jù),甚至使當(dāng)時的一些著名研究所淪落至一文不名。詳見文獻(xiàn)[12]。

        1 作者自繪

        2 來源于文獻(xiàn)[11]

        3,4 來源于文獻(xiàn)[7]

        5 來源于文獻(xiàn)[10]

        6,7 來源于文獻(xiàn)[13]

        8,9 來源于文獻(xiàn)[14]

        1 作者自繪

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