「AT」崔彤：模件化思維下“科學共同體”的場所建構

模件化思維下“科學共同體”的場所建構

崔彤^1，2王一鈞¹

1中國科學院大學建築研究與設計中心

2中科院建築設計研究院有限公司

中國科學院大學雁棲湖校區、中國科學院青島科教園區、中國科學院大學杭州高等研究院三個案例均具有“城市之中、山水之間”的場地特質，為了打造高效、創新、有機的“科學共同體”，運用源於自然和中國傳統的模件化思維，通過自上而下的結構秩序設計和自下而上的模件組合設計，力爭建構系統性的創新型校園。

20世紀90年代以來，中國大學校園經歷了令人矚目的建設高峰期。近年來，大學的功能逐漸從“基礎教育”轉變為“研究型教育”，校園不僅是知識傳播的場所，更是知識創造和生產的場所。中國科學院倡導“產—學—研”一體化和“科教融合”的發展思路，在全國各地建設了若干創新型校園，我們有幸參與了其中三個校區的規劃設計與建設工作，也由此對中國科學院大學（以下簡稱國科大）創新型校園的場所建構方法進行了系統的研究和探索。

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人、地、文化交融的“科學共同體”

科學共同體（Community of Science）的概念由1942年英國科學哲學家波拉尼（M. Polanyi）在《科學的自治》一文中首次使用。吳良鏞院士在《人居環境科學導論》中對“科學共同體”的定義為：由一些共有一個範式的、志同道合者結成的科學集團，遵守特定的科學規範，具有共同的科學信念，探索共同的目標，內部交流較為充分，專業方面的看法較為一致，可以稱之為“看不見的學院”[1]。

中國科學院的創新型科教園區不僅包含了學科（科學、人文、藝術）與人才（院士、科學家、研究生）的聚集，還包括作為物理環境承載前兩種類型的多種功能的人工空間場所（教學、研究、生產、創業、保障）的聚集。各種類型的人、事、物通過交叉作用形成一系列連鎖反應，生產出知識和創新，共同相融於所在的自然環境（圖1）。在以“科學共同體”為目標的校園設計過程中，應提倡策劃研究、規劃設計、城市設計、建築設計、景觀設計“五位一體”的大設計觀念，並強調“科學設計優先於建築，生態設計優先於景觀，生活設計優先於規劃”的“三個優先”法則。

1 科學共同體的物理環境構成

1.1人

在“五位一體”的觀念和“三個優先”的法則下，創造“科學共同體”的首要因素是“人”，即分佈在相似、相異或相關的各個學科中創造和生產知識的“科學家”和“研究生”。校園作為一個人造環境，其使用者的行為模式和審美情趣是規劃設計的前提條件。因此，研究“人”的思想和行為是設計之初進行策劃研究的首要任務。“科學家”和“研究生”的科研工作屬性和空間需求，他們辦公、開會、交往、就餐、住宿、運動、娛樂等各個方面的事件及其相應的空間模式，以及空間模式之間的結構關係與相互作用機制，都是設計者需要進行思考和研究的主要內容。

1.2地

在建築與自然的平衡體系中，創新型校園的設計應充分吸收原有場地的地脈精神，化解建築與自然之間的衝突，並重新建立人工與自然的對話和交流關係，進而達到共生和諧的統一體[2]。再造與地脈環境融合的校園人工環境並非是關於“人定勝天”征服自然的妄想，也不是“聽天由命”服從自然的悲觀，而是在“共存”和“共棲”的重疊中，重新確定一種人工系統與自然系統之間相互依賴、相互作用的能力。

1.3文化

因地理位置和歷史傳承的不同，新建校園所在城市背景的文化氛圍各不相同。現代校園已不再是固步自封的象牙塔，而應該主動成為城市的一部分，並且作為城市複雜巨系統中的子系統，與城市之間時刻存在著能量、物質、信息的動態交換。校園通過系統的開放性、自組織性融於城市，吸收城市的氣質，並建立順應城市的精神結構，形成與城市文化相通、相融的場所精神。

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模件化思維及其設計流程

本文將創新型校園視為系統，模件化作為一種由小生大的思維方式，通過小尺度構件或空間單元的相似性重複，按照不同尺度層級進行多次組合，從而生成具有整體性的建築及城市區塊。由模件化的思維方式生成的校園具有內在的結構秩序，強調了在組合過程中結構秩序的層級性以及各個層級中組合關係的規律性。

2.1源於自然和中國傳統的模件化思維

自然系統具有模件化的特徵，遵循由小到大的組織規律。自然要素通過複製大批量、可互換、標準化的模件單元構成形態，再根據一定的規律進行組合，呈現出重複性與多樣性並存的形式秩序。這種組織規律不是簡單的線性秩序，而是整體規模的大小與其所含模件單元的數量聯動，並且模件單元的尺寸並非絕對精確。例如，一株茂盛的大樹上的一萬片葉子看起來都十分相似，但是仔細比較，它們之中並沒有兩片葉子是完全一致的。分形與自相似性的法則作為模件化的表現形態廣泛存在於自然之中，任何物質通過分形得到的組成要素都具有重複性的特徵，並且可以向更小的尺度多層級地分解成為更小的單元體。自然界是有機整體，城市本身也是有機整體，通過模件化由小生大的方式，可以創造融於自然、融於城市的建築與城市區塊。

德國曆史學家雷德侯（Lothar Ledderose）在《萬物》中首次提出了中國傳統藝術文化中關於“模件”（Module）的概念，並對中國傳統造物活動思維進行理性的總結，即“中國人發明了以標準化的零件組裝物品的生產體系。零件可以大量預製，並且能以不同的組合方式迅速裝配在一起，從而用有限的常備構件創造出變化無窮的單元。這些構件被稱為模件”[3]。模件化的設計思想影響了中國的漢字、瓷器、青銅器、兵馬俑、建築、印刷文字等多個領域，通過標準構件單元（模件）的組合與置換形成無窮的有機整體，並呈現出一定的開放性、高效性及普遍適用性。從《芥子園畫譜》[4]中可以看出：竹之乾枝的畫法是將相似的若干竹枝進行復制、變異、組合，而竹葉的畫法則是根據竹葉的數量（從1到6）有幾種特定的技法，最終在畫作中以不同的佈局方式加以組合，即可生產出無窮無盡種截然不同的畫作（圖2）。

《芥子園畫譜》中的示例

與中國的文字和繪畫一樣，中國傳統木構建築以一種特有的語法結構形成結構秩序完整並有著同構關係的“建構圖語模件系統”，呈現出由簡到繁的建構圖語[5]：元素—模件—單元—序列—總集。中國傳統木構建築模件體系也分為五個層級——斗拱、間、建築單體、院落、組群。

2.2模件化設計流程

模件化設計的目標為“讓建築猶如自然生成的生物一樣生長而成”，在設計過程中涉及到“語法”（結構秩序設計）以及按“語法”創作（模件組合設計）的雙重過程。在做任何設計之前，都應以一個總體目標為基礎，倘若從各局部開始，則需要重新跳出局部反覆考量整體以確保所有局部之間的和諧統一，假如整體不可行則需要重新調整各個局部的屬性。自上而下的結構秩序設計過程是一種謀篇佈局，猶如創建語法規則的過程，需要從整體出發，進行理性的分析，從而形成設計架構，並在反覆的驗證過程中形成一種類似“語法”的法則，這種法則恰好與局部的主題相適應，並將其有序地組織起來，使整體和諧統一。自下而上的模件組合設計的過程是操作“模件”在語法規則下的寫作和繪畫的過程。

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中國科學院大學雁棲湖校區（2007~2015）

3.1對人、地、文化的解讀

中國科學院研究生院新校區選址於雁棲湖邊（圖3），這裡“北望長城巍峨，南映雁棲碧波，西探幽谷名勝，東迎峰間朝陽”，除了山水自然生態景觀外，更有中國科學院兩彈元勳曾工作實驗的基地，生態環境優越，人文底蘊深厚，一萬餘名研究生和科學家們將棲居在此。山水相依，樹木繁茂，如何實現一個與自然共生存的校園？如何營造一個有獨特場所精神的校園？山水之間的校園可以存在於自然之中，而校園中的山水不僅是美麗的風景，還應是能量的源泉。

3 中國科學院大學雁棲湖校區與自然環境的關係

3.2結構秩序設計

中國科學院大學的北京懷柔校區場地被城市道路分割成中心對稱的兩個地塊。作為規劃方案啟動和生成的框架，設計之初就確立了整體的空間結構秩序，即將兩部分地塊相互交疊的幾何部分作為規劃的結構中心，形成貫穿東西的結構主軸，再結合其周邊的空間形成複合空間主軸；次軸線順應兩塊場地形態分別向南北兩側延展，從而擬定了兩側地塊的結構秩序；進而以次軸線為依據，在其兩側組織下一個尺度的建築院落組團（圖4）。

4 中國科學院大學雁棲湖校區結構秩序設計

3.3模件組合設計

在多年來的“學科擴展”“學科交匯”的策略指導下，傳統大學校園的教學科研樓設計經歷了“一系一樓”“合院式學院”與科研辦公功能合一的“整體式教學樓”階段（圖5），雁棲湖校區的“風車式學園”則順應了“學科共享與融合”的趨勢，加強了學科和學者之間“聚”的趨勢，增加了科學聚集、融合、交叉等多個功能和形態的交疊區域。“風車式學園”單元由“一”字形和“口”字形的基本單元構成，兼具了兩種建築單元的基本屬性，並可分別與這兩種類型的單元進行多樣化組合，進而再組成更大尺度、更多層級的建築單元，衍生出更多樣的類型，通過選取不同的單元類型，可以實現功能和地形的適應性。同時，隨著時間的發展和使用功能需求的演變，“風車式學園”模件單元的空間形態可通過複製實現彈性生長（圖6）。

5 教學樓演變與學科交融示意

6 中國科學院大學雁棲湖校區模件單元與多樣化組合

3.4系統化整合

在結構秩序和模件組合設計的過程中，自然和生態一直是規劃設計的核心主題。一方面，校園自身的建築群形態與周圍“指狀”的山體和景觀相互咬合、滲透，以交錯和活躍的策略積極回應了景觀生態學中對於“生態交錯帶”特殊屬性的相關理論；另一方面，綠野公園、廣場空間、場院空間、內院空間四個不同尺度的生態層級以集中與分散相結合的格局形成了自然包容建築、建築又包容自然的嵌套關係，校園作為一個動態系統，實現了均衡、自組織的生長[6]（圖7~11）。

7 中國科學院大學雁棲湖校區建成後整體效果

8 中國科學院大學雁棲湖校區綠野公園

9 中國科學院大學雁棲湖校區廣場空間

10 中國科學院大學雁棲湖校區場院空間

11 中國科學院大學雁棲湖校區內院空間

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中國科學院青島科教園區（2015至今）

4.1對人、地、文化的解讀

中國科學院青島科教園區位於古鎮口西海岸新區中部地帶（圖12），是一個海邊的國家科研教學機構。該園區由中國科學院、青島市人民政府共同建設，以海洋研究所、南海海洋研究所、深海科學與工程研究所等8家中國科學院相關涉海研究所為建設主體，總規劃面積2 011畝，一期工程建築面積約20萬㎡，建成後將是一個沒有圍牆的研究所。校園場地位於海洋文明輻射下的山海之間，這所學、研、產結合的園區集科學園、校園、博覽園、大學公園於一體，提供了可進行學科共享的科學實驗平臺及大科學裝置，將容納2 300名科學家和研究生在此研究、工作、學習、交流，持續引領我國海洋科技事業和海洋領域高等教育事業的發展[7]。

12 中國科學院青島科教校區與自然環境關係

4.2結構秩序設計

結構秩序設計的原則和依據為：第一，形成強有力的中心公共空間，起到主導園區氛圍、為每個人提供整體歸屬感的作用；第二，南北園區各成體系同步發展，以利於線性骨架的彈性生長、分期實施、相對完整和逐步成型；第三，以廣場和綠帶為中心，動靜分離；第四，適度聚集形成組團，即把相同功能和相近屬性的建築適度聚集形成組團格局。基於以上分析，場地的規劃形成了中心結構軸控制下的“沖流”群島狀態，中部的“中央綠軸場域”融貫海陸，勢如行舟，作為中心將能量聚集在一起，貫穿在山海之間的超尺度秩序軸賦予了科教園區時空廣度的科學精神結構。這條東西向主軸線與軸線兩側的建築物及遠處的山景、海景交織在一起，形成了一個開放的中心公共空間，其中的標誌性建築群組統攝了整個場所的精神；下一個尺度層級的“中央綠軸場域”南北兩側的兩條“中心平行結構”輔助軸線與主軸平行，重疊並置（圖13）。

13 中國科學院青島科教校區校園結構秩序

4.3模件組合設計

在結構秩序框架下，各個科教組團形成了猶如海水沖刷下的群島聚集狀態。首先根據不同的功能需求設計了不同尺度的“空間單元模件”，如第一層級模件的小型獨立實驗室、大型開放實驗室、科研辦公、輔助功能等；其次，將第一層級模件中的空間單元再次組合，形成具有建築體量的二級模件；再次，將二級模件進行組合，形成第三層級模件，即具有空間中心的圍合式院落，由此一個“小島”的意象便基本形成；最後，各類“小島”之間自由組合形成“群島”。相似的基本“空間單元模件”在不同層級的同構異形組合之下，形成了由小尺度模件層層組合、變異而成的中尺度建築與大尺度組團，呈現出順勢而為的自由形態（圖14）。通過廣場、水面、綠帶等公共元素的有機滲透，生成了園區的基本格局，達到適度聯繫、內外動靜逐層過濾、保持舒適寧靜氛圍、形成大片綠地和交流空間的目的。

14 中國科學院青島科教校區建築組團的多層級組合

4.4系統化整合

中國科學院青島科教園區作為複合、動態、多層級的開放系統，在與周邊環境在空間與時間上保持統一性的同時，還能與場所進行能量交換，在“新陳代謝”中建構自身的平衡體系。首先，向自然開放，中央主軸控制下的南、中、北複合綠軸為山水之間的綠色廊道；其次，向社會開放，沿海邊的公共開放區和科教開放區在三條綠軸的引導下向園區縱深發展，實現了可研、可學、可居、可遊的花園式“書院”；最後，向周邊學校開放，科研群島與整體教學樓形成了既開放又關聯的有機聚落式的“單元模塊”組團（圖15，16）。

15 中國科學院青島科教校區整體效果

16 中國科學院青島科教園區花園式書院

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中國科學院大學杭州高等研究院（2017至今）

5.1對人、地、文化的解讀

中國科學院大學杭州高等研究院位於杭州富春江旁，整個園區的用地圍繞“山水之間”這一主題呈線性展開，其中東南側長方形地塊規模較大，是杭州校區的主體，承擔了學、研、產三種主體功能。杭州獨特的山水景象孕育了“富春山居圖”，這是詩意的自然；然而近代人類“文明”不斷破壞著“自然的文化”，如何在“殘破的自然”中恢復“自然的秩序”並重構“詩意的山水”，是我們關注的重點。杭州園區的設計所表達的態度是在尊重自然的前提下，以人類力量所能企及的程度模仿自然的秩序，形成人造的第二自然，也為科學家和科學探索的行為營造一個詩意的科學山谷（圖17）。

17 中國科學院大學杭州高等研究院與自然環境的關係

5.2結構秩序設計

杭州校園將城市水系引入場地，先借由水系將方形場地一分為二；然後在此基礎上強化對場地的縱向劃分；再添加橫縱軸線，使之相交形成場地中心；最後細化四個象限中的功能區塊，從而形成校園的結構秩序（圖18）。

18 中國科學院大學杭州高等研究院校園結構秩序的形成過程

5.3模件組合設計

整體園區形成了中心結構秩序控制之下的鏈式結構單元（圖19），鏈式結構單元是對第一代“一系一樓”模式的批判性繼承，不僅吸收了“整體式教學樓”特點，還迭代了國科大已有的“整體學園”，最終生成了“鏈式脈系”的單元結構。在此基礎上佈局關聯性學科群，從而形成連續生長的脈系。多院系集成的大學學科群“科學共同體”將教學、研究、實驗、工作室、產業等多種模塊並置為複合式綜合體，同時動態衍生出多個教育單元。

19 中國科學院大學杭州高等研究院鏈式結構單元

建築模件單元在複製和變異的同時，沿著鏈式的結構持續生長，呈現出猶如樹木生長分形的相似狀態。教學、科研及產業創新等功能分區儘量避免刻意的人工劃分，使功能與空間自然而然地生長出來。在相似的單元進行同構異形的多尺度層級的組合過程中，園區形成了如同在大地經絡作用下生成的脈絡結構。每一條建築鏈條看起來都很相似，但絕無雷同，彷彿是自然生長的秩序（圖20）。

20 中國科學院大學杭州高等研究院模件單元與多樣化組合

5.4系統化整合

1993年，吳良鏞院士在錢學森主持召開的“山水城市討論會”中提到，“由城市山水建築所構成的城市景觀應是建立在現代生活基礎上的創造，應該‘抽象繼承’自然山水的美學規律，‘遷想妙得’地創造新的形式。”模件化的設計方法源於自然的啟示，從自然山水和樹木的結構秩序出發，創造性地為建築功能空間建構生長演變的邏輯，使其能夠順勢演化為自然山水的形態。藉由抽象秩序去生成形態，是從內在秩序出發的仿生，而並非是形態上的描摹自然，因而得到的設計方案既是設計成果的創新，也是設計方法的創新（圖21）。

21 中國科學院大學杭州高等研究院整體效果

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結語

我們希望將中國科學院分佈在三個城市中的校園營造為產出知識並融於自然的“科學共同體”。為此，在對人、地、文化三個重要因素充分解析的基礎上，運用源於自然和中國傳統的模件化思維，通過自上而下的結構秩序設計和自下而上的模件組合設計的雙重設計過程，進行系統化整合，力爭建構高效、創新、有機的創新型校園。

——END——

圖片來源

圖2來源於文獻[4]；其餘來自崔彤工作室。

參考文獻

[1]吳良鏞. 人居環境科學導論[M]. 北京：中國建築工業出版社，2001.

[2]崔彤. 山水之間：中科院研究生院新校區[J]. 建築創作，2010（5）. [3] Lothar Ledderose. Ten thousand things: module and mass production in Chinese art[M]. New Jersey: Princeton University Press, 1998.

[4]沈心友，王概，王蓍，等. 芥子園畫譜 [M]. 北京：印刷工業出版社，2011.

[5]崔彤，王一鈞. 建構圖語：從遠古到未來的模件化建構[J]. 建築技藝，2019（4）.

[6]王一鈞，崔彤. 景觀生態學原理指導下的校園規劃設計——以中科院研究生院懷柔新校區規劃為例[J]. 建築學報，2009（5）.

[7]崔彤，王一鈞. 聚集策略下的模件化建築設計方法及應用研究[J]. 科技導報，2019（8）.

中國科學院大學建築研究與設計中心/李政道科學與藝術中心主任、教授、博士生導師，中科院建築設計研究院總建築師、副院長，全國工程勘察設計大師。

王一鈞

中國科學院大學建築研究與設計中心高級工程師。

本文刊登於《建築技藝》雜誌

《場所建構：創新型校園的思考與探索》專題

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