20世纪90年代以来, 中国大学校园经历了令人瞩目的建设高峰期。近年来, 大学的功能逐渐从“基础教育”转变为“研究型教育”, 校园不仅是知识传播的场所, 更是知识创造和生产的场所。中国科学院倡导“产—学—研”一体化和“科教融合”的发展思路, 在全国各地建设了若干创新型校园, 我们有幸参与了其中三个校区的规划设计与建设工作, 也由此对中国科学院大学 (以下简称国科大) 创新型校园的场所建构方法进行了系统的研究和探索。

科学共同体 (Community of Science) 的概念由1942年英国科学哲学家波拉尼 (M.Polanyi) 在《科学的自治》一文中首次使用。吴良镛院士在《人居环境科学导论》中对“科学共同体”的定义为:由一些共有一个范式的、志同道合者结成的科学集团, 遵守特定的科学规范, 具有共同的科学信念, 探索共同的目标, 内部交流较为充分, 专业方面的看法较为一致, 可以称之为“看不见的学院”^[1]。

中国科学院的创新型科教园区不仅包含了学科 (科学、人文、艺术) 与人才 (院士、科学家、研究生) 的聚集, 还包括作为物理环境承载前两种类型的多种功能的人工空间场所 (教学、研究、生产、创业、保障) 的聚集。各种类型的人、事、物通过交叉作用形成一系列连锁反应, 生产出知识和创新, 共同相融于所在的自然环境 (图1) 。在以“科学共同体”为目标的校园设计过程中, 应提倡策划研究、规划设计、城市设计、建筑设计、景观设计“五位一体”的大设计观念, 并强调“科学设计优先于建筑, 生态设计优先于景观, 生活设计优先于规划”的“三个优先”法则。

在“五位一体”的观念和“三个优先”的法则下, 创造“科学共同体”的首要因素是“人”, 即分布在相似、相异或相关的各个学科中创造和生产知识的“科学家”和“研究生”。校园作为一个人造环境, 其使用者的行为模式和审美情趣是规划设计的前提条件。因此, 研究“人”的思想和行为是设计之初进行策划研究的首要任务。“科学家”和“研究生”的科研工作属性和空间需求, 他们办公、开会、交往、就餐、住宿、运动、娱乐等各个方面的事件及其相应的空间模式, 以及空间模式之间的结构关系与相互作用机制, 都是设计者需要进行思考和研究的主要内容。

在建筑与自然的平衡体系中, 创新型校园的设计应充分吸收原有场地的地脉精神, 化解建筑与自然之间的冲突, 并重新建立人工与自然的对话和交流关系, 进而达到共生和谐的统一体^[2]。再造与地脉环境融合的校园人工环境并非是关于“人定胜天”征服自然的妄想, 也不是“听天由命”服从自然的悲观, 而是在“共存”和“共栖”的重叠中, 重新确定一种人工系统与自然系统之间相互依赖、相互作用的能力。

因地理位置和历史传承的不同, 新建校园所在城市背景的文化氛围各不相同。现代校园已不再是固步自封的象牙塔, 而应该主动成为城市的一部分, 并且作为城市复杂巨系统中的子系统, 与城市之间时刻存在着能量、物质、信息的动态交换。校园通过系统的开放性、自组织性融于城市, 吸收城市的气质, 并建立顺应城市的精神结构, 形成与城市文化相通、相融的场所精神。

本文将创新型校园视为系统, 模件化作为一种由小生大的思维方式, 通过小尺度构件或空间单元的相似性重复, 按照不同尺度层级进行多次组合, 从而生成具有整体性的建筑及城市区块。由模件化的思维方式生成的校园具有内在的结构秩序, 强调了在组合过程中结构秩序的层级性以及各个层级中组合关系的规律性。

自然系统具有模件化的特征, 遵循由小到大的组织规律。自然要素通过复制大批量、可互换、标准化的模件单元构成形态, 再根据一定的规律进行组合, 呈现出重复性与多样性并存的形式秩序。这种组织规律不是简单的线性秩序, 而是整体规模的大小与其所含模件单元的数量联动, 并且模件单元的尺寸并非绝对精确。例如, 一株茂盛的大树上的一万片叶子看起来都十分相似, 但是仔细比较, 它们之中并没有两片叶子是完全一致的。分形与自相似性的法则作为模件化的表现形态广泛存在于自然之中, 任何物质通过分形得到的组成要素都具有重复性的特征, 并且可以向更小的尺度多层级地分解成为更小的单元体。自然界是有机整体, 城市本身也是有机整体, 通过模件化由小生大的方式, 可以创造融于自然、融于城市的建筑与城市区块。

德国历史学家雷德侯 (Lothar Ledderose) 在《万物》中首次提出了中国传统艺术文化中关于“模件” (Module) 的概念, 并对中国传统造物活动思维进行理性的总结, 即“中国人发明了以标准化的零件组装物品的生产体系。零件可以大量预制, 并且能以不同的组合方式迅速装配在一起, 从而用有限的常备构件创造出变化无穷的单元。这些构件被称为模件”^[3]。模件化的设计思想影响了中国的汉字、瓷器、青铜器、兵马俑、建筑、印刷文字等多个领域, 通过标准构件单元 (模件) 的组合与置换形成无穷的有机整体, 并呈现出一定的开放性、高效性及普遍适用性。从《芥子园画谱》^[4]中可以看出:竹之干枝的画法是将相似的若干竹枝进行复制、变异、组合, 而竹叶的画法则是根据竹叶的数量 (从1到6) 有几种特定的技法, 最终在画作中以不同的布局方式加以组合, 即可生产出无穷无尽种截然不同的画作 (图2) 。

与中国的文字和绘画一样, 中国传统木构建筑以一种特有的语法结构形成结构秩序完整并有着同构关系的“建构图语模件系统”, 呈现出由简到繁的建构图语^[5]:元素—模件—单元—序列—总集。中国传统木构建筑模件体系也分为五个层级——斗拱、间、建筑单体、院落、组群。

模件化设计的目标为“让建筑犹如自然生成的生物一样生长而成”, 在设计过程中涉及到“语法” (结构秩序设计) 以及按“语法”创作 (模件组合设计) 的双重过程。在做任何设计之前, 都应以一个总体目标为基础, 倘若从各局部开始, 则需要重新跳出局部反复考量整体以确保所有局部之间的和谐统一, 假如整体不可行则需要重新调整各个局部的属性。自上而下的结构秩序设计过程是一种谋篇布局, 犹如创建语法规则的过程, 需要从整体出发, 进行理性的分析, 从而形成设计架构, 并在反复的验证过程中形成一种类似“语法”的法则, 这种法则恰好与局部的主题相适应, 并将其有序地组织起来, 使整体和谐统一。自下而上的模件组合设计的过程是操作“模件”在语法规则下的写作和绘画的过程。

中国科学院研究生院新校区选址于雁栖湖边 (图3) , 这里“北望长城巍峨, 南映雁栖碧波, 西探幽谷名胜, 东迎峰间朝阳”, 除了山水自然生态景观外, 更有中国科学院两弹元勋曾工作实验的基地, 生态环境优越, 人文底蕴深厚, 一万余名研究生和科学家们将栖居在此。山水相依, 树木繁茂, 如何实现一个与自然共生存的校园?如何营造一个有独特场所精神的校园?山水之间的校园可以存在于自然之中, 而校园中的山水不仅是美丽的风景, 还应是能量的源泉。

中国科学院大学的北京怀柔校区场地被城市道路分割成中心对称的两个地块。作为规划方案启动和生成的框架, 设计之初就确立了整体的空间结构秩序, 即将两部分地块相互交叠的几何部分作为规划的结构中心, 形成贯穿东西的结构主轴, 再结合其周边的空间形成复合空间主轴;次轴线顺应两块场地形态分别向南北两侧延展, 从而拟定了两侧地块的结构秩序;进而以次轴线为依据, 在其两侧组织下一个尺度的建筑院落组团 (图4) 。

在多年来的“学科扩展”“学科交汇”的策略指导下, 传统大学校园的教学科研楼设计经历了“一系一楼”“合院式学院”与科研办公功能合一的“整体式教学楼”阶段 (图5) , 雁栖湖校区的“风车式学园”则顺应了“学科共享与融合”的趋势, 加强了学科和学者之间“聚”的趋势, 增加了科学聚集、融合、交叉等多个功能和形态的交叠区域。“风车式学园”单元由“一”字形和“口”字形的基本单元构成, 兼具了两种建筑单元的基本属性, 并可分别与这两种类型的单元进行多样化组合, 进而再组成更大尺度、更多层级的建筑单元, 衍生出更多样的类型, 通过选取不同的单元类型, 可以实现功能和地形的适应性。同时, 随着时间的发展和使用功能需求的演变, “风车式学园”模件单元的空间形态可通过复制实现弹性生长 (图6) 。

在结构秩序和模件组合设计的过程中, 自然和生态一直是规划设计的核心主题。一方面, 校园自身的建筑群形态与周围“指状”的山体和景观相互咬合、渗透, 以交错和活跃的策略积极回应了景观生态学中对于“生态交错带”特殊属性的相关理论;另一方面, 绿野公园、广场空间、场院空间、内院空间四个不同尺度的生态层级以集中与分散相结合的格局形成了自然包容建筑、建筑又包容自然的嵌套关系, 校园作为一个动态系统, 实现了均衡、自组织的生长^[6] (图7～11) 。

中国科学院青岛科教园区位于古镇口西海岸新区中部地带 (图12) , 是一个海边的国家科研教学机构。该园区由中国科学院、青岛市人民政府共同建设, 以海洋研究所、南海海洋研究所、深海科学与工程研究所等8家中国科学院相关涉海研究所为建设主体, 总规划面积2 011亩, 一期工程建筑面积约20万m², 建成后将是一个没有围墙的研究所。校园场地位于海洋文明辐射下的山海之间, 这所学、研、产结合的园区集科学园、校园、博览园、大学公园于一体, 提供了可进行学科共享的科学实验平台及大科学装置, 将容纳2 300名科学家和研究生在此研究、工作、学习、交流, 持续引领我国海洋科技事业和海洋领域高等教育事业的发展^[7]。

结构秩序设计的原则和依据为:第一, 形成强有力的中心公共空间, 起到主导园区氛围、为每个人提供整体归属感的作用;第二, 南北园区各成体系同步发展, 以利于线性骨架的弹性生长、分期实施、相对完整和逐步成型;第三, 以广场和绿带为中心, 动静分离;第四, 适度聚集形成组团, 即把相同功能和相近属性的建筑适度聚集形成组团格局。基于以上分析, 场地的规划形成了中心结构轴控制下的“冲流”群岛状态, 中部的“中央绿轴场域”融贯海陆, 势如行舟, 作为中心将能量聚集在一起, 贯穿在山海之间的超尺度秩序轴赋予了科教园区时空广度的科学精神结构。这条东西向主轴线与轴线两侧的建筑物及远处的山景、海景交织在一起, 形成了一个开放的中心公共空间, 其中的标志性建筑群组统摄了整个场所的精神;下一个尺度层级的“中央绿轴场域”南北两侧的两条“中心平行结构”辅助轴线与主轴平行, 重叠并置 (图13) 。

在结构秩序框架下, 各个科教组团形成了犹如海水冲刷下的群岛聚集状态。首先根据不同的功能需求设计了不同尺度的“空间单元模件”, 如第一层级模件的小型独立实验室、大型开放实验室、科研办公、辅助功能等;其次, 将第一层级模件中的空间单元再次组合, 形成具有建筑体量的二级模件;再次, 将二级模件进行组合, 形成第三层级模件, 即具有空间中心的围合式院落, 由此一个“小岛”的意象便基本形成;最后, 各类“小岛”之间自由组合形成“群岛”。相似的基本“空间单元模件”在不同层级的同构异形组合之下, 形成了由小尺度模件层层组合、变异而成的中尺度建筑与大尺度组团, 呈现出顺势而为的自由形态 (图14) 。通过广场、水面、绿带等公共元素的有机渗透, 生成了园区的基本格局, 达到适度联系、内外动静逐层过滤、保持舒适宁静氛围、形成大片绿地和交流空间的目的。

中国科学院青岛科教园区作为复合、动态、多层级的开放系统, 在与周边环境在空间与时间上保持统一性的同时, 还能与场所进行能量交换, 在“新陈代谢”中建构自身的平衡体系。首先, 向自然开放, 中央主轴控制下的南、中、北复合绿轴为山水之间的绿色廊道;其次, 向社会开放, 沿海边的公共开放区和科教开放区在三条绿轴的引导下向园区纵深发展, 实现了可研、可学、可居、可游的花园式“书院”;最后, 向周边学校开放, 科研群岛与整体教学楼形成了既开放又关联的有机聚落式的“单元模块”组团 (图15, 16) 。

中国科学院大学杭州高等研究院位于杭州富春江旁, 整个园区的用地围绕“山水之间”这一主题呈线性展开, 其中东南侧长方形地块规模较大, 是杭州校区的主体, 承担了学、研、产三种主体功能。杭州独特的山水景象孕育了“富春山居图”, 这是诗意的自然;然而近代人类“文明”不断破坏着“自然的文化”, 如何在“残破的自然”中恢复“自然的秩序”并重构“诗意的山水”, 是我们关注的重点。杭州园区的设计所表达的态度是在尊重自然的前提下, 以人类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, 也为科学家和科学探索的行为营造一个诗意的科学山谷 (图17) 。

杭州校园将城市水系引入场地, 先借由水系将方形场地一分为二;然后在此基础上强化对场地的纵向划分;再添加横纵轴线, 使之相交形成场地中心;最后细化四个象限中的功能区块, 从而形成校园的结构秩序 (图18) 。

整体园区形成了中心结构秩序控制之下的链式结构单元 (图19) , 链式结构单元是对第一代“一系一楼”模式的批判性继承, 不仅吸收了“整体式教学楼”特点, 还迭代了国科大已有的“整体学园”, 最终生成了“链式脉系”的单元结构。在此基础上布局关联性学科群, 从而形成连续生长的脉系。多院系集成的大学学科群“科学共同体”将教学、研究、实验、工作室、产业等多种模块并置为复合式综合体, 同时动态衍生出多个教育单元。

建筑模件单元在复制和变异的同时, 沿着链式的结构持续生长, 呈现出犹如树木生长分形的相似状态。教学、科研及产业创新等功能分区尽量避免刻意的人工划分, 使功能与空间自然而然地生长出来。在相似的单元进行同构异形的多尺度层级的组合过程中, 园区形成了如同在大地经络作用下生成的脉络结构。每一条建筑链条看起来都很相似, 但绝无雷同, 仿佛是自然生长的秩序 (图20) 。

1993年, 吴良镛院士在钱学森主持召开的“山水城市讨论会”中提到, “由城市山水建筑所构成的城市景观应是建立在现代生活基础上的创造, 应该‘抽象继承’自然山水的美学规律, ‘迁想妙得’地创造新的形式。”模件化的设计方法源于自然的启示, 从自然山水和树木的结构秩序出发, 创造性地为建筑功能空间建构生长演变的逻辑, 使其能够顺势演化为自然山水的形态。借由抽象秩序去生成形态, 是从内在秩序出发的仿生, 而并非是形态上的描摹自然, 因而得到的设计方案既是设计成果的创新, 也是设计方法的创新 (图21) 。

我们希望将中国科学院分布在三个城市中的校园营造为产出知识并融于自然的“科学共同体”。为此, 在对人、地、文化三个重要因素充分解析的基础上, 运用源于自然和中国传统的模件化思维, 通过自上而下的结构秩序设计和自下而上的模件组合设计的双重设计过程, 进行系统化整合, 力争建构高效、创新、有机的创新型校园。