A.- L'Etablissement cantonal d'assurance contre l'incendie et les éléments naturels (ci-après: l'Etablissement cantonal) est propriétaire des parcelles nos10058, 10059 et 10060 du Registre foncier de la Ville de Lausanne. Ces bien-fonds, sur lesquels ont été édifiées des maisons d'habitation, forment un îlot délimité par la rue Charles-Vuillermet au Nord, la place de la Cathédrale au Sud, la rue Cité-Devant à l'Ouest et la rue Cité-Derrière à l'Est.
Le 16 avril 1996, le Conseil communal de Lausanne a approuvé le plan partiel d'affectation n°683 concernant les terrains compris entre la place de la Cathédrale, la rue Cité-Devant, la rue Charles-Vuillermet et la rue Cité-Derrière (ci-après: le plan). Ce plan vise notamment à conserver les bâtiments érigés sur la parcelle n°10059 et sur la majeure partie de la parcelle n°10060. Les bâtiments nos8953 et 8954 édifiés sur la parcelle n°10058, ainsi qu'une partie du bâtiment n°8952 édifié sur la parcelle n°10060, seraient démolis et remplacés par un bâtiment affecté au logement, à des équipements publics, au commerce, à des bureaux ou à de l'artisanat compatible avec le logement (art. 28 du règlement annexé au plan). Ce plan, approuvé le 24 mars 1997 par le Département des travaux publics, de l'aménagement et des transports du canton de Vaud, est entré en force.
En mars 1999, après le rejet d'un premier projet, l'Etablissement cantonal a demandé une autorisation de construire portant sur la démolition des bâtiments nos8953 et 8954, ainsi que d'une partie du bâtiment n°8952, en vue de la construction à leur place d'un bâtiment comprenant des logements, des bureaux et une salle de quartier.
Mis à l'enquête publique du 16 avril au 6 mai 1999, ce projet a suscité six oppositions.
Le 25 juin 1999, la Municipalité de Lausanne a accordé l'autorisation de construire et rejeté les oppositions.
Par arrêt du 29 septembre 2000, le Tribunal administratif du canton de Vaud a rejeté le recours formé contre cette décision, qu'il a confirmée. Il a notamment écarté l'argument selon lequel la proximité de la Cathédrale aurait exigé de recueillir l'avis de la Commission fédérale des monuments historiques (ci-après: la Commission fédérale). Le Tribunal administratif a estimé que le projet ne touchait pas à une tâche fédérale au sens de l'<ref-law>. Même si tel eût été le cas, l'avis de la Commission fédérale - produit spontanément dans la procédure cantonale - n'aurait pas été nécessaire.
B.- Agissant par la voie du recours de droit administratif, A._ et dix-huit consorts demandent au Tribunal fédéral d'annuler l'arrêt du 25 septembre 2000, ainsi que, "en tant que de besoin" la décision municipale du 25 juin 2000 (recte: 1999). Ils invoquent la LPN, ainsi que l'art. 29 al. 1 Cst. Ils demandent en outre que l'autorité fédérale compétente soit invitée à produire les décisions ou documents relatifs au subventionnement de travaux concernant soit la Cathédrale, soit les bâtiments érigés sur les parcelles nos10058, 10059 et 10060.
Le Tribunal administratif se réfère à son arrêt.
L'Etablissement cantonal conclut au rejet du recours, pour autant qu'il soit recevable. La Section des monuments historiques du Département cantonal des infrastructures a renoncé à se déterminer. L'archéologue cantonal a produit des observations. La Municipalité propose le rejet du recours.
Le Département fédéral de l'intérieur (ci-après: le Département fédéral) a produit des observations tendant à l'admission du recours.
Invitées à se déterminer, les parties ont maintenu leurs conclusions.

Considérant en droit :
1.- a) Selon les art. 97 et 98 let. g OJ, mis en relation avec l'<ref-law>, la voie du recours de droit administratif est ouverte contre les décisions des autorités cantonales de dernière instance et qui sont fondées sur le droit fédéral - ou qui auraient dû l'être - pour autant qu'aucune des exceptions prévues aux art. 99 à 102 OJ ou dans la législation spéciale ne soit réalisée (<ref-ruling> consid. 2b/aa p. 3/4; <ref-ruling> consid. 1 p. 52; <ref-ruling> consid. 1a p. 173, 300 consid. 1a p. 301/302; <ref-ruling> consid. 2a p. 13, et les arrêts cités). Le recours de droit administratif est aussi recevable contre les décisions cantonales fondées à la fois sur le droit fédéral et sur le droit cantonal dans la mesure où la violation de dispositions du droit fédéral directement applicables est en jeu (cf. art. 104 let. a OJ; <ref-ruling> consid. 2 p. 31, 252 consid. 1a p. 253/254; <ref-ruling> consid. 2a p. 13; <ref-ruling> consid. 1d/dd p. 414/415, et les arrêts cités). En revanche, c'est la voie du recours de droit public qui est ouverte contre des décisions fondées uniquement sur le droit cantonal et ne présentant pas un rapport de connexité suffisamment étroit avec l'application du droit fédéral (ATF <ref-ruling> consid. 1a p. 173; <ref-ruling> consid. 1a p. 253/254; <ref-ruling> consid. 1d/dd p. 414; <ref-ruling> consid. 1a/aa p. 361; <ref-ruling> consid. 1b p. 75).
b) L'autorisation litigieuse a été accordée au regard du plan et des prescriptions du droit cantonal. Le Tribunal administratif a rejeté l'argument selon lequel la LPN serait applicable en l'espèce, le projet ne touchant pas à une tâche fédérale au sens de l'art. 2 de cette loi. Les recourants contestent ce point, qu'il est nécessaire de trancher préjudiciellement afin de déterminer si l'arrêt attaqué peut faire l'objet d'un recours de droit administratif.
aa) Aux termes de l'art. 78 al. 1 Cst. , la protection de la nature et du patrimoine est du ressort des cantons.
Cette disposition reprend l'art. 24sexies al. 1 aCst. , sous réserve du fait que celui-ci évoquait la protection du paysage. Il était cependant admis que cette formulation, à entendre au sens large, désignait aussi le patrimoine mentionné désormais à l'art. 78 al. 1 Cst. (cf. Jean-Baptiste Zufferey, Commentaire LPN, chap. 2, N.14; lors des travaux de la révision de la Constitution, l'art. 78 al. 1 Cst. n'a pas donné lieu à discussion; cf. BO 1998 CE p. 80; BO 1998 CN p. 280-283). La compétence originaire des cantons n'empêche pas la Confédération d'agir en matière de protection des monuments.
En premier lieu, l'art. 78 al. 2 Cst. (dont le libellé correspond, matériellement, à celui de l'art. 24sexies al. 2 aCst.) oblige la Confédération, dans l'accomplissement de ses tâches, à protéger les sites historiques, ainsi que les monuments naturels et culturels (cf. aussi l'<ref-law>; Zufferey, Commentaire LPN, chap. 2, N.49-51, 55-63; Anne-Christine Favre, Commentaire LPN, art. 1 N.5-7). En deuxième lieu, la Confédération peut soutenir les efforts déployés pour soutenir le patrimoine et acquérir ou sauvegarder les objets présentant un intérêt national (art. 78 al. 3 Cst. , correspondant à l'art. 24sexies al. 3 Cst. ; cf. <ref-law>; Zufferey, Commentaire LPN, chap. 2, N. 52-54, 64-73; Favre, Commentaire LPN, art. 1, N.8-10). Parmi les monuments que la Confédération doit protéger dans l'accomplissement de ses tâches, on distingue les objets d'importance nationale et ceux d'importance régionale et locale (<ref-law>). Si cette distinction n'a pas pour effet de limiter l'engagement de la Confédération aux seuls objets de la première catégorie (Favre, Commentaire LPN, art. 4 N.2), elle circonscrit le champ des inventaires fédéraux (<ref-law>) et détermine le montant des subventions (<ref-law>), ainsi que la mise en oeuvre des mesures de sauvegarde et de conservation (art. 15 et 16 LPN; Favre, Commentaire LPN, art. 4 N.5-7; cf. <ref-ruling> consid. 3a p. 14/15). Le Conseil fédéral établit les inventaires des objets d'importance nationale (<ref-law>), alors que les objets d'importance régionale et locale peuvent faire l'objet d'inventaires cantonaux (Favre, Commentaire LPN, art. 4 N.11). Se fondant sur l'<ref-law>, le Conseil fédéral a notamment adopté l'ordonnance concernant l'Inventaire fédéral des sites construits à protéger en Suisse, du 9 septembre 1981 (OISOS; RS 451. 12). Selon l'<ref-law>, l'inscription à l'inventaire fédéral a pour conséquence que l'objet en question mérite spécialement d'être conservé intact ou en tout cas d'être ménagé le plus possible (al. 1); dans l'accomplissement d'une tâche fédérale, on ne peut porter atteinte à un objet inscrit à l'inventaire que si des intérêts équivalents ou supérieurs le commandent (al. 2). La protection des monuments n'est ainsi une tâche fédérale que lorsqu'elle concerne des objets d'importance nationale (<ref-ruling> consid. 3a p. 15, 190 consid. 3c/bb p. 196/197; <ref-ruling> consid. 2c/dd p. 32/33; <ref-ruling> consid. 2c/dd p.
32/33).
bb) En l'espèce, ni la ville de Lausanne comme telle, ni le quartier de la Cité, ne sont inscrits à l'ISOS - du moins pour l'instant. Les bâtiments nos8952, 8953 et 8954, ne font ainsi l'objet d'aucune protection fédérale. Ils ne sont pas davantage classés à l'inventaire cantonal au sens des art. 49ss de la loi vaudoise sur la protection de la nature, des monuments et de sites, du 10 décembre 1969 (LPNMS).
Dans le recensement architectural établi selon l'art. 30 du règlement d'application de la LPNMS, du 22 mars 1989 (RPNMS), les bâtiments nos8953 et 8954 ont reçu une note d'évaluation de 5, la partie à démolir du bâtiment n°8952, la note de 3.
Ils ne présentent ainsi aucun intérêt particulier. Leur démolition et la reconstruction à leur place d'un nouveau bâtiment ne relève pas de l'accomplissement d'une tâche fédérale au sens de l'<ref-law>. Les recourants ne le prétendent pas, au demeurant. Ils soutiennent en revanche que les travaux projetés entreraient dans le champ d'application de l'<ref-law> en raison de la proximité de la Cathédrale, monument d'intérêt national dont l'entretien et la restauration a bénéficié de subventions fédérales.
cc) Est notamment considérée comme une tâche fédérale l'allocation de subventions pour des mesures de planification, pour des installations et des ouvrages, tels que les améliorations foncières, l'assainissement des bâtiments agricoles, les corrections de cours d'eau, les installations de protection des eaux et les installations de communications (art. 2 let. c LPN). Dans l'accomplissement des tâches fédérales, les autorités fédérales et cantonales prennent soin de ménager les monuments historiques et, lorsque l'intérêt général prévaut, d'en préserver l'intégrité (<ref-law>).
Ils s'acquittent de ce devoir notamment en n'allouant des subventions que sous conditions (art. 3 al. 2 let. c LPN, mis en relation avec l'art. 2 let. c de la même loi). L'importance de l'objet, au sens de l'<ref-law>, n'est pas déterminant; les mesures prises en application de l'<ref-law> ne doivent cependant pas aller au-delà de ce qu'exige la protection de l'objet et de ses environs (<ref-law>). Si un bâtiment ou un monument historique peut être gravement déprécié par des installations ou constructions édifiées aux alentours, cela ne signifie pas encore que la préservation de son intégrité empêcherait l'octroi d'une autorisation de construire dans ses abords immédiats; l'essentiel est que l'objet protégé soit conservé dans son identité, conformément au but assigné à la mesure de protection (Zufferey, Commentaire LPN, art. 3, N.8 et 9).
Dans un premier moyen, les recourants exposent que les fouilles archéologiques de l'ancien cloître cathédral ont été réalisées grâce à des subventions fédérales. Ils se fondent à ce propos sur une indication contenue dans le volume n°4 des Cahiers d'archéologie romande publié à Lausanne en 1975, consacré précisément aux fouilles effectuées dans l'ancien cloître. Celui-ci occupait le terrain qui forme aujourd'hui la place de la Cathédrale, entre ce monument et l'îlot d'habitation dont font partie les bâtiments litigieux. Dans sa réponse du 6 décembre 2000, l'archéologue cantonal a confirmé que la Confédération a versé des subventions pour ces fouilles, lesquelles toutefois ne concernaient pas les parcelles nos10058 et 10060. Des fouilles ultérieures ont été effectuées dès 1992 dans les sous-sols des bâtiments sis à la rue Vuillermet 2-4, place de la Cathédrale 11-15, mais sans subsides fédéraux. De ces indications, il ressort que les parcelles visées par l'autorisation querellée n'ont pas fait l'objet de travaux archéologiques effectués ou financés par la Confédération, en accomplissement d'une tâche fédérale au sens de l'<ref-law>.
Dans un deuxième moyen, les recourants exposent que la Confédération a subventionné la rénovation de la Cathédrale.
Ce fait est confirmé par le Département fédéral, lequel a joint à sa réponse du 31 janvier 2001 la copie de la décision qu'il a prise le 18 septembre 1990. Cette décision porte sur l'octroi au canton de Vaud d'une subvention de 348'326 fr. pour les travaux de restauration de la Cathédrale effectués en 1989. Elle est assortie d'une condition (portant le n°5) selon laquelle le propriétaire du monument concerné (soit, en l'occurrence, l'Etat de Vaud) devra veiller à une protection suffisante des environs du monument et informer le service cantonal des monuments historiques et le Département fédéral de "tout projet de construction voisine pouvant porter atteinte à ce qui fait sa valeur".
Il est possible qu'en utilisant cette subvention pour effectuer des travaux de restauration d'un monument d'intérêt national, les autorités cantonales aient participé à l'exécution d'une tâche fédérale au sens de l'<ref-law>.
On ne peut cependant en tirer la conclusion que toute décision concernant les alentours d'un bâtiment ou d'une installation ayant fait l'objet d'une subvention selon les art. 3 al. 2 let. c et 2 let. c LPN, relèverait ipso facto des tâches fédérales.
La condition n°5 attachée à la décision du 18 septembre 1980 impose uniquement à l'autorité cantonale le devoir de protéger la Cathédrale et d'informer le Département fédéral de tout projet de construction de nature à porter atteinte à la Cathédrale. Cette dernière obligation disparaît lorsque l'autorité cantonale, en se fondant sur l'avis du service de protection des monuments historiques, estime que l'ouvrage projeté ne cause pas une telle atteinte. Sur ce point, la décision du 18 septembre 1990 n'a fait que reprendre, dans le mécanisme de subvention, le système de l'<ref-law>. On ne saurait en tout cas prêter à cette condition l'effet de donner à l'autorité fédérale le droit de s'opposer à tout projet de construction aux abords d'un monument ayant fait l'objet d'une subvention, alors même que la procédure du permis de construire est, comme en l'espèce, régie exclusivement par le droit cantonal. Cela reviendrait, en fin de compte, à battre en brèche la répartition des tâches entre la Confédération et les cantons en matière de protection du patrimoine, telle qu'elle est fixée à l'art. 78 al. 1 Cst. De toute manière, l'obligation de respecter les conditions attachées à la subvention ne consiste pas à soumettre au contrôle de l'autorité fédérale toute construction autorisée selon le droit cantonal aux abords de la Cathédrale. Même à supposer que les autorités cantonales et communales aient méconnu la condition assortie à la subvention, elles s'exposeraient à l'obligation de restituer celle-ci, en tout ou partie (cf.
art. 11 OPN). Le système légal ne présente pas de faille à cet égard, qu'il conviendrait de combler en faisant entrer, par une interprétation extensive des art. 2 et 3 LPN, tous les alentours des monuments d'intérêt national dans l'orbite des tâches fédérales.
Enfin, si elle avait effectivement voulu empêcher toute construction aux abords de la Cathédrale ou, du moins, s'assurer de leur compatibilité avec l'objet protégé, la Confédération aurait pu prendre des mesures plus incisives, appropriées à ce but. Par exemple, elle aurait pu, en application de l'<ref-law> et de la LEx, constituer des servitudes pour limiter les possibilités de rebâtir les environs de la Cathédrale (cf. <ref-ruling>). Or, elle ne l'a pas fait.
Un résultat équivalent ne peut être atteint par l'entremise d'une condition attachée à une décision de subvention.
c) L'autorisation litigieuse ne mettant pas en jeu une tâche fédérale au sens de l'<ref-law>, le recours de droit administratif est irrecevable quant à son objet.
2.- A titre subsidiaire, les recourants déclarent vouloir agir par la voie du recours de droit public s'agissant des griefs qu'ils soulèvent en relation avec la violation de leurs droits constitutionnels.
a) Un recours de droit administratif peut être converti en recours de droit public, pour autant que les conditions de forme légales sont respectées (<ref-ruling> consid. 2d p. 333).
b) Ont qualité pour agir notamment les particuliers lésés par des arrêtés ou des décisions qui les concernent personnellement ou qui sont d'une portée générale (art. 88 OJ); la qualité pour recourir s'appréciant au regard du seul art. 88 OJ, le fait que la qualité de partie ait, comme en l'espèce, été reconnue aux recourants dans la procédure cantonale n'est pas déterminant (<ref-ruling> consid. 1b/aa p. 75, 253 consid. 1b p. 254/255; <ref-ruling> consid. 3b p. 280; <ref-ruling> consid. 1a p. 371, et les arrêts cités). La qualité pour agir au sens de l'art. 88 OJ se détermine en fonction des griefs soulevés dans le recours (<ref-ruling> consid. 1c p. 214; <ref-ruling> ss). Le recours de droit public est ouvert seulement à celui qui est atteint par l'acte attaqué dans ses intérêts personnels et juridiquement protégés; le recours formé pour sauvegarder l'intérêt général ou de simples intérêts de fait est irrecevable. L'intérêt juridique protégé dont le recourant doit se prévaloir, peut découler de la loi fédérale ou cantonale, voire directement d'un droit constitutionnel spécifique, pourvu qu'il entre dans le champ d'application de la norme constitutionnelle invoquée (<ref-ruling> consid. 5b p. 42ss, 279 consid. 3c/ee p. 281; <ref-ruling> consid. 1 p. 374, et les arrêts cités). Celui qui agit par la voie du recours de droit public doit, conformément à l'art. 90 al. 1 let. b OJ, présenter au Tribunal fédéral des éléments de fait qui permettent à celui-ci de déterminer dans quelle mesure la décision attaquée porte une atteinte actuelle et personnelle aux intérêts juridiquement protégés du recourant (<ref-ruling> consid. 1b p. 175; <ref-ruling> consid. 3c/bb p. 280; <ref-ruling> consid. 1 p. 229). La prohibition de l'arbitraire ne fonde pas à elle seule la qualité pour agir au sens de l'art. 88 OJ (<ref-ruling> consid. 5b p. 42/43, 279 consid. 3c/aa p. 280; <ref-ruling> consid. 3b/bb p. 47, 373 consid. 1a p. 374, et les arrêts cités). Cette jurisprudence, développée sous l'empire de l'art. 4 aCst. , demeure applicable au regard de l'art. 9 Cst. (<ref-ruling>), y compris pour ce qui concerne le recours de droit public formé par le propriétaire voisin contre une autorisation de construire (arrêts non publiés M., du 9 juin 2000, consid. 2a et M. du 7 juillet 2000, consid. 1b/aa).
En matière d'autorisation de construire, les propriétaires voisins ont qualité pour recourir selon l'art. 88 OJ s'ils invoquent la violation de dispositions qui tendent non seulement à la sauvegarde des intérêts de la collectivité, mais aussi à la protection de leurs intérêts de voisins.
Il faut en outre que les voisins se trouvent dans le champ de protection des dispositions dont ils allèguent la violation et qu'ils soient touchés par les effets prétendument illicites de la construction litigieuse (<ref-ruling> consid. 2a p. 116, et les arrêts cités). En application de ces principes, la jurisprudence a reconnu la qualité pour agir aux voisins se plaignant de la violation des prescriptions relatives aux distances, aux dimensions des bâtiments et à la densité des constructions, qui sont des règles mixtes (<ref-ruling> consid. 1b p. 235; <ref-ruling> consid. 3b p. 20, et les arrêts cités). En l'espèce, les recourants ne se prévalent d'aucune règle qui les protégerait comme voisins. En outre, ils ne sont pas recevables à remettre en cause, comme ils le font, le caractère esthétique des bâtiments projetés (<ref-ruling> consid. 1b p. 235). Le grief tiré de l'art. 33 al. 2 et al. 3 let. b LAT, tel qu'il est invoqué, n'a pas de portée propre à cet égard. Les recourants ne sont pas davantage habilités à se plaindre d'une atteinte à la vue, faute pour eux d'avoir invoqué une norme spéciale protégeant la vue et qui pourrait fonder leur qualité pour agir sous cet aspect particulier.
Enfin, ils ne peuvent se plaindre de la violation de la règle de la bonne foi, à raison d'assurances données prétendument à un tiers et que les autorités communales n'auraient pas respectées.
Les critiques de fond que les recourants adressent au projet sont ainsi irrecevables au regard de l'art. 88 OJ.
c) La jurisprudence admet qu'indépendamment de la qualité pour agir au fond, le particulier puisse se plaindre, par la voie du recours de droit public, de la violation d'une garantie de procédure équivalant à un déni de justice formel.
Dans ce cas, l'intérêt juridique protégé exigé par l'art. 88 OJ découle non pas du droit matériel, mais du droit de participer à la procédure. Un tel droit existe lorsque le particulier avait qualité de partie en procédure cantonale et il peut se plaindre de la violation des droits formels que lui reconnaît le droit cantonal ou qui découlent des art. 29 Cst.
et 6 CEDH (<ref-ruling> consid. 3b p. 94; <ref-ruling> consid. 1 p. 26/27; <ref-ruling> consid. 1b p. 270, et les arrêts cités).
aa) Les recourants ne se prévalant pas des règles du droit cantonal régissant leur droit d'être entendus, c'est à la lumière de l'art. 29 al. 2 Cst. qu'il convient d'examiner leur grief (<ref-ruling> consid. 3a p. 259; <ref-ruling> consid. 3a p. 51; <ref-ruling> consid. 2c p. 138, 260 consid. 6 p. 260/261, et les arrêts cités).
bb) Le droit d'être entendu inclut le droit du particulier de s'expliquer avant qu'une décision ne soit prise à son détriment, de fournir des preuves quant aux faits de nature à influer sur la décision, d'avoir accès au dossier, de participer à l'administration des preuves, d'en prendre connaissance et de se déterminer à leur propos (<ref-ruling> consid. 2 p. 130-132; cf., pour la jurisprudence relative à l'art. 4 aCst. , <ref-ruling> consid. 2a/aa p. 16; <ref-ruling> consid. 3a p. 51, 242 consid. 2 p. 242; <ref-ruling>, 180 consid. 1a p. 181, et les arrêts cités). L'autorité peut renoncer au moyen de preuve offert par une partie, pour autant qu'elle puisse admettre sans arbitraire que ce moyen n'aurait pas changé sa conviction (<ref-ruling> consid. 2 p. 242; <ref-ruling> consid. 4b p. 94; <ref-ruling> consid. 4a p. 469; <ref-ruling> consid. 1d p. 162, et les arrêts cités). Le droit d'être entendu est cependant violé lorsque l'autorité nie sans motifs suffisants toute pertinence à un moyen de preuve (<ref-ruling> consid. 2a p. 291). Le Tribunal fédéral revoit cette question sous l'angle restreint de l'arbitraire, car elle porte uniquement sur l'appréciation des preuves, et non point sur la portée du droit d'être entendu (<ref-ruling> consid. 3a p. 11/12; <ref-ruling>).
cc) Les recourants reprochent au Tribunal administratif de n'avoir pas tenu compte de l'avis de la Commission fédérale.
Dans le cours de la procédure cantonale, l'Office fédéral de la culture a, le 4 novembre 1999, transmis spontanément au Tribunal administratif un avis de la Commission fédérale, établi le 25 octobre 1999. Cet avis, intitulé "expertise", critique le projet autorisé par la Municipalité, au motif qu'il porterait atteinte "d'une certaine manière" à la Cathédrale et au caractère du quartier de la Cité. La Commission fédérale a recommandé que le projet soit repris ab ovo ou, du moins, "retravaillé". Le Tribunal administratif a communiqué cette prise de position aux parties, qui se sont déterminées à ce sujet.
Dans l'arrêt attaqué, le Tribunal administratif, après avoir constaté que le projet ne touchait pas à une tâche fédérale au sens de l'<ref-law>, a estimé qu'aucun avis ou expertise de l'autorité fédérale n'était nécessaire au sens de l'art. 7 al. 1 in initio LPN (dans sa teneur du 18 juin 1999, entrée en vigueur le 1er janvier 2000, soit avant le prononcé de l'arrêt attaqué). Même à supposer que le projet touchait à une tâche fédérale, les autorités cantonales auraient pu, selon le Tribunal administratif, se dispenser de requérir une expertise fédérale, comme le permet l'art. 7 al. 1 in fine LPN (consid. 3c de l'arrêt attaqué). Par surabondance, le Tribunal administratif a écarté les objections exprimées par la Commission fédérale, en considérant que les critiques de celle-ci étaient en fait dirigées contre le plan et non contre l'autorisation de construire; elles ne pouvaient, partant, plus être retenues à ce stade, eu égard aussi au fait que le projet avait reçu l'aval de la Section cantonale des monuments historiques.
On ne voit pas en quoi le Tribunal administratif aurait violé le droit d'être entendus des recourants en procédant et en décidant comme il l'a fait. Les parties ont eu connaissance de l'avis du 25 octobre 1999, qu'elles ont eu l'occasion de discuter. Sur le fond, dès l'instant où le Tribunal administratif pouvait, sans violer le droit fédéral, admettre que le projet de démolition et de reconstruction litigieux ne touchait pas à une tâche fédérale au sens de l'<ref-law> (cf. consid. 1 ci-dessus), il pouvait se dispenser de prendre en compte l'avis de la Commission fédérale, laquelle n'avait plus de titre à intervenir dans la procédure.
Quant aux raisons pour lesquelles le Tribunal administratif a, par surabondance de droit, estimé qu'il n'y avait pas lieu de suivre l'avis et les recommandations fédérales, elles échappent à la critique. Sous couvert de la violation de leur droit d'être entendus, les recourants cherchent à contester au fond la solution retenue dans l'arrêt attaqué, ce qu'ils ne sont pas autorisés à faire sur le vu de la jurisprudence qui vient d'être rappelée.
3.- Le recours est irrecevable comme recours de droit administratif. Traité comme recours de droit public, il doit être rejeté dans la mesure où il est recevable. Les frais en incombent aux recourants (art. 156 OJ), ainsi qu'une indemnité en faveur de l'Etablissement cantonal, à titre de dépens (art. 159 OJ). Il n'y a pas lieu d'allouer des dépens à la Municipalité de Lausanne, censée pouvoir intervenir sans l'assistance d'un mandataire.

Par ces motifs,
le Tribunal fédéral :
1. Déclare le recours de droit administratif irrecevable.
2. Rejette le recours, traité comme recours de droit public, dans la mesure où il est recevable.
3. Met à la charge des recourants un émolument judiciaire de 5000 fr., ainsi que, solidairement entre eux, une indemnité de 2000 fr. en faveur de l'Etablissement cantonal d'assurance contre l'incendie et les éléments naturels, à titre de dépens.
Dit qu'il n'est pas alloué de dépens pour le surplus.
4. Communique le présent arrêt en copie aux mandataires des parties, au Département des infrastructures et au Tribunal administratif du canton de Vaud, ainsi qu'au Département fédéral de l'intérieur.
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Lausanne, le 26 avril 2001 ZIR/col
Au nom de la Ie Cour de droit public
du TRIBUNAL FEDERAL SUISSE:
Le Président,
Le Greffier,