現代化生物實驗室的工藝設計
國(guó)際水準的專業現代化生物實驗室規劃與設計對(duì)一座成(chéng)功的現代化實驗設施具有極其重要的意義。生物實驗室設施和設備水平越高、越現代化、生物實驗室等級越高,其意義也越爲重大。中國(guó)的生物實驗室設施建設正處于向(xiàng)現代化高速發(fā)展的階段,這(zhè)就(jiù)要求生物實驗室設施的規劃與設計者能(néng)夠提出既切合實際又具有前瞻性的建築方案和工藝設計。
如何引進(jìn)國(guó)際先進(jìn)的生物實驗室/醫療建築設計與規劃理論和技術,同時(shí)將(jiāng)生物實驗室建築的功能(néng)及其文化内涵融合爲有機的整體,將(jiāng)是國(guó)内生物實驗室設計人員面(miàn)臨的挑戰。作者希望通過(guò)這(zhè)次論壇,結合翰時(shí)國(guó)際(A&S)在國(guó)内的成(chéng)功專項設計項目,如中國(guó)國(guó)家疾病控制中心、天津CDC等,探讨現代化生物生物實驗室的工藝設計與發(fā)展。
一. 現代化生物實驗室設計理念與原則
1. 最大限度地尊重基地環境,表達對(duì)環境的尊重 - 生态建築設計
在對(duì)現狀地充分分析基礎上,對(duì)方案構思中將(jiāng)建築作爲環境的背景的設計理念,將(jiāng)單體建築包容于環境之中。
2. 前瞻性的設計理念 生物實驗室具有下列特點:
●靈活性:每一個實驗室都(dōu)能(néng)有足夠的空間來放置儀器和設備。單獨闆塊還(hái)可以獨立的控制它們各自的用途,以便在保證不影響相關實驗室的情況下也不必改變模塊配置。
●經(jīng)濟性:實驗室考慮到爲防護、工作以及配置方面(miàn)的效率利用進(jìn)行區域劃分,從而避免了面(miàn)積和空間的浪費。
●擴展性:建立在可增添結構的模塊形式和可重複使用的運行系統基礎上的實驗室系統,能(néng)夠在不犧牲一定功能(néng)或不影響相關實驗室的情況之下進(jìn)行必要的收縮和擴張。
●安全性:實驗室内的區域配置需要按其潛在的危險程度來劃分。煙霧防護罩和酸性物質以及易燃物質的儲存位置和爲生物安全倉分派的空間將(jiāng)被配置在較高危險帶即處于實驗室後(hòu)部(遠離出口)。一定的空間和足夠的廢棄物通道(dào)將(jiāng)被用來爲較高危險帶形成(chéng)第二層的防護。每個實驗室的低危帶將(jiāng)用來安排各種(zhǒng)幹燥台面(miàn)活動比如放置寫字桌、計算機和儀器等。潮濕台面(miàn)活動則被安置在中危帶。
通暢性:實驗室走道(dào)和出入口將(jiāng)提供簡便的行動通道(dào)以及提供符合國(guó)内相關規範的相應通道(dào)。
3. 适應生物技術發(fā)展趨勢
爲确保實驗室人員的安全、防止環境污染是開(kāi)展緻病微生物實驗研究的先決條件。因爲實驗室是造成(chéng)實驗人員或周圍環境可感染疾病的高危工作區。在設計中,不僅要滿足功能(néng)要求,而且必須按照國(guó)家标準規範和有關行業專業标準,并借鑒參考國(guó)内外生物實驗室有關設計标準、及相關規範,達到微生物和生物醫學(xué)實驗室安全通用準則。
4. 促進(jìn)最佳的科學(xué)研究能(néng)力
現代實驗室強調實驗人員互相交流,特别是學(xué)習交流及實驗室人員的團隊精神。考慮到研究活動活躍性的特點,建築必須能(néng)夠适應技術、設備、過(guò)程和技能(néng)各方面(miàn)的變化并能(néng)快速和簡便地做出反應,能(néng)夠促進(jìn)研究人員和訪問學(xué)者之間知識的共享與傳遞,從而形成(chéng)一種(zhǒng)互相影響和信息交流的學(xué)術氛圍。
5. 合理使用空間,充分考慮靈活性與可适應性
在現代實驗室的設計中采用統一柱網,并劃分出不同安全防護等級單元化模塊,以适合不同工藝要求。這(zhè)種(zhǒng)模塊化布局既吸收國(guó)内外CDC先進(jìn)流程,又結合實際情況使實驗室布置更具通用性、靈活性,并滿足以後(hòu)改造可能(néng)性。
6. 室内外環境的人性化處理
在先進(jìn)的設計理念指導下,以人性化的設計理念布置室内外環境, 爲實驗室工作人員提供高效的工作場所及環境舒适休閑空間。
7. 生物實驗室安全和保安
工程中大部分實驗室爲二級生物安全防護實驗室,适合于對(duì)工作人員或環境具有中等潛在危害的微生物的研究工作;部分實驗區域爲三級生物安全防護實驗室,适合于主要通過(guò)呼吸途徑使人傳染上嚴重的甚至是緻死疾病的緻病微生物及其毒素的研究工作。防止微生物災害,生物安全二級、生物安全三級實驗室的設計是重點。
二. 現代化生物實驗室工藝設計内容及要求
1. 現代化生物實驗室工藝設計任務書制定
現代化生物實驗室工藝設計任務書制定包括制定實驗樓每個部門和每個實驗室面(miàn)積和功能(néng)要求;制定生物實驗室每間房的建築、裝修内容,門窗要求,環境控制,電力(照明、通訊及網絡),氣體管道(dào),給排水,空調,消防控制,結構等工藝設計要求;制定每間生物實驗室所需固定實驗設備清單。
2. 現代化生物實驗室工藝設計/設備規劃
現代化生物實驗室工藝設計/設備規劃包括按照國(guó)際生物實驗室标準及項目工藝任務書的要求,完成(chéng)生物實驗室固定設備規劃、工藝布置圖、典型生物實驗室放大工藝平面(miàn)圖、主要立面(miàn)圖和主要剖面(miàn)圖;完成(chéng)生物實驗室固定設備廠商資料及工程設計數據歸總。
3. 現代化生物實驗室建築工程設計要求 現代化生物實驗室建築工程設計包括:
●基地環境設計-在對(duì)現狀地充分分析基礎上,將(jiāng)建築作爲環境的背景的設計理念,將(jiāng)單體建築包容于環境之中。
●建築工藝設計要求-主要包括生物實驗室建築設計、室内裝修材料要求等。
實驗室基本工作區域尺度(ELM)是以保證生物醫學(xué)研究的安全運行而對(duì)其所需工作區域尺度的規劃。實驗室的ELM一般包括有操作台、實驗設備(包括儲藏櫃)、工作台、化學(xué)排煙罩以及生物安全櫃的長(cháng)度要求。實驗室設計當前的趨勢已經(jīng)開(kāi)始朝著(zhe)規劃區域空間尺度的方向(xiàng)發(fā)展,而不僅僅限于規劃區域長(cháng)度。這(zhè)種(zhǒng)趨勢是起(qǐ)源于模塊化實驗室形式的采用。 建築面(miàn)積由于包括流通區域、建築核心區域、牆體以及公共區域的面(miàn)積,必然在整體上大于特定功能(néng)區域的使用面(miàn)積。參考根據AIA使用面(miàn)積與建築面(miàn)積的換算方式,實驗室(包括内部流通和功能(néng)分配區域)面(miàn)積的基本換算系數在1.7至2.2之間。換算出的工程總面(miàn)積在實際規劃時(shí)還(hái)需要做相應調整。
實驗室建築的材料應該選擇耐用和易清洗的類型,并且能(néng)有助于創造一個舒适安全的工作環境。材料設計的關鍵因素在于易清洗、易維護、易儲藏并且盡量減少毒害傳播。所選材料作穿牆以及樓闆處理時(shí),還(hái)必須考慮到保證實驗室人員的安全。
●結構設計工藝要求-包括生物實驗室結構設計、結構負荷要求等。由于振動會(huì)幹擾到實驗室的敏感性儀器,設計者們必須考慮适當控制振動和將(jiāng)振動源的放置遠離敏感性儀器,必須對(duì)于建築結構的振動反應做細緻分析,爲了控制振動在實驗室區域的傳導,工程師在設計前期需要考慮一些結構因素。
實驗室開(kāi)間的大小(高、寬)設定必須考慮到實驗室模塊、功能(néng)分配、振動标準和後(hòu)期發(fā)展等,寬度應該根據實驗室模塊的大小有相應變化,既保證靈活性又符合常規門窗設計,并且形成(chéng)統一的實驗室輔助連接的整體。實驗室模塊内不應設置柱,以避免妨礙到實驗室的内部流通和空間使用,結構系統與空調系統應緊密協調防止互相幹擾。
●暖通空調設計工藝要求-包括生物實驗室暖通空間系統設計、空氣過(guò)濾、排氣系統、生物安全櫃排氣系統要求。
暖通空調系統必須滿足實驗室研究要求。除對(duì)溫度、濕度需嚴格控制外,需有足夠的通風量處理煙塵、異味、空氣中污物,滿足煙罩通風以及實驗室内熱負荷要求。同時(shí)必須充分考慮系統的可靠性并考慮富裕量。不同性質區域需保證不同的相對(duì)壓力,并要根據相關标準從長(cháng)遠上考慮節能(néng)。實驗室中間操作罩口NC最大值不宜超過(guò)50dB,除非設備本身允許外,NC一般不宜超過(guò)60 dB。 暖通空調、水、電、照明設備需根據可有效利用能(néng)源的原則進(jìn)行選擇,同時(shí)應易于控制管理。防結露最小保溫厚度需滿足節能(néng)标準并參考國(guó)内相關推薦值。建築圍護材料必須保證居住者的健康與安全,建議選用環保節能(néng)材料。所有耗能(néng)系統及部件要進(jìn)行全程控制管理,是否采用熱回收應進(jìn)行相應的比較評價。
通過(guò)對(duì)實驗室設備的維護費用的經(jīng)濟分析,選用不同的暖通空調系統。經(jīng)濟分析應有足夠的數據進(jìn)行經(jīng)濟性、能(néng)效比的全面(miàn)計算。經(jīng)濟分析主要包括工程初投資、能(néng)耗、運行費用、系統可靠性、适應性等方面(miàn)分析比較。每個系統的選擇需滿足運行的靈活、可靠、易于維護并預留餘量,工程總投資内包含維護費用。
●給排水工藝設計要求-包括實驗樓給排水系統設計、設備要求。 給排水系統應與實驗室模塊相符合,排水系統應設計靈活,并預留部分設施以保證實驗室的可靠和持續運行,盡量避免在實驗室區域做穿牆處理。 污、廢水系統應設置生活污水與生産廢水分流排水管網,生活污水處理達到中水回用标準後(hòu)備用,再回用于綠化及水景補水。科研生産廢水采取局部處理經(jīng)消毒後(hòu)與集中處理相結合的方式。對(duì)被毒菌污染廢水及放射性廢水,就(jiù)近設置失活及衰減 處理裝置,嚴格控制,處理合格後(hòu)排放。
地面(miàn)雨水經(jīng)雨水管道(dào)有組織的彙集用流槽卵石層過(guò)濾後(hòu)儲存回用,餘量及洪水就(jiù)近排入明渠。
●強弱電設計要求-包括生物實驗室電力系統設計、室配電系統設計、照明設計、智能(néng)化系統設計、保安系統設計、通訊系統設計要求。
●消防工藝設計要求-主要指生物實驗室消防系統設計要求。
實驗室建築防火的特殊要求應按照當地相關規範考慮實驗室區域的設置和按照實驗室建築放火規範采用符合防火等級的防火材料、設置防火閥、自動噴淋系統、防火信号系統、風管煙氣檢測系統、室内消火栓和消防泵等消防設施。
生物實驗室用家具及設備要求包括衛生器具、工作台面(miàn)、化學(xué)煙罩及生物安全櫃、實驗設備要求。
●生物實驗室安全工藝設計要求-主要包括常規安全工藝設計、輻射安全工藝設計要求。 安全健康的指導方針要求建築盡可能(néng)在工程上對(duì)工作人員的安全保護形成(chéng)有效控制,從而將(jiāng)工作間潛在的職業危險降至最低。這(zhè)些指導方針還(hái)必須與工程師提交的具體建築設計文件内容相适應,以便安全保護在建築施工時(shí)能(néng)夠體現出來。雖然健康安全的方針與工程技術的要求許多内容可以統一起(qǐ)來,但是仍不可能(néng)含概所有的因素。因此建議讓健康安全專家成(chéng)爲建築設計團隊的一部分。
設計的所有實驗室必須保證放射性物質安全可靠的存放。放射性物質的容量和類型取決于實驗室研究功能(néng)的類型和數量。因此,設計者們需要根據實驗室的功能(néng)要求來決定供使用和處理放射性物質的必要區域。所有實驗室必須設有相應的普通級别的廢棄放射性物質存放容器。每個實驗室廢料的存放位置必須标準化以便于緊急防護人員在火災或意外情況下迅速采取措施。
●環境保護工藝設計要求-主要包括污水污物處理、噪音防護、輻射防護、生物安全防護要求。
注意環境保護和适當處理廢料對(duì)于保證實驗室建築中工作人員、訪問學(xué)者和周圍設施的健康運行和建築學(xué)術氛圍的維護十分重要。因此,需對(duì)實驗室的有害建築材料、有害廢料儲備與處理、分散儲備設施、廢液排放、固态廢料的管理與回收、氣體散發(fā)等做出嚴格控制。
4. BSL3生物實驗室、動物實驗室規劃、工藝設計/設備規劃及工程設計要求-主要是完成(chéng)BSL3生物實驗室、動物實驗室平面(miàn)工藝布置圖、立面(miàn)圖和剖面(miàn)圖設計;完成(chéng)P3生物實驗室、動物實驗室工程設計要求和說(shuō)明。
生物安全三級實驗室必須設置淨化設備(推薦采用高壓滅菌器)。高壓滅菌器區應滿足相應要求。生物安全三級實驗室的真空系統必須設置保護性過(guò)濾器。當生物安全三級實驗室的氣流與設計不相符時(shí)應有圖像和聲音報警結合實際情況考慮人員安全及材料的選用設置高效過(guò)濾器。排風夾帶有蒸汽,排風所帶的過(guò)濾器必須設置相應的過(guò)濾器(0.2微米濾水過(guò)濾器或等同)高效過(guò)濾器安裝:必須滿足相應特殊的測試要求。 四. 現代化生物實驗室建築設計實例 1. 中國(guó)疾病預防控制中心 設計理念:
●最大限度的尊重基地自然環境,保護環境 ●前瞻性的設計理念
●模塊化的國(guó)際生物實驗室的設計 ●靈活性與可發(fā)展性