现代化生物实验室的工艺设计

引言
国际水准的专业现代化生物实验室规划与设计对一座成功的现代化实验设施具有极其重要的意义。生物实验室设施和设备水平越高、越现代化、生物实验室等级越高，其意义也越为重大 中国的生物实验室设施建设正处于向现代化高速发展的阶段，这就要求生物实验室设施的规划与设计者能够提出既切合实际又具有前瞻性的建筑方案和工艺设计。
如何引进国际先进的生物实验室/医疗建筑设计与规划理论和技术，同时将生物实验室建筑的功能及其文化内涵融合为有机的整体，将是国内生物实验室设计人员面临的挑战。作者希望通过这次论坛，结合翰时国际（A&S）在国内的成功专项设计项目，如中国国家疾病控制中心、天津CDC等，探讨现代化生物生物实验室的工艺设计与发展。
一. 现代化生物实验室设计理念与原则
1. 最大限度地尊重基地环境，表达对环境的尊重 -  生态建筑设计
在对现状地充分分析基础上,对方案构思中将建筑作为环境的背景的设计理念，将单体建筑包容于环境之中。
2. 前瞻性的设计理念
生物实验室具有下列特点：
●灵活性：每一个实验室都能有足够的空间来放置仪器和设备。单独板块还可以独立的控制它们各自的用途，以便在保证不影响相关实验室的情况下也不必改变模块配置。
●经济性：实验室考虑到为防护、工作以及配置方面的效率利用进行区域划分，从而避免了面积和空间的浪费。
●扩展性：建立在可增添结构的模块形式和可重复使用的运行系统基础上的实验室系统，能够在不牺牲一定功能或不影响相关实验室的情况之下进行必要的收缩和扩张。
●安全性：实验室内的区域配置需要按其潜在的危险程度来划分。烟雾防护罩和酸性物质以及易燃物质的储存位置和为生物安全仓分派的空间将被配置在较高危险带即处于实验室后部（远离出口）。一定的空间和足够的废弃物通道将被用来为较高危险带形成第二层的防护。每个实验室的低危带将用来安排各种干燥台面活动比如放置写字桌、计算机和仪器等。潮湿台面活动则被安置在中危带。
通畅性：实验室走道和出入口将提供简便的行动通道以及提供符合国内相关规范的相应通道。
3. 适应生物技术发展趋势
为确保实验室人员的安全、防止环境污染是开展致病微生物实验研究的先决条件。因为实验室是造成实验人员或周围环境可感染疾病的高危工作区。在设计中，不仅要满足功能要求，而且必须按照国家标准规范和有关行业专业标准，并借鉴参考国内外生物实验室有关设计标准、及相关规范，达到微生物和生物医学实验室安全通用准则。
4. 促进最佳的科学研究能力
现代实验室强调实验人员互相交流，特别是学习交流及实验室人员的团队精神。考虑到研究活动活跃性的特点，建筑必须能够适应技术、设备、过程和技能各方面的变化并能快速和简便地做出反应，能够促进研究人员和访问学者之间知识的共享与传递，从而形成一种互相影响和信息交流的学术氛围。
5. 合理使用空间,充分考虑灵活性与可适应性
在现代实验室的设计中采用统一柱网，并划分出不同安全防护等级单元化模块，以适合不同工艺要求。这种模块化布局既吸收国内外CDC先进流程，又结合实际情况使实验室布置更具通用性、灵活性，并满足以后改造可能性。
6. 室内外环境的人性化处理
在先进的设计理念指导下，以人性化的设计理念布置室内外环境， 为实验室工作人员提供高效的工作场所及环境舒适休闲空间。
7. 生物实验室安全和保安
工程中大部分实验室为二级生物安全防护实验室，适合于对工作人员或环境具有中等潜在危害的微生物的研究工作；部分实验区域为三级生物安全防护实验室，适合于主要通过呼吸途径使人传染上严重的甚至是致死疾病的致病微生物及其毒素的研究工作。防止微生物灾害，生物安全二级、生物安全三级实验室的设计是重点。
二. 现代化生物实验室工艺设计内容及要求
1. 现代化生物实验室工艺设计任务书制定
现代化生物实验室工艺设计任务书制定包括制定实验楼每个部门和每个实验室面积和功能要求;制定生物实验室每间房的建筑、装修内容，门窗要求，环境控制，电力（照明、通讯及网络），气体管道，给排水，空调，消防控制，结构等工艺设计要求；制定每间生物实验室所需固定实验设备清单。
2. 现代化生物实验室工艺设计/设备规划
现代化生物实验室工艺设计/设备规划包括按照国际生物实验室标准及项目工艺任务书的要求，完成生物实验室固定设备规划、工艺布置图、典型生物实验室放大工艺平面图、主要立面图和主要剖面图；完成生物实验室固定设备厂商资料及工程设计数据归总。
3. 现代化生物实验室建筑工程设计要求
现代化生物实验室建筑工程设计包括：
●基地环境设计－在对现状地充分分析基础上,将建筑作为环境的背景的设计理念，将单体建筑包容于环境之中。
●建筑工艺设计要求－主要包括生物实验室建筑设计、室内装修材料要求等。
实验室基本工作区域尺度（ELM）是以保证生物医学研究的安全运行而对其所需工作区域尺度的规划。实验室的ELM一般包括有操作台、实验设备（包括储藏柜）、工作台、化学排烟罩以及生物安全柜的长度要求。实验室设计当前的趋势已经开始朝着规划区域空间尺度的方向发展，而不仅仅限于规划区域长度。这种趋势是起源于模块化实验室形式的采用。
建筑面积由于包括流通区域、建筑核心区域、墙体以及公共区域的面积，必然在整体上大于特定功能区域的使用面积。参考根据AIA使用面积与建筑面积的换算方式，实验室（包括内部流通和功能分配区域）面积的基本换算系数在1.7至2.2之间。换算出的工程总面积在实际规划时还需要做相应调整。
实验室建筑的材料应该选择耐用和易清洗的类型，并且能有助于创造一个舒适安全的工作环境。材料设计的关键因素在于易清洗、易维护、易储藏并且尽量减少毒害传播。所选材料作穿墙以及楼板处理时，还必须考虑到保证实验室人员的安全。
●结构设计工艺要求－包括生物实验室结构设计、结构负荷要求等。由于振动会干扰到实验室的敏感性仪器，设计者们必须考虑适当控制振动和将振动源的放置远离敏感性仪器，必须对于建筑结构的振动反应做细致分析，为了控制振动在实验室区域的传导，工程师在设计前期需要考虑一些结构因素。
实验室开间的大小（高、宽）设定必须考虑到实验室模块、功能分配、振动标准和后期发展等，宽度应该根据实验室模块的大小有相应变化，既保证灵活性又符合常规门窗设计，并且形成统一的实验室辅助连接的整体。实验室模块内不应设置柱，以避免妨碍到实验室的内部流通和空间使用，结构系统与空调系统应紧密协调防止互相干扰。
●暖通空调设计工艺要求－包括生物实验室暖通空间系统设计、空气过滤、排气系统、生物安全柜排气系统要求。
暖通空调系统必须满足实验室研究要求。除对温度、湿度需严格控制外，需有足够的通风量处理烟尘、异味、空气中污物，满足烟罩通风以及实验室内热负荷要求。同时必须充分考虑系统的可靠性并考虑富裕量。不同性质区域需保证不同的相对压力,并要根据相关标准从长远上考虑节能。实验室中间操作罩口NC最大值不宜超过50dB，除非设备本身允许外，NC一般不宜超过60 dB。
暖通空调、水、电、照明设备需根据可有效利用能源的原则进行选择，同时应易于控制管理。防结露最小保温厚度需满足节能标准并参考国内相关推荐值。建筑围护材料必须保证居住者的健康与安全，建议选用环保节能材料。所有耗能系统及部件要进行全程控制管理，是否采用热回收应进行相应的比较评价。
通过对实验室设备的维护费用的经济分析，选用不同的暖通空调系统。经济分析应有足够的数据进行经济性、能效比的全面计算。经济分析主要包括工程初投资、能耗、运行费用、系统可靠性、适应性等方面分析比较。每个系统的选择需满足运行的灵活、可靠、易于维护并预留余量，工程总投资内包含维护费用。
●给排水工艺设计要求－包括实验楼给排水系统设计、设备要求。
给排水系统应与实验室模块相符合，排水系统应设计灵活，并预留部分设施以保证实验室的可靠和持续运行，尽量避免在实验室区域做穿墙处理。
污、废水系统应设置生活污水与生产废水分流排水管网，生活污水处理达到中水回用标准后备用，再回用于绿化及水景补水。科研生产废水采取局部处理经消毒后与集中处理相结合的方式。对被毒菌污染废水及放射性废水，就近设置失活及衰减  处理装置，严格控制，处理合格后排放。
地面雨水经雨水管道有组织的汇集用流槽卵石层过滤后储存回用，余量及洪水就近排入明渠。
●强弱电设计要求－包括生物实验室电力系统设计、室配电系统设计、照明设计、智能化系统设计、保安系统设计、通讯系统设计要求。
●消防工艺设计要求－主要指生物实验室消防系统设计要求。
实验室建筑防火的特殊要求应按照当地相关规范考虑实验室区域的设置和按照实验室建筑放火规范采用符合防火等级的防火材料、设置防火阀、自动喷淋系统、防火信号系统、风管烟气检测系统、室内消火栓和消防泵等消防设施。
生物实验室用家具及设备要求包括卫生器具、工作台面、化学烟罩及生物安全柜、实验设备要求。
●生物实验室安全工艺设计要求－主要包括常规安全工艺设计、辐射安全工艺设计要求。
安全健康的指导方针要求建筑尽可能在工程上对工作人员的安全保护形成有效控制，从而将工作间潜在的职业危险降至最低。这些指导方针还必须与工程师提交的具体建筑设计文件内容相适应，以便安全保护在建筑施工时能够体现出来。虽然健康安全的方针与工程技术的要求许多内容可以统一起来，但是仍不可能含概所有的因素。因此建议让健康安全专家成为建筑设计团队的一部分。
设计的所有实验室必须保证放射性物质安全可靠的存放。放射性物质的容量和类型取决于实验室研究功能的类型和数量。因此，设计者们需要根据实验室的功能要求来决定供使用和处理放射性物质的必要区域。所有实验室必须设有相应的普通级别的废弃放射性物质存放容器。每个实验室废料的存放位置必须标准化以便于紧急防护人员在火灾或意外情况下迅速采取措施。
●环境保护工艺设计要求－主要包括污水污物处理、噪音防护、辐射防护、生物安全防护要求。
注意环境保护和适当处理废料对于保证实验室建筑中工作人员、访问学者和周围设施的健康运行和建筑学术氛围的维护十分重要。因此，需对实验室的有害建筑材料、有害废料储备与处理、分散储备设施、废液排放、固态废料的管理与回收、气体散发等做出严格控制。
    4. BSL3生物实验室、动物实验室规划、工艺设计/设备规划及工程设计要求－主要是完成BSL3生物实验室、动物实验室平面工艺布置图、立面图和剖面图设计；完成P3生物实验室、动物实验室工程设计要求和说明。
生物安全三级实验室必须设置净化设备（推荐采用高压灭菌器）。高压灭菌器区应满足相应要求。生物安全三级实验室的真空系统必须设置保护性过滤器。当生物安全三级实验室的气流与设计不相符时应有图像和声音报警结合实际情况考虑人员安全及材料的选用设置高效过滤器。排风夹带有蒸汽，排风所带的过滤器必须设置相应的过滤器（0.2微米滤水过滤器或等同）高效过滤器安装：必须满足相应特殊的测试要求。
四. 现代化生物实验室建筑设计实例
1. 中国疾病预防控制中心
设计理念：
●最大限度的尊重基地自然环境，保护环境
●前瞻性的设计理念
●模块化的国际生物实验室的设计
●灵活性与可发展性