科学实验室设计问题以及应对措施

当前,由于一些实验室设计与施工人员缺乏对标准规范的理解与掌握,对实验室的设计理念含混不清,致使工程缺陷较多。本文就笔者在有关标准编制及全国各地讲学、指导过程中发现的普遍存在的问题及相应合理的处理措施作以下简要阐述与分析:

一、整体建筑主要问题

(1)建筑层高过低,常见的有3.2m,甚至有的2.8m。

缺点:技术夹层空间过小,或无法形成技术夹层,不利于甚至无法进行洁净、负压、恒温恒湿等有特殊空气条件要求的实验室的建设。

(2)建筑层高过高,常见的有4.5m以上的各种尺度。

缺点:因少数洁净、负压、恒温恒湿等有特殊空气条件要求的实验室,将整栋楼宇的建筑层高大幅度地提高,造成很大的建筑浪费以及制冷与采暖的能耗。

合理措施

实验室建筑层高宜为3.7m~4.0m;一般实验室净高宜不低于2.7m;有洁净度、压力梯度、恒温恒湿等特殊要求的实验室净高宜为2.5m~2.6m。在确定建设高度时,应尽量扩大技术夹层的高度。

二、实验室进深主要问题

(1)进深过小,常见的有6.0m以下各种尺度。

缺点:①边台长度与设备空间相应过小,实验室利用率较低;②不利于甚至无法进行PCR、HIV、负压、洁净等多类结构比较复杂的实验室的建设。

(2)进深过大,有的达9.0m以上的各种尺度。

缺点:①往往致使实验室面积过大,造成较大的建筑和能源浪费;②影响工作效率;③视觉比超出正常范围,建筑的合理性差。

合理措施

  CDC实验室的布置以边台或结合中央台为主,冰箱、孵箱、试剂柜、生物安全柜等设施设备通常需沿墙放置,若进深过小,边台长度与设施设备空间也相应过小,实验室利用率较低,并且很难在一个平面模数内同时设置准备间与主实验室;若进深过大,视觉比超出正常范围,建筑的合理性较差,同时空气的均匀性也较差。实验室合理的进深宜取6.0m~9.0m,以7.0m~8.0m为佳,基本上能够满足各类实验室的要求。

三、开间模数及实验室开间

主要问题

(1)开间模数过小,常见的有3.6m以下的各种尺度。

缺点:不利于实验室布局。当双面布置边台时空间过挤,有碍实验操作;当单面布置边台时,面积利用率低。

(2)开间模数过大,常见的有4.2m及以上的各种尺度。

缺点:①面积利用率太低,建筑和能源浪费太大;②影响工作效率。

(3)实验室开间过大,常见的有开间模数的2倍、3倍,甚至更多的各种倍数。

缺点:往往与实验工作量不符,盲目追求“宽敞”,造成面积利用率减少、能源消耗增大和及工作效率降低。

合理措施

实验室开间模数宜为3.6m~4.0m,基本能够满足疾病预防控制机构微生物、理化、毒理等各类实验室的工作要求。

四、墙体主要问题

采用全玻璃或距地面1m以上全玻璃墙体。

缺点:①安全性差,且难以符合防火要求;

      ②不利于甚至无法设置吊柜、支架,影响单位空间的利用率;

      ③不易遮挡实验台柜等设施设备背面的材质、管线等不宜示人的部分以及其他杂乱的物品,影响 美观;

      ④在实验操作过程中有相互干扰的隐患。

合理措施

  实验室采取透明化分隔时,地面以上应采用不低于1米的实墙,以便放置装有电源插座的实验边台,并耐受推车等物体的冲撞,提高安全性。纵隔墙不宜都采用玻璃隔断,应根据具体情况,在需要的地方以实墙代替玻璃隔断来争取空间,储藏或搁置实验物品。当纵隔墙采用玻璃隔断时,应在近走廊与外墙处应各留1.2m~1.5m的实墙,以遮挡背部较为难看的冰箱、器皿柜、资料柜等高大物件。

三、预留风口主要问题

(1)对于侧墙通风,未在建筑立面采取合理的、通用性的风口预留措施。

缺点:①很难满足局部通风的需要。许多仪器设备需要小风量局部排风;由于仪器设备的数量及其放置的位置具有不确定性,因此,很难准确预留固定风口;

      ②很难满足全面通风的需要。许多实验室需要全面通风,即需要在建筑外墙相应地设置大量的进、排风口,由于风口的需求往往存在不可预计性,因此,很难准确预留固定风口;

      ③很难满足未来发展的需要。随着时代的发展,国家对实验室的要求会不断改变、实验的功能会不断增加、实验的能力会不断提高,增设或改、扩建洁净、负压等特殊空气条件实验室,以及添置        需要排风的仪器设备等将会成为必然,通风系统也将相应增加,由于未来的发展具有不可确定性,所以很难准确预留固定风口。

(2)对于楼顶通风,通风竖井预留不足,常见的有在楼宇中部预留一个或在两端各预留一个建筑竖井。

缺点:①风井受尺度限制。由于实验室需要楼顶排风的通风系统较多,建设相关单位往往对实验室通风的需求考虑不充分,因此预留的建筑竖井往往不能满足实验室建设的需要;

      ②迫使增加水平管道的长度,并且常常致使水平管道穿过其他实验室,合理性较差,隐患较多。

合理措施

(1)对于侧墙通风:

  如何能够满足风口数量与位置多变性的要求,是在实验室设计中需要解决的一项重要内容。如果通过大量预留管道竖井来应对未知的需求,显然是不合理的,因此,在不影响建筑立面美观的前提下,预留具有较好隐蔽性的、可随时启用的通用性风口是实验室建设中的一项重要举措。从目前比较成功的实践经验来看,可以在每层楼的楼板与吊顶之间,设置通长的防雨百页,内侧以防水板材(如PVC板)封闭,当需要建造通风系统时,打开封板即可作风口使用。这种通长的防雨百页即构成隐藏的通用性预留风口,可以较好地满足各类机械通风的要求。

(2)对于楼顶通风

  由于楼顶排风主要用于高浓度(含异嗅、刺激性)有害物的控制,因此在建设过程中排风点的位置一般比较明确。楼顶排风易根据具体需要,只在风管经过的每层楼板上预留建筑管道孔(井),管道孔(井)应尽量靠近排风点的预定位置,缩短水平风管的辅设长度。以减小阻力、提高系统控制性能、增加安全性、节省投资,并防止有害蒸汽冷凝后在管道中积聚。                                        

五、空调主要问题

  空调类型选择不合理,常见的有冷热水大机组。

缺点:①难以满足实验室不饱和使用的要求。通常,有一些实验室的使用率不饱和,使用的数量、时间不统一,导致空调的运行负荷波动较大,因此,希望空调系统具有较好的负荷调节功能,采用大机        组很难实现理想的运行调节;

      ②难以满足实验室不定期加班的要求。实验室加班较多,需要实验室能够随时启用,因此希望空调系统具有提供小负荷的功能,采用大机组很难满足低能耗、小负荷运行的要求。

合理措施

  实验建筑物不得采用可造成不同实验室之间空气交换的中央空调系统,避免造成交叉污染。符合实验楼空调系统设置原则和特点的,归纳起来比较适宜的有三种形式:

      ① 单独空调;

      ②模快式小型机组风机盘管系统;

      ③ 变频变冷媒流量一拖多系统。

六、送、回风系统主要问题

  空调方案选择不合理,常见的有多个不同功能的实验室共用送、回风系统。

  缺点:易造成交叉污染。不同功能的实验室共用送、回风系统,特别是回风系统,空气会通过空调系统发生交换,造成实验室交叉污染。

合理措施

  不同功能的实验室的空调应采取独立的送、回风系统,特别是独立回风的系统。

七、建筑平面布局主要问题

(1)平面结构不规整,特别是主实验室(污染区)平面结构不规整。

  缺点:在主实验室(污染区)内挖出一块面积设置缓冲间,造成室内平面结构不规整,不利于气流组织,易产生较多涡流,影响空气的均匀性,增加了生物安全的隐患,同时,不规整的结构不利于实验设施的布置与实验活动的开展。

(2)平面设置过于复杂。

  缺点:①实验室按照洁净厂房的常规做法设置了一更和二更,与一般实验室的特点不相吻合。上述设计带来的问题不仅仅在于浪费了面积,挤占了空间,更重要的是影响了包括人流、物流等在内的科学合理的整体布局。

        ②表现出生物安全的理念出现了混乱,将实验室人为复杂化,既设置了外准备间,又设置了内准备间,不仅造成了面积与能源的浪费,而且使工作流程变得繁复。

合理措施

  实验室设计应充分考虑各方面的因素,保持平面结构的规整;由于在进入实验区域内前已经一次更衣,因此单体实验室只需一个更衣室便可满足要求;生物安全实验室只需在外部设置准备间,所有的涉及风险的操作过程均应在主实验室内完成。

八、缓冲间主要问题

缓冲间的概念不清,功能运用不当

(1)将缓冲间作实验功能区设计和使用,在缓冲间内设置衣柜、冰箱、样品柜、试剂柜、洗手池、洗眼器等。

主要缺点:破坏了缓冲间的本质功能,增加了相邻相通功能区之间的空气交换频次与交换量。

(2)缓冲间过大。

主要缺点:①缓冲间变成了内部走廊,不仅未能起到阻隔不同功能区之间空气交换的作用,反而提高了各功能区之间交叉污染的几率。

          ②由于缓冲间越大,相邻相通区域之间的空气交换量就越大,因此,过大的缓冲间将不能起到有效的缓冲作用。

(3)缓冲间位置设置不当,保护对象不明确。

主要缺点:在清洁区外设置缓冲间,设置位置发生错误,不能起到保护清洁区的作用。

合理措施

  缓冲间是指具有不同空气指标(气压、洁净度等)的区域之间相贯通时空气相互交换的减缓区,使不同区域之间的空气交换量降低到最小程度,最大程度地减少区域空气指标的损失。缓冲室越小效果越好,在满足正常人流、物流的情况下,应尽量缩小建筑尺度;当总建筑面积较小时,应尽量将缓冲室的面积让与其他区域。因此,缓冲室的面积通常取1300mm×〔1300~1500〕mm左右即可。

风淋室

盲目设置风淋室。

缺点:6级(1000级)以下的洁净环境设置风淋室对保护洁净度无任何意义,同时增加了投资浪费与交通的难度。

八、压强梯度主要问题

(1)生物安全实验室各区域之间的压强梯度设计值小于10Pa,常见的多为5Pa。

缺点:通常,由于压强的漂移可达±5Pa,因此,低于10 Pa甚至为5Pa的设计是不可靠的,一旦出现压强倒置会有生物气溶胶扩散的风险。

(2)负压实验室中出现压强梯度反跳。

缺点:上述设计中缓冲间的压强为+10Pa,高于主实验室和外部走廊(清洁区),当主实验室的生物污染因子进入缓冲间后,将会促进污染因子向外部清洁区域扩散。

合理措施

  控制污染的有效压强梯度应不低于10 Pa,因此设计与运行时宜按大于15 Pa设置;负压实验室的压强应自清洁区至污染区逐区降低,之间任何一个环节均不可有压强反跳,即压强梯度倒置的情况出现,保证被保护区处于最高压区。

气流组织

主要问题

(1)以洁净实验室或GMP车间的理念来设计生物安全实验室,将洁净等同于生物安全。

缺点:①洁净实验室和GMP车间采取的是稀释理念,送风口于吊顶均匀分布,回风口对角或四角分布,气流组织为乱流,不具备单向的定向流,无法起到生物安全防护作用;

      ②在一套空调系统内,主实验室、缓冲间及更衣室均有送回风,造成交叉污染;

(2)送风口、排风口未按对侧上送下排的原则设置,送风口匀布于吊顶。

缺点:未能使清洁空气从最清洁处送入,气流死角较大。

(3)全面通风气流与生物安全柜的吸入气流未形成应势利导关系。

缺点:主实验室的气流组织与生物安全柜的局部排风气流方向成90°,相互干扰,不符合通风的基本原则,科学合理性差,对生物安全柜的运行有一定的不良影响。

合理措施

  在实验室整体区域内,气流方向应由清洁区流向污染区,防止有害因子污染外部环境;在主实验室内,送排风口应按对侧上送下排设置,应尽量增加送、排风口的布置密度,送风口尽量靠近生安柜操作口对侧墙体均匀布置,保证气流应从相对清洁处送入,首先到达工作人员,然后到达污染源(生安柜),从生安柜后下方排出,防止实验人员遭受污染。