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作者: 实验室设计发表时间:2016-08-09 14:26:19浏览量:2462

国际水准的专业第四代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...
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一、生物安全实验室的工艺设计
(一)引言
国际水准的专业第四代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。
(二)第四代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。
(三) 第四代生物实验室工艺设计内容及要求
1. 第四代生物实验室工艺设计任务书制定
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. 第四代生物实验室工艺设计/设备规划
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. 第四代生物实验室建筑工程设计要求
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)第四代生物实验室建筑设计理念
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
三、疾控中心实验室规划设计淡浅
疾控中心实验室(又称生物安全实验室)。它是一个设施齐全,功能完备,智能化程度较高,有高度的安全保护措施的新医疗建筑。从其进出的人、材、物都要满足生物安全标准的要求,排出的空气(气体)、水(液体)、废弃物和垃圾都要达到劳动保护和环境保护要求。实验室的试验品和产成品要严格登记备案,要有专门的库房和车辆,库房要与实验室连成一体,车辆要专车专用,并且达到生物安全标准的要求。
一、总体布局
疾控中心实验室的建设要符合国家现行的有关生物安全标准。
疾控中心实验室的空气具有洁净度的要求,洁净等级按病原性微生物实验和污染程度确定,其地理位置应选择远离人烟稠密、交通繁忙和空气、水源、噪声严重污染地区。疾控中心实验室要按照功能用途划区布置,将实验室与各区严格分开,人流、物流路径分明,有污染排放的区域要设在实验室的下风向,吸风口设在上风向,实验室周围不宜种植飞扬花粉、绒毛和落叶的植物。
疾控中心实验室不同于其他医疗工程。其区别在于,不仅要求防止环境因素对实验室的污染和实验之间的交叉污染,同时还要防止实验过程中所使用的生物危害和潜在生物危害不致向周围环境释放造成污染。
二、设计概念
1.设计理念
(1)确认实验室内的物理控制对产品、环境和操作人员的保护作用;
(2)确定洁净区、非洁净区、污染区和半污染区,以及连带辅助区的功能和用途;
(3)确定需要封闭或不需要封闭的操作区域;
(4)确定一次屏障、二次屏障的净化控制方法;
(5)试验和化验要合理的分开;
(6)暖通空调、真空、压缩空气、供水系统、消毒灭菌要符合GMP要求;
(7)确定不同区域的气流流向和流速;
(8)确定原材料、设备、产品和生物废料的流向;
(9)满足“三废”排放标准;
(10)确定人员,特别是关键实验操作人员的流向和控制;
(11)确定防止潜在危害物质释放的措施;
(12)突发性“故障”的紧急关闭和自救方案;
(13)防火、保卫设施;
(14)备用:电源、通讯、控制设施。
2.生物危害因素
生物危害的根源是病原微生物,其危害程度的大小取决于病原性微生物的种属、形态、抗原、变异等特性以及人体的免疫防御功能。病原性微生物形成生物危害的致病作用,取决于病原性微生物的毒力、侵袭力、数量和侵入部位。
3.生物危害的污染途径
病原性微生物对实验工作者的感染,一般都是意外的吸入、吞咽以及创伤、接种或注射等途径造成的。吞咽和皮肤接触这两种侵入方式均可在操作时当场察觉,能从操作步骤上注意防范。吸入途径的感染,由于其数量较小,散发于实验室的环境气氛中,除非浓度过高,形成可见的类似霉菌孢子的云雾或成品飞扬的粉尘以外,一般往往难以察觉。这些数量较小的病原性微生物随着气溶胶进行传播,据统计实验过程80%的感染都起因于气溶胶的危害造成。
气溶胶是以胶体状态悬浮在大气中的液态或固体微粒,其直径在0.01μm~200μm之间,一般约为1-5μm,是最适宜引起感染作用的尺寸,肉眼不能发现。气溶胶的颗粒大小与其危害程度的关系至关密切,颗粒越细,在空气中的悬浮时间越长,越容易穿透普通的过滤介质,越容易潜入呼吸系统的深部。
气溶胶的几种类型:
(1)滴核 溶液或悬浮液表面在操作时的振动等破坏性应力,则溅出液滴。微小的液滴经过大气迅速蒸发,体积大为缩小,成为滴核。如:用移液管连续稀释,用平皿移种培养,对培养液强力振荡,进行离心分离操作不慎而产生溅滴和发泡,或在实验罐培养过程中通气鼓泡,排气夹带液滴,取样操作的液流喷射,液滴飞溅等。
(2)干粉 在某些常规操作散发的细微颗粒,在热空气对流循环下极易传播。如:打开菌种砂土管,拨动孢子菌落,粉碎冻干培养物,旋开盛有培养物的瓶盖,拔出瓶塞等。
(3)浮尘 这类气溶胶大都是已经被污染的粒屑,绒毛,皮肤屑,短纤维,灰烬,粉尘,尘团等。
4.常见的实验操作的危险
液体操作、接种操作、琼脂培养、深层培养、离心分离、注射操作、塞盖操作,以及使用的器械、工具和器皿等。
三、设计方案
自上所述,疾控中心实验室的建设是一个分工极细、专业极强、施工技术极高的生物医疗工程。设计中还要注意到:
(1)征求使用者和操作者的意见,确定工艺流程图;
(2)按照四类病原体的特性和污染途径,确定控制技术方案和灭菌杀菌方案;
(3)根据气溶胶特性和实验操作的危险,制定出洁净度、气流流向、流速和压差梯度参数;
(4)有实验动物的实验室自成一区,独立传递,动物尸体要完全焚尸灭菌后,才能传出;
(5)确定所有的实验设备、工具、箱柜、台案数量和尺寸;
(6)确定实验室的预警、关闭、自救和逃生方案;
1.人流和物流
(1)人流:初更室—气闸更衣室—淋浴更衣室—缓冲室—进入实验区。离开时进入净身室(房间负压),脱下身上所有的衣物,衣物放入双门药液浸泡柜(或其他方式消毒柜)内(双门药液浸泡柜的门设计成控制式的,不允许同时打开);然后进入淋浴室淋浴;淋浴后进入记录室,登记记录自己的工作和身体污染情况,然后拿着身体状况表进入体检室,作污染和常规检查或住室观察,无问题进入气闸更衣室换上自己的衣服下班。
(2)物流:设计成单向性的,从专门的库房(或暂存间)进入缓冲间,再进入实验室。离开时必须通过双门热压灭菌锅进入另一个缓冲间(双门热压灭菌柜的门设计成控制式的,不允许同时打开)。任何物料只要进入是实验区,不能原路返回。
(3)三废处理
a.废液 废液处理的方法是根据废液的性质确定的处理方法的。一般采取的方法有:化学处理方法、物理处理方法、生物处理方法。
b.废气 废气处理可采用的方法有:加热灭菌方法、高效过滤器方法、混合灭菌方法、火焰灭菌方法等。
c.固体废料 固体废料的处理方法有:蒸汽灭菌方法、气体熏蒸方法、液体浸泡方法、辐射灭菌方法、焚烧处理方法等。
2.建筑
主体结构采用土建方法,有抗8级以上地震能力,在温度变化和振动情况下不产生裂纹和缝隙,建筑为单层和多层均可。最好是独立的多层建筑,按工艺要求分层划区,便于实验和管理。
(1)墙板和顶板
室内装修材料与洁净厂房的装修材料不一样,彩钢复合板不宜在疾控中心实验室中使用;原因在于板与板之间的插接缝隙太大,虽然打胶密封,但在四季温度变化中很快裂出缝隙。
参考方法:
a.装修的墙板和顶板可采用机加工金属板方法。四边制成有密封垫的咬口槽,通过卡口槽密封,房间的阴仰角制成120度角的斜边;他的特点在于卡口严密,螺栓紧固密封,无渗漏,不受温度影响,不怕撞击变形,强度大。缺点是装配速度和机加工速度慢些。
b.装修可分成两部分,净化区采用彩钢复合板,污染区和半污染区采用第一方法。
c.在土建过程中墙壁预埋下金属构件,打不透眼孔,攻丝;顶棚与技术夹层采用钢筋水泥浇注,预留下孔洞,埋下金属构件;墙壁和顶棚表面涂胶粘贴不锈钢板,板与板之间采用不锈钢板压条,注胶,用螺栓紧固密封;阴仰角采用圆弧R50金属材料,特殊加工后,粘贴在墙角上。
d.在土建过程中的墙壁和顶棚上预埋下塑料构件,装修时焊接塑料版,阴仰角用塑料板加工制作,防静电可镶嵌金属条,地面作成防静电地板或金属地板。
e.其他材料,可选用表面光洁、平整、无缝隙、不起灰、耐腐蚀、耐冲击、易清洗的材料。
(2)地面 地面应光滑、平整、不起灰、耐腐蚀、耐冲击、不积聚静电、易除尘清洗。
(3)根据病原性微生物的生物危害和致病特点,要合理匹配实验室房间和净化设施,每个实验项目与净化设施要自成系统,而且操作中的传递距离要最近,最好是在净化设施内传递,这样净化设备可以制造成群组性的,传递停留处设有气闸仓,而且每个实验阶段的净化设备要独立房间自成系统,房间之间用气闸仓连接,防止环境污染。不同的实验项目,采取不同的洁净技术手段。如放射性元素的实验室净化,就区别于其它的实验室净化。在制造净化设备时,在结构上要安装防射线穿透的材料,根据放射性元素的惯性和扩散原理,采用雾化离心技术,并且根据放射性元素的衰变期来决定排放控制方法和时间。在制造净化设备时,可以安装机械手和电视监控系统。疾控中心实验室要有高水平的自动化控制系统和安全报警系统,有的房间要设立平衡压力的值班风机,要害房间要安装紧急关闭系统和自救逃生系统,确保疾控中心实验室的安全使用。
四、实验动物的环境和设施的技术要求
1 主题内容与适用范围 
本标准规定了术语、建筑设施、设施分类、设施区的设置、饲育区环境要求、
垫料、饲料、饮水及笼器具的要求和试验方法等。
本标准适用于北京地区新建和改建实验动物建筑用。
2 引用标准
GBJ 73 洁净厂房设计规范
GBJ 68 建筑结构设计统一标准
GB 49 综合医院建筑设计规范
GB 232 电器装置安装工程及验收规范
GB 243 通风与空调工程施工及验收规范
GB 5749生活饮用水卫生标准
GB 3095 大气环境质量标准
GB 3096 城市区域环境噪声标准
3 术语
3.1 开放系统(Open System)
动物饲育环境与外界相通,饮料、饮水要符合卫生标准,垫料要消毒。有防鼠防虫
设施。
3.2 屏障系统(Barrier System)
动物饲育于隔离屏障系统内,一切进入屏障的人、动物、饲料、水空气、垫料及
其他用品均需有严格的微生物控制。
3.3 亚屏障系统(Semi-Sarrier System)
设施的构造和设备均按屏障系统的要求,但空所经亚高效过滤后送入。
3.4 隔离系统(Isolation System)
以隔离器为主及其他 附属装置成的饲育系统,工作人员不直接接触动物。
4 建筑设施
4.1 选址按GBJ73规定
4.2 建筑要求
4.2.1 动物饲育室的内墙表面应中平整,阴阳角均为圆弧形,易于清洗、消毒。墙面
应采用不易脱落、耐腐蚀、无反不、耐冲的涂料。地面应防滑、耐磨、无渗漏。天花
板应耐腐蚀,饲育室应有良好密封性。饲育清洁级以上实验动物房间不设窗户。走廊
宽为1.5-2.5m,门宽不应小于1m。送风应的符合所饲养动物级别的清洁度要求。排风
应符合大气环境标准。地屏障系统、屏障系统的排风不应循环使用。其他应符合GBJ73
的规定。
4.2.2 动物饲育室的用电装置按GBJ73的规定,并应备有应急电源。在用水冲洗的区域,
应使用防水开关和电源插座。
4.2.3屏障与亚屏障系统应设置双路照 明节律性控制装置。
5 设施分类
5.1 开放系统:饲育普通能级动物。
5.2 亚屏障系统:饲育清洁级动物。
5.3 屏障系统:饲育无特定病原体级动物。
5.4隔离器系统:饲育无菌和悉生动物。
6 设施区域的设置
设施区域的设置和布局应避免交叉感染。
6.1 前区包括隔离检疫室、管理室、饲料库、维修室、值班室等。
6.2 饲育区包括淋浴室、缓冲间、保种室、饲养繁育室、待发室、清洁物品贮藏室、
清洁走廊等。
6.3 服务区包括洗刷消毒室、废弃物品及动物尸体处理室、机械设备室、卫生间等。
6.4 亚屏障障系统应尽可能符合单向流程要求,屏障系统进出口处应有缓冲设施。
6.5 动物实验区的设置应视所用动物的级别和相应级别的饲育室要求一致,并应同饲
育系统分开设置。
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