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实验室建设解决方案

实验室设计

设计是将实验室建设需求落地图纸的过程,是实验室建设的起点,也是实验室建设的基础和灵魂,没有专业而前瞻的规划与设计不可能成就专业的实验室。

规划设计

实验室的建设从规划设计开始,规划是整体设计的指引,其过程就是将实验室的建设需求与专业建设理念、技术、方法碰撞,形成设计思路和方案,表达出实验室建设需求在未来的实现全貌和建设水平。

规划设计首先要有清晰的实验室定位,要确定实验室的类型、品质、风格以及功能,不同的定位则规划设计就有所不同。

确定实验室定位后,综合设计实验楼在园区的功能规划,实验楼体的规划,楼层的规划,考虑相应的配套设施和交通等,楼体规划会影响楼体的建筑结构和外形,同时还会影响整体实验室工艺的流程设计、工艺优化等。

规划设计内容主要有:实验楼所处的园区规划布局(功能规划、交通组织)、实验楼的单体建筑规划(建筑层高、开间、进深、承重、楼梯、管井、地下室、屋面规划等),实验功能的规划(楼层规划、楼体建筑的整体物流、人流、工作流、实验流程的规划、功能区布局等),同时考虑实验室的安全、节能、环保、人文规划,以及科学性、前瞻性、先进性规划等因素,形成完整的规划设计方案,指导实验室工艺设计及各专业设计工作。

规划设计的原则

安全可靠:实验室系统管理、功能布局、安全防控、灵活智能等角度综合考虑,确保实验室技术人员、样品、数据、仪器和环境的安全,保证实验数据、测试结果的真实可靠。

服务为先:在规划设计中,充分考虑到客户的需求,力求设计人性化,以服务客户做为实验室设计建设的主要原则。

节能环保:在充分展示实验室特色的基础上,优化实验室系统工程设计,妥善处理三废,尽可能做好节能、节水,低碳环保。

高效智能:借鉴参照国际水平,与国际先进技术接轨,通过优化设计等手段,提升实验室工作效率,实现实验室的集成和智能化。
 
工艺设计

实验室建设不同于普通建筑,普通建筑是从外到里,土建建好后再规划里面的空间,而实验室设计则由内而外,要工艺先行,工艺设计要先于土建设计,根据工艺需要,把建筑内部的格局和实验室布局规划好,比如说楼梯的位置,风井的位置,机房的位置,实验楼层划分,实验室层高等,再规划实验楼的土建设计,工艺设计决定了实验室的先进性。

规划设计决定了实验室建设的总体方向和框架,是对整个园区、整栋实验楼和整体系统性的布置;工艺设计则在规划方案基础上,进一步落地实验室建设需求,重点在实验室的功能布局、流程设计和仪器定位等。

1. 功能布局方面,目前国际上比较流行的实验室布局设计主要有三种:

(1)通用类的布局, 中间走廊布局,把辅助区和实验区合并在一边,,另一边是人员办公区。这样的布局方便建立防火分区,可满足实验室的安全性要求,主要适用于一些高危险的实验室,如石油石化类的实验室等;

(2)化工实验室布局, 按前处理、实验室、数据处理的工艺流程布局,将数据处理区设计为开放性区域与实验区打通(实验区和数据处理区之间由一条隐性的走廊),方便实验后对实验数据的处理,保障了较好的实验工作效率;

(3)三段式实验室布局,采用回型走廊的设计,中间为辅助实验区,整体布局通透明亮,可保证很好的参观效果。

2. 流程设计:一般分为实验流程和工作流程,实验流程:前处理、有机检测,无机检测,洗、消等。工作流程:接样、分样、制样、检测、出报告等。

(1)合理的工作流程设计不仅可以节省实验时间,还可以减少实验室人流物流的交叉污染。工作流程主要决定了各楼层实验工作的路径和功能区域安排,如物流电梯是整层楼的实验起点。

(2)实验流程决定着不同实验室之间的关系,是实验房间按工艺要求布置的主要依据。确定了合理实验流程,则基本定位了具体实验室位置和楼层平面图。

3. 家具和仪器的布置设计,基本决定了每个实验间内的操作流程,合理设计仪器摆放,实验流程就很顺畅。同时仪器摆放还直接影响到房间内的水、电、气、通风等的专业工程设计。家具仪器摆放设计重点:

(1)满足实验流程要求,考虑各类实验的适用性和特殊要求;
(2)便利实验人员地使用,考虑人性化和舒适性要求;
(3)要满足仪器本身的特殊要求,如:接地,独立接地。纯水,超纯水等。
 
专项设计

实验室整体设计分为四个层次,即:基本功能设计、EHS设计、优化设计和前瞻性设计。

1. 基本功能设计

基本功能设计涵盖水、电、气、通风、照明、装修、家具等专业工程,实现了实验室建设的基本需求。

(1)电气设计:目标是保障实验室照明、仪器设备、动力设施等的供电及用电安全。根据实验室特点,重点在对大型仪器配电提出解决方案,保障大型仪器安全配电,排除谐波干扰稳定供电;同时设计用电设备的接地保护,防雷防干扰保护;对于特别贵重的大型仪器,采取UPS、双路供电设计,避免在突然断电的情况下对大型仪器造成不必要的损坏,接地系统宜采取单独的接地保护。

(2)弱电设计:实验室弱电有门禁、监控、通信、电话、网络等系统设计,对实验室的安全与节能-值班模式是弱电设计重点。

(3)给排水设计:目标是对实验室供水、排水、热水、纯水及污水等各类水系统的规范设计及需求保障。设计考虑上,实要选取合理的管道走向和预留,尽量为步入式的管道井,为后期维修创造条件,增加实验室建筑的柔性;要合理选材,实验过程会产生很多的腐蚀性的有机溶剂和酸碱性溶液,排水系统设计要具有耐腐蚀性的管材;在纯水供应上,如纯水使用量不大,可在实验室单独设计简易纯水设备,如果用水量多,可以考虑集中纯水供应系统。

(4)通风设计:是实验室设计中的重点,设计目标是保障实验室有序的气流组织,排除或降低实验室内的有毒有害气体,净化实验室内空气,达到满足各类实验工艺要求(如恒温恒湿、洁净实验室、生物安全实验室、特殊实验室等)、人员安全、样品和实验环境的要求。

具体设计上,首先根据不同实验室类型和功能确定房间排风量和换气次数,同时根据实验室的需求和仪器摆放以及实验室局部排风设备,设计通风点位(万向罩、原子吸收罩、不锈钢罩)。实验室的通风不同于普通的民用通风,实验室通风的风量比较大,常规实验室是6-12次/h,特殊类实验室,像生物部分的实验室,洁净室甚至可以达到30次/h。为避免实验室内产生的毒害气体交叉污染,处理好清洁区、半污染、污染区的空气划分,控制实验室气流方向从低危险区域向高危险区域流动,气流设计应从办公区域,廊道,以及其他辅助区域流入实验室,保持实验室内的适当负压,确保实验室内的气流不外泄到走廊,为保证气路组织效果,设计采用VAV变风量排风系统。同时,需采取有效的变风量补风措施,保持实验室内的适当负压(5~10)Pa,且补风不能影响室内温度。这些与普通的办公室暖通空调要求相差很大。

(5)空调设计:除了通风系统外,实验室还需要一个环境的舒适性的环境,包括一些特殊区域,对温湿度有特殊要求的仪器等,对温度和湿度等空气参数进行专业暖通空调设计。

(6)自控设计:自控系统主要实现实验室的合理气流走向和正负压的控制,有效保证实验室安全及工作人员健康。自控系统设计包括房间压力控制系统、通风柜VAV控制系统、送排风机控制系统(含变频控制系统)、易燃易爆气体泄露报警、低压报警系统、节能控制系统等。

(7)供气设计:实验室供气设计始终遵循安全的设计原则,首先,气瓶间必须采取的专业的通风、防爆措施;其次,气路系统要有泄露报警、紧急切断和强排风等装置;第三,为了保证气体纯度和气压的稳定性,必须进行多级减压供气,设置气路吹扫、排空等设施。

(8)装饰设计:实验装修不同于普通的工装,在设计、选材和施工等方面要考虑防水、防滑、防尘、防腐蚀、防静电、防干扰、防振动等要求,结合一些精密仪器的用水、用电、用气,以及使用环境的特殊要求进行设计施工。同时,实验室装修与每一个分项工程交叉衔接,息息相关,必须对实验室的通风、空调、给排水、电气、消防、纯水、洁净和供气等专业进行总体部署和协调,防止建筑拥堵、错位,合理设计、施工和管理,使复杂的工程变得井然有条。

(9)家具设计:以人为本,以舒适、安全、环保为基准,色彩上注重于实验室的整体协调性;布局上,设计注重实验室家具能够与各类仪器设备共同布置,具备较高的灵活性。

(10)土建设计:实验室不同于一般的民用建筑,对层高、承重、柱间距和防火等都有特色要求,实验室的土建设计,需要配合规划和工艺设计要求,进行专项预留设计。

(11)实验室洁净系统设计:洁净实验室主要目的是保护实验人员的安全,防止感染细菌和病毒,保护实验样品的安全,防止污染,确保实验结果的准确性。其建设要点包括:工艺布局合理,根据需要设置更衣、风淋和缓冲间,做到人流、物流、污物流三流清晰,避免交叉感染;装饰材料应易于清洁消毒、耐腐蚀、不起尘、不开裂、光滑防水,相交位置做圆弧处理,无缝对接;空调净化系统的划分应有利于实验室的消毒灭菌、自动控制系统的设置和节能运行;采用洁净空调系统,设粗、中、高三级空气过滤器,排风与送风连锁;气流有序,由清洁区向半污染区和污染区流动。

(12)生物安全类实验室设计:包括:转基因实验室(DNA, RNA);PCR实验室;动物房;霉菌实验室;洁净实验室(如ICP-MS)根据净化级别设置不同换气次数,对装修的材质也有一些特殊的需求,墙面和顶面一般是使用彩钢板,地面PVC,通风方面需要使用净化机组,采取上送下排的方式。p2实验室的规范。

2. EHS设计

即实验室的安全、节能、健康、环保设计,体现了实验室的可持续发展理念和功能;实验室不单纯是一个工作环境,也是实验人员长期生活的环境,所以EHS设计重在考虑实验室安全、节能,环保,以及实验人员的健康保护等。

(1)安全设计:体现在保护人员、仪器设备、实验环境三方面的安全。

在人员安全方面,进行合理的实验室布局,满足消防规范和实验人员逃生通要求。在危险实验区域设置安全设施,例如洗眼器、紧急喷淋、安全防护用品等。对易燃易爆物品进行分类存储,同时设置防泄露报警装置等。

仪器安全方面,减少消防喷淋灭火带来的高价值设备损失,考虑气体灭火等保护设施消防方案;环境安全、节能及环保方面,结合实验室通风和局部设备排风要求,对通风系统进行综合设计,既满足实验需求(换气量、换气次数、房间洁净度、生物安全防护),保证实验房间内部环境安全;又通过自动化控制、变频风机等措施,最大限度降低通风和冷热能耗,同时结合过滤、酸雾塔等排放净化措施,实现实验室废气的达标排放,保障外围环境安全。

(2)健康设计主要包括三个方面,第一个方面是对有毒气体残留进行控制,第二个方面是对室内噪音进行控制,第三个方面是对一些特殊的有危险的设备,要考虑对实验室人员的安全防护。

(3)节能设计方面,针对整体实验建筑,可运用光伏电池,太阳能和地源热泵等新能源,对大楼采用外保温等措施降低能量流失;还可考虑实验室内部的VAV控制设计,精准有效的降低能用消耗。

(4)废水、固废设计,对实验室的废水,废渣的处理一般可采取两种方式,对浓度高、危险危害大的废物废水,进行集中收集设计,送专业的环保公司进行处理;对于一般类废水废物,在环保达标值以上的,设计净化处理装置,废气采用达标处理后排放,在环保达标值以内的,直接排放市政管网或废弃物收集站。

3. 人文、色彩、展示、标识设计

人文设计贯穿实验室设计的始终,设计不仅要考虑实验室的功能和安全,也要考虑到美观及人员的舒适性,体现在对实验室人员的健康关怀;

色彩设计,运用不同颜色表达实验室的特色、气质及空间划分等功能;

文化墙设计,在承载企业文化,传递使命上,发挥软文化功能;

标识设计,明晰每个实验室的类别、安全级别和功能,提示实验室使用人需要注意内容,完善实验室的使用和管理。

4. 前瞻性、先进性设计

实验室的研究内容和方向经常变化,所以在设计要考虑实验室的灵活前瞻性,以适应未来实验室发展的各种可能。

前瞻设计有两种:实验室整个空间的预留和一个空间后期发展的预留;在水、电、气、通风、家具等设计上,采取集成、可拆卸、可移动的综合支吊架、功能柱、功能翼、工艺快插、实验家具等多措施,增加实验室设施的灵活性;在平面布置中,尽量水电气固定供应点设置四周,中央位置上送上排等灵活布置,增加实验空间的灵活性。

实验室的先进性考虑不但能保证在未来一段时间内不会落后,还能提升实验楼的整体形象。先进性不仅仅体现在硬件上,理念及规划同样重要。

先进性实验室的几种类型:

(1)dance floor实验室,采用可移动的实验台和工业快插,可随时调整实验室布局,适应实验内容和研发方向经常发生改变的需要;

(2)共享实验室,设计上对设备进行集中布置,不但可以实现资源共享,还意味着实验工作交流和经验共享。

(3)high through lab,高通透实验室,设计适用于实验内容相近,并且规模较大的实验室,便于规模实验。

(4)K12实验室,主要用于实验和培训同步进行,并且兼具专家远程会审和交流功能。

装配式实验室设计

装配式建筑是建筑形式的巨大变革,是未来建筑的发展方向。实验室建设涉及多个专业:土建、暖通、给排水、气体管路、弱电系统、强电系统、实验室控制系统、实验室家具等,各个专业交叉实施严重、管线碰撞频繁、现场实施协调困难。装配式设计,在实验室设计阶段就充分考虑施工问题,有效的解决了实验室建设各专业的交叉问题。

首先,利用BIM软件对实验室各专业系统进行3D设计和综合,将实验过程中的土建、暖通、给排水、气体管路、弱电系统、强电系统、实验室控制系统、实验室家具等集中1:1在BIM图纸中真实体现。

设计师通过建模、载荷(单梁窝)计算、整体碰撞检查,细调间距形成综合吊架初稿图纸,后经人工模拟显示检查,查阅各种管线走向美观性和合理性,碰撞人工检查,消除所有实施过程遇到的碰撞。

最后,经过具备丰富施工经验的技术经理的审查,采用漫游,电脑测绘,VR模拟现实的形式,真实检查图纸的可实施性,确保BIM图纸能够在现实中重现。