BSL-3实验室工程设计案例探讨

郏黎

（福斯特惠勒（河北）工程设计有限公司，上海 200122）

2003年突如其来的非典（SARS）疫情，2009年甲型H1N1流感疫情，2010～2012年由此病毒变异的HxNx疫情不断升级，各类公共卫生事件和由自然灾害引发的疫情，甚至各种未知情况产生的新疫情时有发生。国家有关部门对各类生物安全实验室的需求越发迫切，而设计建设要求也越发规范和严格。

为了规范生物安全实验室的设计和建设，2009年7月1日，在对《实验室生物安全通用要求》GB 19489-2004版进行大幅修订和内容增加的基础上，我国颁布实施了该标准的2008版，这是一部对于生物实验室类工程设计的指导性规范；而2012年5月1日实施的GB 50346-2011《生物安全实验室建筑技术规范》则规定了在实验室设计、建设、运行过程中的土建、消防、强弱电、自动控制、给排水的要求。

本文将着重围绕上述两个规范，结合一个生物安全实验室工程设计实例展开讨论。

1 生物安全实验室及安全防护

生物安全实验室（Biosafety Laboratory），也称生物安全防护实验室（Biosafety Containment for Laboratories），是通过防护屏障和管理措施，能够避免或控制被操作的有害生物因子危害，达到生物安全要求的生物实验室和动物实验室[1-2]。

1.1 生物安全实验室的特点

首先生物实验室从事的实验性质决定了它不仅是一项已知高风险的工作，甚至还有可能产生未知高风险危害。因此生物实验室的安全性考量必须摆放在生物实验室设计的第一位。实验室工作人员应事先了解所从事活动的风险及应在风险已控制在可接受的状态下从事相关活动。所谓可控状态，就是生物安全防护所采取了必要措施后达到的安全结果，可控状态是目的，安全防护则是方法。

1.2 安全防护

安全防护主要归纳为以下几点：立项期的评估方面，建设期的设计施工安装方面，生产期的操作和管理方面[1]。

当实验室活动涉及致病生物因子的时候，该生物实验室的建设在得到所在生物安全主管部门批准之前，必须要有相应的风险评估报告，包括研究对象、相关动物、实验人员、周围环境、设施设备的风险等。生物实验室建设期的物理防护措施包括：定义各类生物安全实验室级别、对应各类级别实验室设计的不同要求、严格的管理和安全的操作等。GB 19489对生物安全实验室分级情况作了详细的描述，其中BSL-3实验室被定义为 “生物安全防护水平为三级的实验室适用于操作能够引起人类或者动物严重疾病，比较容易直接或者间接在人与人、动物与人、动物与动物间传播的微生物。”[1]。另外，根据所操作的致病性生物因子的传播途径，BSL-3实验室还分为a类和b类，a类指操作非经空气传播生物因子的实验室；b类指操作经空气传播生物因子的实验室。bl类生物安全实验室指可有效利用安全隔离装置进行操作的实验室；b2类生物安全实验室指不能有效利用安全隔离装置进行操作的实验室。

在设计BSL-3实验室时，在遵循国家各类建筑、消防、环保等相应的法律法规标准的基础上，根据生物实验室的特殊要求，必须在平面布局、围护结构、空调、给水和供气、排污灭菌、电气、自控监视及报警等各方面进行特别的设计；同时，在实验室设备（生物安全柜、离心机等实验室操作设备）和个体防护设备等方面也必须根据对应的实验操作进行合理规范的选择[4]。我们必须清楚地认识到，绝大多数生物安全事故的根本原因是缺乏生物安全意识和不当管理，因此，完备的安全体系是生物安全实验室正常运行的根本保证。

2 生物安全实验室设计

2.1 实验室选址

GB 19489指出 “实验室选址、设计和建造应符合国家和地方环境保护和建设主管部门等的规定和要求。”[1]。选址包括：充分利用城市基础设施；地形规整，交通方便；避让饮用水源保护区；避开化学、生物、噪声、振动、强电磁场等污染源及易燃易爆场所；实验用房宜与办公等其他功能用房分开设置，不同类别实验室建筑宜独立设置，合理分区；实验室建筑宜处于最小风频上风向[4]。

2.2 BSL-3实验室的工艺设计

图1，图2为某BSL-3实验室的实例，该实验室主要针对“可有效利用安全隔离装置操作常规量经空气传播致病性生物因子”进行研究分析，级别划分为BSL-3，b1类。布置方案详见图1，图2。

图1，图2为某BSL实验室的核心防护区域划分图和洁净区域人物流走向图。在图1中可见，本实验室的核心区为3间BSL-3实验室及其对应配套的消毒间和气锁间；而防护区主要以IOS Class 8（以下简称C8）级走道、准备间、主要人流进入退出区域组成。整个防护区被钢筋混凝土墙所包裹，而核心区则被防护区分割包围，其余区域为辅助工作区。

物流方面结合布置主要分以下三个区域进出。物流主要包括：实验材料、实验用工器具、实验污物（实验后废弃物和实验后工器具）三方面。

图1，图2中，左侧区域为“清洁进入区”，是实验材料、实验工器具的主要进口。实验材料暂存于暂存间，外清后通过传递窗进入IOS Class 7（以下简称C7）级处理前室，拆包整理后部分经由灭菌柜传入C8级准备室，另一部分无需灭菌的材料经过传递窗进入准备室备用；实验工器具先置于工器具待洗暂存间暂存，需要使用时经过传递窗进入C7级工器具洗涤灭菌间进行清洗后通过灭菌柜灭菌进入准备间备用。

右侧区域为“污物处理区”，实验污物打包后经由核心区消毒室内灭菌柜灭活处理，人员从防护区外围C7级走道取走污物包，实验废弃物在污物处理间通过传递窗送至区域外焚烧炉焚毁，而实验后工器具完全灭活后则去工器具暂存间暂存。

图1 BSL-3实验室防护核心区划分图

图2 BSL-3实验室人物流及洁净区域划分图

中间区域为“实验操作区”，由3个“BSL-3实验室”和外围的防护区组成。主要进行实验操作、检测、化验等工作。

空调机房、配电间、监控机房等分别设置在防护区左右两侧。

人流方面也分为三个部分。其中实验操作人员还设置了专门独立的进出通道。

中央“实验操作区”实验人员携打包的防护服由实验室中下方换鞋→脱工作服置于衣柜→穿防护服→气锁进入防护区C8走道，于准备间取出所需实验物品和器材置于各BSL-3实验室的传递窗中，然后通过BSL-3实验室气锁间进入核心实验室进行操作。下班时则由气锁→C8走道→气锁→脱去隔离服置于灭菌柜→淋浴→穿回工作服→穿鞋退出实验区。实验用的隔离服必须经过灭菌柜灭菌后收集至区域外的洗衣间洗衣整衣打包后由下次实验人员带入。右侧“紧急淋浴”，“紧急气锁”为紧急状态下人员撤离通道，将在2.4节详细阐述。

“清洁进入区”内，工器具和实验材料处理人员则从左下侧换鞋→更衣→气锁进入C7级的工器具洗涤灭菌间和处理前室进行操作。

“污物处理区”内，污物处理人员由右下侧换鞋→更衣→气锁进入C7走道处理回收灭菌后的实验污物和实验工器具。

核心区BSL-3实验室配置了实验用的分析仪器和生产用的生物设备，如：生物安全柜、离心机、色谱仪、电子天平等。本方案所有实验操作均须在生物安全柜中进行，因此，生物安全柜是本方案中最重要的防护设备。

生物安全柜（Biological Safety Cabinet）侧重于保护操作人员和环境，是为操作原代培养物、菌毒株以及诊断性标本等具有感染性的实验材料时，用来保护操作者本人、实验室环境以及实验材料，使其避免暴露于上述操作过程中可能产生的感染性气溶胶和溅出物而设计的[3,5]重要实验设备。根据生物安全防护水平的差异，生物安全柜可分为I级、II级和III级三种类型。不同级别、种类的生物安全柜与空调排风系统的连接方式参见表1。

表1为生物安全柜选型的最低要求。II级B型生物安全柜均为连接排气系统的安全柜。连接安全柜排气导管的风机连接紧急供应电源，目的在断电下仍可保持安全柜负压，以免危险气体泄漏。其前窗气流速度最小量或测量平均值应至少为0.5m/s(100fpm)。根据本次设计的目的和要求，综合考虑各种型号的生物安全柜的特性和设备参数后。本方案最终选择的是II级B2型（BSC-II B2）。

表1 不同级别、种类的生物安全柜与空调排风系统的连接方式[2]

2.3 安全屏障设计

BSL-3实验室的设计需要着重突出对操作人员安全保障的理念，即合理有效设置 “生物安全屏障”[5]，包括：建筑围护屏障、洁净空调屏障、给排水屏障、供电及监控屏障等。

在本方案中，防护区外围使用了钢筋混凝土材料，增加了围护强度，区域内部隔断主要采用彩钢板包裹，便于清洁和消毒灭菌，吊顶及地面与墙面的交接处均作半径不小于30 mm的圆弧处理，踢脚与墙面平齐。设计中综合考虑了围护结构的严密性与清洁灭菌的可操作性。

通常，洁净空调的设置是保持洁净厂房正常运行，保障产品不受生产、人员污染的重要手段。而在BSL-3实验室中，通风空调更是实验操作者重要的保护屏障。在操作设备误操作或者失灵的情况下，通风系统能在第一时间保护操作人员并防止有害气溶胶泄漏。故而洁净空调设计是BSL-3实验室设计的重要部分。GB 19489指出，“应安装独立的实验室送风系统，确保在实验室运行时气流由低风险区向高风险区流动，……”[1]，GB 50346则在“二级屏障主要技术指标”中详细说明了如何设计各房间的压差情况，详见表2[2]。而本方案的具体压差信息可详见图1中各防护区相对压差值的描述。通过房间相对压差的设置，保持正确的气流方向，保证气流始终从低风险区向高风险区流动。本方案实验室的洁净度为C8级和C7级。送风须经过高效过滤器过滤，通过空调机组运作提供适当的换气次数，保证操作房间内的尘埃粒子数，防止周围环境对实验菌种的污染，保障实验的正常进行。排风方面严格遵循GB 19489对于BSL-3实验室排风的要求，防护区排风采取实验室顶端风口高效过滤＋全排风保证带有活菌污染的气溶胶不能影响其他区域。

表2 生物安全主实验室二级屏障的主要技术指标[2]

GB 50346明确指出“生物安全实验室防护区的给水管道应采取倒流防止器或其它有效防止回流污染的装置，并且这些装置必须设置在辅助工作区。”[2]因此本方案设计时，在可能因背压，虹吸等因素导致的给水（包括：纯水、热水）回流的管道系统中增设了止回阀或者气体隔断装置，保证了给水和给气管路流向的单向性。另外，每个BSL-3实验室均配备了紧急喷眼装置。排水方面，核心区内不设置排水地漏，而防护区内的排水均根据压差要求设置存水弯和液封，并在液封处添加了足够的消毒液以保证排水的安全，所有的排水均独立回收至指定的灭活系统进行灭菌处理。

根据GB 50346要求，本实验室按1级负荷供电，生物安全柜等关键设备均配备了45 min（规范要求不小于30 min）的UPS电源。核心区内BSL-3实验室采取声光和显示两种报警信号。核心区内所有房间均配备紧急报警按钮，并配置了相应的监控设备，以确保安全生产操作。同时，在右侧紧急出口处设置紧急撤离用的互锁解除装置。

2.4 消防

在本方案中，整个防护区外墙均为钢筋混凝土材料，耐火等级二级，吊顶同样为耐火等级二级。紧急逃生门和所有的防火门均为甲级防火门。

防护区外围C7走道兼做逃生走廊，终点设置在右侧紧急淋浴，紧急气锁后。在紧急状况下人需经过紧急喷淋后疏散，这样有效的避免了污染物被携带出实验区造成的更严重后果。同时，考虑了火灾情况下人的生命安全和保证活性带菌物不能带出实验区两种情形，故而防护区C7走道通过混凝土隔墙分隔，与核心区以及部分防护区独立为两个不同的防火分区（见图1混凝土墙分隔的表示）。

水喷淋会导致火灾时控制区内的有害气溶胶和有害生物因子大量外泄，造成不可估计的危害和损失，GB 50346中也提出“三级和四级生物实验室防护区不应设置自动喷水灭火系统……”[2]因此，防护区内禁止使用水喷淋系统。灭火器选用了“移动型烟诺尽灭火器”等特定的型号。

3 结论与展望

综上所述，生物实验室的设计完善与否将极大的影响整个生物安全实验保障的体系。作为一个设计者，严格遵循国家法律法规，选用更先进更稳定的设备，合理有效的布局，完善的自动化控制方案都是保证生物实验室更安全更稳定工作的前提。因此，对于BSL-3实验室的设计理念就是要将安全性放在首要的位置。同时在满足了安全性和工艺生产之后，如何更好提高经济性，例如如何降低空调系统的能耗，降低设备运行的成本等将是未来该类生物实验室的主要设计思路。

[1] GB19489-2008 实验室生物安全通用要求[S].

[2] GB50346-2011 生物安全实验室建筑技术规范[S].

[3] 程华.生物安全防护技术在P3实验室设计中的应用和研讨[J].医药工程设计增刊,2007, 28: 84-88.

[4] 赵肖兵.关于《生物安全实验室建筑设计规范》中一些条文的探讨[J].医药工程设计，2005，26(5)：12-15.

[5] 张明. 生物安全实验室建筑技术规范GB50346-2011强制性条文解析[J]. 江苏建筑, 2012, 1:107-109.