科学实验室工程建设思路

2020-03-09宋俊国

实验技术与管理 2020年12期

宋俊国

（中船第九设计研究院工程有限公司，上海 200090）

广义上讲，凡是进行科学研究的建筑空间和场所，均称为科学实验室[1]。可以预见，随着科学研究的深入开展，将有更多的科学实验室开始建设，但目前在实验室建设过程中存在着一些误区，主要表现在建设理念方面，尤其是建设单位的决策人员、管理人员，他们的宏观认知，决定了科学实验室建设的成败。因此，很有必要对实验室工程建设的思路进行分析和总结，以便提高实验室的建设水平。

1 科学实验室工程建设过程中的主要误区

国内科学实验室起步较晚、发展迅速，工程建设水平良莠不齐，目前该领域主要存在以下几个方面的问题。

1）忽视科学实验室的高度定制化特性。

与普通民用建筑不同，科学实验室有特定的工作内容、服务于某一特殊的工作对象，工作环境互换性差，属于高度定制化的建筑。世界上没有完全相同的两个科学实验室。国内省级的药检所、食品所、特检院等，虽然检测内容类似，但没有哪个实验室是可以完全复制的。有些建设单位的决策者在进行项目前期规划时，将实验室等同于一般的民用建筑，只注重外在的“形”，却忽视了实验室内在的特殊要求，由此带来一系列设计及使用上的不合理。

2）设计模式和设计理念落后。

许多科学实验室在建设时，仍然采用“实验室建筑设计—实验室建筑施工—实验室工艺设计—实验室工艺施工”的工作模式。该模式存在诸多问题，如没有实验室的特定需求作支撑，建筑设计中的建筑、结构、给排水、电气、暖风、动力、环保等设计缺乏依据，甚至可能导致建筑施工完成即是改造的开始，从而浪费大量的人力、物力和时间。相反，好的工程项目，均舍得在工艺设计上花费大量精力。以2015 年开始的深圳市医疗器械检测和生物医药安全评价中心为例，该项目包含电磁兼容、化学、微生物、生物安全、动物实验室等内容，工艺复杂，但建设单位在工艺设计阶段进行了广泛调研、讨论、评审等，工艺设计结束后，土建施工进展顺利、很少返工。建设完成后，已成为国内药检领域的标志性建筑项目。

3）缺乏长远和系统性规划。

实验室建设存在一定的盲目性和不确定性，有些建设者不够清楚自己的短期目标和长期目标，为了建设而建设。有的单位在新建或改建实验室时，对实验室的功能、定位、发展和设备配置、共享等问题缺乏系统性考虑，导致办公性质的实验室出现。其中一个共性的问题是，在大量工艺设备资料缺失的情况下，贸然开始土建设计及施工，造成一些实验室未能符合实际使用要求。如层高不足、工艺设备无法安装；空调系统按照办公要求设计，其负荷及排风无法满足实验要求；没有为工艺设备预留安装孔洞，导致土建验收结束后依然无法投入使用等。

4）忽视实验技术人员的基础性作用[2]。

许多建设单位只注重购买先进的仪器设备，却忽略了实验技术人员在实验室建设体系中起到的基础性作用。具体的实验室使用者、管理者对仪器设备的性质、规格、特点、环境要求及使用方法缺乏足够了解，无法将仪器设备的各种需求反映在设计过程中，导致建设完成后，实验室无法满足仪器设备的要求，不得不重新对实验室进行适应性改造。

2 科学实验室的建设理念

2.1 工艺设计的必要性

科学实验室由于工作内容的特殊性，必须进行定制化建设。工艺设计是定制化过程的具体体现。工艺设计是以使用方工艺需求为基础，进行工程合规性加工，并指导土建公用专业完成相关设计，以达到使用方建设目标的动态、系统性设计。

工艺设计是整个实验室建设过程中不可或缺的一环，没有开展工艺设计的实验室是没有灵魂的。工艺设计的重要性在于联接实验使用人员和工程设计，起到了重要的桥梁作用，如图1 所示。

图1 工艺设计的桥梁作用

2.2 工艺设计必须先行

在实际工程建设中，有许多违背“工艺设计必须先行”的案例，令人惋惜。比如，某科学实验室的建设，刚刚立项就马上开始建筑设计，而工艺设计启动较晚，导致项目设计出现许多硬伤。如平面布局没有考虑人流、物流和气流，导致功能混乱、流线不畅；竖向布局没有考虑不同楼层的相互影响和风管排布，将化学类和生物类实验室设置在低区，造成布局不合理；层高不足，没有详细论证工艺设备净高，以及因工艺环境要求引起的风管变大，导致洁净实验室的风管没有足够安装空间；空调机房面积不够、货梯尺寸不足等。这些原本可通过工艺设计的及时介入而避免。该项目在进行系统性工艺设计时，花费了大量时间和精力在设计阶段对上述问题进行调整，甚至存在变动过大而无法通过上级审核的风险。由此可见，对于科学实验室工程建设，工艺设计必须先行。

从某种意义上讲，建筑设计是为工艺服务的，工艺设计决定了实验室的合理性和先进性。合理的工程建设流程，必须重视工艺设计的重要性：工艺设计先行，设计由内而外，建设由外而内[3]。工艺设计主要具备5 个特点：指挥性、开放性、灵活性、定制性、系统性。工艺设计做得好，整个工程建设能够“事半功倍”。工艺设计做得不好，工程建设会“事倍功半”，甚至“南辕北辙”。只有工艺设计先行，才能保证科学实验室的建设始终朝着正确方向前进。

合理的实验室建设流程可表述为“实验室工艺设计—实验室建筑设计—实验室建筑施工—实验室工艺施工”[3]。

2.3 可持续发展

建筑、资源和人类健康之间的联系是可持续设计的三大重点，也是实验室未来的发展趋势[4]。可持续发展的目标是使实验室建筑更高效地发挥作用，设计思路由单纯的节约转到更加注重优化。节约意味着减少实验室的需要，是对使用者行为的改变；优化意味着利用更高效的设计方法满足实验室需求。节约的重点在于管理，优化的重点则在于设计。同时，科学实验室工程建设中需要重点关注长期使用成本的节省，避免实验室出现“建得起、用不起”的尴尬现象。科学实验室可持续发展主要包括以下几个方面。

（1）增加能量节约，提高能量效率。如实验室采用变风量送排风控制系统、洁净实验室夜间设置非工作模式、余热回用、冰蓄冷、使用节能灯具、高效空调、节能建筑材料、“绿色”实验室家具等。

（2）减少或消除有害物质和废物。设计中采用新工艺或新技术，减少或消除有害物质和废物。如采用内循环试剂柜、自循环式生物安全柜等产品，可降低室内废气的排放量。

（3）循环再利用并增加再生产品的使用。如废水净化、雨水收集、中水回用，充分利用自然光、太阳能、风能、地热能等资源。

（4）兼顾实验室的未来发展。实验室内部采用大空间、轻质隔断、柔性吊顶、可移动家具、功能柱等，尽量兼顾实验室的未来发展。

2.4 智慧实验室

实验室由于其使用的特殊性，大多存在设备数量多、能耗高、有一定危险等特点。在建成运行后，又产生了诸如设备管理非自动化、安全管理非智能化、环境管理非低碳化、资源管理非共享化等问题[5]，影响了实验室能力的提升。

随着我国经济实力的增强以及科学技术的进步，智慧实验室应运而生。关于智慧实验室，目前并没有统一的概念[6]。主流共识是将2008 年IBM 公司提出的“智慧地球”[7]中的“物联化、互联化、智能化”理念应用在实验室建设中，通过多种技术手段，实现实验室的高效运行。智慧实验室是一个系统工程，至少包含以下三个层级[8]。

（1）感知层。实现数据采集，包括各种智能实验设备、传感器、摄像头等。

（2）网络层。实现数据传输，包括有线网、无线网、蓝牙、4G/5G 网络等。

（3）应用层。实现数据的智能化及可视化管理，包括各种监控及应用系统，可以在笔记本电脑、手机、平板电脑等多种形式的终端上显示及操作，如楼宇自控系统、实验室设施与环境管理系统、业务服务与管理系统、办公管理系统等。

在智慧实验室，其设施与环境管理系统、业务服务与管理系统是其两大核心。实验室设施与环境管理系统主要包括：信息通信、空气品质管理、三废处理、气体供应、送排风控制等。通过科学的设施与环境管理，可以在提高实验室舒适度的情况下，降低实验室的能耗。业务服务与管理系统主要包括：检验检测服务、实验室资源管理、设备运维、危化品管理等。

科学实验室在进行土建等硬件建设的同时，还需要有意识地加大对智慧实验室的投入，尽可能多地预留出未来升级改造的空间和接口，最终实现实验室的“智能化、安全化、可视化”运行[5]。

2.5 开放共享

通过建立“广义共享”的概念，把人员、设备、环境、管理更为完整地融合在一个特定的空间内，从运营管理、基础设施管理和信息管理三个方面提高实验室的工作效率[9]。

3 科学实验室工艺设计

3.1 工艺设计的主要原则

实验室工艺设计可遵循以下主要原则。

（1）功能。满足工艺要求和使用条件。

（2）技术。采用成熟、先进的工程技术。

（3）安全。主要保证人的安全，兼顾设备、样品和数据的安全。

（4）经济。提高材料和资源的利用率，降低初始投资和运营成本。

（5）环保。收集、治理、排放均严格执行国家环保规范。

（6）灵活。为实验室未来的变化提供可能。

（7）智能。提高实验室信息管理、环境控制、仪器设备的智能化及互联、互动水平。

3.2 开展递进式工艺设计

工程建设需要循序渐进，各阶段解决各阶段的问题，不进行超阶段设计，更不要将本阶段应该解决的问题遗留到下一个阶段。按照国家现行的工程建设模式，各阶段的主要工作内容如图2 所示。

图2 工程建设各阶段主要工作内容

工艺设计在各阶段必须明确以下内容：

（1）项目建议书：明确与工艺相关的建设内容。

（2）可行性研究：明确工艺建设方案、工艺平面区划、工艺所需的水电气总量、工艺设备配置及设备投资估算。

（3）初步设计：明确工艺平面布置、工艺详细需求、工艺设备选型及设备投资概算。

（4）施工图：明确各项工艺需求的点位数、具体位置、准确用量。

（5）工程施工：审核采购的工艺设备是否满足设计要求，复核建设条件能否保障工艺设备运行。

3.3 充分开展工艺调研

科学实验室工艺设计是高度定制化的工作，必须对建设单位的工艺需求进行充分调研，这是开展设计的基础和依据。同时，使用方的需求又是一个动态变化过程，在调研过程中会被工程建设各参与方不断影响和优化，工艺设计需求的调研过程如图3 所示。

图3 工艺需求的调研过程

设计调研分建设单位内部调研和外部调研两部分。

1）建设单位内部调研。

内部调研是向建筑设计提供输入资料、形成工艺设计成果的主要依据。主要包括实验室工艺流程、实验室的功能及区域划分、主要实验室房间布置、实验室的辅助及办公面积、实验室人员数量及组成、实验室预留发展情况、实验室工作班制、工艺设备的配置及设备需求情况、实验室水电风动需求情况、实验室主要存在问题和薄弱环节等。

2）外部调研。

外部调研是工程设计各系统可行性分析和概算审查的重要依据。主要包括同类实验室案例调研（功能、管理模式、使用情况）、大型仪器设备的调研、复杂工艺系统的调研、对工艺专家的学习调研等。

3.4 采用标准化、模块化设计

科学实验室的主要特点之一是“多变”，日本一份调查报告显示，实验室建成后原封不动的仅占32%，大部分需要根据使用要求进行了改造，而且20%已经改建了5 次以上[10]。为了实验室能够有效、长期地进行工作，工艺通用条件应涵盖大多数实验设备的工艺需求，如结构荷载、水电气等的预留，最大程度地满足实验室未来发展。