折叠组合式模块化BSL-3 实验室的研制

赵四清，夏建桥，孙中杰，欧阳康，靳晓军，周康力，谢 巍，李海洋，蒋大鹏，高艳艳，孙 蓓

（1.军事科学院军事医学研究院，北京 100850；2.镇江康飞汽车制造股份有限公司，江苏镇江 212132）

0 引言

进入21 世纪以来，各类新发、突发传染病疫情层出不穷，对我国乃至全球经济社会发展和人民健康水平产生严重影响，未来生物威胁形势加剧。因此，要加强生物安全风险防控和治理体系建设，提高生物安全治理能力，筑牢生物安全屏障。

移动生物安全3 级（biological safety protection third-level，BSL-3）实验室作为我军重要的生物安全防护装备，已在地区自然灾害、突发生物安全事件以及境外援助等重大保障任务中发挥了巨大作用[1-2]。但其属于一体化集成装备，需整套定制，造价高昂，无法批量储备。另外，实验室采用方舱形式，需要通过大型运输机（如运20、伊尔76）运送，运输周期和成本均不可控，严重制约了移动BSL-3 实验室的应用范围。

为解决移动BSL-3 实验室造价高和运输难的问题，本研究采用“ X+Y”的模式，实现“三化”设计，整体组成可批量运输、规模部署的折叠组合式模块化BSL-3 实验室，即实验平台折叠组合化，只需根据空间、功能需要配备相应折叠模块和附件，就地组合展开作为实验室平台；保障设施装备化，按照军用保障装备的设计理念，提高整装设备的互换性；实验仪器箱组化，各仪器设备采用统型箱组打包，并设置实验功能仪器菜单，按任务配置选用相应的仪器。

1 实验室的模块化集成

借鉴帐篷医院[3]和武警方舱医院[4]的设计理念，整个实验室按照功能分为折叠组合式方舱模块、通风净化模块、供配电模块、监控通信模块、控制系统模块和仪器设备模块。各模块的功能见表1。

表1 折叠组合式模块化BSL-3 实验室模块功能

2 折叠组合式方舱模块

2.1 整体结构设计

折叠组合式方舱模块以可调平底架作为支撑，以折叠单元作为围护结构。两两折叠单元之间通过中框或中隔板进行连接，所有折叠单元、中框、中隔板、端隔板规格统一，确保互换性，如图1 所示。折叠单元两侧板采用合页设计，可实现内折叠，便于堆码收拢。

图1 折叠组合式方舱模块展开示意图

2.2 实验室布局

依据GB 27421—2015《移动式实验室生物安全要求》[5]标准，方舱内部分为辅助工作区和防护区。辅助工作区包括监控室和更衣室，防护区包括缓冲间和实验间。实验人员由监控室依次通过更衣室和缓冲间进入实验间，实验样本、耗材随实验人员带入，实验废弃物经高压灭菌后带出实验室。实验间配置生物安全柜、高压灭菌器、培养箱、冰箱，另配置折叠工作台用于放置实验仪器，如图2 所示。

图2 折叠组合式模块化BSL-3 实验室布局

2.3 气密性设计

依据GB 27421—2015 标准要求，BSL-3 实验室的围护结构应无可见泄漏点。折叠组合式方舱模块的气密性设计重点包括折叠单元合页缝和拼接缝。

合页缝密封结构如图3 所示。折叠单元展开后，转轴缝隙通过“ D”型胶条进行密封，另一侧缝隙通过密封盖板和“ O”型胶条进行第2 层密封，以提高合页缝密闭性。

图3 合页缝密封结构

拼接缝密封结构如图4 所示。2 个折叠单元之间的拼接缝主要通过“凹”“凸”型材与“ D”型胶条密封。外侧缝隙通过密封盖板和“ O”型胶条进行第2层密封，内侧缝隙通过“ O”型胶条挤压进行第3 层密封，以提高拼接缝密闭性。

图4 拼接缝密封结构

穿线孔、密闭门、设备固定点、墙壁开孔等均采用成熟的密封工艺。经检测，围护结构在-300 Pa 压力条件下，最大空气泄漏量为0.58 m3/min，达到GJB 6109—2007《军用方舱通用规范》[6]所规定的1 级气密性方舱要求，同时能满足移动式BSL-3 实验室的围护结构气密性要求。

2.4 轻量化设计

为保证整个实验室8 人操作展开时间≤1 d，折叠组合式方舱模块所有壁板均采用碳纤维蒙皮和铝蜂窝复合的大板外装铝合金型材框梁的结构。与传统复合板相比较（见表2），折叠组合式方舱模块质量减轻约0.3 t，折叠单元、中隔板以及端隔板分别减轻38～45 kg，可确保2 名成年人完成方舱模块各单元的搬运工作，提高实验室展开和收拢的便捷性及运输性能，可满足人工搬运要求。

表2 复合大板参数指标对比

2.5 折叠单元的组合应用

为了便于各折叠单元之间“无差别”式对接，所有单元的对接口与被对接口采用统一的标准连接形式。折叠单元、中框、中隔板、端隔板的对接、密封和固定形式全部采用相同的结构。根据执行任务需求，可通过调整中框和中隔板位置，实现内部各分区大小调整，以满足功能需要；也可通过增加折叠单元的数量、调整中框和中隔板分区，按任务需求调整实验空间及增加实验室其他功能区。

3 通风净化模块

3.1 送排风原理

辅助工作区采用移动式内循环空调，防护区采用全新风直流式通风空调系统，送风经初、中、高3 级过滤器集中过滤后分别输送至缓冲间和实验间。总排风设置在实验间生物安全柜后侧，经风口型和袋进袋出（bag in/bag out，BIBO）2 级高效过滤器过滤后排放。缓冲间和实验间之间设可调节漏风阀，确保防护区形成有序的压力梯度，即实验间压力为-45 Pa，缓冲间压力为-20 Pa。另外，实验间送风和排风管道均设置生物型密闭阀，便于系统在线气密性检测和空间消毒灭菌，如图5 所示。

图5 通风原理图

3.2 送风和排风模块

送风和排风2 个模块均采用箱组式设计，集成风机、过滤装置（可原位检漏和消毒）、管道阀门、控制单元、传感器等。外框架由标准铝型材搭建而成；外壁增加保温和降噪措施，对应位置设进出风口、散热口以及维修门，提升防鼠、防虫能力；底部设置减振移动轮，实现就位和固定使用；所有电气、压力管道均采用密封式标准快插接头。

送风模块与新风空调集成设计，空调主体由冷凝风机、压缩机、蒸发器及电控系统构成，与箱组框架通过减振器连接，整体质量可减少50 kg，同时便于维护和检修，如图6 所示。

图6 送风模块示意图

排风模块集成一主一备2 套风机和BIBO 过滤装置，配置独立控制单元，以确保防护区压力梯度稳定，如图7 所示。

图7 排风模块示意图

3.3 气流组织模拟分析

为了更好地对实验室内的气流组织进行分析，本研究利用Airpak 软件进行计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）模拟，分析防护区气流组织及微环境的速度场和温度场。

仿真模型选用零方程模型，较k-ε 两方程模型更容易收敛并节约计算资源[7]。构建的气流组织仿真模型如图8 所示。设定输入边界条件，按照通风原理进行送、排风口位置、尺寸及送风参数设定，设备散热量为2 000 W（含人员和设备），围护结构等效传热系数为2.5 W/（m2·℃）。模拟降温过程，室外温度为46 ℃，室内送风温度为18 ℃。

图8 气流组织模拟仿真模型

仿真结果如图9～11 所示。气流整体从低污染区向高污染区流动，未形成涡流，符合BSL-3 实验室要求。人员操作面风速约为0.2 m/s，速度场稳定，符合实验操作需求。室内温度控制均匀，18 ℃等值域≥93.7%，符合实验室相关标准要求。

图9 防护区气流组织仿真结果

图10 防护区速度场（操作面）仿真结果

图11 防护区温度场仿真结果

4 控制系统模块

控制系统模块采用分散控制和集中管理的控制方式，以数据服务器为中心，采用Profinet 协议和MODB-US-TCP 进行通信，上端与显示器终端通信，下端与缓冲间和实验间数据终端及送、排风模块数据交互，可实现实验室防护区数据采集、门禁控制和故障报警功能。同时配套开发人机界面实现运行状态实时监控和数据记录。控制系统模块组成框图如图12 所示。

图12 控制系统模块组成框图

控制系统模块机架采用滚塑箱组设计，便于运输和搬运，具备抗震和防冲击性。各数据终端采用集成式模块化设计，由盒形铝合金封装，易于维修、更换。控制系统模块实物图如图13 所示。

图13 控制系统模块实物图

5 运输性能分析

本实验室参考GJB 182B—2013《军用物资直方体运输包装尺寸系列》[8]和民航飞机运输尺寸进行设计。根据各功能模块的结构、形状、运输要求等，采用托盘和箱组堆码运输（如图14 所示），可满足公路、铁路、水路通用运输要求，同时可采用航空集装箱包装，满足B767-300ER 民航货机飞机运输要求。整个实验室运输成本大幅度降低，可满足第一时间将生防装备运输至任务区的需求。

图14 托盘运输示意图

6 性能测试

按照GB 50591—2010[9]、GB 50346—2011[10]、GB/T 38502—2020[11]、RB/T 199—2015[12]等相关标准测试折叠组合式模块化BSL-3 实验室的物理综合性能和消毒效果。测试条件为外部温度35～40 ℃，相对湿度为60%～75%，实验室正常运行，各核心设备正常开启。

经测试，各项参数指标均满足相关标准所规定的BSL-3 实验室的要求，结果见表3。

表3 折叠组合式模块化BSL-3 实验室性能测试结果

7 结语

折叠组合式模块化BSL-3 实验室较传统的车载式BSL-3 实验室可实现高效批量化运输和规模化部署，同时较板房拼接式实验室模块组合的“搭积木”方式更易于现场施工，为我国疫情防控和跨地域支援提供了一种更加可靠、高效的实验场所。但本实验室仍存在以下不足：（1）各模块虽已经完成标准箱组化设计，但箱组类别较多，后期运输时不利于最小化堆码。（2）实验室目前可实现纵向拓展应用，但考虑到分区科学性，人员、物品通道安全性，仍需加快横向拓展设计工作。（3）实验仪器设备作为高精密设备，运输时可通过减振铝制箱包装，但未考虑温湿度影响。（4）为确保美观性，实验室内外均通过装饰罩进行修饰，目前采用的紧固件方式工作量较大，后期需采用卡扣方式，提升折叠组合式方舱模块的组装效率。