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技术导航 | P4实验室建筑设计和机电设计解析

   日期:2020-02-25     来源:可昆绿建学院 Gerrit Chen    浏览:1178    
核心提示:我国P4实验室,从外观看,两栋灰色建筑,与普通大楼看起来没什么区别。但其建筑、机电设计和软硬件配置与一般民用建筑区别较大,P4实验室的设计、施工、检测、运行管理要求都很高。
 

小代君说

我国P4实验室,从外观看,两栋灰色建筑,与普通大楼看起来没什么区别。但其建筑、机电设计和软硬件配置与一般民用建筑区别较大,P4实验室的设计、施工、检测、运行管理要求都很高。


▲我国P4实验室(图片来源:新华社)

P4实验室如上图左侧建筑,是一个独立的建筑,所有的人员都必须先进入右侧办公楼,再通过空中连廊进入实验室。


▲(图片来源:知乎@找真禅语)


 

那么,什么是P1,P2,P3,P4?

际上将生物安全实验室分为P1、P2、P3和P4四个生物安全等级,第四级即P4实验室是生物安全最高等级。P是英文Protection防护的意思,国际上称为BSL-4(Biosafety Level-4)。看过电视剧《血疫》的读者,可能会对 P4实验室内部结构有更加清楚的认识。

 

P1:基础实验室,低个体危害、低群体危害。

P2:基础实验室,中等个体危害、有限群体危害。

P3:防护实验室,高个体危害、低群体危害。

P4:最高级别防护实验室,高个体危害、高群体危害。

 

P3和P4实验室需要设置一级屏障和二级屏障。

一级屏障主要包括各种生物安全柜、实验对象隔离设备和个体防护装备等;

二级屏障主要包括建筑结构、通风空调、给水排水、电气和控制等;

 

结合我国P4实验室的二级屏障设计建造的重点和难点,解析一下P4实验室建筑、结构、通风、给排水、电气、装修、消防、生命支持系统、节能、我国技术应用11个方面。

PART 1

建筑设计

 

建筑面积:3,000平方米

建设投资:3亿元人民币(4,400万美金)

项目合作:中法合作

建筑方案:Tourret Jonery Architectes(建筑设计事务所)

机电方案:CLIMA+,Altergis Ingenierie(机电设计事务所)

EPC总承包:中国中元,深化设计+建造

质量控制:法国工程管理公司+我国监理公司

建造时长: 2003年提出,2004年中法签订协议并立项,法国总统换届延迟后2007再次启动,2008年法国出概念设计,2009年中元深化设计,2011年开始建设,2012年关键设备气密门和生命维持系统验收通过,2014年基本竣工,2015年入住运行,历时10年之久。

建筑技术:参考法国里昂的实验室建筑技术和机电技术,但比里昂实验室更加现代化,加入了我国的技术和设备,功能齐全。

建筑理念:盒中盒(Box in Box),整个建筑大密闭空间就像是一个大盒子,里面还有各种小密闭空间就是小盒子,大盒子外面套小盒子,外墙不作为实验室的围护结构, 实验室在各房间组成的围护结构之外还建立一个立体的“环形走廊”。

地面标高:洪水警戒线之上

 

我国P4实验室建筑从下至上分为一层,二层,夹层,三层和顶层。

一层是污水处理和高温消毒系统;

二层是核心实验室;

二层和三层间的夹层是过滤系统;

三层是通风系统;

顶层是空调设备及通风总管;

 

没错,二层是核心,其它层辅助。我国P4核心实验室区域面积300多平方米,3个细胞实验室、2个动物实验室、1个动物解剖室和1个菌种保藏室以及消毒室等。辅助配置了4双门扇消毒器,1个污水处理单元,14个通风和空调系统及高效过滤系统,4个化学淋浴, 1个生命支持系统来保证安全运行。

 

常见P4实验室示意图如下:


▲P4功能示意图,Gerrit译

我国目前建成的P3实验室大部分未考虑设备层,一是因为很多实验室属于旧建筑改造,没有条件;二是由于P3实验室设备层层高要求高于2.2米,高于2.2米在国家规范中计算全面积,所以有些新建的实验室设备层低于2.2米,这对设备维护保养以及管理有一点影响。

PART 2

结构设计

 

建筑结构:悬挂式结构。

结构安全等级:一级,一般分三级,一级说明建筑物破坏的后果:很严重,属于重要的建筑物 。安全等级:二级, 破坏后果:严重, 属于一般的建筑物; 安全等级:三级, 破坏后果:不严重,属于次要建筑物。

结构设防类别: 属于特殊设防类,设防类别有4类,特殊设防,重点设防,标准设防和适度设防类。

抗震等级:一级抗震等级,我国P4按8级抗震要求,比武汉市的防震等级还高2级(武汉市为6级)。

地基基础:甲级,一共分三级,甲乙丙,甲是最高等级,代表最重要的建筑。

 

对于新建的P3,P4实验室,以上结构要求可以做到;但对于既有建筑改建来说,可能要加固处理。很多P3实验室是在既有建筑的改建基础上完成的,而大量的建筑结构都是二级,因此必须要进行加固才能符合要求,抗震和基础一样,也要先评估,根据情况进行加固。

PART 3

空调设计

 

a.送风

P4实验室要求洁净度7-8级,7-8级是采用国际接轨的命名方式,7级相当于万级,8级相当于十万级;换气次数12或15次/小时,对送风风量和洁净度要求很高。

通风形式:全新风系统,不采用循环风。

空气净化:需要经过三道过滤,粗效、中效、高效,高效过滤器紧靠末端。高效过滤器靠近末端的目的是避免处理后的空气经过管道受到污染(见下图)。

严密性:阀门和管道选用密封性高的材料。

风机盘管:不设计普通的风机盘管和房间空调器。普通的风机盘管和房间空调器出风口没有高效过滤器,当空气中含有致病因子时,很容易进入风机盘管内部藏匿。

送风管材:送风管材选用耐腐,耐老化,不吸水,易消毒,整体采用焊接工艺。

送风机备用:设置备用送风机。


▲实验室空调通风系统流程图,Gerrit制

b.排风

P4实验室采用定向负压系统和双层过滤系统,所谓定向负压是指,实验室每一个房间的气压都是递减的,这样可以保证空气都是从外往内流动。排风采用双层过滤系统,所谓双层HEPA过滤,以确保仅在使用具有组织性负压控制技术的高效颗粒空气HEPA过滤器过滤后才能排出实验室中的空气。

 

与送风连锁:排风与送风连锁,排风先于送风开启,后于送风关闭。

排风口设置:实验室室内设计排风口,排风口设在底部污染密集的地方,主要是实验对象的清洗、地面清洁等靠近底部,不只是利用生物安全柜作为房间排风。

生物安全柜全排风:生物安全柜和排风系统采用密闭连接,且100%气体外排。

过滤排放:排风需要经过两道高效过滤后排放,在排风口设计第一道高效过滤器,再后面串联第二道高效过滤器,高效排风过滤器进行原位消毒和检漏。原位检漏采用扫描检漏或者完整性检漏试验。


▲扫描检漏示意图,来源《实验室生物安全通用要求》

排风管材:排风管材选用耐腐,耐老化,不吸水,易消毒,整体采用焊接工艺。

排风机备用:设置备用排风机。

压力调节:通过对排风机、送风机进行变频调节、风阀调节,维持室内压力和压差梯度稳定。

过滤器再用:过滤器使用后清洗、再生或再用影响过滤器的阻力和过滤效率,所以一般不会重复利用,直接处理。

 

c.气流组织

气流方向:实验室各区之间保证气流由辅助工作区流向防护区。

实验室风口:P4实验室气流组织采用上送下排方式,送风口设置在生物安全柜的对面上方顶棚处,靠近侧墙,排风口设置在生物安全柜后下方侧墙处。送风口与排风口以“一”字布满方式,提高了空气流线的平行度与合理的流向,降低有毒气体流经工作人员呼吸带的可能性。实验室的送排风口布置方式及组织如下图所示。


▲P4实验室气流组织流程图,Gerrit制

P4实验室的空调通风系统设计基本参数汇总如下:


 

d.生物安全柜

生物安全柜是防止实验操作处理过程中某些含有危险性或未知性生物微粒发生气溶胶散逸的箱型空气净化负压安全装置。生物安全柜共分为三级,III级生物安全柜是为P4实验室而设计的,是目前世界上最高安全防护等级的安全柜。柜体完全气密,100%全排放式,所有气体不参与循环,工作人员通过连接在柜体的手套进行操作,俗称手套箱,试验品通过双门的传递箱进出安全柜以确保不受污染。

 

PART 4

给排水

设计

 

a. 给水

供水可靠性:给水系统设置断流水箱存储实验用水,如果市政供水中断时,也能保证实验继续进行。

防回流:给水、热水、纯水供应管道安装倒流防止器、真空破坏器防止回流污染。

洗手装置:采用感应式龙头,非手接触开关龙头,这个现在很常见了。

洗手消毒:手消毒器采用非接触感应式,这个现在很常见了。

给水管材料:一般用耐压,耐温,耐腐蚀,不渗漏,常用不锈钢或铜管,无毒塑料管也可。常见的管材分为金属管和非金属管,非金属管有聚丙烯PPR, 氯化聚氯乙烯CPVC,非金属管材耐消毒剂较好,但是耐热性如金属管;不锈钢金属管常用的有304和316L,304不锈钢管道不耐氯和腐蚀性消毒剂,不锈钢316L耐腐蚀性较强。

紧急冲眼:设置紧急洗眼器,万一腐蚀性化学品溅到眼中,可以先进行冲洗后再送医救治。

给水管标识:给水管涂上醒目的颜色,同时采用挂牌的方法,注明管道内流体的种类,用途和流向,区别于一般其它管道。

 

b. 排水

地漏设置:有排水功能要求的房间,包括淋浴室、解剖间,设置了密闭性地漏,带有密闭盖板,并带有存水弯。水封深度在150mm以上,定期对存水弯进行补水和消毒。

排水通气过滤:在排水通气管安装耐水性能优良的高效过滤器,单独排放,不接入空调的排风管道,防止排水系统的气体污染空调排风系统。

普通污水:实验室辅助区排水虽然处于相对清洁区,但是也有很大的风险,必须经过化学消毒,消毒剂选用次氯酸钠、二氧化氯、二氯异氰尿酸钠或液氯。

重要污水:化学淋浴产生的废水和实验室工作产生的重要有毒污水将通过双层下水道收集系统集中收集到污水处理站,我国P4实验室在135℃进行高温消毒。污水经处理后,经监测相关排放指标达到环保要求后,才能排放。

排水管:排水管材用不锈钢,排水管明设或者设透明套管,这样做的目的是更容易发现泄漏。

PART 5

电气设计

 

a. 供配电 

按照一级负荷要求,两路独立市电供电,一路市电和一路自备电源(柴油发电机)构成,这两种供电方式都能够使供电连续性得到很大提高。

 

供电可靠性:实验室按照一级负荷供电,实验室的所有动力照明弱电系统负荷均设置了不间断电源和自备发电机作为应急电源。

实验室配电箱:每个实验室设置专用配电箱,安装在实验室防护区外。

配电回路:实验室内设置了足够数量的固定电源插座,避免多设备共有一个插座。重要设备设计单独回路配电,设置了漏电保护装置。

电线管穿越墙体处密封:所有管线采用金属管敷设,穿过墙和楼板的线管加装套管,并用不收缩、不燃材料密封。

 

b. 照明

实验室工作照明:实验室的照明灯具采用防水的吸顶式密闭洁净灯,不积灰尘,耐腐蚀,易消毒。

应急照明:设置了不少于30min的应急照明和紧急疏散指示标志。

工作状态指示:实验室入口设有工作状态显示装置。

 

c. 自动控制

双机热备自动控制系统:控制系统为冗余的双CPU设计,冗余的双通讯通道,冗余的双电源供电。正常工作时互为热备的控制器实时数据传输,确保双CPU 程序的完全一致。正常工作时互为热备的控制器实时数据传输,确保双CPU程序的完全一致,如果主控制器发生故障,备用控制器会在一个扫描周期(一般为几毫秒至几十毫秒)内将起控制作用。

控制算法: 我国在实践中自主摸索出了更合适的控制算法、平衡点、起步频率、控制回路的数学模型,使实验室温湿度、压差的控制更稳定、更准确、更快捷。

集成管理系统:安全防范系统、火灾报警系统、冷水机组等通过接口接入了自控系统。一旦发生其他弱电报警如入侵报警、火灾报警等。自控系统将及时通知设施管理人员,及时采取措施。

报警方案:报警方案的设计考虑到“不漏报、不误报、分轻重缓急、传到到位”。比如人员正常进出实验室导致的压力波动,将报警相应时间延迟;压力波动的持续时间只有超过人员正常开门、关门通过所需的时间,才会报警。报警还一般参数报警和重要参数报警,一般参数报警,不影响实验活动继续进行,包括过滤网阻力增大、风机正常切换、温湿度偏离正常值,而重要参数报警可能需要停止实验活动,包括实验室出现正压、压力梯度持续丧失、风机切换失败等。所有参数的报警都能在中控室接收到,紧急级别的报警,会触发中控室和实验室的声光报警器。

PART 6

装修要求

 

P4实验室装修与普通建筑不同,顶、墙、地装修用材差异很大,看看下面的图就大概知道了,我们看到的大部分都是金属表面。


▲我国P4室内,图片来源:中新网

地面:地面采用无缝防滑耐腐蚀材料,保证人员不滑倒,不给病毒细菌藏匿处。可用PVC卷材、环氧自流坪、水磨石现浇或环氧树脂涂层。

墙面和吊顶:材料选用易清洗、消毒、不起尘、不开裂、光滑防水、耐擦洗,我国P4实验室核心实验区墙体由耐腐蚀的不锈钢制成,采用激光焊接技术,由我国自主研发,具有更好的气密性和耐久效果。

相交位置:地面墙面, 墙面墙面相交位置采用圆弧设计, 减少卫生死角,便于清洁和消毒处理。

检修口:实验室防护区顶棚不设检修口,因为人孔、检修口不容易密封,检修口可以设在其它区域。

外窗:P4实验室不能设计外窗,我国P4实验室在墙体安装了双层钢化玻璃,缓解实验人员在密闭环境中工作产生的压抑感,但绝对不能开启,且密封性非常高。

门上设窗:门上必须设窗,这样不必进入室内即可进行观察,同时有助于提高防护区操作人员心里安全感。

开门方向:实验室的门开向压力高的房间侧,主要是考虑了工艺要求,逆着就是利用负压把门缝压得更紧,而不是为了门好开。


▲开门方向示意图,Gerrit制

充气式气密门:进入核心实验室,需要经过层层充气式气密门。充气式气密门工作原理是向空心的密封圈中充注一定压强的压缩气体使密封圈膨胀密闭门缝。

充气式气密门开启时,充气密封条放气收缩在凹槽内,关闭时,充气密封条充气膨胀,使门和门框之间形成严格密封。充气门配有闭门器和电磁锁,可实现单门控制和多门互锁的功能。

PART 7

安全设计

 

因为保存着众多烈性病毒,P4实验室的安全性要比其他的实验室更高。安全包括四个方面,

一是保护进入实验室的人员的防护安全;

二是防止实验室有害物泄露到外部的环境安全;

三是安全的进出流线设计;

四是安全防范。

 

a.人员防护

人员进入实验室时须身穿正压防护服,看上去有点像“宇航服“,充入空气后,整个服装会膨胀起来,头部采用全透明设计,方便研究人员观察周围情况;同时正压工作服内配有耳麦,研究人员可以随时与管控人员沟通。不允许一人进入P4实验室防护区,一次至少两人进入。

 

离开实验室时经过化学喷淋,确保身上有害物质不沾身。人员呼吸供气都是单独管道,与实验室空气隔离开,保证人员在实验室里不吸入有害气体。

 

正压防护服:这种防护服头部是透明的充气罩,下端连接着一条蓝色的呼吸带(国外P4实验室有些是黄色的),呼吸带另一端悬挂连接在屋顶的管道上。专门的生命支持管道会向防护服内提供新鲜呼吸空气,研究人员在防护服内进行呼吸循环,和外界空气不发生任何接触。

 

防护服内的正压状态可以让正压服离开供气导管的两分钟时间内持续保障内部工作人员的呼吸供气,也便于工作人员移动时更换供气导管。


▲蓝色管线为氧气系统,图片来源:新华社

b. 三废排放 

废气:1.对于实验室可能产生的有毒气体,实验室通过有组织的负压系统和管道,能让任何有潜在环境威胁的空气都不能自然扩散。再通过两道高效过滤器,拦截空气中有害病原菌,保证残留病原不会释放出去,见排风部分说明。2.对于实验室可能产生的有毒废弃物,比如说空气,实验室通过有组织的负压系统和管道,能让任何有潜在环境威胁的空气都不能自然扩散。再通过两道高效过滤器,拦截空气中有害病原菌,保证残留病原不会释放出去。

废固:对于固体废弃物比如纸屑、塑料管之类,实验室通过两叶高压灭菌锅中进行消毒做高温灭菌消毒、打包装袋,运到武汉市配套的医疗废弃物公司做无害化焚烧处理。

废液: 化学淋浴产生的废水和实验室工作产生的重要有毒废水将通过双层下水道收集系统集中收集到污水处理站,并在135℃进行高温消毒,无害化排放到市政管网,见给排水部分说明。

 

c. 进出流线 

不同于普通的实验室,科研人员在进入P4实验室工作之前必须要更换上专用的正压工作服,并进行层层消毒,包括沐浴、缓冲等步骤,然后才能入内,整个过程至少需要花费半个小时。让我们看下流线示意图:


▲P4实验室流线示意图,Gerrit译,图片来源网络

进入实验室的必要步骤:准备间→外更衣间→内更衣间→P4实验室

离开实验室的必要步骤:P4实验室→化学淋浴间→内更衣间→消毒间→淋浴间→准备间

 

虽然进出的路径相同,但是进出实验室的程序有很大的差别。

在实验室的核心实验区中,任何相邻的两扇门之间都有一个自动联锁装置,可以防止两扇门同时打开,并避免室内空气流通。

 

P4实验室拥有更为严格的人员进出制度。进入P3实验室可能需要花费10分钟,而进入P4实验室就要花费至少半小时进行层层消毒,包括沐浴、二更、缓冲等步骤,才能入内。

 

 d.安全防范

门禁系统:P4实验室有严格、复杂的管理程序,为了实验室的绝对安全,只有得到批准和持有磁卡通行证的人才能进入,核心实验室通过指纹门禁系统进入,而且所有出入的人员和出入时间都由中控系统记录在案。

房门互锁:进入核心实验室需要通过10道门,后面的7道门全部都具备互锁功能。互锁目的有三个,减少污染物的外泄、保持压力梯度、强制实验室人员执行规程要求的必须步骤(比如离开实验室需要经过化学淋浴)。

闭路电视系统:实验室内部和周围都设有监控,监视实验室内危险性大的实验活动,以及实验室周边的安保情况。

PART 8

消防

 

特制的气体灭火系统:传统的自动喷水、干粉、泡沫会造成实验室内部环境污染有害因子泄露或者损坏实验室的精密仪器,而气体灭火系统在大量喷放气体时,会导致实验室压力从负变正。因此我国建设方和消防设备供应商合作,自主创新设计出气体灭火喷嘴模式,在保障一定灭火剂流量的情况下,使得七氟丙烷释放处于可控状态,经过测试,在这种模式下,七氟丙烷所喷放所释放的压力不影响实验室的负压状态,而且起到了很好的灭火效果。

 

不设计防排烟系统:压力梯度对于P4实验室是极其重要的,设计防火阀、排烟防火阀,其误操作会对实验室压力梯度和定向气流造成破坏,从而造成致病因子泄露的风险。因此P4实验室不能设计防排烟系统。只有通过在实验室操作规程中,建立完善合格的应急事件处理程序,对应火灾事件。

PART 9

生命支持

系统

 

实验室专用气体:由设置于辅助工作区的高压气瓶供给,通过管道输送到各个用气点。

正压防护服紧急支援:配置紧急支援气罐,紧急支援气罐的供气时间不应少于每人不少于60分钟。

供操作人员使用的气体:监测含氧量、压力、流量、温湿度及有害物质含量,达到职业安全的要求。

充气式气密门:其压缩空气由空压机供应,并设有备用空压机。

PART 10

节能考虑

 

对于这样高标准的实验室,节能虽然不是最重要的,但是在满足设计要求的情况下,也要合理考虑到节能运营方面,在此列举2例。


值班状态:核心实验区设计时考虑值班运行状态,区别于正常工作状态,这种情况虽然也要保证各个房间的压差数值和梯度不变,但是换气次数可以小于工作状态,节能运营。

 

临近空调机房:核心实验区临近空调机房,送风管和排风管管路最短,减少拐弯,这样可以减少一定的初投资和运行成本。

PART 11

我国技术

应用

 

围护结构:核心实验区的墙体由耐腐蚀的不锈钢制成,并结合激光焊接技术,不锈钢激光焊接代替胶密封;

墙体龙骨:加工精度1丝米(0.1毫米),无缝隙。我国P4实验室采用钢龙骨-不锈钢面板的结构,制作实验室的围护时,每一块钢板拼接时缝隙都很均匀,不允许钢龙骨有任何的倾斜,机械精加工龙骨的精度以一丝米为单位,在做最后一层混凝土之前就把它的立柱加以固定,然后再浇筑混凝土。考虑到它和混凝土的热胀冷缩参数,还借鉴了高铁的建设经验,每架设好一个框架都要做水平、垂直的激光测距。

灭火装置:采用七氟丙烷,P4实验室不能用水喷淋系统,同时又要兼顾考虑保持房间负压,最后选择的是七氟丙烷灭火系统,其核心技术在喷嘴和控制。

压差控制:双机热备(一用一备)更好的压差控制,借鉴了法国的双机热备技术,但具体的控制算法和平衡点、起步的频率及控制回路的数学模型,都是我国在实践中摸索,达到了更稳定的压差控制效果。

 

以上是根据国内外P4实验室介绍,我国P4实验室案例以及国内P4实验室设计标准文件整理而成。除了以上方面的设计要求,P4实验室还有严格的施工、调试、检测,验收标准,严格的培训要求,严格的运营管理要求,比如气密性在施工完成后要经过严格的检测试验。

 


 
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