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    實驗室建設解決方案

    實驗室設計

    設計是將實驗室建設需求落地圖紙的過程,是實驗室建設的起點,也是實驗室建設的基礎和靈魂,沒有專業而前瞻的規劃與設計不可能成就專業的實驗室。

    規劃設計

    實驗室的建設從規劃設計開始,規劃是整體設計的指引,其過程就是將實驗室的建設需求與專業建設理念、技術、方法碰撞,形成設計思路和方案,表達出實驗室建設需求在未來的實現全貌和建設水平。

    規劃設計首先要有清晰的實驗室定位,要確定實驗室的類型、品質、風格以及功能,不同的定位則規劃設計就有所不同。

    確定實驗室定位后,綜合設計實驗樓在園區的功能規劃,實驗樓體的規劃,樓層的規劃,考慮相應的配套設施和交通等,樓體規劃會影響樓體的建筑結構和外形,同時還會影響整體實驗室工藝的流程設計、工藝優化等。

    規劃設計內容主要有:實驗樓所處的園區規劃布局(功能規劃、交通組織)、實驗樓的單體建筑規劃(建筑層高、開間、進深、承重、樓梯、管井、地下室、屋面規劃等),實驗功能的規劃(樓層規劃、樓體建筑的整體物流、人流、工作流、實驗流程的規劃、功能區布局等),同時考慮實驗室的安全、節能、環保、人文規劃,以及科學性、前瞻性、先進性規劃等因素,形成完整的規劃設計方案,指導實驗室工藝設計及各專業設計工作。

    規劃設計的原則

    安全可靠:實驗室系統管理、功能布局、安全防控、靈活智能等角度綜合考慮,確保實驗室技術人員、樣品、數據、儀器和環境的安全,保證實驗數據、測試結果的真實可靠。

    服務為先:在規劃設計中,充分考慮到客戶的需求,力求設計人性化,以服務客戶做為實驗室設計建設的主要原則。

    節能環保:在充分展示實驗室特色的基礎上,優化實驗室系統工程設計,妥善處理三廢,盡可能做好節能、節水,低碳環保。

    高效智能:借鑒參照國際水平,與國際先進技術接軌,通過優化設計等手段,提升實驗室工作效率,實現實驗室的集成和智能化。
     
    工藝設計

    實驗室建設不同于普通建筑,普通建筑是從外到里,土建建好后再規劃里面的空間,而實驗室設計則由內而外,要工藝先行,工藝設計要先于土建設計,根據工藝需要,把建筑內部的格局和實驗室布局規劃好,比如說樓梯的位置,風井的位置,機房的位置,實驗樓層劃分,實驗室層高等,再規劃實驗樓的土建設計,工藝設計決定了實驗室的先進性。

    規劃設計決定了實驗室建設的總體方向和框架,是對整個園區、整棟實驗樓和整體系統性的布置;工藝設計則在規劃方案基礎上,進一步落地實驗室建設需求,重點在實驗室的功能布局、流程設計和儀器定位等。

    1. 功能布局方面,目前國際上比較流行的實驗室布局設計主要有三種:

    (1)通用類的布局, 中間走廊布局,把輔助區和實驗區合并在一邊,,另一邊是人員辦公區。這樣的布局方便建立防火分區,可滿足實驗室的安全性要求,主要適用于一些高危險的實驗室,如石油石化類的實驗室等;

    (2)化工實驗室布局, 按前處理、實驗室、數據處理的工藝流程布局,將數據處理區設計為開放性區域與實驗區打通(實驗區和數據處理區之間由一條隱性的走廊),方便實驗后對實驗數據的處理,保障了較好的實驗工作效率;

    (3)三段式實驗室布局,采用回型走廊的設計,中間為輔助實驗區,整體布局通透明亮,可保證很好的參觀效果。

    2. 流程設計:一般分為實驗流程和工作流程,實驗流程:前處理、有機檢測,無機檢測,洗、消等。工作流程:接樣、分樣、制樣、檢測、出報告等。

    (1)合理的工作流程設計不僅可以節省實驗時間,還可以減少實驗室人流物流的交叉污染。工作流程主要決定了各樓層實驗工作的路徑和功能區域安排,如物流電梯是整層樓的實驗起點。

    (2)實驗流程決定著不同實驗室之間的關系,是實驗房間按工藝要求布置的主要依據。確定了合理實驗流程,則基本定位了具體實驗室位置和樓層平面圖。

    3. 家具和儀器的布置設計,基本決定了每個實驗間內的操作流程,合理設計儀器擺放,實驗流程就很順暢。同時儀器擺放還直接影響到房間內的水、電、氣、通風等的專業工程設計。家具儀器擺放設計重點:

    (1)滿足實驗流程要求,考慮各類實驗的適用性和特殊要求;
    (2)便利實驗人員地使用,考慮人性化和舒適性要求;
    (3)要滿足儀器本身的特殊要求,如:接地,獨立接地。純水,超純水等。
     
    專項設計

    實驗室整體設計分為四個層次,即:基本功能設計、EHS設計、優化設計和前瞻性設計。

    1. 基本功能設計

    基本功能設計涵蓋水、電、氣、通風、照明、裝修、家具等專業工程,實現了實驗室建設的基本需求。

    (1)電氣設計:目標是保障實驗室照明、儀器設備、動力設施等的供電及用電安全。根據實驗室特點,重點在對大型儀器配電提出解決方案,保障大型儀器安全配電,排除諧波干擾穩定供電;同時設計用電設備的接地保護,防雷防干擾保護;對于特別貴重的大型儀器,采取UPS、雙路供電設計,避免在突然斷電的情況下對大型儀器造成不必要的損壞,接地系統宜采取單獨的接地保護。

    (2)弱電設計:實驗室弱電有門禁、監控、通信、電話、網絡等系統設計,對實驗室的安全與節能-值班模式是弱電設計重點。

    (3)給排水設計:目標是對實驗室供水、排水、熱水、純水及污水等各類水系統的規范設計及需求保障。設計考慮上,實要選取合理的管道走向和預留,盡量為步入式的管道井,為后期維修創造條件,增加實驗室建筑的柔性;要合理選材,實驗過程會產生很多的腐蝕性的有機溶劑和酸堿性溶液,排水系統設計要具有耐腐蝕性的管材;在純水供應上,如純水使用量不大,可在實驗室單獨設計簡易純水設備,如果用水量多,可以考慮集中純水供應系統。

    (4)通風設計:是實驗室設計中的重點,設計目標是保障實驗室有序的氣流組織,排除或降低實驗室內的有毒有害氣體,凈化實驗室內空氣,達到滿足各類實驗工藝要求(如恒溫恒濕、潔凈實驗室、生物安全實驗室、特殊實驗室等)、人員安全、樣品和實驗環境的要求。

    具體設計上,首先根據不同實驗室類型和功能確定房間排風量和換氣次數,同時根據實驗室的需求和儀器擺放以及實驗室局部排風設備,設計通風點位(萬向罩、原子吸收罩、不銹鋼罩)。實驗室的通風不同于普通的民用通風,實驗室通風的風量比較大,常規實驗室是6-12次/h,特殊類實驗室,像生物部分的實驗室,潔凈室甚至可以達到30次/h。為避免實驗室內產生的毒害氣體交叉污染,處理好清潔區、半污染、污染區的空氣劃分,控制實驗室氣流方向從低危險區域向高危險區域流動,氣流設計應從辦公區域,廊道,以及其他輔助區域流入實驗室,保持實驗室內的適當負壓,確保實驗室內的氣流不外泄到走廊,為保證氣路組織效果,設計采用VAV變風量排風系統。同時,需采取有效的變風量補風措施,保持實驗室內的適當負壓(5~10)Pa,且補風不能影響室內溫度。這些與普通的辦公室暖通空調要求相差很大。

    (5)空調設計:除了通風系統外,實驗室還需要一個環境的舒適性的環境,包括一些特殊區域,對溫濕度有特殊要求的儀器等,對溫度和濕度等空氣參數進行專業暖通空調設計。

    (6)自控設計:自控系統主要實現實驗室的合理氣流走向和正負壓的控制,有效保證實驗室安全及工作人員健康。自控系統設計包括房間壓力控制系統、通風柜VAV控制系統、送排風機控制系統(含變頻控制系統)、易燃易爆氣體泄露報警、低壓報警系統、節能控制系統等。

    (7)供氣設計:實驗室供氣設計始終遵循安全的設計原則,首先,氣瓶間必須采取的專業的通風、防爆措施;其次,氣路系統要有泄露報警、緊急切斷和強排風等裝置;第三,為了保證氣體純度和氣壓的穩定性,必須進行多級減壓供氣,設置氣路吹掃、排空等設施。

    (8)裝飾設計:實驗裝修不同于普通的工裝,在設計、選材和施工等方面要考慮防水、防滑、防塵、防腐蝕、防靜電、防干擾、防振動等要求,結合一些精密儀器的用水、用電、用氣,以及使用環境的特殊要求進行設計施工。同時,實驗室裝修與每一個分項工程交叉銜接,息息相關,必須對實驗室的通風、空調、給排水、電氣、消防、純水、潔凈和供氣等專業進行總體部署和協調,防止建筑擁堵、錯位,合理設計、施工和管理,使復雜的工程變得井然有條。

    (9)家具設計:以人為本,以舒適、安全、環保為基準,色彩上注重于實驗室的整體協調性;布局上,設計注重實驗室家具能夠與各類儀器設備共同布置,具備較高的靈活性。

    (10)土建設計:實驗室不同于一般的民用建筑,對層高、承重、柱間距和防火等都有特色要求,實驗室的土建設計,需要配合規劃和工藝設計要求,進行專項預留設計。

    (11)實驗室潔凈系統設計:潔凈實驗室主要目的是保護實驗人員的安全,防止感染細菌和病毒,保護實驗樣品的安全,防止污染,確保實驗結果的準確性。其建設要點包括:工藝布局合理,根據需要設置更衣、風淋和緩沖間,做到人流、物流、污物流三流清晰,避免交叉感染;裝飾材料應易于清潔消毒、耐腐蝕、不起塵、不開裂、光滑防水,相交位置做圓弧處理,無縫對接;空調凈化系統的劃分應有利于實驗室的消毒滅菌、自動控制系統的設置和節能運行;采用潔凈空調系統,設粗、中、高三級空氣過濾器,排風與送風連鎖;氣流有序,由清潔區向半污染區和污染區流動。

    (12)生物安全類實驗室設計:包括:轉基因實驗室(DNA, RNA);PCR實驗室;動物房;霉菌實驗室;潔凈實驗室(如ICP-MS)根據凈化級別設置不同換氣次數,對裝修的材質也有一些特殊的需求,墻面和頂面一般是使用彩鋼板,地面PVC,通風方面需要使用凈化機組,采取上送下排的方式。p2實驗室的規范。

    2. EHS設計

    即實驗室的安全、節能、健康、環保設計,體現了實驗室的可持續發展理念和功能;實驗室不單純是一個工作環境,也是實驗人員長期生活的環境,所以EHS設計重在考慮實驗室安全、節能,環保,以及實驗人員的健康保護等。

    (1)安全設計:體現在保護人員、儀器設備、實驗環境三方面的安全。

    在人員安全方面,進行合理的實驗室布局,滿足消防規范和實驗人員逃生通要求。在危險實驗區域設置安全設施,例如洗眼器、緊急噴淋、安全防護用品等。對易燃易爆物品進行分類存儲,同時設置防泄露報警裝置等。

    儀器安全方面,減少消防噴淋滅火帶來的高價值設備損失,考慮氣體滅火等保護設施消防方案;環境安全、節能及環保方面,結合實驗室通風和局部設備排風要求,對通風系統進行綜合設計,既滿足實驗需求(換氣量、換氣次數、房間潔凈度、生物安全防護),保證實驗房間內部環境安全;又通過自動化控制、變頻風機等措施,最大限度降低通風和冷熱能耗,同時結合過濾、酸霧塔等排放凈化措施,實現實驗室廢氣的達標排放,保障外圍環境安全。

    (2)健康設計主要包括三個方面,第一個方面是對有毒氣體殘留進行控制,第二個方面是對室內噪音進行控制,第三個方面是對一些特殊的有危險的設備,要考慮對實驗室人員的安全防護。

    (3)節能設計方面,針對整體實驗建筑,可運用光伏電池,太陽能和地源熱泵等新能源,對大樓采用外保溫等措施降低能量流失;還可考慮實驗室內部的VAV控制設計,精準有效的降低能用消耗。

    (4)廢水、固廢設計,對實驗室的廢水,廢渣的處理一般可采取兩種方式,對濃度高、危險危害大的廢物廢水,進行集中收集設計,送專業的環保公司進行處理;對于一般類廢水廢物,在環保達標值以上的,設計凈化處理裝置,廢氣采用達標處理后排放,在環保達標值以內的,直接排放市政管網或廢棄物收集站。

    3. 人文、色彩、展示、標識設計

    人文設計貫穿實驗室設計的始終,設計不僅要考慮實驗室的功能和安全,也要考慮到美觀及人員的舒適性,體現在對實驗室人員的健康關懷;

    色彩設計,運用不同顏色表達實驗室的特色、氣質及空間劃分等功能;

    文化墻設計,在承載企業文化,傳遞使命上,發揮軟文化功能;

    標識設計,明晰每個實驗室的類別、安全級別和功能,提示實驗室使用人需要注意內容,完善實驗室的使用和管理。

    4. 前瞻性、先進性設計

    實驗室的研究內容和方向經常變化,所以在設計要考慮實驗室的靈活前瞻性,以適應未來實驗室發展的各種可能。

    前瞻設計有兩種:實驗室整個空間的預留和一個空間后期發展的預留;在水、電、氣、通風、家具等設計上,采取集成、可拆卸、可移動的綜合支吊架、功能柱、功能翼、工藝快插、實驗家具等多措施,增加實驗室設施的靈活性;在平面布置中,盡量水電氣固定供應點設置四周,中央位置上送上排等靈活布置,增加實驗空間的靈活性。

    實驗室的先進性考慮不但能保證在未來一段時間內不會落后,還能提升實驗樓的整體形象。先進性不僅僅體現在硬件上,理念及規劃同樣重要。

    先進性實驗室的幾種類型:

    (1)dance floor實驗室,采用可移動的實驗臺和工業快插,可隨時調整實驗室布局,適應實驗內容和研發方向經常發生改變的需要;

    (2)共享實驗室,設計上對設備進行集中布置,不但可以實現資源共享,還意味著實驗工作交流和經驗共享。

    (3)high through lab,高通透實驗室,設計適用于實驗內容相近,并且規模較大的實驗室,便于規模實驗。

    (4)K12實驗室,主要用于實驗和培訓同步進行,并且兼具專家遠程會審和交流功能。

    裝配式實驗室設計

    裝配式建筑是建筑形式的巨大變革,是未來建筑的發展方向。實驗室建設涉及多個專業:土建、暖通、給排水、氣體管路、弱電系統、強電系統、實驗室控制系統、實驗室家具等,各個專業交叉實施嚴重、管線碰撞頻繁、現場實施協調困難。裝配式設計,在實驗室設計階段就充分考慮施工問題,有效的解決了實驗室建設各專業的交叉問題。

    首先,利用BIM軟件對實驗室各專業系統進行3D設計和綜合,將實驗過程中的土建、暖通、給排水、氣體管路、弱電系統、強電系統、實驗室控制系統、實驗室家具等集中1:1在BIM圖紙中真實體現。

    設計師通過建模、載荷(單梁窩)計算、整體碰撞檢查,細調間距形成綜合吊架初稿圖紙,后經人工模擬顯示檢查,查閱各種管線走向美觀性和合理性,碰撞人工檢查,消除所有實施過程遇到的碰撞。

    最后,經過具備豐富施工經驗的技術經理的審查,采用漫游,電腦測繪,VR模擬現實的形式,真實檢查圖紙的可實施性,確保BIM圖紙能夠在現實中重現。

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