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        P4實驗室建筑設計和機電設計解析

        20-08-13

        國P4實驗室,從外觀看,兩棟灰色建筑,與普通大樓看起來沒什么區別。但其建筑、機電設計和軟硬件配置與一般民用建筑區別較大,P4實驗室的設計、施工、檢測、運行管理要求都很高。


                       我國P4實驗室,圖片來源:新華社

        P4實驗室如上圖左側建筑,是一個獨立的建筑,所有的人員都必須先進入右側辦公樓,再通過空中連廊進入實驗室。

                                圖片來源:知乎@找真禪語

        那么,什么是P1,P2,P3,P4?

        國際上將生物安全實驗室分為P1、P2、P3和P4四個生物安全等級,第四級即P4實驗室是生物安全最高等級。P是英文Protection防護的意思,國際上稱為BSL-4(Biosafety Level-4)??催^電視劇《血疫》的讀者,可能會對 P4實驗室內部結構有更加清楚的認識。

        P1:基礎實驗室,低個體危害、低群體危害。

        P2:基礎實驗室,中等個體危害、有限群體危害。

        P3:防護實驗室,高個體危害、低群體危害。

        P4:最高級別防護實驗室,高個體危害、高群體危害。

        P3和P4實驗室需要設置一級屏障二級屏障。

        一級屏障主要包括各種生物安全柜、實驗對象隔離設備和個體防護裝備等;

        二級屏障主要包括建筑結構、通風空調、給水排水、電氣和控制等;

        接下來筆者結合我國P4實驗室的二級屏障設計建造的重點和難點,解析一下P4實驗室建筑、結構、通風、給排水、電氣、裝修、消防、生命支持系統、節能、我國技術應用11個方面。

        1、建筑設計

        項目選址:武漢江夏鄭店園區內,屬于郊區

        建筑面積:3,000平方米

        建設投資:3億元人民幣(4,400萬美金)

        項目合作:中法合作

        建筑方案:Tourret Jonery Architectes(建筑設計事務所)

        機電方案:CLIMA+,Altergis Ingenierie(機電設計事務所)

        EPC總承包:中國中元,深化設計+建造

        質量控制:法國工程管理公司+我國監理公司

        建造時長: 2003年提出,2004年中法簽訂協議并立項,法國總統換屆延遲后2007再次啟動,2008年法國出概念設計,2009年中元深化設計,2011年開始建設,2012年關鍵設備氣密門和生命維持系統驗收通過,2014年基本竣工,2015年入住運行,歷時10年之久。

        建筑技術:參考法國里昂的實驗室建筑技術和機電技術,但比里昂實驗室更加現代化,加入了我國的技術和設備,功能齊全。

        建筑理念:盒中盒(Box in Box),整個建筑大密閉空間就像是一個大盒子,里面還有各種小密閉空間就是小盒子,大盒子外面套小盒子,外墻不作為實驗室的圍護結構, 實驗室在各房間組成的圍護結構之外還建立一個立體的“環形走廊”。

        地面標高:洪水警戒線之上

        我國P4實驗室建筑從下至上分為一層,二層,夾層,三層和頂層。

        一層是污水處理和高溫消毒系統;二層是核心實驗室;二層和三層間的夾層是過濾系統;三層是通風系統;頂層是空調設備及通風總管;

        沒錯,二層是核心,其它層輔助。我國P4核心實驗室區域面積300多平方米,3個細胞實驗室、2個動物實驗室、1個動物解剖室和1個菌種保藏室以及消毒室等。輔助配置了4雙門扇消毒器,1個污水處理單元,14個通風和空調系統及高效過濾系統,4個化學淋浴, 1個生命支持系統來保證安全運行。

        常見P4實驗室示意圖如下:

                              P4功能示意圖,Gerrit譯,圖片來源網絡

        我國目前建成的P3實驗室大部分未考慮設備層,一是因為很多實驗室屬于舊建筑改造,沒有條件;二是由于P3實驗室設備層層高要求高于2.2米,高于2.2米在國家規范中計算全面積,所以有些新建的實驗室設備層低于2.2米,這對設備維護保養以及管理有一點影響。

        2、結構設計

        建筑結構:懸掛式結構。

        結構安全等級:一級,一般分三級,一級說明建筑物破壞的后果:很嚴重,屬于重要的建筑物 。安全等級:二級, 破壞后果:嚴重, 屬于一般的建筑物; 安全等級:三級, 破壞后果:不嚴重,屬于次要建筑物。

        結構設防類別: 屬于特殊設防類,設防類別有4類,特殊設防,重點設防,標準設防和適度設防類。

        抗震等級:一級抗震等級,我國P4按8級抗震要求,比武漢市的防震等級還高2級(武漢市為6級)。

        地基基礎:甲級,一共分三級,甲乙丙,甲是最高等級,代表最重要的建筑。

        對于新建的P3,P4實驗室,以上結構要求可以做到;但對于既有建筑改建來說,可能要加固處理。很多P3實驗室是在既有建筑的改建基礎上完成的,而大量的建筑結構都是二級,因此必須要進行加固才能符合要求,抗震和基礎一樣,也要先評估,根據情況進行加固。

        3、空調設計

        a. 送風

        P4實驗室要求潔凈度7-8級,7-8級是采用國際接軌的命名方式,7級相當于萬級,8級相當于十萬級;換氣次數12或15次/小時,對送風風量和潔凈度要求很高。

        通風形式:全新風系統,不采用循環風。

        空氣凈化:需要經過三道過濾,粗效、中效、高效,高效過濾器緊靠末端。高效過濾器靠近末端的目的是避免處理后的空氣經過管道受到污染(見下圖)。

        嚴密性:閥門和管道選用密封性高的材料。

        風機盤管:不設計普通的風機盤管和房間空調器。普通的風機盤管和房間空調器出風口沒有高效過濾器,當空氣中含有致病因子時,很容易進入風機盤管內部藏匿。

        送風管材:送風管材選用耐腐,耐老化,不吸水,易消毒,整體采用焊接工藝。

        送風機備用:設置備用送風機。

                               實驗室空調通風系統流程圖,Gerrit制

        b. 排風

        P4實驗室采用定向負壓系統和雙層過濾系統,所謂定向負壓是指,實驗室每一個房間的氣壓都是遞減的,這樣可以保證空氣都是從外往內流動。排風采用雙層過濾系統,所謂雙層HEPA過濾,以確保僅在使用具有組織性負壓控制技術的高效顆??諝釮EPA過濾器過濾后才能排出實驗室中的空氣。

        與送風連鎖:排風與送風連鎖,排風先于送風開啟,后于送風關閉。

        排風口設置:實驗室室內設計排風口,排風口設在底部污染密集的地方,主要是實驗對象的清洗、地面清潔等靠近底部,不只是利用生物安全柜作為房間排風。

        生物安全柜全排風:生物安全柜和排風系統采用密閉連接,且100%氣體外排。

        過濾排放:排風需要經過兩道高效過濾后排放,在排風口設計第一道高效過濾器,再后面串聯第二道高效過濾器,高效排風過濾器進行原位消毒和檢漏。原位檢漏采用掃描檢漏或者完整性檢漏試驗。

                     掃描檢漏示意圖,來源《實驗室生物安全通用要求》

        排風管材:排風管材選用耐腐,耐老化,不吸水,易消毒,整體采用焊接工藝。

        排風機備用:設置備用排風機。

        壓力調節:通過對排風機、送風機進行變頻調節、風閥調節,維持室內壓力和壓差梯度穩定。

        過濾器再用:過濾器使用后清洗、再生或再用影響過濾器的阻力和過濾效率,所以一般不會重復利用,直接處理。

        c. 氣流組織

        氣流方向:實驗室各區之間保證氣流由輔助工作區流向防護區。

        實驗室風口:P4實驗室氣流組織采用上送下排方式,送風口設置在生物安全柜的對面上方頂棚處,靠近側墻,排風口設置在生物安全柜后下方側墻處。送風口與排風口以“一”字布滿方式,提高了空氣流線的平行度與合理的流向,降低有毒氣體流經工作人員呼吸帶的可能性。實驗室的送排風口布置方式及組織如下圖所示。

        P4實驗室的空調通風系統設計基本參數匯總如下:

                                        P4實驗室氣流組織流程圖,Gerrit制

        P4實驗室的空調通風系統設計基本參數匯總如下:

        d.生物安全柜

        生物安全柜是防止實驗操作處理過程中某些含有危險性或未知性生物微粒發生氣溶膠散逸的箱型空氣凈化負壓安全裝置。生物安全柜共分為三級,III級生物安全柜是為P4實驗室而設計的,是目前世界上最高安全防護等級的安全柜。柜體完全氣密,100%全排放式,所有氣體不參與循環,工作人員通過連接在柜體的手套進行操作,俗稱手套箱,試驗品通過雙門的傳遞箱進出安全柜以確保不受污染。

        4、給排水設計

        a. 給水

        供水可靠性:給水系統設置斷流水箱存儲實驗用水,如果市政供水中斷時,也能保證實驗繼續進行。

        防回流:給水、熱水、純水供應管道安裝倒流防止器、真空破壞器防止回流污染。

        洗手裝置:采用感應式龍頭,非手接觸開關龍頭,這個現在很常見了。

        洗手消毒:手消毒器采用非接觸感應式,這個現在很常見了。

        給水管材料:一般用耐壓,耐溫,耐腐蝕,不滲漏,常用不銹鋼或銅管,無毒塑料管也可。常見的管材分為金屬管和非金屬管,非金屬管有聚丙烯PPR, 氯化聚氯乙烯CPVC,非金屬管材耐消毒劑較好,但是耐熱性如金屬管;不銹鋼金屬管常用的有304和316L,304不銹鋼管道不耐氯和腐蝕性消毒劑,不銹鋼316L耐腐蝕性較強。

        緊急沖眼:設置緊急洗眼器,萬一腐蝕性化學品濺到眼中,可以先進行沖洗后再送醫救治。

        給水管標識:給水管涂上醒目的顏色,同時采用掛牌的方法,注明管道內流體的種類,用途和流向,區別于一般其它管道。

        b. 排水

        地漏設置:有排水功能要求的房間,包括淋浴室、解剖間,設置了密閉性地漏,帶有密閉蓋板,并帶有存水彎。水封深度在150mm以上,定期對存水彎進行補水和消毒。

        排水通氣過濾:在排水通氣管安裝耐水性能優良的高效過濾器,單獨排放,不接入空調的排風管道,防止排水系統的氣體污染空調排風系統。

        普通污水:實驗室輔助區排水雖然處于相對清潔區,但是也有很大的風險,必須經過化學消毒,消毒劑選用次氯酸鈉、二氧化氯、二氯異氰尿酸鈉或液氯。

        重要污水:化學淋浴產生的廢水和實驗室工作產生的重要有毒污水將通過雙層下水道收集系統集中收集到污水處理站,我國P4實驗室在135℃進行高溫消毒。污水經處理后,經監測相關排放指標達到環保要求后,才能排放。

        排水管:排水管材用不銹鋼,排水管明設或者設透明套管,這樣做的目的是更容易發現泄漏。

        5、電氣設計

        a. 供配電 

        按照一級負荷要求,兩路獨立市電供電,一路市電和一路自備電源(柴油發電機)構成,這兩種供電方式都能夠使供電連續性得到很大提高。

        供電可靠性:實驗室按照一級負荷供電,實驗室的所有動力照明弱電系統負荷均設置了不間斷電源和自備發電機作為應急電源。

        實驗室配電箱:每個實驗室設置專用配電箱,安裝在實驗室防護區外。

        配電回路:實驗室內設置了足夠數量的固定電源插座,避免多設備共有一個插座。重要設備設計單獨回路配電,設置了漏電保護裝置。

        電線管穿越墻體處密封:所有管線采用金屬管敷設,穿過墻和樓板的線管加裝套管,并用不收縮、不燃材料密封。

        b. 照明

        實驗室工作照明:實驗室的照明燈具采用防水的吸頂式密閉潔凈燈,不積灰塵,耐腐蝕,易消毒。

        應急照明:設置了不少于30min的應急照明和緊急疏散指示標志。

        工作狀態指示:實驗室入口設有工作狀態顯示裝置。

        c. 自動控制

        雙機熱備自動控制系統:控制系統為冗余的雙CPU設計,冗余的雙通訊通道,冗余的雙電源供電。正常工作時互為熱備的控制器實時數據傳輸,確保雙CPU 程序的完全一致。正常工作時互為熱備的控制器實時數據傳輸,確保雙CPU程序的完全一致,如果主控制器發生故障,備用控制器會在一個掃描周期(一般為幾毫秒至幾十毫秒)內將起控制作用。

        控制算法: 我國在實踐中自主摸索出了更合適的控制算法、平衡點、起步頻率、控制回路的數學模型,使實驗室溫濕度、壓差的控制更穩定、更準確、更快捷。

        集成管理系統:安全防范系統、火災報警系統、冷水機組等通過接口接入了自控系統。一旦發生其他弱電報警如入侵報警、火災報警等。自控系統將及時通知設施管理人員,及時采取措施。

        報警方案:報警方案的設計考慮到“不漏報、不誤報、分輕重緩急、傳到到位”。比如人員正常進出實驗室導致的壓力波動,將報警相應時間延遲;壓力波動的持續時間只有超過人員正常開門、關門通過所需的時間,才會報警。報警還一般參數報警和重要參數報警,一般參數報警,不影響實驗活動繼續進行,包括過濾網阻力增大、風機正常切換、溫濕度偏離正常值,而重要參數報警可能需要停止實驗活動,包括實驗室出現正壓、壓力梯度持續喪失、風機切換失敗等。所有參數的報警都能在中控室接收到,緊急級別的報警,會觸發中控室和實驗室的聲光報警器。

        6、裝修要求

        P4實驗室裝修與普通建筑不同,頂、墻、地裝修用材差異很大,看看下面的圖就大概知道了,我們看到的大部分都是金屬表面。


                            我國P4室內,圖片來源:中新網

        地面:地面采用無縫防滑耐腐蝕材料,保證人員不滑倒,不給病毒細菌藏匿處??捎肞VC卷材、環氧自流坪、水磨石現澆或環氧樹脂涂層。

        墻面和吊頂:材料選用易清洗、消毒、不起塵、不開裂、光滑防水、耐擦洗,我國P4實驗室核心實驗區墻體由耐腐蝕的不銹鋼制成,采用激光焊接技術,由我國自主研發,具有更好的氣密性和耐久效果。

        相交位置:地面墻面, 墻面墻面相交位置采用圓弧設計, 減少衛生死角,便于清潔和消毒處理。

        檢修口:實驗室防護區頂棚不設檢修口,因為人孔、檢修口不容易密封,檢修口可以設在其它區域。

        外窗:P4實驗室不能設計外窗,我國P4實驗室在墻體安裝了雙層鋼化玻璃,緩解實驗人員在密閉環境中工作產生的壓抑感,但絕對不能開啟,且密封性非常高。

        門上設窗:門上必須設窗,這樣不必進入室內即可進行觀察,同時有助于提高防護區操作人員心里安全感。

        開門方向:實驗室的門開向壓力高的房間側,主要是考慮了工藝要求,逆著就是利用負壓把門縫壓得更緊,而不是為了門好開。

                              開門方向示意圖,Gerrit制

        充氣式氣密門:進入核心實驗室,需要經過層層充氣式氣密門。充氣式氣密門工作原理是向空心的密封圈中充注一定壓強的壓縮氣體使密封圈膨脹密閉門縫。

        充氣式氣密門開啟時,充氣密封條放氣收縮在凹槽內,關閉時,充氣密封條充氣膨脹,使門和門框之間形成嚴格密封。充氣門配有閉門器和電磁鎖,可實現單門控制和多門互鎖的功能。

        7、安全設計

        因為保存著眾多烈性病毒,P4實驗室的安全性要比其他的實驗室更高。安全包括四個方面,

        一是保護進入實驗室的人員的防護安全;

        二是防止實驗室有害物泄露到外部的環境安全;

        三是安全的進出流線設計;

        四是安全防范。

        a. 人員防護 

        人員進入實驗室時須身穿正壓防護服,看上去有點像“宇航服“,充入空氣后,整個服裝會膨脹起來,頭部采用全透明設計,方便研究人員觀察周圍情況;同時正壓工作服內配有耳麥,研究人員可以隨時與管控人員溝通。不允許一人進入P4實驗室防護區,一次至少兩人進入。

        離開實驗室時經過化學噴淋,確保身上有害物質不沾身。人員呼吸供氣都是單獨管道,與實驗室空氣隔離開,保證人員在實驗室里不吸入有害氣體。

        正壓防護服:這種防護服頭部是透明的充氣罩,下端連接著一條藍色的呼吸帶(國外P4實驗室有些是黃色的),呼吸帶另一端懸掛連接在屋頂的管道上。專門的生命支持管道會向防護服內提供新鮮呼吸空氣,研究人員在防護服內進行呼吸循環,和外界空氣不發生任何接觸。

        防護服內的正壓狀態可以讓正壓服離開供氣導管的兩分鐘時間內持續保障內部工作人員的呼吸供氣,也便于工作人員移動時更換供氣導管。


                                          藍色管線為氧氣系統,圖片來源:新華社

        b. 三廢排放 

        廢氣:對于實驗室可能產生的有毒氣體,實驗室通過有組織的負壓系統和管道,能讓任何有潛在環境威脅的空氣都不能自然擴散。再通過兩道高效過濾器,攔截空氣中有害病原菌,保證殘留病原不會釋放出去,見排風部分說明。2.對于實驗室可能產生的有毒廢棄物,比如說空氣,實驗室通過有組織的負壓系統和管道,能讓任何有潛在環境威脅的空氣都不能自然擴散。再通過兩道高效過濾器,攔截空氣中有害病原菌,保證殘留病原不會釋放出去。

        廢固:對于固體廢棄物比如紙屑、塑料管之類,實驗室通過兩葉高壓滅菌鍋中進行消毒做高溫滅菌消毒、打包裝袋,運到武漢市配套的醫療廢棄物公司做無害化焚燒處理。

        廢液: 化學淋浴產生的廢水和實驗室工作產生的重要有毒廢水將通過雙層下水道收集系統集中收集到污水處理站,并在135℃進行高溫消毒,無害化排放到市政管網,見給排水部分說明。

        c. 進出流線 

        不同于普通的實驗室,科研人員在進入P4實驗室工作之前必須要更換上專用的正壓工作服,并進行層層消毒,包括沐浴、緩沖等步驟,然后才能入內,整個過程至少需要花費半個小時。讓我們看下流線示意圖:


                                                       P4實驗室流線示意圖,Gerrit譯,圖片來源網絡


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