BSL-3實驗室工程設(shè)計案例探討

郟黎

（福斯特惠勒（河北）工程設(shè)計有限公司，上海 200122）

2003年突如其來的非典（SARS）疫情，2009年甲型H1N1流感疫情，2010～2012年由此病毒變異的HxNx疫情不斷升級，各類公共衛(wèi)生事件和由自然災(zāi)害引發(fā)的疫情，甚至各種未知情況產(chǎn)生的新疫情時有發(fā)生。國家有關(guān)部門對各類生物安全實驗室的需求越發(fā)迫切，而設(shè)計建設(shè)要求也越發(fā)規(guī)范和嚴(yán)格。

為了規(guī)范生物安全實驗室的設(shè)計和建設(shè)，2009年7月1日，在對《實驗室生物安全通用要求》GB 19489-2004版進行大幅修訂和內(nèi)容增加的基礎(chǔ)上，我國頒布實施了該標(biāo)準(zhǔn)的2008版，這是一部對于生物實驗室類工程設(shè)計的指導(dǎo)性規(guī)范；而2012年5月1日實施的GB 50346-2011《生物安全實驗室建筑技術(shù)規(guī)范》則規(guī)定了在實驗室設(shè)計、建設(shè)、運行過程中的土建、消防、強弱電、自動控制、給排水的要求。

本文將著重圍繞上述兩個規(guī)范，結(jié)合一個生物安全實驗室工程設(shè)計實例展開討論。

1 生物安全實驗室及安全防護

生物安全實驗室（Biosafety Laboratory），也稱生物安全防護實驗室（Biosafety Containment for Laboratories），是通過防護屏障和管理措施，能夠避免或控制被操作的有害生物因子危害，達到生物安全要求的生物實驗室和動物實驗室[1-2]。

1.1 生物安全實驗室的特點

首先生物實驗室從事的實驗性質(zhì)決定了它不僅是一項已知高風(fēng)險的工作，甚至還有可能產(chǎn)生未知高風(fēng)險危害。因此生物實驗室的安全性考量必須擺放在生物實驗室設(shè)計的第一位。實驗室工作人員應(yīng)事先了解所從事活動的風(fēng)險及應(yīng)在風(fēng)險已控制在可接受的狀態(tài)下從事相關(guān)活動。所謂可控狀態(tài)，就是生物安全防護所采取了必要措施后達到的安全結(jié)果，可控狀態(tài)是目的，安全防護則是方法。

1.2 安全防護

安全防護主要歸納為以下幾點：立項期的評估方面，建設(shè)期的設(shè)計施工安裝方面，生產(chǎn)期的操作和管理方面[1]。

當(dāng)實驗室活動涉及致病生物因子的時候，該生物實驗室的建設(shè)在得到所在生物安全主管部門批準(zhǔn)之前，必須要有相應(yīng)的風(fēng)險評估報告，包括研究對象、相關(guān)動物、實驗人員、周圍環(huán)境、設(shè)施設(shè)備的風(fēng)險等。生物實驗室建設(shè)期的物理防護措施包括：定義各類生物安全實驗室級別、對應(yīng)各類級別實驗室設(shè)計的不同要求、嚴(yán)格的管理和安全的操作等。GB 19489對生物安全實驗室分級情況作了詳細的描述，其中BSL-3實驗室被定義為 “生物安全防護水平為三級的實驗室適用于操作能夠引起人類或者動物嚴(yán)重疾病，比較容易直接或者間接在人與人、動物與人、動物與動物間傳播的微生物。”[1]。另外，根據(jù)所操作的致病性生物因子的傳播途徑，BSL-3實驗室還分為a類和b類，a類指操作非經(jīng)空氣傳播生物因子的實驗室；b類指操作經(jīng)空氣傳播生物因子的實驗室。bl類生物安全實驗室指可有效利用安全隔離裝置進行操作的實驗室；b2類生物安全實驗室指不能有效利用安全隔離裝置進行操作的實驗室。

在設(shè)計BSL-3實驗室時，在遵循國家各類建筑、消防、環(huán)保等相應(yīng)的法律法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)生物實驗室的特殊要求，必須在平面布局、圍護結(jié)構(gòu)、空調(diào)、給水和供氣、排污滅菌、電氣、自控監(jiān)視及報警等各方面進行特別的設(shè)計；同時，在實驗室設(shè)備（生物安全柜、離心機等實驗室操作設(shè)備）和個體防護設(shè)備等方面也必須根據(jù)對應(yīng)的實驗操作進行合理規(guī)范的選擇[4]。我們必須清楚地認(rèn)識到，絕大多數(shù)生物安全事故的根本原因是缺乏生物安全意識和不當(dāng)管理，因此，完備的安全體系是生物安全實驗室正常運行的根本保證。

2 生物安全實驗室設(shè)計

2.1 實驗室選址

GB 19489指出 “實驗室選址、設(shè)計和建造應(yīng)符合國家和地方環(huán)境保護和建設(shè)主管部門等的規(guī)定和要求。”[1]。選址包括：充分利用城市基礎(chǔ)設(shè)施；地形規(guī)整，交通方便；避讓飲用水源保護區(qū)；避開化學(xué)、生物、噪聲、振動、強電磁場等污染源及易燃易爆場所；實驗用房宜與辦公等其他功能用房分開設(shè)置，不同類別實驗室建筑宜獨立設(shè)置，合理分區(qū)；實驗室建筑宜處于最小風(fēng)頻上風(fēng)向[4]。

2.2 BSL-3實驗室的工藝設(shè)計

圖1，圖2為某BSL-3實驗室的實例，該實驗室主要針對“可有效利用安全隔離裝置操作常規(guī)量經(jīng)空氣傳播致病性生物因子”進行研究分析，級別劃分為BSL-3，b1類。布置方案詳見圖1，圖2。

圖1，圖2為某BSL實驗室的核心防護區(qū)域劃分圖和潔凈區(qū)域人物流走向圖。在圖1中可見，本實驗室的核心區(qū)為3間BSL-3實驗室及其對應(yīng)配套的消毒間和氣鎖間；而防護區(qū)主要以IOS Class 8（以下簡稱C8）級走道、準(zhǔn)備間、主要人流進入退出區(qū)域組成。整個防護區(qū)被鋼筋混凝土墻所包裹，而核心區(qū)則被防護區(qū)分割包圍，其余區(qū)域為輔助工作區(qū)。

物流方面結(jié)合布置主要分以下三個區(qū)域進出。物流主要包括：實驗材料、實驗用工器具、實驗污物（實驗后廢棄物和實驗后工器具）三方面。

圖1，圖2中，左側(cè)區(qū)域為“清潔進入?yún)^(qū)”，是實驗材料、實驗工器具的主要進口。實驗材料暫存于暫存間，外清后通過傳遞窗進入IOS Class 7（以下簡稱C7）級處理前室，拆包整理后部分經(jīng)由滅菌柜傳入C8級準(zhǔn)備室，另一部分無需滅菌的材料經(jīng)過傳遞窗進入準(zhǔn)備室備用；實驗工器具先置于工器具待洗暫存間暫存，需要使用時經(jīng)過傳遞窗進入C7級工器具洗滌滅菌間進行清洗后通過滅菌柜滅菌進入準(zhǔn)備間備用。

右側(cè)區(qū)域為“污物處理區(qū)”，實驗污物打包后經(jīng)由核心區(qū)消毒室內(nèi)滅菌柜滅活處理，人員從防護區(qū)外圍C7級走道取走污物包，實驗廢棄物在污物處理間通過傳遞窗送至區(qū)域外焚燒爐焚毀，而實驗后工器具完全滅活后則去工器具暫存間暫存。

圖1 BSL-3實驗室防護核心區(qū)劃分圖

圖2 BSL-3實驗室人物流及潔凈區(qū)域劃分圖

中間區(qū)域為“實驗操作區(qū)”，由3個“BSL-3實驗室”和外圍的防護區(qū)組成。主要進行實驗操作、檢測、化驗等工作。

空調(diào)機房、配電間、監(jiān)控機房等分別設(shè)置在防護區(qū)左右兩側(cè)。

人流方面也分為三個部分。其中實驗操作人員還設(shè)置了專門獨立的進出通道。

中央“實驗操作區(qū)”實驗人員攜打包的防護服由實驗室中下方換鞋→脫工作服置于衣柜→穿防護服→氣鎖進入防護區(qū)C8走道，于準(zhǔn)備間取出所需實驗物品和器材置于各BSL-3實驗室的傳遞窗中，然后通過BSL-3實驗室氣鎖間進入核心實驗室進行操作。下班時則由氣鎖→C8走道→氣鎖→脫去隔離服置于滅菌柜→淋浴→穿回工作服→穿鞋退出實驗區(qū)。實驗用的隔離服必須經(jīng)過滅菌柜滅菌后收集至區(qū)域外的洗衣間洗衣整衣打包后由下次實驗人員帶入。右側(cè)“緊急淋浴”，“緊急氣鎖”為緊急狀態(tài)下人員撤離通道，將在2.4節(jié)詳細闡述。

“清潔進入?yún)^(qū)”內(nèi)，工器具和實驗材料處理人員則從左下側(cè)換鞋→更衣→氣鎖進入C7級的工器具洗滌滅菌間和處理前室進行操作。

“污物處理區(qū)”內(nèi)，污物處理人員由右下側(cè)換鞋→更衣→氣鎖進入C7走道處理回收滅菌后的實驗污物和實驗工器具。

核心區(qū)BSL-3實驗室配置了實驗用的分析儀器和生產(chǎn)用的生物設(shè)備，如：生物安全柜、離心機、色譜儀、電子天平等。本方案所有實驗操作均須在生物安全柜中進行，因此，生物安全柜是本方案中最重要的防護設(shè)備。

生物安全柜（Biological Safety Cabinet）側(cè)重于保護操作人員和環(huán)境，是為操作原代培養(yǎng)物、菌毒株以及診斷性標(biāo)本等具有感染性的實驗材料時，用來保護操作者本人、實驗室環(huán)境以及實驗材料，使其避免暴露于上述操作過程中可能產(chǎn)生的感染性氣溶膠和濺出物而設(shè)計的[3,5]重要實驗設(shè)備。根據(jù)生物安全防護水平的差異，生物安全柜可分為I級、II級和III級三種類型。不同級別、種類的生物安全柜與空調(diào)排風(fēng)系統(tǒng)的連接方式參見表1。

表1為生物安全柜選型的最低要求。II級B型生物安全柜均為連接排氣系統(tǒng)的安全柜。連接安全柜排氣導(dǎo)管的風(fēng)機連接緊急供應(yīng)電源，目的在斷電下仍可保持安全柜負壓，以免危險氣體泄漏。其前窗氣流速度最小量或測量平均值應(yīng)至少為0.5m/s(100fpm)。根據(jù)本次設(shè)計的目的和要求，綜合考慮各種型號的生物安全柜的特性和設(shè)備參數(shù)后。本方案最終選擇的是II級B2型（BSC-II B2）。

表1 不同級別、種類的生物安全柜與空調(diào)排風(fēng)系統(tǒng)的連接方式[2]

2.3 安全屏障設(shè)計

BSL-3實驗室的設(shè)計需要著重突出對操作人員安全保障的理念，即合理有效設(shè)置 “生物安全屏障”[5]，包括：建筑圍護屏障、潔凈空調(diào)屏障、給排水屏障、供電及監(jiān)控屏障等。

在本方案中，防護區(qū)外圍使用了鋼筋混凝土材料，增加了圍護強度，區(qū)域內(nèi)部隔斷主要采用彩鋼板包裹，便于清潔和消毒滅菌，吊頂及地面與墻面的交接處均作半徑不小于30 mm的圓弧處理，踢腳與墻面平齊。設(shè)計中綜合考慮了圍護結(jié)構(gòu)的嚴(yán)密性與清潔滅菌的可操作性。

通常，潔凈空調(diào)的設(shè)置是保持潔凈廠房正常運行，保障產(chǎn)品不受生產(chǎn)、人員污染的重要手段。而在BSL-3實驗室中，通風(fēng)空調(diào)更是實驗操作者重要的保護屏障。在操作設(shè)備誤操作或者失靈的情況下，通風(fēng)系統(tǒng)能在第一時間保護操作人員并防止有害氣溶膠泄漏。故而潔凈空調(diào)設(shè)計是BSL-3實驗室設(shè)計的重要部分。GB 19489指出，“應(yīng)安裝獨立的實驗室送風(fēng)系統(tǒng)，確保在實驗室運行時氣流由低風(fēng)險區(qū)向高風(fēng)險區(qū)流動，……”[1]，GB 50346則在“二級屏障主要技術(shù)指標(biāo)”中詳細說明了如何設(shè)計各房間的壓差情況，詳見表2[2]。而本方案的具體壓差信息可詳見圖1中各防護區(qū)相對壓差值的描述。通過房間相對壓差的設(shè)置，保持正確的氣流方向，保證氣流始終從低風(fēng)險區(qū)向高風(fēng)險區(qū)流動。本方案實驗室的潔凈度為C8級和C7級。送風(fēng)須經(jīng)過高效過濾器過濾，通過空調(diào)機組運作提供適當(dāng)?shù)膿Q氣次數(shù)，保證操作房間內(nèi)的塵埃粒子數(shù)，防止周圍環(huán)境對實驗菌種的污染，保障實驗的正常進行。排風(fēng)方面嚴(yán)格遵循GB 19489對于BSL-3實驗室排風(fēng)的要求，防護區(qū)排風(fēng)采取實驗室頂端風(fēng)口高效過濾＋全排風(fēng)保證帶有活菌污染的氣溶膠不能影響其他區(qū)域。

表2 生物安全主實驗室二級屏障的主要技術(shù)指標(biāo)[2]

GB 50346明確指出“生物安全實驗室防護區(qū)的給水管道應(yīng)采取倒流防止器或其它有效防止回流污染的裝置，并且這些裝置必須設(shè)置在輔助工作區(qū)。”[2]因此本方案設(shè)計時，在可能因背壓，虹吸等因素導(dǎo)致的給水（包括：純水、熱水）回流的管道系統(tǒng)中增設(shè)了止回閥或者氣體隔斷裝置，保證了給水和給氣管路流向的單向性。另外，每個BSL-3實驗室均配備了緊急噴眼裝置。排水方面，核心區(qū)內(nèi)不設(shè)置排水地漏，而防護區(qū)內(nèi)的排水均根據(jù)壓差要求設(shè)置存水彎和液封，并在液封處添加了足夠的消毒液以保證排水的安全，所有的排水均獨立回收至指定的滅活系統(tǒng)進行滅菌處理。

根據(jù)GB 50346要求，本實驗室按1級負荷供電，生物安全柜等關(guān)鍵設(shè)備均配備了45 min（規(guī)范要求不小于30 min）的UPS電源。核心區(qū)內(nèi)BSL-3實驗室采取聲光和顯示兩種報警信號。核心區(qū)內(nèi)所有房間均配備緊急報警按鈕，并配置了相應(yīng)的監(jiān)控設(shè)備，以確保安全生產(chǎn)操作。同時，在右側(cè)緊急出口處設(shè)置緊急撤離用的互鎖解除裝置。

2.4 消防

在本方案中，整個防護區(qū)外墻均為鋼筋混凝土材料，耐火等級二級，吊頂同樣為耐火等級二級。緊急逃生門和所有的防火門均為甲級防火門。

防護區(qū)外圍C7走道兼做逃生走廊，終點設(shè)置在右側(cè)緊急淋浴，緊急氣鎖后。在緊急狀況下人需經(jīng)過緊急噴淋后疏散，這樣有效的避免了污染物被攜帶出實驗區(qū)造成的更嚴(yán)重后果。同時，考慮了火災(zāi)情況下人的生命安全和保證活性帶菌物不能帶出實驗區(qū)兩種情形，故而防護區(qū)C7走道通過混凝土隔墻分隔，與核心區(qū)以及部分防護區(qū)獨立為兩個不同的防火分區(qū)（見圖1混凝土墻分隔的表示）。

水噴淋會導(dǎo)致火災(zāi)時控制區(qū)內(nèi)的有害氣溶膠和有害生物因子大量外泄，造成不可估計的危害和損失，GB 50346中也提出“三級和四級生物實驗室防護區(qū)不應(yīng)設(shè)置自動噴水滅火系統(tǒng)……”[2]因此，防護區(qū)內(nèi)禁止使用水噴淋系統(tǒng)。滅火器選用了“移動型煙諾盡滅火器”等特定的型號。

3 結(jié)論與展望

綜上所述，生物實驗室的設(shè)計完善與否將極大的影響整個生物安全實驗保障的體系。作為一個設(shè)計者，嚴(yán)格遵循國家法律法規(guī)，選用更先進更穩(wěn)定的設(shè)備，合理有效的布局，完善的自動化控制方案都是保證生物實驗室更安全更穩(wěn)定工作的前提。因此，對于BSL-3實驗室的設(shè)計理念就是要將安全性放在首要的位置。同時在滿足了安全性和工藝生產(chǎn)之后，如何更好提高經(jīng)濟性，例如如何降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗，降低設(shè)備運行的成本等將是未來該類生物實驗室的主要設(shè)計思路。

[1] GB19489-2008 實驗室生物安全通用要求[S].

[2] GB50346-2011 生物安全實驗室建筑技術(shù)規(guī)范[S].

[3] 程華.生物安全防護技術(shù)在P3實驗室設(shè)計中的應(yīng)用和研討[J].醫(yī)藥工程設(shè)計增刊,2007, 28: 84-88.

[4] 趙肖兵.關(guān)于《生物安全實驗室建筑設(shè)計規(guī)范》中一些條文的探討[J].醫(yī)藥工程設(shè)計，2005，26(5)：12-15.

[5] 張明. 生物安全實驗室建筑技術(shù)規(guī)范GB50346-2011強制性條文解析[J]. 江蘇建筑, 2012, 1:107-109.