科學實驗室工程建設思路

宋俊國

（中船第九設計研究院工程有限公司，上海 200090）

廣義上講，凡是進行科學研究的建筑空間和場所，均稱為科學實驗室[1]。可以預見，隨著科學研究的深入開展，將有更多的科學實驗室開始建設，但目前在實驗室建設過程中存在著一些誤區，主要表現在建設理念方面，尤其是建設單位的決策人員、管理人員，他們的宏觀認知，決定了科學實驗室建設的成敗。因此，很有必要對實驗室工程建設的思路進行分析和總結，以便提高實驗室的建設水平。

1 科學實驗室工程建設過程中的主要誤區

國內科學實驗室起步較晚、發展迅速，工程建設水平良莠不齊，目前該領域主要存在以下幾個方面的問題。

1）忽視科學實驗室的高度定制化特性。

與普通民用建筑不同，科學實驗室有特定的工作內容、服務于某一特殊的工作對象，工作環境互換性差，屬于高度定制化的建筑。世界上沒有完全相同的兩個科學實驗室。國內省級的藥檢所、食品所、特檢院等，雖然檢測內容類似，但沒有哪個實驗室是可以完全復制的。有些建設單位的決策者在進行項目前期規劃時，將實驗室等同于一般的民用建筑，只注重外在的“形”，卻忽視了實驗室內在的特殊要求，由此帶來一系列設計及使用上的不合理。

2）設計模式和設計理念落后。

許多科學實驗室在建設時，仍然采用“實驗室建筑設計—實驗室建筑施工—實驗室工藝設計—實驗室工藝施工”的工作模式。該模式存在諸多問題，如沒有實驗室的特定需求作支撐，建筑設計中的建筑、結構、給排水、電氣、暖風、動力、環保等設計缺乏依據，甚至可能導致建筑施工完成即是改造的開始，從而浪費大量的人力、物力和時間。相反，好的工程項目，均舍得在工藝設計上花費大量精力。以2015 年開始的深圳市醫療器械檢測和生物醫藥安全評價中心為例，該項目包含電磁兼容、化學、微生物、生物安全、動物實驗室等內容，工藝復雜，但建設單位在工藝設計階段進行了廣泛調研、討論、評審等，工藝設計結束后，土建施工進展順利、很少返工。建設完成后，已成為國內藥檢領域的標志性建筑項目。

3）缺乏長遠和系統性規劃。

實驗室建設存在一定的盲目性和不確定性，有些建設者不夠清楚自己的短期目標和長期目標，為了建設而建設。有的單位在新建或改建實驗室時，對實驗室的功能、定位、發展和設備配置、共享等問題缺乏系統性考慮，導致辦公性質的實驗室出現。其中一個共性的問題是，在大量工藝設備資料缺失的情況下，貿然開始土建設計及施工，造成一些實驗室未能符合實際使用要求。如層高不足、工藝設備無法安裝；空調系統按照辦公要求設計，其負荷及排風無法滿足實驗要求；沒有為工藝設備預留安裝孔洞，導致土建驗收結束后依然無法投入使用等。

4）忽視實驗技術人員的基礎性作用[2]。

許多建設單位只注重購買先進的儀器設備，卻忽略了實驗技術人員在實驗室建設體系中起到的基礎性作用。具體的實驗室使用者、管理者對儀器設備的性質、規格、特點、環境要求及使用方法缺乏足夠了解，無法將儀器設備的各種需求反映在設計過程中，導致建設完成后，實驗室無法滿足儀器設備的要求，不得不重新對實驗室進行適應性改造。

2 科學實驗室的建設理念

2.1 工藝設計的必要性

科學實驗室由于工作內容的特殊性，必須進行定制化建設。工藝設計是定制化過程的具體體現。工藝設計是以使用方工藝需求為基礎，進行工程合規性加工，并指導土建公用專業完成相關設計，以達到使用方建設目標的動態、系統性設計。

工藝設計是整個實驗室建設過程中不可或缺的一環，沒有開展工藝設計的實驗室是沒有靈魂的。工藝設計的重要性在于聯接實驗使用人員和工程設計，起到了重要的橋梁作用，如圖1 所示。

圖1 工藝設計的橋梁作用

2.2 工藝設計必須先行

在實際工程建設中，有許多違背“工藝設計必須先行”的案例，令人惋惜。比如，某科學實驗室的建設，剛剛立項就馬上開始建筑設計，而工藝設計啟動較晚，導致項目設計出現許多硬傷。如平面布局沒有考慮人流、物流和氣流，導致功能混亂、流線不暢；豎向布局沒有考慮不同樓層的相互影響和風管排布，將化學類和生物類實驗室設置在低區，造成布局不合理；層高不足，沒有詳細論證工藝設備凈高，以及因工藝環境要求引起的風管變大，導致潔凈實驗室的風管沒有足夠安裝空間；空調機房面積不夠、貨梯尺寸不足等。這些原本可通過工藝設計的及時介入而避免。該項目在進行系統性工藝設計時，花費了大量時間和精力在設計階段對上述問題進行調整，甚至存在變動過大而無法通過上級審核的風險。由此可見，對于科學實驗室工程建設，工藝設計必須先行。

從某種意義上講，建筑設計是為工藝服務的，工藝設計決定了實驗室的合理性和先進性。合理的工程建設流程，必須重視工藝設計的重要性：工藝設計先行，設計由內而外，建設由外而內[3]。工藝設計主要具備5 個特點：指揮性、開放性、靈活性、定制性、系統性。工藝設計做得好，整個工程建設能夠“事半功倍”。工藝設計做得不好，工程建設會“事倍功半”，甚至“南轅北轍”。只有工藝設計先行，才能保證科學實驗室的建設始終朝著正確方向前進。

合理的實驗室建設流程可表述為“實驗室工藝設計—實驗室建筑設計—實驗室建筑施工—實驗室工藝施工”[3]。

2.3 可持續發展

建筑、資源和人類健康之間的聯系是可持續設計的三大重點，也是實驗室未來的發展趨勢[4]。可持續發展的目標是使實驗室建筑更高效地發揮作用，設計思路由單純的節約轉到更加注重優化。節約意味著減少實驗室的需要，是對使用者行為的改變；優化意味著利用更高效的設計方法滿足實驗室需求。節約的重點在于管理，優化的重點則在于設計。同時，科學實驗室工程建設中需要重點關注長期使用成本的節省，避免實驗室出現“建得起、用不起”的尷尬現象。科學實驗室可持續發展主要包括以下幾個方面。

（1）增加能量節約，提高能量效率。如實驗室采用變風量送排風控制系統、潔凈實驗室夜間設置非工作模式、余熱回用、冰蓄冷、使用節能燈具、高效空調、節能建筑材料、“綠色”實驗室家具等。

（2）減少或消除有害物質和廢物。設計中采用新工藝或新技術，減少或消除有害物質和廢物。如采用內循環試劑柜、自循環式生物安全柜等產品，可降低室內廢氣的排放量。

（3）循環再利用并增加再生產品的使用。如廢水凈化、雨水收集、中水回用，充分利用自然光、太陽能、風能、地熱能等資源。

（4）兼顧實驗室的未來發展。實驗室內部采用大空間、輕質隔斷、柔性吊頂、可移動家具、功能柱等，盡量兼顧實驗室的未來發展。

2.4 智慧實驗室

實驗室由于其使用的特殊性，大多存在設備數量多、能耗高、有一定危險等特點。在建成運行后，又產生了諸如設備管理非自動化、安全管理非智能化、環境管理非低碳化、資源管理非共享化等問題[5]，影響了實驗室能力的提升。

隨著我國經濟實力的增強以及科學技術的進步，智慧實驗室應運而生。關于智慧實驗室，目前并沒有統一的概念[6]。主流共識是將2008 年IBM 公司提出的“智慧地球”[7]中的“物聯化、互聯化、智能化”理念應用在實驗室建設中，通過多種技術手段，實現實驗室的高效運行。智慧實驗室是一個系統工程，至少包含以下三個層級[8]。

（1）感知層。實現數據采集，包括各種智能實驗設備、傳感器、攝像頭等。

（2）網絡層。實現數據傳輸，包括有線網、無線網、藍牙、4G/5G 網絡等。

（3）應用層。實現數據的智能化及可視化管理，包括各種監控及應用系統，可以在筆記本電腦、手機、平板電腦等多種形式的終端上顯示及操作，如樓宇自控系統、實驗室設施與環境管理系統、業務服務與管理系統、辦公管理系統等。

在智慧實驗室，其設施與環境管理系統、業務服務與管理系統是其兩大核心。實驗室設施與環境管理系統主要包括：信息通信、空氣品質管理、三廢處理、氣體供應、送排風控制等。通過科學的設施與環境管理，可以在提高實驗室舒適度的情況下，降低實驗室的能耗。業務服務與管理系統主要包括：檢驗檢測服務、實驗室資源管理、設備運維、危化品管理等。

科學實驗室在進行土建等硬件建設的同時，還需要有意識地加大對智慧實驗室的投入，盡可能多地預留出未來升級改造的空間和接口，最終實現實驗室的“智能化、安全化、可視化”運行[5]。

2.5 開放共享

通過建立“廣義共享”的概念，把人員、設備、環境、管理更為完整地融合在一個特定的空間內，從運營管理、基礎設施管理和信息管理三個方面提高實驗室的工作效率[9]。

3 科學實驗室工藝設計

3.1 工藝設計的主要原則

實驗室工藝設計可遵循以下主要原則。

（1）功能。滿足工藝要求和使用條件。

（2）技術。采用成熟、先進的工程技術。

（3）安全。主要保證人的安全，兼顧設備、樣品和數據的安全。

（4）經濟。提高材料和資源的利用率，降低初始投資和運營成本。

（5）環保。收集、治理、排放均嚴格執行國家環保規范。

（6）靈活。為實驗室未來的變化提供可能。

（7）智能。提高實驗室信息管理、環境控制、儀器設備的智能化及互聯、互動水平。

3.2 開展遞進式工藝設計

工程建設需要循序漸進，各階段解決各階段的問題，不進行超階段設計，更不要將本階段應該解決的問題遺留到下一個階段。按照國家現行的工程建設模式，各階段的主要工作內容如圖2 所示。

圖2 工程建設各階段主要工作內容

工藝設計在各階段必須明確以下內容：

（1）項目建議書：明確與工藝相關的建設內容。

（2）可行性研究：明確工藝建設方案、工藝平面區劃、工藝所需的水電氣總量、工藝設備配置及設備投資估算。

（3）初步設計：明確工藝平面布置、工藝詳細需求、工藝設備選型及設備投資概算。

（4）施工圖：明確各項工藝需求的點位數、具體位置、準確用量。

（5）工程施工：審核采購的工藝設備是否滿足設計要求，復核建設條件能否保障工藝設備運行。

3.3 充分開展工藝調研

科學實驗室工藝設計是高度定制化的工作，必須對建設單位的工藝需求進行充分調研，這是開展設計的基礎和依據。同時，使用方的需求又是一個動態變化過程，在調研過程中會被工程建設各參與方不斷影響和優化，工藝設計需求的調研過程如圖3 所示。

圖3 工藝需求的調研過程

設計調研分建設單位內部調研和外部調研兩 部分。

1）建設單位內部調研。

內部調研是向建筑設計提供輸入資料、形成工藝設計成果的主要依據。主要包括實驗室工藝流程、實驗室的功能及區域劃分、主要實驗室房間布置、實驗室的輔助及辦公面積、實驗室人員數量及組成、實驗室預留發展情況、實驗室工作班制、工藝設備的配置及設備需求情況、實驗室水電風動需求情況、實驗室主要存在問題和薄弱環節等。

2）外部調研。

外部調研是工程設計各系統可行性分析和概算審查的重要依據。主要包括同類實驗室案例調研（功能、管理模式、使用情況）、大型儀器設備的調研、復雜工藝系統的調研、對工藝專家的學習調研等。

3.4 采用標準化、模塊化設計

科學實驗室的主要特點之一是“多變”，日本一份調查報告顯示，實驗室建成后原封不動的僅占32%，大部分需要根據使用要求進行了改造，而且20%已經改建了5 次以上[10]。為了實驗室能夠有效、長期地進行工作，工藝通用條件應涵蓋大多數實驗設備的工藝需求，如結構荷載、水電氣等的預留，最大程度地滿足實驗室未來發展。

3.5 重點關注少數特殊需求

在設計過程中，需重點關注有特殊建設要求的工藝設備，這些設備通常都是關鍵設備和重要設備，雖然數量不多，但關系到整個建設項目的最終成效，其各項需求在工程建設時必須予以滿足。

實際設計過程中，常常出現實驗設備和工程建設相割裂的情況，要引起注意。為避免這種情況的出現，建設單位的實驗室使用者、管理者、工藝設計人員需對儀器設備的性質、規格、特點、環境要求及使用方法進行調研，收集設備的工藝需求，反映在工程建設過程中，避免實驗室的“二次建設”。

3.6 工藝設計的成果

目前，國內大多建設模式是由工藝專業向建筑相關專業提交工藝資料，以此作為各專業開展設計的基礎依據。在經過多輪資料交互、討論、修正后，工藝設計最終的成果主要包括但不限于以下幾項內容。

（1）工藝需求表。將調研的工藝需求經確認、合規性加工、整理后，對各建筑相關專業提出明確要求，并列表說明。

（2）重要工藝設備明細表。將布置在實驗室里的重要工藝設備及其各種建設需求進行總結，并列表說明。

（3）工藝圖紙。將工藝布局、工藝設備、結構荷載、水電氣需求等各種信息直觀地反映在工藝圖紙上。

（4）實驗室家具表。配合建筑專業和家具設備供應商，完善實驗室的家具配置，并列表說明。

4 結語

在科學實驗室的建設過程中，必須遵循“工藝設計先行”的建設理念，逐步開展遞進式工藝設計，充分調研建設單位的使用需求，重點關注少數特殊設備的工藝要求，采用標準化、模塊化設計，融合數字化、智能化的設計理念，工程建設各參與方通力合作，共同建設高效、規范的科學實驗室。