动物实验室的建筑设计与施工

1 　前言

在去年的“非典型性肺炎”疫情爆发后,面对新的严峻形势,国务院、国家发改委、卫生部决定大力加强疾病预防控制中心的建设。随着生物科学研究的日益发展,更安全、更先进的生物安全实验室的需求十分迫切,具有生物安全防护的先进的动物实验室的需求也随之急剧增长起来。很多不同危害程度的染毒实验都需要在动物身上进行,也就迫切需要建造一批相应的动物生物安全实验室。

2 　生物安全的基本概念及生物安全实验室的分级和工艺要求

2. 1 　生物安全的涵义

所谓生物安全是指人们对于由动物、植物、微生物等生物体给人类健康和自然环境可能造成不安全的防范,目的在于防其弊、用其利。生物安全是一个系统的概念,即从实验室研究到产业化生产,从技术研发到经济活动,从个人安全到国家安全,都涉及到生物安全性问题。生物安全又是一个广义的概念,它包括外来物种迁入和环境改变造成的影响,以及科学研究中经遗传修饰的生物体和危险病原体等可能对人类健康、生存环境造成的危害等等。

2. 2 　生物安全实验室的分级

根据所操作的生物因子的危害程度和采取的防护措施,将生物安全防护水平(biosafety level , BSL)分为4 级, Ⅰ级防护水平最低, Ⅳ级防护水平最高。一般以BSL - 1 、BSL - 2 、BSL - 3 、BSL - 4 表示实验室的相应生物安全防护水平;以ABSL - 1 、ABSL - 2 、ABSL - 3 、ABSL - 4 表示动物实验室的相应生物安全防护水平。生物安全实验室的分级见表1 。

2. 3 　生物安全实验室的工艺要求

正确确定实验室的生物安全级别是规划建设实验室的第一步,不同危害程度的实验应在相应的生物安全实验室里进行。按照国际惯例和我国即将执行的标准,对不同危害程度的生物安全实验室提出了相应的工艺要求,详见表2 。下面结合工程实例,着重探讨一下ABSL - 3 动物实验室的建筑设计与施工的特殊性。

3 　ASBL - 3 动物实验室的建筑设计与施工

3. 1 　设计原则及相应规范

首先,不同类型的生物洁净室必须遵循相应的规范要求,不了解这些规范,是无法进行设计施工的。表3 所列的规范是在设计ABSL - 3 动物实验室时必须遵循的。

3. 2 　平面布置

3. 2. 1 　总平面设计

按照《实验室生物安全通用要求》的规定,ABSL- 3 动物实验室应在建筑物中自成隔离区(有出入控制) 或为独立建筑物。而在《生物安全实验室建筑技术规范》(报批稿) 中,则更明确更具体表达了这方面的要求:距离公共场所和居住建筑至少20M,主实验室所在建筑物离相邻建筑物或构筑物的距离宜不小于相邻建筑物或构筑物高度的1. 2 倍。同时《, 实验动物环境及设施》中又规定了动物实验楼要求与生活区保持大于50M 的距离。设计时自然每个规范都要满足,哪个值高就取哪个。

3. 2. 2 　建筑平面设计

ABSL - 3 动物实验室建筑平面不仅需要满足一般生物安全实验室的相应要求,还要考虑动物饲养、动物实验和动物尸体及排泄物处理等过程中产生的潜在生物危害的防护。作为设计人员,需要努力地把它做得更好、更优化。图1 为正在设计中的一工程实例的平面布置图,以此对设计要点和设计经验加以总结。

ABSL - 3 动物实验室由清洁区、半污染区和污染区组成,在各区之间均需设置缓冲间,即所谓的“三区二缓”。图1 中的图例明确表示了各房间的污染程度,其中动物饲养实验室与解剖室往往是整个系统中污染最为严重的地方。在一般动物房设计中,常见的做法是实验房间直接与走廊相连,没有缓冲空间。而在ABSL - 3 动物实验室的设计中,最显著的特点是在动物实验室两侧带前室(靠近清洁走廊) 和后室(靠近污物走廊) 。

前室在生物安全上具有缓冲作用,而后室靠近污物走廊,可以更好地防止污物走廊对房间的影响。因此,前室与后室的设置对ABSL - 3 动物实验室是至关重要的。在本工程实例中,动物安全实验室不仅做着染毒实验,而且很多实验室串联在一起,最怕引起各个房间之间的交叉感染。ABSL - 3 动物实验室设计中

很重要一点就是人、物、动物、笼具等的流动路线均必须严格按照单向流的原则,所以在平面设计时采用双走廊的布置型式,避免洁物与污物的交叉。污物经污染区走廊直达污物暂存,进行高压灭菌清洗。同时在人员进出路线上也重点考虑染毒实验后,使用过的外衣在洗衣之前也必须高压灭菌。以下是人流和实验动物的主要流线。

人员流线如下:

3. 3 　消防设计

消防设计也是ABSL - 3 动物实验室设计的一大难点。现行防火规范的主要目的是建筑物着火后尽快将它扑灭,同时使人员尽快疏散。而对于生物安全实验室,一旦着火,财产损失不是最重要的,最重要的是防止有害微生物的泄漏、微生物的扩散可能给社会造成很大的影响和严重后果。因此,整个ABSL - 3 动物实验室区域设计成“燃尽为止”,消防措施的目的是只解救生命而不灭火。灭火要从外部控制,使之不会蔓延。

在这个指导思想下,自动喷淋系统就不能在ABSL - 3 动物实验室中采用了。在普通建筑中。喷淋系统能起到很好的抑制火灾的作用,但在ABSL -3 动物实验室内,如喷淋头向下喷水,整个实验室的洁净环境全部破坏,而已染毒的动物和实验物品很可能借水势迅速扩展,后果不堪设想。所以在本设计中,把ABSL - 3 动物实验区设置成独立的防火分区,满足防火规范对于防火分区的面积要求,并能控制火势的蔓延和扩大。在实验区可设置可以控制的灭火器,在实验区外则可布置喷淋系统,起到阻断火势的作用。

与其他设计不同的是,在ABSL - 3 动物实验室设计中,安全疏散的同时如何防止有害微生物的扩散似乎是很重要的题目。《实验室生物安全通用要求》中规定了ABSL - 3 动物实验室在半污染区应设供紧急疏散使用的安全门,这对于布置复杂的平面疏散具有积极意义。同时,由于ABSL - 3 动物实验室设门出入控制,主实验室和缓冲室的门也采用联锁控制,所以规范规定了当出现紧急情况时,所有设置联锁功能的门必须处于可开启状态,这样就确保了火灾发生时实验室内人员的安全疏散。

同时,规范还规定了ABSL - 3 动物实验室应设在耐火等级不低于二级的建筑内,这就对房屋的结构及装修材料提出更高的要求。

3. 4 　建筑设备要求

为防止有害微生物逃逸到环境中去,实验室需要做成负压环境。按照《生物安全实验室建筑技术规范》(报批稿) 的要求,ABSL - 3 动物实验室中主实验室与室外方向上相邻相通房间的最小压差为-10Pa ,其中主实验室最小负压不应小于- 40Pa ,解剖室不应小于- 50Pa。同时《, 实验动物环境与设施》中又规定了动物实验区的清洁程度为一万级,为此又要采取正压措施。为解决这对矛盾,设计时在采取实验室通往室外方向逐级减小负压值的基础上,在二更处采用正压措施,使整个区域的洁净度得到保障。图2 中表示了主要房间的相对压差数值,这是进行暖通设计的基础。由于在实际操作中,5Pa的压差控制有些困难,因此在具体设计时在此基础上会作部分调整。当然,为保证安全必须采用全新风系统,不得采用循环回风。

ABSL - 3 动物实验室也强调了供电对其的重要程度。实验室应采用一级负荷供电,当按一级负荷供电有困难时,应设置不间断电源。同时,实验室的主要设备,包括生物安全柜排风机、实验室空调通风的排风机、事故照明、动物笼具、动物隔离器、自动报警监测系统等,为保障实验室安全均需设置不间断电源。

当然,规范也对给排水、自动控制等各专业提出相应的要求,如规定ABSL - 3 动物实验室中半污染区和污染区的排水应专门收集并消毒灭菌处理,当负压梯度超过设定范围时应设声光报警,等等,在设计中均需一一遵守。

3. 5 　建筑材料与施工

一切建筑设计均需通过优质的材料及良好的施工来体现。在ABSL - 3 动物实验室的材料与施工中,必须有防止动物进入和外逃的措施,而维护结构的强度和密闭性能是最为关键的。

ABSL - 3 动物实验室的隔墙及顶棚一般在设计中采用夹芯彩钢板。彩钢板的强度计算应满足空气负压造成对隔墙和顶棚的空气压力,在材料选择上也要满足防火规范关于耐火时间的要求。在一般动物房或洁净室设计中,隔墙采用的是50 厚的岩棉夹芯彩钢板,板宽为1200 ,而ABSL - 3 动物实验室的则必须采用特殊的结构。本工程隔墙采用了中空的石膏彩钢板结构,整个墙厚度为100 ,板宽设计为900 。

一方面石膏彩钢板本身的板材强度大于岩棉夹芯彩钢板,加上减小板宽和龙骨间距等措施,使它的强度完全可以达到设计要求。另一方面,电气等管道可以利用墙板中的空间,以免这些技术管道穿墙时成为生物安全防护的薄弱点。图3 为此种隔墙的构造详图。吊顶无需采用中空系统,但动物实验室的吊顶内通常有很多风管、阀门等设备及管线,因此吊顶适宜选用可上人彩钢板,蜂窝夹芯彩钢板或岩棉夹芯彩钢板均可采用。值得一提的是,这些彩钢板的表面必须被覆抗消毒剂、可清洗的涂层。

门的质量对房间的密闭性能和压力的调节非常重要。一般动物实验室或洁净室采用彩钢洁净门,密闭效果很不理想。在ABSL - 3 动物实验室设计中,门和门框必须采用实心结构, 门必须能自动关闭。本工程设计中采用专门的钢制密闭门,由双层厚钢板夹芯制成,下面设有活动门槛,关门后门槛自动下降将门缝密封住。

在国外三、四级生物安全实验室实例中,采用一种气体密封门(Gastight - door) ,门关闭时机械压紧和气体密封同时工作,密闭性能大大提高,在工程设计中也可以加以运用。同时,风口、电气插座与墙交接处也要采用优质的密封胶进行密封,才能保证整个房间的密闭性。

在ABSL - 3 动物实验室设计中,以下一些方面的原则也是我们必须遵循的:地面设计必须采用无接缝、防毒气、防化学的整体地坪,如环氧自流平等;踢脚必须与墙齐平或略为缩进;墙与地面、维护结构地交角必须采用圆弧处理;不设置外窗,如设置观察窗时需采用安全玻璃,并采取密封措施。

4 　结束语

动物安全实验室,是近年来发展起来的一个新的建筑类型,而它的建筑设计与施工,也是一个跨学科的全新领域。生物安全实验室的建设是综合性的系统工程,必须在领会各相关规范精神的前提下,严格按照基本建设程序进行设计。作为一名建筑设计人员,深感任重而道远。