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打造最完美的实验室

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--工艺先行理念在实验室设计与建设中的应用
2017-03-06 10:45
来源:实验与分析
张桂玲 王成城 李思远
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  工艺先行理念是“专业的使用者”、“专业的设计者”和“专业的建设者”三方有机结合的纽带。要求实验室负责人在实验室建设之前,首先根据实验室业务需求对实验室建筑开展基于工艺的设计,避免由于建设方缺乏实验室业务运行与工艺相关经验,出现建筑布局不当、面积安排不合适、标准太低以及配套设备难于达到设计要求等问题,从而保障实验室业务的顺利运行。

  概述

  检验检测实验室作为从事科研、计量、检测等科学研究与实验的场所,其水平与国家科技与经济的发达程度息息相关,直接影响国家科技的进步和国民经济的发展。目前,国内的科研趋势发展迅猛,科技产业园也如雨后春笋般在各地涌现。但目前在国内实验室建筑设计方面,没有专业的标准和规范当作准绳,建筑设计落后于科研行为及实验工艺要求,甚至导致建好的实验室因存在安全隐患无法使用,造成不必要的资源浪费,亟需以科学的理论指导突飞猛进的实验室建设工作。因此,工艺先行理念作为“专业的使用者”、“专业的设计者”和“专业的建设者”三方有机结合的纽带,是开展以实验室为代表的技术性科研机构建设的核心理念,更是一线技术人员从大量实验室设计案例中获取的经验总结。

  实验室设计与建设现状

  目前,由于工艺先行的设计理念并未完全被接受,导致我国实验室建设存在诸多问题,主要体现在:

  (1)没有周密全面的规划。很多城市没有周密的城市区域规划,城市布局混乱,市区建筑见缝插针,影响各个领域的发展。体现在实验室建筑方面,实验室设施选址不当,实验室建筑与其所在环境互相产生不良干扰。对于这些情况城市规划建筑管理上没有一定的标准,形不成合理的解决方案。国家、区域及城市均应制定周密的全面规划(城市总体规划、实验室设计规划、实验室建设规划等)以指导实验室建筑设计工作。

  (2)土建设计落后于实验室建筑工艺的要求和发展。有的审批单位对投资、面积、标准方面的限制与实际差距太大;设计人员对科研工艺没有较为透彻的了解和认识。调查表明,往往由于建筑布局不当、面积安排不合适、标准太低以及配套设备难于达到设计要求等问题,建筑本身所能提供的条件严重影响了科研活动的进行。建筑设计缺乏科学性的原因是多方面的:建设方缺乏规划建筑知识、设计人员未能深入熟悉工艺、某些不适宜的行政干预等。

  (3)标准化的实验室设计与建设缺少应用。虽然,目前国家已经颁布了《检验检测实验室设计与建设》系列标准,但由于实验室功能复杂,既包括实验功能,又包括研究、办公,甚至是小型生产开发功能,而且不同科技产业类型(生物、化学、电子等)的实验工艺对土建及设备的要求不同。同时,实验室建筑要适合实验室工作的特点,技术要求高,有些有防震、隔声、耐腐蚀、恒温、净化等要求,具有复杂的管线设备。因此,实验室的设计与建筑标准比一般办公建筑标准高,实施过程中也存在大量困难,需要专业的技术人员进行大量的分析与总结,寻找与实验室工艺最契合的设计方案。

  (4)不够重视实验室工作的适应性研究。实验室工作的主要特点之一是“多变”,日本一份调查报告,显示实验室建成后原封不动的仅仅占32%,大部分都根据使用要求进行了改造,而且20%已改建五次以上。在我国这种情况也非常普遍。在科技飞速发展的今天这种趋势越发明显,为了实验室能够有效地、长期地进行工作,国外实验室建筑的趋向是扩大建筑空间组合,增加建筑进深尺度,提高建筑的灵活性和适应性;提高建筑装修质量,采用先进技术设备;实验台、排气柜等实行专业化、商品化、系列化,提高其质量。充分发挥新技术的优势,使之保持与时代发展同步,体现时代精神。同时也要注意采用适宜技术策略根据地区条件进行设计,尤其注意在安全、节能、环保等方面的设计,实现技术层面的可持续发展。

  工艺先行理念

  目前,在欧美等发达国家,实验室设计与建设已经逐渐成为一种日益成熟的综合技术。实验室设计及建设的重点是满足检测产品和检测项目的需求。同时,考虑实验室的服务特征、实验室的发展定位等因素,为员工和顾客提供良好认知的空间。

  我国实验室发展,20世纪的实验室主要采用水泥瓷砖或普通木头与油漆建设,水平相对落后;21世纪初,开始出现专业的实验基础设备,但大部分实验室还处于把资金投向仪器而并不重视实验室环境工程建设的阶段;近年来,我国在实验室基础建设方面转入了整体工程建设的快速发展时期,在实验建筑装修、系统工程建设、科研检测仪器配备等方面都加大了投入。

  但是,由于缺少专业的实施方案,通常实验室的使用者重点关注仪器设备,设计者仅依据行业通用准则进行设计并指导施工,导致部分设施难以与实验室仪器设备相契合,只有将“专业的使用者”、“专业的设计者”、“专业的建设者”三方有机的结合起来,才能在实验室建设的全寿命周期内,系统的考虑实验室设计及规则需求,形成“专业的使用+专业的设计者+专业的建设者=现代化实验室”的模式。

  工艺先行的理念即要求在实验室建设之前,首先根据实验室业务需求对实验室建筑开展基于工艺的设计,避免由于建设方缺乏实验室业务运行与工艺相关经验,导致审批单位对投资、面积、标准方面的限制与实际差距太大,出现建筑布局不当、面积安排不合适、标准太低以及配套设备难于达到设计要求等问题,从而保障实验室业务的顺利运行。

  基于工艺先行理念的实验室规划,是贯彻实验室设计与建设标准的重要手段。广义的实验室规划是指根据组织的发展战略、组织目标及组织内外部环境的变化,预测未来的组织任务和环境对组织的要求,为完成这些任务和满足这些要求而提供实验环境的过程。它包括根据实验室的研究方向,确定近期和远期的实验室各研究单元的构成(主要研究内容和预期研究目标、预测未来的研究成果、队伍建设状况、人才培养计划等)和科研条件(仪器设备、科研用房、配套设施等),制订行动计划及控制和评估计划等过程。狭义的实验室规划,是指具体地提供实验室建设和管理的行动计划,如建设经费概算与落实计划、实验室建设与管理计划、人员聘用及流动计划、仪器设备管理与使用计划、开放合作设想等。

  工艺先行理念的应用

  灵活分隔

  实验室空间的灵活分隔应与实验室的结构与楼面荷载相结合。对于框架结构,由于它们的称重系统是由梁柱承受,在平面上除了满足结构的整体刚度要求布置剪力墙外,很少有其他结构构件,从而给建筑的灵活布置留有充分的余地。

  实验室的分隔形式有很多,除了普通隔墙外,试验架、药品柜、通风柜、实验台、实验柜都可以用来分隔试验空间。常用的分隔采用木隔断和铝合金隔断,根据隔声要求可采用单层或双层大玻璃。目前我国电子计算机房中的人机分隔空间和参观走廊已采用铝合金大玻璃窗。实验室与研究室之间采用透明隔断,可改善研究室本身的工作环境,又可使研究人员观察到实验室内的工作情况。

  大空间实验室采用灵活隔断,可以自由灵活地分隔大空间,可随意改变隔断的位置。隔断由可装卸的构件组成。隔断可分别与吊顶或地面连接,也可与地面和吊顶同时连接。

  实验室吊顶可分为石膏板吊顶、金属板吊顶、玻璃吊顶、PVC板吊顶等,石膏板造价相对便宜,PVC板次之,金属板最耐用但价格偏高。由铝合金或钢板等薄板作原料加工成各种形式的吊顶统称金属板吊顶。实验室中主要使用的是金属板中的铝扣板吊顶。它具有自重轻、结构简单、组装灵活、施工方便、防火、美观,通过表面处理后耐锈蚀,易清扫等优点。金属板吊顶的形式可分为方板式、条板式、格栅式和挂板式四种。在实验室中采用条板式金属板吊顶比较普遍,有封闭和开敞式两种。封闭式条板吊顶适合于走道及其他空间较小的房间,可有效控制空调体积,节约空调能量。开敞式条板吊顶也称离缝式跳板吊顶,即在条板与条板间留有缝隙间隔。这种吊顶灵活性极大,照明方面如与光带等条形灯结合尤其吻合,可保持线条的连续性,还可利用板缝通风。吸音可用矿棉填入条板凹槽。也可在条板上穿孔而将矿棉铺在条板上,利用板缝吸音或两者兼用,达到更高的吸音要求。吊顶内的构件、通风管、照明及各种管线漆上黑色油漆后,可达到很好的隐蔽效果。

  模块化建设

  实验室不断地发展和变化,使得实验室的仪器设备不断增加,对于实验室需求的变化,必须对新设备提供相应的供应服务,实验台必须完全适合相应的固定空间,很多用户希望实验室能够适应未来发展的扩展,模块化设计的灵活性和可变性是实验室设计成功的关键因素。实验室模块化构建主要包括:

  隔断系统模块分为屏风型隔断与家具型隔断。屏风型隔断高度可调且方便重新组合,适用于作为房间与房间之间的间隔,家具型隔断高度相对矮,更注重于与水电气的供给配合使用,更适用于房间内的分隔。

  服务系统模块是指天花板式供给系统及排放系统,水、电、气、通风、消防、空调等不同管道采用不同颜色,可根据需要随时与下面的活动式供给口连接或断开,导轨式电气连接站可移动到天花板上的任何位置,方便与实验台上的活动式服务柱对接。

  实验室家具系统能够将单个的实验室家具部件组合成多种不同的方案,根据每个实验室的不同需要为其量身定做不同的实验室设计建设解决方案,有工作台面及底部储存柜的实验台,是家具组成部分的核心,当其中加入水槽、水电系统以及其他配件后,所有单个的部件一起协调,构成一个整体的实验室家具系统。这个系统简单明了、组合方便、防火、洁净,为用户提供了经济适用的解决方案,环保的设计,安全创新的技术和灵活多变的选择。

  本文作者张桂玲系机械工业仪器仪表综合技术经济研究所主任,工程师,标准化室副主任、秘书长;

  王成城系机械工业仪表综合技术经济研究所工程师。

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