中國建筑科學研究院有限公司 梁磊 王燕芹 崔磊 周權(quán) 曹國慶
中生集團 黎莉
中生研究院 徐立猛 徐靜 莫俊
中生武漢所 陳曉琪 王曉軍
青島丞拾實驗室技術(shù)有限公司 張維

       【摘  要】工藝布局是生物安全實驗室設(shè)計和建設(shè)的依據(jù)和基礎(chǔ)，在符合風險控制的前提下，滿足功能需求是實驗室工藝布局設(shè)計的首要目標。本文通過實際案列，結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)行標準，從功能需求角度對高級別生物安全實驗室的工藝布局思路進行了探討，分析高級別生物安全實驗室功能用房的組成、面積規(guī)劃、實驗設(shè)備與房間功能的結(jié)合等問題，尤其針對新冠疫苗研發(fā)用(A)BSL-3實驗室的不同使用需求，分析其布局要點和特點，希望能對同類項目的實施提供指導和借鑒。

       【關(guān)鍵詞】生物安全實驗室工藝布局功能

Abstract:Process layout is the basis and foundation of the design and construction of biosafety laboratory. On the premise of risk control, meeting the functional requirements is the primary goal of the process layout design of the laboratory. This paper discusses the process layout of the high-level biosafety laboratory from the perspective of functional requirements through the actual case, combining with the current standards at home and abroad, and analyzes the composition, area planning, combination of laboratory equipment and room functions of the high-level biosafety laboratory, especially for the different use requirements of the (A ) BSL-3 Laboratory for the research and development of COVID-19 vaccines, This paper analyzes the key points and characteristics of the layout, hoping to provide guidance and reference for the implementation of similar projects.

Keywords:biosafety level 3 laboratory, process layout, function

0 引言

       自2019年12月起爆發(fā)的新冠肺炎疫情是新中國成立以來在我國發(fā)生的傳播速度最快、感染范圍最廣、防控難度最大的一次重大突發(fā)公共衛(wèi)生事件^[1]。在應對突如其來的疫情過程中，高級別生物安全實驗室發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，充分體現(xiàn)了其作為國家生物安全體系的基礎(chǔ)支撐平臺和人口健康與動物衛(wèi)生領(lǐng)域開展科研、生產(chǎn)和服務(wù)的重要保障條件^[2]。根據(jù)WHO^[3]及我國^[4]相關(guān)要求，開展新型冠狀病毒實驗活動中的病毒培養(yǎng)、動物感染實驗等應在三級生物安全實驗室中進行，中國國家主席習近平總書記也在相關(guān)重要講話中指出為有可能出現(xiàn)的常態(tài)化防控工作做好周全準備。因此，充分把握新形勢下安全發(fā)展的新要求，加快建設(shè)合理布局、功能完善、統(tǒng)籌管理、高效運行的國家高級別生物安全實驗室網(wǎng)絡(luò)體系，將是新形勢下生物安全建設(shè)領(lǐng)域的工作重點。

       工藝平面布局是生物安全實驗室設(shè)計和建設(shè)的依據(jù)和基礎(chǔ)，科學合理的工藝布局首先應滿足生物安全操作的風險控制要求，符合工藝使用需求和適用范圍，在合規(guī)的前提下盡可能具有靈活性、前瞻性及經(jīng)濟性。本文通過實際案列，結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)行標準、筆者檢測及設(shè)計經(jīng)驗，探討基于功能需求的高級別生物安全實驗室的工藝布局設(shè)計思路。

1 建筑功能布局思路

       高級別生物安全實驗室是指生物安全防護級別為三級和四級的生物安全實驗室，實驗室布局應明確區(qū)分輔助工作區(qū)和防護區(qū)，在建筑物中自成隔離區(qū)域或未獨立建筑物，應有出入控制^[5,6]。三級生物安全實驗室與其他實驗室可共用建筑物，共用時應獨立成區(qū)，設(shè)在一端或一側(cè)；四級生物安全實驗室應為獨立建筑物，或與其他級別的生物安全實驗室共用?，F(xiàn)行國標沒有對三級生物安全實驗室獨立建筑物最小間距給出數(shù)值，但要求本建筑物室外排風與相鄰建筑間距不小于20米。四級生物安全實驗室宜遠離市區(qū)，主實驗室所在建筑離相鄰建筑或構(gòu)筑物的距離不小于相鄰建筑或構(gòu)筑物高度的1.5倍^[6]。

       獨立建筑物的實驗室區(qū)域內(nèi)多采用“盒中盒”布局方式，防護區(qū)總是由次級圍墻或保護方式與外部分開，以確保最高風險區(qū)域被包圍在“盒子”中間，將生物安全風險降至最低。高級別生物安全實驗室建筑布局方式見圖1^[7,10]。

a 共用建筑方式    b 獨立建筑方式  c 獨立生物安全實驗室建筑內(nèi)高風險區(qū)“盒中盒”方式
圖1 高級別生物安全實驗室建筑布局方式（黑色區(qū)域為實驗室區(qū)域）

2 功能用房及面積規(guī)劃

       在設(shè)計初期應根據(jù)實驗規(guī)劃方案和使用需求確定防護區(qū)內(nèi)核心工作間的個數(shù)、面積和等級，由于投資及防護操作的復雜程度有較大差別，不同生物安全等級的主實驗室不宜設(shè)在同一單元內(nèi)，可相互毗鄰，通過負壓走廊或傳遞窗進行銜接。根據(jù)不同功能定位，筆者將高級別生物安全實驗室整體區(qū)域劃分為實驗室區(qū)域，配套用房區(qū)域和交通核區(qū)域，其中實驗室區(qū)域主要為防護區(qū)，承擔實驗室操作功能，其余區(qū)域均為實驗室的支持區(qū)域，各功能區(qū)域組成詳見表1。

表1 高級別生物安全實驗室功能區(qū)域組成表

       注：現(xiàn)行國標GB50346和GB19489均暫未將活毒廢水區(qū)規(guī)定為防護區(qū)，但對于產(chǎn)生較大活毒廢水的大動物三級及以上生物安全實驗室，事實上存在大量活毒廢液在處理間內(nèi)泄漏外溢的風險，因此筆者認為應設(shè)為防護區(qū)。

       由表1可見，高級別生物安全實驗室是一個復雜的系統(tǒng)工程，涉及環(huán)節(jié)眾多。根據(jù)筆者多個設(shè)計項目統(tǒng)計，高級別生物安全實驗室的建設(shè)，除實驗室區(qū)域外，配套用房及交通核區(qū)域必不可少，甚至占用更大的面積。實踐中常用毛凈比這一概念在規(guī)劃初期估算整個實驗室面積規(guī)模。凈面積被定義為實驗室有效面積，毛面積為所有面積，國外資料顯示（動物）三級生物安全實驗室毛凈比在4:1^[8]左右，而對于四級生物安全實驗室，這一比值達5:1 ^[7,9]。

       與國外文獻相近，我國高級別生物安全實驗室毛凈比也基本在4:1～5:1左右。實驗室配套用房約占總建筑面積的60%～70%，交通核約占建筑總面積的10%～20%。因此，在項目方案設(shè)計過程中，需要充分預留出配套用房的面積，進行合理的布局，從而避免造成后期深化過程中對方案的顛覆性調(diào)整。在項目方案階段必須有效的確定實驗室的建設(shè)規(guī)模，減少后期設(shè)計過程中的方案調(diào)整風險。

3 實驗室區(qū)域布局思路

       3.1 基礎(chǔ)研究及醫(yī)學檢驗類實驗室

       實驗室區(qū)域由主實驗室（核心工作間）及其相鄰緩沖組成，圖2為加拿大相關(guān)國家規(guī)范給出的一個典型的三級生物安全實驗室單元布局示意圖^[9]，該實驗室設(shè)置了專用人員進出的更衣、淋浴通道，大型設(shè)備通道，高壓滅菌的污物出通道。

圖2 加拿大三級生物安全驗室單元布局示意圖

       多個核心工作間可共用人、物流通道，通過共用走廊連接，節(jié)省空間和造價，但各核心工作間須設(shè)置專用相臨緩沖，否則在不同房間不能同時開展不同病原微生物的操作。某ABSL-3實驗室多個核心工作間共用輔助用房布局方案圖見圖3。

圖3 某ABSL-3實驗室多個核心工作間共用輔助用房的布局方案圖

       ABSL-3實驗室中動物房與實驗室可設(shè)置成套間形式，也可互相獨立設(shè)置。獨立設(shè)置時，動物房可與細胞級微生物實驗室相鄰，通過傳遞窗進行物品傳遞，如圖3所示。圖4為《加拿大生物安全手冊》第二版（Canadian Biosafety Handbook,Second Edition）中給出的動物房與實驗室按套間形式設(shè)置的三級生物安全實驗室布局方案示意圖^[10]。

圖4 加拿大動物房與實驗室按套間形式設(shè)置的三級生物安全實驗室布局方案示意圖

       為便于實驗操作，根據(jù)場地充裕條件，可在動物三級生物安全實驗室區(qū)域旁配套一個小型的SPF實驗動物屏障環(huán)境正壓區(qū)，對準備進入防護區(qū)的實驗動物進行觀察檢疫，也可從事免疫等一些預實驗活動。由于動物籠盒及糞便、墊料等污物氣味較大，因此建議在條件允許的情況下，防護區(qū)物進與物出的高壓滅菌器分別設(shè)置，且在防護區(qū)內(nèi)分別設(shè)有高壓前室為佳。

       3.2 疫苗生產(chǎn)工藝研發(fā)類實驗室

       用于新冠疫苗研發(fā)的ABSL-3中b1類實驗室，屬于可以采取有效隔離措施的感染動物實驗室，其主要實驗對象為小鼠等可飼養(yǎng)于IVC或隔離器內(nèi)的嚙齒類動物，生物安全等級可定義為GB19489中4.4.2型動物實驗室，布局上與同級別微生物實驗室最大的區(qū)別就是其防護區(qū)出口應設(shè)置淋浴間。

       值得一提的是，隨著國內(nèi)新冠疫情的爆發(fā)，國內(nèi)開始出現(xiàn)由企業(yè)建設(shè)的，為開展全病毒高致病性（如新冠）疫苗生產(chǎn)工藝放大研究的高級別生物安全實驗室。與以往公益類從事病原微生物基礎(chǔ)研究或醫(yī)學檢驗檢疫類實驗室不同，該類實驗室的一個主要功能是服務(wù)于疫苗生產(chǎn)。實驗室內(nèi)工藝設(shè)備眾多，操作體量從幾十升到上百升不等，具備疫苗生產(chǎn)小試甚至中試的潛在功能，帶有非常明顯的生產(chǎn)屬性，在功能布局上須結(jié)合GMP生產(chǎn)車間的特點和邏輯：1）應有配套上游正壓潔凈工藝區(qū)；2）防護區(qū)潔物進與污物出均應高壓滅菌，且分別設(shè)置；3）根據(jù)GMP生產(chǎn)使用習慣，人員進出通道宜分別設(shè)置，根據(jù)風險評估確定人員退出防護區(qū)是否需要強制淋??；4）實驗室空間應充分考慮各類小型工藝設(shè)備的操作及檢修空間。

       圖5為該類用于疫苗生產(chǎn)工藝放大研究的高級別生物安全實驗室布局流程概念示意，一定程度的結(jié)合了GMP成產(chǎn)元素與生物安全思維：人流進、出單向分開設(shè)置；物流高壓進、出單向分別設(shè)置；房間氣流由低風險區(qū)流向高風險區(qū)，形成單向流；房間采用動、靜態(tài)凈化級別，滿足GMP對工藝生產(chǎn)的要求；總體布局上由正壓區(qū)和非潔凈控制區(qū)（CNC）將防護區(qū)環(huán)繞包圍，形成低風險向高風險梯進的“盒中盒”理念。

圖5 疫苗生產(chǎn)工藝放大研究的高級別生物安全實驗室布局流程概念示意圖

4 設(shè)備與功能結(jié)合的布局思路

       在實驗室工藝布局設(shè)計中，還應結(jié)合各類實驗室儀器設(shè)備的操作特點和要求，充分考慮其對房間布局的影響。實驗室區(qū)域應考慮大型設(shè)備的出入口，設(shè)備出入口應可采取滅菌消毒措施。實驗設(shè)備應有充足的擺放空間和操作空間，便于維修和開展相關(guān)完整性測試或消毒效果驗證工作。生物安全實驗室關(guān)鍵防護設(shè)備如生物安全柜、手套箱、隔離器、IVC等，其布置除滿足規(guī)范要求的距邊、距頂尺寸外，還應保證人員操作及物料運轉(zhuǎn)空間，不應將設(shè)備設(shè)置于人員或物料的交通流線上，最大程度的避免對實驗操作的干擾。

       在用于疫苗研發(fā)及評價的非人靈長類動物（如恒河猴）實驗室中，考慮到實驗用猴的尺寸及活動性，多采用開放性飼養(yǎng)方式，即使是負壓猴籠，也因其開門時不可避免的暴露而被定性為開放性飼養(yǎng)方式。對于不能采取有效隔離措施的活體動物的飼養(yǎng)、感染實驗及解剖等操作，其實驗室生物安全等級應定義為GB19489中4.4.3型。適用于4.4.3的動物飼養(yǎng)間及其緩沖間的氣密性應達到在關(guān)閉受測房間所有通路并維持房間內(nèi)的溫度在設(shè)計范圍上限的條件下，若使空氣壓力維持250Pa時，房間內(nèi)每小時泄漏的空氣量應不超過受測房間凈容積的10%^[5,10]。飼養(yǎng)間應充分考慮猴籠布局空間，保證人員使用安全、便捷。一些特殊設(shè)備儀器，如CT機、氣溶膠暴露系統(tǒng)等，需要在設(shè)計初期充分考慮其空間和特殊布置要求。

       對于四級生物安全實驗室，實驗室內(nèi)須考慮全是正壓防護服的生命支持系統(tǒng)，在人流環(huán)節(jié)應將與核心工作間相鄰緩沖間設(shè)置為化學淋浴間，設(shè)計室應考慮化學淋浴裝置的尺寸與房間的結(jié)合，以滿足功能使用要求。其更衣流程方案示意圖見圖6。

圖6 四級生物安全實驗室更衣流程方案示意圖

5 總結(jié)

       工藝布局是生物安全實驗室設(shè)計和建設(shè)的依據(jù)和基礎(chǔ)，在符合風險控制的前提下，滿足功能需求是實驗室工藝布局設(shè)計的首要目標?；诠δ苄枨蟮母呒墑e生物安全實驗室布局，應考慮建筑布局方式，規(guī)劃合理的毛凈比，針對不同功能需求進行房間布局設(shè)計，以滿足實驗室的使用要求。

參考文獻：

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       備注：本文收錄于《建筑環(huán)境與能源》2020年10月刊 總第37期（第22屆全國暖通空調(diào)制冷學術(shù)年會文集）。版權(quán)歸論文作者所有，任何形式轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者。