疾控中心实验室可持续设计研究

严伟

中国电子系统工程第二建设有限公司总承包事业部三分院  上海  201101

摘要：由于疫情肆虐，许多地区都在新建或改扩建当地的疾控中心，而实验室又是疾控中心的核心环节，如何提高检测能力的同时，降低成本和能耗成为设计的难点。基于此，本文以“疾控中心实验室可持续设计”为主题，为接下去的设计和建设提供一点思考。

关键词：储备检测能力；以人为本；弹性实验室；BIM智慧运维；人工智能（AI）；可持续设计标准。

0引言

    随着全球公共卫生意识的不断提升，疾控中心实验室的设计与建设也日益受到广泛关注。可持续性的核心就是保护资源，强调实验室运营的长期和适应性，增加实验室面对疫情的能力。因此，研究疾控中心实验室的可持续设计的核心就是提高资源的利用效率，规划制定强有力的可持续发展战略。

1疾控中心实验室现状

1.1大量疾控实验室的技术要求不高

以常见的生物实验室为例，按照中国新闻网，2022年8月25日数据，“国家卫健委科教司监察专员刘登峰介绍，目前，全国已有从事人间传染病原微生物实验室活动的P3、P4实验室63个，P2实验室4.6万个”。可见绝大部分疾控实验室，都是不高于P2的实验室。大量和重复建设等级不高的实验室是疾控实验室设计的一大特点。

1.2检测能力的集中释放

疾控实验室区别于其他实验室的一大特点就是疫情应急状态下的巨大检测量，需要疾控实验室在应急期间释放储备的检测能力。这要求疾控实验室在规划和设计时就有储备。

1.3新、改建实验室的预留，大多针对远期发展，其预留在疫情中多大程度能用上尚待检验。

1.4大量升级的实验室工作环境并不尽如人意。

2以人为本

工作强度大，压力大，工作单调。。。长时间紧张的工作，影响实验人员的身心健康，最终会降低工作效率。提高实验室的可持续性，首先要提高工作人员的效率和满意度。

2.1改善工作环境

首先得改善实验室的工作环境。采用更开放的实验室设计和引入WELL™室内建设标准能改善实验室的工作体验。开放的实验室可以增加人与人交流的机会。WELL™标准则是定量化改善办公环境，根据人体的健康系统与建筑相匹配，提高室内舒适性：包括空气、水、光甚至食物营养；鼓励在建筑内锻炼；消除或减少污染物；在建筑的全寿命中，保持室内的高品质[1]。

2.1改进工作方式

引入自动检测系统来提高检测效率是实验室常用的应对方式。全自动化实验室系统TLA由样品分选系统、样品处理系统、各种自动分析仪、样品输送系统和网络工作站组成，准确性高、效率高、检测量大，特别适用疫情防控等检测要求较高的情景。

在设计前期明确实验室的需求，包括实验的类型，样本的检测量和可能的种类、检测的精度等。结合成本效益分析，选择合适的自动化水平。确定软、硬件设备，包括传感器、执行器、摄像头、机器人手臂、自动化工作台和大数据模型，甚至轨道运输或者AGV运输车等。这些硬件设备通常需要在设计早期明确，并在设计中预留好空间位置，配套水、暖、电等。引入自动化检测还能避免人为差错，并减少实验人员接触样本，降低交叉污染风险，大大提高实验的准确性和安全性。

3实验室预留设计

预留设计已经成为实验室可持续设计中的重要环节。据统计，全球实验室每年得重组率为35% [2]；预留设计既能应对硬件设备的更新，也能为疫情爆发储备检测能力。疾控中心实验室项目通常预留一整层楼面，并按照实验室需求接通基础水暖电。这样的预留在面对疫情时，难以快速转换成检测能力。通过设计实践发现，实验室预留除了预留建筑面积，还可以通过增加建筑层高，采用共享设备和设置弹性实验室等实现。

3.1建筑层高预留

建筑层高对于实验室的设计具有重要意义。为了容纳新的设备和需求，疾控实验室的层高随着时间一直在增加。常规设计，为了保证2.8~3米的净高，层高都控制不低于4.5米。以上海疾控中心实验室为例，建筑层高已经达到了5.2米，留有更大的余地应对将来的更新换代。

3.2共享设备

共享设备是提高实验室检测能力的有效途径。设计师可以在建筑物内设置共享设备区域，如样品收集、处理、清洗和储存区域，包括一些检测设备是可以同时为不同的检测项目服务。这些共享设备区域可以大大提高实验室的工作效率，避免设备的重复购置和使用空间的浪费。

3.3弹性实验室

弹性设计理念广泛应用于设计领域的各个层面，目标就是应对变化，并在变化和稳定之间达到良好的平衡。

3.3.1增强软分隔，减少硬装，采用灵活可变的平面布置

在实验室设计中，采用灵活的隔断、移动墙壁或可拆卸的组件，尽量减少固定的墙、地板和天花等，可以方便地改变实验室的空间布局。（1）大开间的实验室：打破传统实验室的孤立状态，增加自然采光和通风，提供更广阔的视野和舒适的氛围，促进实验人员之间的协作和交流，提升实验室的工作体验。（2）采用活动隔墙分隔实验室，对于理化实验室，或者生物安全性不高的检测项目，可以满足密封和隔音的技术要求。活动的隔墙可以灵活改变实验房间的空间大小和形状。

3.3.2增加过渡空间

在实验区域和办公区域之间增设过渡空间，房间内预先布置实验需要的水暖电接口。过渡空间整合多种功能：休息室；期刊室和游戏室；举办临时活动；有景观布置；设置健身器材。不仅可以丰富实验人员的工作，改善环境，增加人际交流，还能在疫情应急期间快速改造成实验室，提高检测能力。

3.3.3提高规划检测能力

在策划阶段就高于规划的检测能力进行设计。因疾控中心的检测在非应急状态下并不是持续饱和，额外增加的检测能力平时则处于闲置状态，是社会资源的浪费。这就需要适度引入商业检测项目，优化实验室运营，承担更多社会责任，既防止了检测资源的浪费，还能在疫情期间迅速释放检测能力。

3.3.4弹性实验室实施要点

长久以来，实验室的服务系统，譬如：供电、上下水、气体供气管线、通讯、电脑网络、消防、安防、通风及净化、空调等都是根据实验检测项目需求接入房间。这很大程度上限制了实验室的布置。

弹性实验室强调灵活性和可变性，以满足不断变化的检测需求。参考图1所示实验室的可移动布置：空气设备由天花的悬翼接入（图3），水电可以由悬挂式功能柱接入（图4）。

图1弹性实验室布置[2]图2可移动实验桌[2]图3悬翼[2]图4悬挂式功能柱[2]

对于水电接入量较大的实验室，还可以采用架空升高地板。在布局调整时，直接把试验机台和设备安置在需要的位置，水电管线接入地板下的管道即可。弹性实验室设计使其具备对新技术、新设备和新流线的适应能力。

4持续设计，制定标准

4.1传统可持续设计

据统计，一座典型研究型实验室的能量和水的消耗是办公建筑的5倍[3]，每年得维护费用更是高于基建费用。因此传统节能措施必不可少：保温材料；节水器具；光伏太阳能；循环再利用可再生产品；增加绿化；采用节能设备与技术；增加建筑体量降低单位面积能耗等。然而新技术的引入，给可持续设计更宽阔的舞台。

4.2前沿科技的助力：持续改进设计

BIM智慧运维、大数据和人工智能（AI）等，可以在设备运营，设备维护，实验流程，物流设计等方面提高实验室效率。

4.2.1BIM智慧运维

BIM数据运维技术于设计阶段就在所有的设备上、主要的控制区域都布置了传感和监控装置，监控系统反馈的信号。运维系统还能通过大数据的挖掘，分析建筑内部水暖电的流量，把耗能较大，故障较多的部位找出，提前预测可能的耗能点和故障位置并提出调整策略，进一步降低建筑能耗。

4.2.2大数据和AI的应用

通过对海量数据的挖掘，帮助设计师优化设计方案，从而降低建筑能耗和提高实验室使用效率。

1）通过大数据和AI系统观察实验室的流程和实验人员的操作，并提出改进方案，去除多余的流程，优化实验室操作步骤。AI还能提前发现潜在的问题和风险，及时采取措施进行预警，提高实验的安全性。

2）典型的实验室楼层平面模块。通过收集运行的实验室日常数据，分别对样本的流转、实验人员的运动轨迹、实验室设备的操作数据，或者试剂和耗材的消耗数据等进行AI分析，并据此于新项目中调整和优化流线。

例如数据记录的某些主试验室和辅助实验室之间，实验室老师的运动轨迹特别频繁；或某些试剂、耗材和器械的使用和消耗数据显示在这些主试验室用量特别大。针对上述科室，可以考虑主试验室围绕部分辅助实验区的工艺布置方案。通过被观察的实验室进行针对性改进，缩短人员和物流流线，提高资源利用效率。

4.3 AI横向优化和制定可持续标准

针对疾控中心实验室大量和重复建设等级不高的现状，把不同城市和不同尺度的疾控实验室数据进行大数据和AI横向优化，不但具有可操作性，还能总结出经验，制定可持续标准，推广到新的实验室设计项目中，形成设计-优化-设计的正反馈路径。

5结语

    疾控中心实验室是针对威胁人类生命、生产和工作疾病进行必要研究和防治的科学实验室，为进一步提升实验室的应对疫情挑战的可持续性，不仅要求设计师持续不断的改进设计，更需要采用先进的设计方法。通过AI和大数据智能设计和建造，在提高实验室工作环境质量的同时，增加实验室的弹性和适应性，建立符合时代的可持续设计标准。

参考文献

[1]张蕾.研究疾控中心微生物实验室应对突发公共卫生事件的措施[J].航空航天医学杂志,2020,31(10):1241-1242.

[2]图片来源欧莱雅中国研发和创新中心实验室.

[3]高峻璞。论预防医学的社会作用和任务[J].中国误诊学杂志2006,6(13):2449-2450.