宋俊國

（中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海 200090）

廣義上講，凡是進(jìn)行科學(xué)研究的建筑空間和場所，均稱為科學(xué)實(shí)驗(yàn)室[1]?？梢灶A(yù)見，隨著科學(xué)研究的深入開展，將有更多的科學(xué)實(shí)驗(yàn)室開始建設(shè)，但目前在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)過程中存在著一些誤區(qū)，主要表現(xiàn)在建設(shè)理念方面，尤其是建設(shè)單位的決策人員、管理人員，他們的宏觀認(rèn)知，決定了科學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的成敗。因此，很有必要對實(shí)驗(yàn)室工程建設(shè)的思路進(jìn)行分析和總結(jié)，以便提高實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)水平。

1 科學(xué)實(shí)驗(yàn)室工程建設(shè)過程中的主要誤區(qū)

國內(nèi)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室起步較晚、發(fā)展迅速，工程建設(shè)水平良莠不齊，目前該領(lǐng)域主要存在以下幾個方面的問題。

1）忽視科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的高度定制化特性。

與普通民用建筑不同，科學(xué)實(shí)驗(yàn)室有特定的工作內(nèi)容、服務(wù)于某一特殊的工作對象，工作環(huán)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(xué)實(shí)驗(yàn)室。國內(nèi)省級的藥檢所、食品所、特檢院等，雖然檢測內(nèi)容類似，但沒有哪個實(shí)驗(yàn)室是可以完全復(fù)制的。有些建設(shè)單位的決策者在進(jìn)行項(xiàng)目前期規(guī)劃時，將實(shí)驗(yàn)室等同于一般的民用建筑，只注重外在的“形”，卻忽視了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)在的特殊要求，由此帶來一系列設(shè)計(jì)及使用上的不合理。

2）設(shè)計(jì)模式和設(shè)計(jì)理念落后。

許多科學(xué)實(shí)驗(yàn)室在建設(shè)時，仍然采用“實(shí)驗(yàn)室建筑設(shè)計(jì)—實(shí)驗(yàn)室建筑施工—實(shí)驗(yàn)室工藝設(shè)計(jì)—實(shí)驗(yàn)室工藝施工”的工作模式。該模式存在諸多問題，如沒有實(shí)驗(yàn)室的特定需求作支撐，建筑設(shè)計(jì)中的建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、電氣、暖風(fēng)、動力、環(huán)保等設(shè)計(jì)缺乏依據(jù)，甚至可能導(dǎo)致建筑施工完成即是改造的開始，從而浪費(fèi)大量的人力、物力和時間。相反，好的工程項(xiàng)目，均舍得在工藝設(shè)計(jì)上花費(fèi)大量精力。以2015 年開始的深圳市醫(yī)療器械檢測和生物醫(yī)藥安全評價中心為例，該項(xiàng)目包含電磁兼容、化學(xué)、微生物、生物安全、動物實(shí)驗(yàn)室等內(nèi)容，工藝復(fù)雜，但建設(shè)單位在工藝設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了廣泛調(diào)研、討論、評審等，工藝設(shè)計(jì)結(jié)束后，土建施工進(jìn)展順利、很少返工。建設(shè)完成后，已成為國內(nèi)藥檢領(lǐng)域的標(biāo)志性建筑項(xiàng)目。

3）缺乏長遠(yuǎn)和系統(tǒng)性規(guī)劃。

實(shí)驗(yàn)室建設(shè)存在一定的盲目性和不確定性，有些建設(shè)者不夠清楚自己的短期目標(biāo)和長期目標(biāo)，為了建設(shè)而建設(shè)。有的單位在新建或改建實(shí)驗(yàn)室時，對實(shí)驗(yàn)室的功能、定位、發(fā)展和設(shè)備配置、共享等問題缺乏系統(tǒng)性考慮，導(dǎo)致辦公性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)。其中一個共性的問題是，在大量工藝設(shè)備資料缺失的情況下，貿(mào)然開始土建設(shè)計(jì)及施工，造成一些實(shí)驗(yàn)室未能符合實(shí)際使用要求。如層高不足、工藝設(shè)備無法安裝；空調(diào)系統(tǒng)按照辦公要求設(shè)計(jì)，其負(fù)荷及排風(fēng)無法滿足實(shí)驗(yàn)要求；沒有為工藝設(shè)備預(yù)留安裝孔洞，導(dǎo)致土建驗(yàn)收結(jié)束后依然無法投入使用等。

4）忽視實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員的基礎(chǔ)性作用[2]。

許多建設(shè)單位只注重購買先進(jìn)的儀器設(shè)備，卻忽略了實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)體系中起到的基礎(chǔ)性作用。具體的實(shí)驗(yàn)室使用者、管理者對儀器設(shè)備的性質(zhì)、規(guī)格、特點(diǎn)、環(huán)境要求及使用方法缺乏足夠了解，無法將儀器設(shè)備的各種需求反映在設(shè)計(jì)過程中，導(dǎo)致建設(shè)完成后，實(shí)驗(yàn)室無法滿足儀器設(shè)備的要求，不得不重新對實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行適應(yīng)性改造。

2 科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)理念

2.1 工藝設(shè)計(jì)的必要性

科學(xué)實(shí)驗(yàn)室由于工作內(nèi)容的特殊性，必須進(jìn)行定制化建設(shè)。工藝設(shè)計(jì)是定制化過程的具體體現(xiàn)。工藝設(shè)計(jì)是以使用方工藝需求為基礎(chǔ)，進(jìn)行工程合規(guī)性加工，并指導(dǎo)土建公用專業(yè)完成相關(guān)設(shè)計(jì)，以達(dá)到使用方建設(shè)目標(biāo)的動態(tài)、系統(tǒng)性設(shè)計(jì)。

工藝設(shè)計(jì)是整個實(shí)驗(yàn)室建設(shè)過程中不可或缺的一環(huán)，沒有開展工藝設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室是沒有靈魂的。工藝設(shè)計(jì)的重要性在于聯(lián)接實(shí)驗(yàn)使用人員和工程設(shè)計(jì)，起到了重要的橋梁作用，如圖1 所示。

圖1 工藝設(shè)計(jì)的橋梁作用

2.2 工藝設(shè)計(jì)必須先行

在實(shí)際工程建設(shè)中，有許多違背“工藝設(shè)計(jì)必須先行”的案例，令人惋惜。比如，某科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，剛剛立項(xiàng)就馬上開始建筑設(shè)計(jì)，而工藝設(shè)計(jì)啟動較晚，導(dǎo)致項(xiàng)目設(shè)計(jì)出現(xiàn)許多硬傷。如平面布局沒有考慮人流、物流和氣流，導(dǎo)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(fēng)管排布，將化學(xué)類和生物類實(shí)驗(yàn)室設(shè)置在低區(qū)，造成布局不合理；層高不足，沒有詳細(xì)論證工藝設(shè)備凈高，以及因工藝環(huán)境要求引起的風(fēng)管變大，導(dǎo)致潔凈實(shí)驗(yàn)室的風(fēng)管沒有足夠安裝空間；空調(diào)機(jī)房面積不夠、貨梯尺寸不足等。這些原本可通過工藝設(shè)計(jì)的及時介入而避免。該項(xiàng)目在進(jìn)行系統(tǒng)性工藝設(shè)計(jì)時，花費(fèi)了大量時間和精力在設(shè)計(jì)階段對上述問題進(jìn)行調(diào)整，甚至存在變動過大而無法通過上級審核的風(fēng)險(xiǎn)。由此可見，對于科學(xué)實(shí)驗(yàn)室工程建設(shè)，工藝設(shè)計(jì)必須先行。

從某種意義上講，建筑設(shè)計(jì)是為工藝服務(wù)的，工藝設(shè)計(jì)決定了實(shí)驗(yàn)室的合理性和先進(jìn)性。合理的工程建設(shè)流程，必須重視工藝設(shè)計(jì)的重要性：工藝設(shè)計(jì)先行，設(shè)計(jì)由內(nèi)而外，建設(shè)由外而內(nèi)[3]。工藝設(shè)計(jì)主要具備5 個特點(diǎn)：指揮性、開放性、靈活性、定制性、系統(tǒng)性。工藝設(shè)計(jì)做得好，整個工程建設(shè)能夠“事半功倍”。工藝設(shè)計(jì)做得不好，工程建設(shè)會“事倍功半”，甚至“南轅北轍”。只有工藝設(shè)計(jì)先行，才能保證科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)始終朝著正確方向前進(jìn)。

合理的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)流程可表述為“實(shí)驗(yàn)室工藝設(shè)計(jì)—實(shí)驗(yàn)室建筑設(shè)計(jì)—實(shí)驗(yàn)室建筑施工—實(shí)驗(yàn)室工藝施工”[3]。

2.3 可持續(xù)發(fā)展

建筑、資源和人類健康之間的聯(lián)系是可持續(xù)設(shè)計(jì)的三大重點(diǎn)，也是實(shí)驗(yàn)室未來的發(fā)展趨勢[4]?？沙掷m(xù)發(fā)展的目標(biāo)是使實(shí)驗(yàn)室建筑更高效地發(fā)揮作用，設(shè)計(jì)思路由單純的節(jié)約轉(zhuǎn)到更加注重優(yōu)化。節(jié)約意味著減少實(shí)驗(yàn)室的需要，是對使用者行為的改變；優(yōu)化意味著利用更高效的設(shè)計(jì)方法滿足實(shí)驗(yàn)室需求。節(jié)約的重點(diǎn)在于管理，優(yōu)化的重點(diǎn)則在于設(shè)計(jì)。同時，科學(xué)實(shí)驗(yàn)室工程建設(shè)中需要重點(diǎn)關(guān)注長期使用成本的節(jié)省，避免實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)“建得起、用不起”的尷尬現(xiàn)象?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)室可持續(xù)發(fā)展主要包括以下幾個方面。

（1）增加能量節(jié)約，提高能量效率。如實(shí)驗(yàn)室采用變風(fēng)量送排風(fēng)控制系統(tǒng)、潔凈實(shí)驗(yàn)室夜間設(shè)置非工作模式、余熱回用、冰蓄冷、使用節(jié)能燈具、高效空調(diào)、節(jié)能建筑材料、“綠色”實(shí)驗(yàn)室家具等。

（2）減少或消除有害物質(zhì)和廢物。設(shè)計(jì)中采用新工藝或新技術(shù)，減少或消除有害物質(zhì)和廢物。如采用內(nèi)循環(huán)試劑柜、自循環(huán)式生物安全柜等產(chǎn)品，可降低室內(nèi)廢氣的排放量。

（3）循環(huán)再利用并增加再生產(chǎn)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(fēng)能、地?zé)崮艿荣Y源。

（4）兼顧實(shí)驗(yàn)室的未來發(fā)展。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部采用大空間、輕質(zhì)隔斷、柔性吊頂、可移動家具、功能柱等，盡量兼顧實(shí)驗(yàn)室的未來發(fā)展。

2.4 智慧實(shí)驗(yàn)室

實(shí)驗(yàn)室由于其使用的特殊性，大多存在設(shè)備數(shù)量多、能耗高、有一定危險(xiǎn)等特點(diǎn)。在建成運(yùn)行后，又產(chǎn)生了諸如設(shè)備管理非自動化、安全管理非智能化、環(huán)境管理非低碳化、資源管理非共享化等問題[5]，影響了實(shí)驗(yàn)室能力的提升。

隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)以及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，智慧實(shí)驗(yàn)室應(yīng)運(yùn)而生。關(guān)于智慧實(shí)驗(yàn)室，目前并沒有統(tǒng)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(lián)化、互聯(lián)化、智能化”理念應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中，通過多種技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的高效運(yùn)行。智慧實(shí)驗(yàn)室是一個系統(tǒng)工程，至少包含以下三個層級[8]。

（1）感知層。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，包括各種智能實(shí)驗(yàn)設(shè)備、傳感器、攝像頭等。

（2）網(wǎng)絡(luò)層。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，包括有線網(wǎng)、無線網(wǎng)、藍(lán)牙、4G/5G 網(wǎng)絡(luò)等。

（3）應(yīng)用層。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的智能化及可視化管理，包括各種監(jiān)控及應(yīng)用系統(tǒng)，可以在筆記本電腦、手機(jī)、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(tǒng)、實(shí)驗(yàn)室設(shè)施與環(huán)境管理系統(tǒng)、業(yè)務(wù)服務(wù)與管理系統(tǒng)、辦公管理系統(tǒng)等。

在智慧實(shí)驗(yàn)室，其設(shè)施與環(huán)境管理系統(tǒng)、業(yè)務(wù)服務(wù)與管理系統(tǒng)是其兩大核心。實(shí)驗(yàn)室設(shè)施與環(huán)境管理系統(tǒng)主要包括：信息通信、空氣品質(zhì)管理、三廢處理、氣體供應(yīng)、送排風(fēng)控制等。通過科學(xué)的設(shè)施與環(huán)境管理，可以在提高實(shí)驗(yàn)室舒適度的情況下，降低實(shí)驗(yàn)室的能耗。業(yè)務(wù)服務(wù)與管理系統(tǒng)主要包括：檢驗(yàn)檢測服務(wù)、實(shí)驗(yàn)室資源管理、設(shè)備運(yùn)維、?；饭芾淼?。

科學(xué)實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行土建等硬件建設(shè)的同時，還需要有意識地加大對智慧實(shí)驗(yàn)室的投入，盡可能多地預(yù)留出未來升級改造的空間和接口，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的“智能化、安全化、可視化”運(yùn)行[5]。

2.5 開放共享

通過建立“廣義共享”的概念，把人員、設(shè)備、環(huán)境、管理更為完整地融合在一個特定的空間內(nèi)，從運(yùn)營管理、基礎(chǔ)設(shè)施管理和信息管理三個方面提高實(shí)驗(yàn)室的工作效率[9]。

3 科學(xué)實(shí)驗(yàn)室工藝設(shè)計(jì)

3.1 工藝設(shè)計(jì)的主要原則

實(shí)驗(yàn)室工藝設(shè)計(jì)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(shù)。采用成熟、先進(jìn)的工程技術(shù)。

（3）安全。主要保證人的安全，兼顧設(shè)備、樣品和數(shù)據(jù)的安全。

（4）經(jīng)濟(jì)。提高材料和資源的利用率，降低初始投資和運(yùn)營成本。

（5）環(huán)保。收集、治理、排放均嚴(yán)格執(zhí)行國家環(huán)保規(guī)范。

（6）靈活。為實(shí)驗(yàn)室未來的變化提供可能。

（7）智能。提高實(shí)驗(yàn)室信息管理、環(huán)境控制、儀器設(shè)備的智能化及互聯(lián)、互動水平。

3.2 開展遞進(jìn)式工藝設(shè)計(jì)

工程建設(shè)需要循序漸進(jìn)，各階段解決各階段的問題，不進(jìn)行超階段設(shè)計(jì)，更不要將本階段應(yīng)該解決的問題遺留到下一個階段。按照國家現(xiàn)行的工程建設(shè)模式，各階段的主要工作內(nèi)容如圖2 所示。

圖2 工程建設(shè)各階段主要工作內(nèi)容

工藝設(shè)計(jì)在各階段必須明確以下內(nèi)容：

（1）項(xiàng)目建議書：明確與工藝相關(guān)的建設(shè)內(nèi)容。

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

（3）初步設(shè)計(jì)：明確工藝平面布置、工藝詳細(xì)需求、工藝設(shè)備選型及設(shè)備投資概算。

（4）施工圖：明確各項(xiàng)工藝需求的點(diǎn)位數(shù)、具體位置、準(zhǔn)確用量。

（5）工程施工：審核采購的工藝設(shè)備是否滿足設(shè)計(jì)要求，復(fù)核建設(shè)條件能否保障工藝設(shè)備運(yùn)行。

3.3 充分開展工藝調(diào)研

科學(xué)實(shí)驗(yàn)室工藝設(shè)計(jì)是高度定制化的工作，必須對建設(shè)單位的工藝需求進(jìn)行充分調(diào)研，這是開展設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和依據(jù)。同時，使用方的需求又是一個動態(tài)變化過程，在調(diào)研過程中會被工程建設(shè)各參與方不斷影響和優(yōu)化，工藝設(shè)計(jì)需求的調(diào)研過程如圖3 所示。

圖3 工藝需求的調(diào)研過程

設(shè)計(jì)調(diào)研分建設(shè)單位內(nèi)部調(diào)研和外部調(diào)研兩 部分。

1）建設(shè)單位內(nèi)部調(diào)研。

內(nèi)部調(diào)研是向建筑設(shè)計(jì)提供輸入資料、形成工藝設(shè)計(jì)成果的主要依據(jù)。主要包括實(shí)驗(yàn)室工藝流程、實(shí)驗(yàn)室的功能及區(qū)域劃分、主要實(shí)驗(yàn)室房間布置、實(shí)驗(yàn)室的輔助及辦公面積、實(shí)驗(yàn)室人員數(shù)量及組成、實(shí)驗(yàn)室預(yù)留發(fā)展情況、實(shí)驗(yàn)室工作班制、工藝設(shè)備的配置及設(shè)備需求情況、實(shí)驗(yàn)室水電風(fēng)動需求情況、實(shí)驗(yàn)室主要存在問題和薄弱環(huán)節(jié)等。

2）外部調(diào)研。

外部調(diào)研是工程設(shè)計(jì)各系統(tǒng)可行性分析和概算審查的重要依據(jù)。主要包括同類實(shí)驗(yàn)室案例調(diào)研（功能、管理模式、使用情況）、大型儀器設(shè)備的調(diào)研、復(fù)雜工藝系統(tǒng)的調(diào)研、對工藝專家的學(xué)習(xí)調(diào)研等。

3.4 采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)

科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的主要特點(diǎn)之一是“多變”，日本一份調(diào)查報(bào)告顯示，實(shí)驗(yàn)室建成后原封不動的僅占32%，大部分需要根據(jù)使用要求進(jìn)行了改造，而且20%已經(jīng)改建了5 次以上[10]。為了實(shí)驗(yàn)室能夠有效、長期地進(jìn)行工作，工藝通用條件應(yīng)涵蓋大多數(shù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的工藝需求，如結(jié)構(gòu)荷載、水電氣等的預(yù)留，最大程度地滿足實(shí)驗(yàn)室未來發(fā)展。

3.5 重點(diǎn)關(guān)注少數(shù)特殊需求

在設(shè)計(jì)過程中，需重點(diǎn)關(guān)注有特殊建設(shè)要求的工藝設(shè)備，這些設(shè)備通常都是關(guān)鍵設(shè)備和重要設(shè)備，雖然數(shù)量不多，但關(guān)系到整個建設(shè)項(xiàng)目的最終成效，其各項(xiàng)需求在工程建設(shè)時必須予以滿足。

實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，常常出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和工程建設(shè)相割裂的情況，要引起注意。為避免這種情況的出現(xiàn)，建設(shè)單位的實(shí)驗(yàn)室使用者、管理者、工藝設(shè)計(jì)人員需對儀器設(shè)備的性質(zhì)、規(guī)格、特點(diǎn)、環(huán)境要求及使用方法進(jìn)行調(diào)研，收集設(shè)備的工藝需求，反映在工程建設(shè)過程中，避免實(shí)驗(yàn)室的“二次建設(shè)”。

3.6 工藝設(shè)計(jì)的成果

目前，國內(nèi)大多建設(shè)模式是由工藝專業(yè)向建筑相關(guān)專業(yè)提交工藝資料，以此作為各專業(yè)開展設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)依據(jù)。在經(jīng)過多輪資料交互、討論、修正后，工藝設(shè)計(jì)最終的成果主要包括但不限于以下幾項(xiàng)內(nèi)容。

（1）工藝需求表。將調(diào)研的工藝需求經(jīng)確認(rèn)、合規(guī)性加工、整理后，對各建筑相關(guān)專業(yè)提出明確要求，并列表說明。

（2）重要工藝設(shè)備明細(xì)表。將布置在實(shí)驗(yàn)室里的重要工藝設(shè)備及其各種建設(shè)需求進(jìn)行總結(jié)，并列表說明。

（3）工藝圖紙。將工藝布局、工藝設(shè)備、結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)室家具表。配合建筑專業(yè)和家具設(shè)備供應(yīng)商，完善實(shí)驗(yàn)室的家具配置，并列表說明。

4 結(jié)語

在科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)過程中，必須遵循“工藝設(shè)計(jì)先行”的建設(shè)理念，逐步開展遞進(jìn)式工藝設(shè)計(jì)，充分調(diào)研建設(shè)單位的使用需求，重點(diǎn)關(guān)注少數(shù)特殊設(shè)備的工藝要求，采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)，融合數(shù)字化、智能化的設(shè)計(jì)理念，工程建設(shè)各參與方通力合作，共同建設(shè)高效、規(guī)范的科學(xué)實(shí)驗(yàn)室。