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欧洲最现代化的生物安全实验室

chae 来源:《中国医院建筑与装备》杂志  2020-06-07

 

FLI成立于1910年,一个多世纪的发展使其成为世界上知名的传染病研究机构之一。在FLI成立100周年之际,政府投资了近3亿欧元建造新的研究设施,将其发展成为欧洲现代化的动物卫生研究所,其设施采用了最新的科研成果与工程技术,很有特点。


在德国东海的里姆斯岛上有一个弗里德里希·洛夫勒研究所(简称“FLI”),这是德国学者弗里德里希·洛夫勒(以下称为“洛夫勒”)于1910年首次建立生物实验室的地方。FLI被公认为世界上第一家病毒学机构。FLI成立100周年时德国联邦政府出版了一套邮票,邮票上是洛夫勒教授的肖像和他当时研究的、现在被人熟知的冠状病毒。

                        

一个多世纪以来,FLI已经发展成为世界上知名的传染病研究机构之一。在其历史上,里姆斯的FLI获得了“瘟疫之岛”的盛名。除了口蹄疫、非洲猪瘟,FLI还对埃博拉病毒、尼帕病毒、裂谷热、牛海绵状脑病、蓝舌病、狂犬病、流行性感冒、耶尔森氏菌、土拉弗朗西斯菌、炭疽杆菌,以及鱼类、软体动物、甲壳类和蜜蜂独有的传染病,非传染性动物健康问题(包括营养、福利和饲养等)进行研究。

 

89间实验室和163个动物饲养厩舍


研究所约有240人,其中包括约50名科学家。

改扩建工程规划于FLI成立100周年之际,该工程于2005年3月开始设计,至2007年12月完成方案设计,2008年7月开工,2011年完工,2013年12月全部投入运行。

完工后,共有不同生物安全等级的实验室89间和动物饲养厩舍163个,其中有生物安全最高等级的BLS4实验室。建筑面积为79400 m²,使用面积为62500 m²。

整个设计维持了岛上的景观与生态平衡,使里姆斯岛集成了不同空间的景观元素,形成跨越时代感的连续有序的风景线。

          


新建研究所大楼(右侧是实验楼,左侧是动物设施)

                                                  


洛夫勒教授纪念展览馆


传统的生物安全实验室大楼因其建筑功能往往在外观上呈现出无窗、严实与安全的形象。为了避免给人隔绝、封闭、沉重的感觉,设计者独具匠心,在大楼的底层采用了整块彩色玻璃做围护,二层与三层采用了大玻璃窗,实验大楼的3个内天井也处理得十分到位,使楼内充满更多的阳光,内部隔断也颇有艺术感。

由于进入生物安全实验室的工作人员神经紧绷、心理压力较大,实验室外环境的友善界面、多彩空间、平和的色调与温馨的环境,有利于消除实验人员心理压力,调节心情。

整个建筑通透、轻盈,如一栋现代化的办公大楼。完全不像危险性极高的生物实验楼。到了晚上,大楼的内部灯光开启,十分艺术化。

  

新研究所大楼近景                                            

                  

新研究大楼注重高强度、抗震性、气密性、防水性


新研究大楼设施的重点在于安全。为了防止生物安全实验室,特别是BSL3和BSL4实验室建成后在灾害与事故期间出现裂缝和泄漏,其结构的高强度、抗震性、气密性、防水性是关键。在设计前,要对场地的地质做专门勘察,建筑物的地基挖到岩石层。整体建筑必须采用箱中箱围堵系统(Box-in-Box-Containment-System)现浇混凝土结构。使用强度等级最高的C35/45混凝土,所有混凝土表面均涂环氧树脂,才能保证高强度密封的安全围挡。

 

整体现浇混凝土箱中箱围挡结构                       

 

新研究大楼由两部分组成。

北面是动物设施建筑,由43号楼至48号楼共6栋楼组成,长210 m,总面积为48000 m²;163个动物饲养厩舍。

南面实验楼建筑由40号、41号和42号楼组成,长230 m,面积为22800m²。

生物安全实验室净面积为2440m²,89间实验室。BSL2实验室面积为1200 m²,BSL3实验室面积为1000 m²,BSL4实验室面积为240m²。

建筑为地上3层、地下1层或2层。一楼为使用层,其他楼层为技术设备层。实验楼与动物设施通过三座天廊连接。

建筑内各个实验空间的安全级别自西向东逐步增加。南面实验楼从最西部的BSL2级的细胞库开始,到最东部的最高级别BSL4实验室。北面的动物设施楼从最西部的BSL2级动物饲养厩舍开始,到最东部的BSL3+动物饲养厩舍。

 


实验楼和动物设施楼的不同级别生物安全实验室分布图

 

平面内与主通道平行的灰白走廊是非控制区,由主通道进入各大楼的人员可停留在灰白走廊。如要进入相应受控的区域,先要进行相配套的更衣换鞋后,经绿色走廊到相应科室,绿色走廊是半污染区,各科室是污染区。工作后由红色走廊返回。红色走廊是污染区。受控区域内墙壁与地面的转角都要经过特殊圆角处理。所有内表面(地板、墙壁和天花板)必须非常容易清洁、消毒,并能耐受所有消毒化学物质及清洁方法。地板还必须具有耐磨性和抗冲击性,包括能够承受牛、马脚踢与踩踏。BSL3+的动物厩舍人员,必须更衣换鞋后经由黄色走廊走向绿色走廊;黄色走廊属于清洁受控区,工作人员从黄色走廊进入绿色走廊前要换上正压防护服;通过缓冲间后,进入BSL3+动物饲养厩舍对动物进行实验。从实验室或动物厩舍出来的人员须走红色走廊。如与被感染的动物一起工作时,要到特殊房间时进行化学淋浴去污,防护服去污染和防护服更换必须是两个房间。然后再次换自己衣服,返回灰白色走廊。

 

实验楼和动物设施楼内平面布局

         

      

 

感染动物做试验

 

整个项目管道达130000m


 整个项目的污水处理中心与能源中心设置在岛的西面,有6个地下燃料储罐,确保断电后一周的发电用油量。

新研究大楼44号楼有一座冷、热、电三联供设施;3台制冷机和6台冷却塔,总制冷量4000kW。楼内的冷热水、蒸汽、排水、压缩空气与动力等管线均通过地下隧道与能源中心、污水处理中心连接。整个项目管道达130000m。

动物设施楼是4层结构,采用典型的设施系统布局方式,上走风、气、电管道,下走水管道,横向不走管道。一楼是实验室工作区层面,有实验工作室、缓冲间、动物厩舍等空间。二层是技术层,布置通风与空调系统,新风管由三层的新风空调箱供给,经二层送风过滤箱送入一层的工作区。排风管的气体经二层的袋进袋出的空气过滤箱过滤除菌后,由三层的排风机组排至楼顶。三层的6个气罐用于提供正压防护服的呼吸用空气。所有废水都收集在地下一层的收集槽中,先在建筑物内部直接进行消毒,然后再送入研究所污水处理厂。47号楼要处理实验后的感染动物,地下两层。先将动物尸体在密闭罐内以150℃高温高压碱蒸煮9h;高危排水须经高温高压蒸汽处理,要加热到121℃。在特殊情况下,要求加热到136℃进行灭菌处理。



动物设施楼控制系统示意图


42号楼设有BSL4实验室,采用典型的“箱中箱”结构。BSL4实验区面积为350m2,实验室面积为240m2。BSL4实验室适用于处理可能在实验室内经气溶胶传播并导致严重致死性疾病的病原体,且尚无可用的疫苗或治疗方法,如埃博拉病毒。这些病毒对人类非常危险,必须采取特殊措施来保护工作人员。在Ⅲ级生物安全柜中操作病原体的为安全柜型实验室,人员须穿着正压防护服操作的是防护服型实验室。FLI采用的是正压防护服型的BSL4实验室。该实验室用于研究人畜共患病,即可以在动物和人之间传播的传染病,其中某些疾病没有疫苗或有效药物,如SARS,MERS。只有穿着正压防护服的人员才能在BSL4实验室中对此类病毒进行研究。工作人员身穿全套正压防护服,由带有安全阀的软管供给过滤后的呼吸空气。防护服的充气压力略高于房间内的压力,因此即使发生泄漏,也不会有病原体渗透到防护服中。整个实验区保持负压,室内通过HEPA过滤器送风,并经过HEPA过滤器全部排到室外。退出BSL-4实验室的人员必须经过化学淋浴进行去污,然后经过一个特殊更衣间脱去正压防护服,再进行个人淋浴。该区域所有用过的衣物和其他固体废物均用热蒸汽消毒。进入BSL-4实验室的人员仅限于经过培训和授权的人员,并必须记录所有进入和离开实验室的人员与时间。



采用Novec1230高效、环保型灭火剂


高级别生物安全实验室的消防是个大问题。实验室处理高危的病原微生物,万一遭遇火灾,常用的自动喷水灭火系统、高压细水雾灭火系统、泡沫灭火器会产生大量高危生物污水,病原微生物有可能随水流出;二氧化碳或惰性气体灭火会使室内负压变成正压,高危的病原微生物会逸出;哈龙灭火剂和氢氟烃类灭火剂虽然不会破坏负压,但会带来环境污染。为了防止高危的病原微生物扩散,目前常常采用保证人员撤离、将实验室禁闭、让火烧尽的方式,科研成果、精密仪器、昂贵设备、复杂设施同时也毁于一旦。

FLI新研究大楼采用Novec1230高效、环保型灭火剂。其热力行为类似制冷剂蒸气,不像气体。在灭火过程中,冷却室内空气产生负压,从火焰中抽取热量,从而达到灭火目的。Novec 1230被认为是哈龙的替代品,总体来说可将对实验室运行和负压控制的不利影响降到最低。除了拥有优良的灭火性能外,对人员来说比较安全,不具有导电性,灭火后不留残渣,不会损害设备,将其用于高级别生物安全实验室的灭火比较理想。

 

原文作者: 

沈晋明  刘燕敏(同济大学)

 


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