BSL-3實驗室工程設計案例探討

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（福斯特惠勒（河北）工程設計有限公司，上海 200122）

2003年突如其來的非典（SARS）疫情，2009年甲型H1N1流感疫情，2010～2012年由此病毒變異的HxNx疫情不斷升級，各類公共衛生事件和由自然災害引發的疫情，甚至各種未知情況產生的新疫情時有發生。國家有關部門對各類生物安全實驗室的需求越發迫切，而設計建設要求也越發規范和嚴格。

為了規范生物安全實驗室的設計和建設，2009年7月1日，在對《實驗室生物安全通用要求》GB 19489-2004版進行大幅修訂和內容增加的基礎上，我國頒布實施了該標準的2008版，這是一部對于生物實驗室類工程設計的指導性規范；而2012年5月1日實施的GB 50346-2011《生物安全實驗室建筑技術規范》則規定了在實驗室設計、建設、運行過程中的土建、消防、強弱電、自動控制、給排水的要求。

本文將著重圍繞上述兩個規范，結合一個生物安全實驗室工程設計實例展開討論。

1 生物安全實驗室及安全防護

生物安全實驗室（Biosafety Laboratory），也稱生物安全防護實驗室（Biosafety Containment for Laboratories），是通過防護屏障和管理措施，能夠避免或控制被操作的有害生物因子危害，達到生物安全要求的生物實驗室和動物實驗室[1-2]。

1.1 生物安全實驗室的特點

首先生物實驗室從事的實驗性質決定了它不僅是一項已知高風險的工作，甚至還有可能產生未知高風險危害。因此生物實驗室的安全性考量必須擺放在生物實驗室設計的第一位。實驗室工作人員應事先了解所從事活動的風險及應在風險已控制在可接受的狀態下從事相關活動。所謂可控狀態，就是生物安全防護所采取了必要措施后達到的安全結果，可控狀態是目的，安全防護則是方法。

1.2 安全防護

安全防護主要歸納為以下幾點：立項期的評估方面，建設期的設計施工安裝方面，生產期的操作和管理方面[1]。

當實驗室活動涉及致病生物因子的時候，該生物實驗室的建設在得到所在生物安全主管部門批準之前，必須要有相應的風險評估報告，包括研究對象、相關動物、實驗人員、周圍環境、設施設備的風險等。生物實驗室建設期的物理防護措施包括：定義各類生物安全實驗室級別、對應各類級別實驗室設計的不同要求、嚴格的管理和安全的操作等。GB 19489對生物安全實驗室分級情況作了詳細的描述，其中BSL-3實驗室被定義為 “生物安全防護水平為三級的實驗室適用于操作能夠引起人類或者動物嚴重疾病，比較容易直接或者間接在人與人、動物與人、動物與動物間傳播的微生物?！盵1]。另外，根據所操作的致病性生物因子的傳播途徑，BSL-3實驗室還分為a類和b類，a類指操作非經空氣傳播生物因子的實驗室；b類指操作經空氣傳播生物因子的實驗室。bl類生物安全實驗室指可有效利用安全隔離裝置進行操作的實驗室；b2類生物安全實驗室指不能有效利用安全隔離裝置進行操作的實驗室。

在設計BSL-3實驗室時，在遵循國家各類建筑、消防、環保等相應的法律法規標準的基礎上，根據生物實驗室的特殊要求，必須在平面布局、圍護結構、空調、給水和供氣、排污滅菌、電氣、自控監視及報警等各方面進行特別的設計；同時，在實驗室設備（生物安全柜、離心機等實驗室操作設備）和個體防護設備等方面也必須根據對應的實驗操作進行合理規范的選擇[4]。我們必須清楚地認識到，絕大多數生物安全事故的根本原因是缺乏生物安全意識和不當管理，因此，完備的安全體系是生物安全實驗室正常運行的根本保證。

2 生物安全實驗室設計

2.1 實驗室選址

GB 19489指出 “實驗室選址、設計和建造應符合國家和地方環境保護和建設主管部門等的規定和要求?！盵1]。選址包括：充分利用城市基礎設施；地形規整，交通方便；避讓飲用水源保護區；避開化學、生物、噪聲、振動、強電磁場等污染源及易燃易爆場所；實驗用房宜與辦公等其他功能用房分開設置，不同類別實驗室建筑宜獨立設置，合理分區；實驗室建筑宜處于最小風頻上風向[4]。

2.2 BSL-3實驗室的工藝設計

圖1，圖2為某BSL-3實驗室的實例，該實驗室主要針對“可有效利用安全隔離裝置操作常規量經空氣傳播致病性生物因子”進行研究分析，級別劃分為BSL-3，b1類。布置方案詳見圖1，圖2。

圖1，圖2為某BSL實驗室的核心防護區域劃分圖和潔凈區域人物流走向圖。在圖1中可見，本實驗室的核心區為3間BSL-3實驗室及其對應配套的消毒間和氣鎖間；而防護區主要以IOS Class 8（以下簡稱C8）級走道、準備間、主要人流進入退出區域組成。整個防護區被鋼筋混凝土墻所包裹，而核心區則被防護區分割包圍，其余區域為輔助工作區。

物流方面結合布置主要分以下三個區域進出。物流主要包括：實驗材料、實驗用工器具、實驗污物（實驗后廢棄物和實驗后工器具）三方面。

圖1，圖2中，左側區域為“清潔進入區”，是實驗材料、實驗工器具的主要進口。實驗材料暫存于暫存間，外清后通過傳遞窗進入IOS Class 7（以下簡稱C7）級處理前室，拆包整理后部分經由滅菌柜傳入C8級準備室，另一部分無需滅菌的材料經過傳遞窗進入準備室備用；實驗工器具先置于工器具待洗暫存間暫存，需要使用時經過傳遞窗進入C7級工器具洗滌滅菌間進行清洗后通過滅菌柜滅菌進入準備間備用。

右側區域為“污物處理區”，實驗污物打包后經由核心區消毒室內滅菌柜滅活處理，人員從防護區外圍C7級走道取走污物包，實驗廢棄物在污物處理間通過傳遞窗送至區域外焚燒爐焚毀，而實驗后工器具完全滅活后則去工器具暫存間暫存。

圖1 BSL-3實驗室防護核心區劃分圖

圖2 BSL-3實驗室人物流及潔凈區域劃分圖

中間區域為“實驗操作區”，由3個“BSL-3實驗室”和外圍的防護區組成。主要進行實驗操作、檢測、化驗等工作。

空調機房、配電間、監控機房等分別設置在防護區左右兩側。

人流方面也分為三個部分。其中實驗操作人員還設置了專門獨立的進出通道。

中央“實驗操作區”實驗人員攜打包的防護服由實驗室中下方換鞋→脫工作服置于衣柜→穿防護服→氣鎖進入防護區C8走道，于準備間取出所需實驗物品和器材置于各BSL-3實驗室的傳遞窗中，然后通過BSL-3實驗室氣鎖間進入核心實驗室進行操作。下班時則由氣鎖→C8走道→氣鎖→脫去隔離服置于滅菌柜→淋浴→穿回工作服→穿鞋退出實驗區。實驗用的隔離服必須經過滅菌柜滅菌后收集至區域外的洗衣間洗衣整衣打包后由下次實驗人員帶入。右側“緊急淋浴”，“緊急氣鎖”為緊急狀態下人員撤離通道，將在2.4節詳細闡述。

“清潔進入區”內，工器具和實驗材料處理人員則從左下側換鞋→更衣→氣鎖進入C7級的工器具洗滌滅菌間和處理前室進行操作。

“污物處理區”內，污物處理人員由右下側換鞋→更衣→氣鎖進入C7走道處理回收滅菌后的實驗污物和實驗工器具。

核心區BSL-3實驗室配置了實驗用的分析儀器和生產用的生物設備，如：生物安全柜、離心機、色譜儀、電子天平等。本方案所有實驗操作均須在生物安全柜中進行，因此，生物安全柜是本方案中最重要的防護設備。

生物安全柜（Biological Safety Cabinet）側重于保護操作人員和環境，是為操作原代培養物、菌毒株以及診斷性標本等具有感染性的實驗材料時，用來保護操作者本人、實驗室環境以及實驗材料，使其避免暴露于上述操作過程中可能產生的感染性氣溶膠和濺出物而設計的[3,5]重要實驗設備。根據生物安全防護水平的差異，生物安全柜可分為I級、II級和III級三種類型。不同級別、種類的生物安全柜與空調排風系統的連接方式參見表1。

表1為生物安全柜選型的最低要求。II級B型生物安全柜均為連接排氣系統的安全柜。連接安全柜排氣導管的風機連接緊急供應電源，目的在斷電下仍可保持安全柜負壓，以免危險氣體泄漏。其前窗氣流速度最小量或測量平均值應至少為0.5m/s(100fpm)。根據本次設計的目的和要求，綜合考慮各種型號的生物安全柜的特性和設備參數后。本方案最終選擇的是II級B2型（BSC-II B2）。

表1 不同級別、種類的生物安全柜與空調排風系統的連接方式[2]

2.3 安全屏障設計

BSL-3實驗室的設計需要著重突出對操作人員安全保障的理念，即合理有效設置 “生物安全屏障”[5]，包括：建筑圍護屏障、潔凈空調屏障、給排水屏障、供電及監控屏障等。

在本方案中，防護區外圍使用了鋼筋混凝土材料，增加了圍護強度，區域內部隔斷主要采用彩鋼板包裹，便于清潔和消毒滅菌，吊頂及地面與墻面的交接處均作半徑不小于30 mm的圓弧處理，踢腳與墻面平齊。設計中綜合考慮了圍護結構的嚴密性與清潔滅菌的可操作性。

通常，潔凈空調的設置是保持潔凈廠房正常運行，保障產品不受生產、人員污染的重要手段。而在BSL-3實驗室中，通風空調更是實驗操作者重要的保護屏障。在操作設備誤操作或者失靈的情況下，通風系統能在第一時間保護操作人員并防止有害氣溶膠泄漏。故而潔凈空調設計是BSL-3實驗室設計的重要部分。GB 19489指出，“應安裝獨立的實驗室送風系統，確保在實驗室運行時氣流由低風險區向高風險區流動，……”[1]，GB 50346則在“二級屏障主要技術指標”中詳細說明了如何設計各房間的壓差情況，詳見表2[2]。而本方案的具體壓差信息可詳見圖1中各防護區相對壓差值的描述。通過房間相對壓差的設置，保持正確的氣流方向，保證氣流始終從低風險區向高風險區流動。本方案實驗室的潔凈度為C8級和C7級。送風須經過高效過濾器過濾，通過空調機組運作提供適當的換氣次數，保證操作房間內的塵埃粒子數，防止周圍環境對實驗菌種的污染，保障實驗的正常進行。排風方面嚴格遵循GB 19489對于BSL-3實驗室排風的要求，防護區排風采取實驗室頂端風口高效過濾＋全排風保證帶有活菌污染的氣溶膠不能影響其他區域。

表2 生物安全主實驗室二級屏障的主要技術指標[2]

GB 50346明確指出“生物安全實驗室防護區的給水管道應采取倒流防止器或其它有效防止回流污染的裝置，并且這些裝置必須設置在輔助工作區?！盵2]因此本方案設計時，在可能因背壓，虹吸等因素導致的給水（包括：純水、熱水）回流的管道系統中增設了止回閥或者氣體隔斷裝置，保證了給水和給氣管路流向的單向性。另外，每個BSL-3實驗室均配備了緊急噴眼裝置。排水方面，核心區內不設置排水地漏，而防護區內的排水均根據壓差要求設置存水彎和液封，并在液封處添加了足夠的消毒液以保證排水的安全，所有的排水均獨立回收至指定的滅活系統進行滅菌處理。

根據GB 50346要求，本實驗室按1級負荷供電，生物安全柜等關鍵設備均配備了45 min（規范要求不小于30 min）的UPS電源。核心區內BSL-3實驗室采取聲光和顯示兩種報警信號。核心區內所有房間均配備緊急報警按鈕，并配置了相應的監控設備，以確保安全生產操作。同時，在右側緊急出口處設置緊急撤離用的互鎖解除裝置。

2.4 消防

在本方案中，整個防護區外墻均為鋼筋混凝土材料，耐火等級二級，吊頂同樣為耐火等級二級。緊急逃生門和所有的防火門均為甲級防火門。

防護區外圍C7走道兼做逃生走廊，終點設置在右側緊急淋浴，緊急氣鎖后。在緊急狀況下人需經過緊急噴淋后疏散，這樣有效的避免了污染物被攜帶出實驗區造成的更嚴重后果。同時，考慮了火災情況下人的生命安全和保證活性帶菌物不能帶出實驗區兩種情形，故而防護區C7走道通過混凝土隔墻分隔，與核心區以及部分防護區獨立為兩個不同的防火分區（見圖1混凝土墻分隔的表示）。

水噴淋會導致火災時控制區內的有害氣溶膠和有害生物因子大量外泄，造成不可估計的危害和損失，GB 50346中也提出“三級和四級生物實驗室防護區不應設置自動噴水滅火系統……”[2]因此，防護區內禁止使用水噴淋系統。滅火器選用了“移動型煙諾盡滅火器”等特定的型號。

3 結論與展望

綜上所述，生物實驗室的設計完善與否將極大的影響整個生物安全實驗保障的體系。作為一個設計者，嚴格遵循國家法律法規，選用更先進更穩定的設備，合理有效的布局，完善的自動化控制方案都是保證生物實驗室更安全更穩定工作的前提。因此，對于BSL-3實驗室的設計理念就是要將安全性放在首要的位置。同時在滿足了安全性和工藝生產之后，如何更好提高經濟性，例如如何降低空調系統的能耗，降低設備運行的成本等將是未來該類生物實驗室的主要設計思路。

[1] GB19489-2008 實驗室生物安全通用要求[S].

[2] GB50346-2011 生物安全實驗室建筑技術規范[S].

[3] 程華.生物安全防護技術在P3實驗室設計中的應用和研討[J].醫藥工程設計增刊,2007, 28: 84-88.

[4] 趙肖兵.關于《生物安全實驗室建筑設計規范》中一些條文的探討[J].醫藥工程設計，2005，26(5)：12-15.

[5] 張明. 生物安全實驗室建筑技術規范GB50346-2011強制性條文解析[J]. 江蘇建筑, 2012, 1:107-109.