BSL-3實(shí)驗(yàn)室工程設(shè)計(jì)案例探討

郟黎

（福斯特惠勒（河北）工程設(shè)計(jì)有限公司，上海 200122）

2003年突如其來(lái)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(jí)，各類(lèi)公共衛(wèi)生事件和由自然災(zāi)害引發(fā)的疫情，甚至各種未知情況產(chǎn)生的新疫情時(shí)有發(fā)生。國(guó)家有關(guān)部門(mén)對(duì)各類(lèi)生物安全實(shí)驗(yàn)室的需求越發(fā)迫切，而設(shè)計(jì)建設(shè)要求也越發(fā)規(guī)范和嚴(yán)格。

為了規(guī)范生物安全實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)和建設(shè)，2009年7月1日，在對(duì)《實(shí)驗(yàn)室生物安全通用要求》GB 19489-2004版進(jìn)行大幅修訂和內(nèi)容增加的基礎(chǔ)上，我國(guó)頒布實(shí)施了該標(biāo)準(zhǔn)的2008版，這是一部對(duì)于生物實(shí)驗(yàn)室類(lèi)工程設(shè)計(jì)的指導(dǎo)性規(guī)范；而2012年5月1日實(shí)施的GB 50346-2011《生物安全實(shí)驗(yàn)室建筑技術(shù)規(guī)范》則規(guī)定了在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行過(guò)程中的土建、消防、強(qiáng)弱電、自動(dòng)控制、給排水的要求。

本文將著重圍繞上述兩個(gè)規(guī)范，結(jié)合一個(gè)生物安全實(shí)驗(yàn)室工程設(shè)計(jì)實(shí)例展開(kāi)討論。

1 生物安全實(shí)驗(yàn)室及安全防護(hù)

生物安全實(shí)驗(yàn)室（Biosafety Laboratory），也稱(chēng)生物安全防護(hù)實(shí)驗(yàn)室（Biosafety Containment for Laboratories），是通過(guò)防護(hù)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(dá)到生物安全要求的生物實(shí)驗(yàn)室和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室[1-2]。

1.1 生物安全實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)

首先生物實(shí)驗(yàn)室從事的實(shí)驗(yàn)性質(zhì)決定了它不僅是一項(xiàng)已知高風(fēng)險(xiǎn)的工作，甚至還有可能產(chǎn)生未知高風(fēng)險(xiǎn)危害。因此生物實(shí)驗(yàn)室的安全性考量必須擺放在生物實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的第一位。實(shí)驗(yàn)室工作人員應(yīng)事先了解所從事活動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)在風(fēng)險(xiǎn)已控制在可接受的狀態(tài)下從事相關(guān)活動(dòng)。所謂可控狀態(tài)，就是生物安全防護(hù)所采取了必要措施后達(dá)到的安全結(jié)果，可控狀態(tài)是目的，安全防護(hù)則是方法。

1.2 安全防護(hù)

安全防護(hù)主要?dú)w納為以下幾點(diǎn)：立項(xiàng)期的評(píng)估方面，建設(shè)期的設(shè)計(jì)施工安裝方面，生產(chǎn)期的操作和管理方面[1]。

當(dāng)實(shí)驗(yàn)室活動(dòng)涉及致病生物因子的時(shí)候，該生物實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)在得到所在生物安全主管部門(mén)批準(zhǔn)之前，必須要有相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告，包括研究對(duì)象、相關(guān)動(dòng)物、實(shí)驗(yàn)人員、周?chē)h(huán)境、設(shè)施設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)等。生物實(shí)驗(yàn)室建設(shè)期的物理防護(hù)措施包括：定義各類(lèi)生物安全實(shí)驗(yàn)室級(jí)別、對(duì)應(yīng)各類(lèi)級(jí)別實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的不同要求、嚴(yán)格的管理和安全的操作等。GB 19489對(duì)生物安全實(shí)驗(yàn)室分級(jí)情況作了詳細(xì)的描述，其中BSL-3實(shí)驗(yàn)室被定義為 “生物安全防護(hù)水平為三級(jí)的實(shí)驗(yàn)室適用于操作能夠引起人類(lèi)或者動(dòng)物嚴(yán)重疾病，比較容易直接或者間接在人與人、動(dòng)物與人、動(dòng)物與動(dòng)物間傳播的微生物。”[1]。另外，根據(jù)所操作的致病性生物因子的傳播途徑，BSL-3實(shí)驗(yàn)室還分為a類(lèi)和b類(lèi)，a類(lèi)指操作非經(jīng)空氣傳播生物因子的實(shí)驗(yàn)室；b類(lèi)指操作經(jīng)空氣傳播生物因子的實(shí)驗(yàn)室。bl類(lèi)生物安全實(shí)驗(yàn)室指可有效利用安全隔離裝置進(jìn)行操作的實(shí)驗(yàn)室；b2類(lèi)生物安全實(shí)驗(yàn)室指不能有效利用安全隔離裝置進(jìn)行操作的實(shí)驗(yàn)室。

在設(shè)計(jì)BSL-3實(shí)驗(yàn)室時(shí)，在遵循國(guó)家各類(lèi)建筑、消防、環(huán)保等相應(yīng)的法律法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)生物實(shí)驗(yàn)室的特殊要求，必須在平面布局、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、空調(diào)、給水和供氣、排污滅菌、電氣、自控監(jiān)視及報(bào)警等各方面進(jìn)行特別的設(shè)計(jì)；同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室設(shè)備（生物安全柜、離心機(jī)等實(shí)驗(yàn)室操作設(shè)備）和個(gè)體防護(hù)設(shè)備等方面也必須根據(jù)對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行合理規(guī)范的選擇[4]。我們必須清楚地認(rèn)識(shí)到，絕大多數(shù)生物安全事故的根本原因是缺乏生物安全意識(shí)和不當(dāng)管理，因此，完備的安全體系是生物安全實(shí)驗(yàn)室正常運(yùn)行的根本保證。

2 生物安全實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)室選址

GB 19489指出 “實(shí)驗(yàn)室選址、設(shè)計(jì)和建造應(yīng)符合國(guó)家和地方環(huán)境保護(hù)和建設(shè)主管部門(mén)等的規(guī)定和要求?！盵1]。選址包括：充分利用城市基礎(chǔ)設(shè)施；地形規(guī)整，交通方便；避讓飲用水源保護(hù)區(qū)；避開(kāi)化學(xué)、生物、噪聲、振動(dòng)、強(qiáng)電磁場(chǎng)等污染源及易燃易爆場(chǎng)所；實(shí)驗(yàn)用房宜與辦公等其他功能用房分開(kāi)設(shè)置，不同類(lèi)別實(shí)驗(yàn)室建筑宜獨(dú)立設(shè)置，合理分區(qū)；實(shí)驗(yàn)室建筑宜處于最小風(fēng)頻上風(fēng)向[4]。

2.2 BSL-3實(shí)驗(yàn)室的工藝設(shè)計(jì)

圖1，圖2為某BSL-3實(shí)驗(yàn)室的實(shí)例，該實(shí)驗(yàn)室主要針對(duì)“可有效利用安全隔離裝置操作常規(guī)量經(jīng)空氣傳播致病性生物因子”進(jìn)行研究分析，級(jí)別劃分為BSL-3，b1類(lèi)。布置方案詳見(jiàn)圖1，圖2。

圖1，圖2為某BSL實(shí)驗(yàn)室的核心防護(hù)區(qū)域劃分圖和潔凈區(qū)域人物流走向圖。在圖1中可見(jiàn)，本實(shí)驗(yàn)室的核心區(qū)為3間BSL-3實(shí)驗(yàn)室及其對(duì)應(yīng)配套的消毒間和氣鎖間；而防護(hù)區(qū)主要以IOS Class 8（以下簡(jiǎn)稱(chēng)C8）級(jí)走道、準(zhǔn)備間、主要人流進(jìn)入退出區(qū)域組成。整個(gè)防護(hù)區(qū)被鋼筋混凝土墻所包裹，而核心區(qū)則被防護(hù)區(qū)分割包圍，其余區(qū)域?yàn)檩o助工作區(qū)。

物流方面結(jié)合布置主要分以下三個(gè)區(qū)域進(jìn)出。物流主要包括：實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)用工器具、實(shí)驗(yàn)污物（實(shí)驗(yàn)后廢棄物和實(shí)驗(yàn)后工器具）三方面。

圖1，圖2中，左側(cè)區(qū)域?yàn)椤扒鍧嵾M(jìn)入?yún)^(qū)”，是實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)工器具的主要進(jìn)口。實(shí)驗(yàn)材料暫存于暫存間，外清后通過(guò)傳遞窗進(jìn)入IOS Class 7（以下簡(jiǎn)稱(chēng)C7）級(jí)處理前室，拆包整理后部分經(jīng)由滅菌柜傳入C8級(jí)準(zhǔn)備室，另一部分無(wú)需滅菌的材料經(jīng)過(guò)傳遞窗進(jìn)入準(zhǔn)備室備用；實(shí)驗(yàn)工器具先置于工器具待洗暫存間暫存，需要使用時(shí)經(jīng)過(guò)傳遞窗進(jìn)入C7級(jí)工器具洗滌滅菌間進(jìn)行清洗后通過(guò)滅菌柜滅菌進(jìn)入準(zhǔn)備間備用。

右側(cè)區(qū)域?yàn)椤拔畚锾幚韰^(qū)”，實(shí)驗(yàn)污物打包后經(jīng)由核心區(qū)消毒室內(nèi)滅菌柜滅活處理，人員從防護(hù)區(qū)外圍C7級(jí)走道取走污物包，實(shí)驗(yàn)廢棄物在污物處理間通過(guò)傳遞窗送至區(qū)域外焚燒爐焚毀，而實(shí)驗(yàn)后工器具完全滅活后則去工器具暫存間暫存。

圖1 BSL-3實(shí)驗(yàn)室防護(hù)核心區(qū)劃分圖

圖2 BSL-3實(shí)驗(yàn)室人物流及潔凈區(qū)域劃分圖

中間區(qū)域?yàn)椤皩?shí)驗(yàn)操作區(qū)”，由3個(gè)“BSL-3實(shí)驗(yàn)室”和外圍的防護(hù)區(qū)組成。主要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作、檢測(cè)、化驗(yàn)等工作。

空調(diào)機(jī)房、配電間、監(jiān)控機(jī)房等分別設(shè)置在防護(hù)區(qū)左右兩側(cè)。

人流方面也分為三個(gè)部分。其中實(shí)驗(yàn)操作人員還設(shè)置了專(zhuān)門(mén)獨(dú)立的進(jìn)出通道。

中央“實(shí)驗(yàn)操作區(qū)”實(shí)驗(yàn)人員攜打包的防護(hù)服由實(shí)驗(yàn)室中下方換鞋→脫工作服置于衣柜→穿防護(hù)服→氣鎖進(jìn)入防護(hù)區(qū)C8走道，于準(zhǔn)備間取出所需實(shí)驗(yàn)物品和器材置于各BSL-3實(shí)驗(yàn)室的傳遞窗中，然后通過(guò)BSL-3實(shí)驗(yàn)室氣鎖間進(jìn)入核心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行操作。下班時(shí)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(shí)驗(yàn)區(qū)。實(shí)驗(yàn)用的隔離服必須經(jīng)過(guò)滅菌柜滅菌后收集至區(qū)域外的洗衣間洗衣整衣打包后由下次實(shí)驗(yàn)人員帶入。右側(cè)“緊急淋浴”，“緊急氣鎖”為緊急狀態(tài)下人員撤離通道，將在2.4節(jié)詳細(xì)闡述。

“清潔進(jìn)入?yún)^(qū)”內(nèi)，工器具和實(shí)驗(yàn)材料處理人員則從左下側(cè)換鞋→更衣→氣鎖進(jìn)入C7級(jí)的工器具洗滌滅菌間和處理前室進(jìn)行操作。

“污物處理區(qū)”內(nèi)，污物處理人員由右下側(cè)換鞋→更衣→氣鎖進(jìn)入C7走道處理回收滅菌后的實(shí)驗(yàn)污物和實(shí)驗(yàn)工器具。

核心區(qū)BSL-3實(shí)驗(yàn)室配置了實(shí)驗(yàn)用的分析儀器和生產(chǎn)用的生物設(shè)備，如：生物安全柜、離心機(jī)、色譜儀、電子天平等。本方案所有實(shí)驗(yàn)操作均須在生物安全柜中進(jìn)行，因此，生物安全柜是本方案中最重要的防護(hù)設(shè)備。

生物安全柜（Biological Safety Cabinet）側(cè)重于保護(hù)操作人員和環(huán)境，是為操作原代培養(yǎng)物、菌毒株以及診斷性標(biāo)本等具有感染性的實(shí)驗(yàn)材料時(shí)，用來(lái)保護(hù)操作者本人、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境以及實(shí)驗(yàn)材料，使其避免暴露于上述操作過(guò)程中可能產(chǎn)生的感染性氣溶膠和濺出物而設(shè)計(jì)的[3,5]重要實(shí)驗(yàn)設(shè)備。根據(jù)生物安全防護(hù)水平的差異，生物安全柜可分為I級(jí)、II級(jí)和III級(jí)三種類(lèi)型。不同級(jí)別、種類(lèi)的生物安全柜與空調(diào)排風(fēng)系統(tǒng)的連接方式參見(jiàn)表1。

表1為生物安全柜選型的最低要求。II級(jí)B型生物安全柜均為連接排氣系統(tǒng)的安全柜。連接安全柜排氣導(dǎo)管的風(fēng)機(jī)連接緊急供應(yīng)電源，目的在斷電下仍可保持安全柜負(fù)壓，以免危險(xiǎn)氣體泄漏。其前窗氣流速度最小量或測(cè)量平均值應(yīng)至少為0.5m/s(100fpm)。根據(jù)本次設(shè)計(jì)的目的和要求，綜合考慮各種型號(hào)的生物安全柜的特性和設(shè)備參數(shù)后。本方案最終選擇的是II級(jí)B2型（BSC-II B2）。

表1 不同級(jí)別、種類(lèi)的生物安全柜與空調(diào)排風(fēng)系統(tǒng)的連接方式[2]

2.3 安全屏障設(shè)計(jì)

BSL-3實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)需要著重突出對(duì)操作人員安全保障的理念，即合理有效設(shè)置 “生物安全屏障”[5]，包括：建筑圍護(hù)屏障、潔凈空調(diào)屏障、給排水屏障、供電及監(jiān)控屏障等。

在本方案中，防護(hù)區(qū)外圍使用了鋼筋混凝土材料，增加了圍護(hù)強(qiáng)度，區(qū)域內(nèi)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(shè)計(jì)中綜合考慮了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的嚴(yán)密性與清潔滅菌的可操作性。

通常，潔凈空調(diào)的設(shè)置是保持潔凈廠(chǎng)房正常運(yùn)行，保障產(chǎn)品不受生產(chǎn)、人員污染的重要手段。而在BSL-3實(shí)驗(yàn)室中，通風(fēng)空調(diào)更是實(shí)驗(yàn)操作者重要的保護(hù)屏障。在操作設(shè)備誤操作或者失靈的情況下，通風(fēng)系統(tǒng)能在第一時(shí)間保護(hù)操作人員并防止有害氣溶膠泄漏。故而潔凈空調(diào)設(shè)計(jì)是BSL-3實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的重要部分。GB 19489指出，“應(yīng)安裝獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)室送風(fēng)系統(tǒng)，確保在實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行時(shí)氣流由低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)向高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)流動(dòng)，……”[1]，GB 50346則在“二級(jí)屏障主要技術(shù)指標(biāo)”中詳細(xì)說(shuō)明了如何設(shè)計(jì)各房間的壓差情況，詳見(jiàn)表2[2]。而本方案的具體壓差信息可詳見(jiàn)圖1中各防護(hù)區(qū)相對(duì)壓差值的描述。通過(guò)房間相對(duì)壓差的設(shè)置，保持正確的氣流方向，保證氣流始終從低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)向高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)流動(dòng)。本方案實(shí)驗(yàn)室的潔凈度為C8級(jí)和C7級(jí)。送風(fēng)須經(jīng)過(guò)高效過(guò)濾器過(guò)濾，通過(guò)空調(diào)機(jī)組運(yùn)作提供適當(dāng)?shù)膿Q氣次數(shù)，保證操作房間內(nèi)的塵埃粒子數(shù)，防止周?chē)h(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)菌種的污染，保障實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行。排風(fēng)方面嚴(yán)格遵循GB 19489對(duì)于BSL-3實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)的要求，防護(hù)區(qū)排風(fēng)采取實(shí)驗(yàn)室頂端風(fēng)口高效過(guò)濾＋全排風(fēng)保證帶有活菌污染的氣溶膠不能影響其他區(qū)域。

表2 生物安全主實(shí)驗(yàn)室二級(jí)屏障的主要技術(shù)指標(biāo)[2]

GB 50346明確指出“生物安全實(shí)驗(yàn)室防護(hù)區(qū)的給水管道應(yīng)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(shè)置在輔助工作區(qū)?！盵2]因此本方案設(shè)計(jì)時(shí)，在可能因背壓，虹吸等因素導(dǎo)致的給水（包括：純水、熱水）回流的管道系統(tǒng)中增設(shè)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(gè)BSL-3實(shí)驗(yàn)室均配備了緊急噴眼裝置。排水方面，核心區(qū)內(nèi)不設(shè)置排水地漏，而防護(hù)區(qū)內(nèi)的排水均根據(jù)壓差要求設(shè)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(dú)立回收至指定的滅活系統(tǒng)進(jìn)行滅菌處理。

根據(jù)GB 50346要求，本實(shí)驗(yàn)室按1級(jí)負(fù)荷供電，生物安全柜等關(guān)鍵設(shè)備均配備了45 min（規(guī)范要求不小于30 min）的UPS電源。核心區(qū)內(nèi)BSL-3實(shí)驗(yàn)室采取聲光和顯示兩種報(bào)警信號(hào)。核心區(qū)內(nèi)所有房間均配備緊急報(bào)警按鈕，并配置了相應(yīng)的監(jiān)控設(shè)備，以確保安全生產(chǎn)操作。同時(shí)，在右側(cè)緊急出口處設(shè)置緊急撤離用的互鎖解除裝置。

2.4 消防

在本方案中，整個(gè)防護(hù)區(qū)外墻均為鋼筋混凝土材料，耐火等級(jí)二級(jí)，吊頂同樣為耐火等級(jí)二級(jí)。緊急逃生門(mén)和所有的防火門(mén)均為甲級(jí)防火門(mén)。

防護(hù)區(qū)外圍C7走道兼做逃生走廊，終點(diǎn)設(shè)置在右側(cè)緊急淋浴，緊急氣鎖后。在緊急狀況下人需經(jīng)過(guò)緊急噴淋后疏散，這樣有效的避免了污染物被攜帶出實(shí)驗(yàn)區(qū)造成的更嚴(yán)重后果。同時(shí)，考慮了火災(zāi)情況下人的生命安全和保證活性帶菌物不能帶出實(shí)驗(yàn)區(qū)兩種情形，故而防護(hù)區(qū)C7走道通過(guò)混凝土隔墻分隔，與核心區(qū)以及部分防護(hù)區(qū)獨(dú)立為兩個(gè)不同的防火分區(qū)（見(jiàn)圖1混凝土墻分隔的表示）。

水噴淋會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)時(shí)控制區(qū)內(nèi)的有害氣溶膠和有害生物因子大量外泄，造成不可估計(jì)的危害和損失，GB 50346中也提出“三級(jí)和四級(jí)生物實(shí)驗(yàn)室防護(hù)區(qū)不應(yīng)設(shè)置自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)……”[2]因此，防護(hù)區(qū)內(nèi)禁止使用水噴淋系統(tǒng)。滅火器選用了“移動(dòng)型煙諾盡滅火器”等特定的型號(hào)。

3 結(jié)論與展望

綜上所述，生物實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)完善與否將極大的影響整個(gè)生物安全實(shí)驗(yàn)保障的體系。作為一個(gè)設(shè)計(jì)者，嚴(yán)格遵循國(guó)家法律法規(guī)，選用更先進(jìn)更穩(wěn)定的設(shè)備，合理有效的布局，完善的自動(dòng)化控制方案都是保證生物實(shí)驗(yàn)室更安全更穩(wěn)定工作的前提。因此，對(duì)于BSL-3實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)理念就是要將安全性放在首要的位置。同時(shí)在滿(mǎn)足了安全性和工藝生產(chǎn)之后，如何更好提高經(jīng)濟(jì)性，例如如何降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗，降低設(shè)備運(yùn)行的成本等將是未來(lái)該類(lèi)生物實(shí)驗(yàn)室的主要設(shè)計(jì)思路。

[1] GB19489-2008 實(shí)驗(yàn)室生物安全通用要求[S].

[2] GB50346-2011 生物安全實(shí)驗(yàn)室建筑技術(shù)規(guī)范[S].

[3] 程華.生物安全防護(hù)技術(shù)在P3實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)中的應(yīng)用和研討[J].醫(yī)藥工程設(shè)計(jì)增刊,2007, 28: 84-88.

[4] 趙肖兵.關(guān)于《生物安全實(shí)驗(yàn)室建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》中一些條文的探討[J].醫(yī)藥工程設(shè)計(jì)，2005，26(5)：12-15.

[5] 張明. 生物安全實(shí)驗(yàn)室建筑技術(shù)規(guī)范GB50346-2011強(qiáng)制性條文解析[J]. 江蘇建筑, 2012, 1:107-109.