国家精密实验室建设振动控制专项管理研究

钮于蓝，杨立星，叶宇康

（之江实验室，浙江 杭州 311100）

国家精密实验室是科技创新体系的重要组成部分，是孕育重大原始创新，推动学科发展的重要科技力量，是开展核心技术攻关和重大前沿基础研究的重要基地，对解决国家和区域重大战略需求具有十分重要的作用［1-2］。国家一批精密实验室陆续开工建设，如之江实验室、松山湖科学城、鹏城实验室、深圳湾实验室等。精密实验室内部通常具有大量的精密仪器设备，该类设备对环境振动十分敏感，但随着我国城市化进程和公共交通建设的高速发展以及城市用地资源的制约，新建建筑结构、研究机构、实验室等不可避免地遭遇地铁、高铁及路面交通等区域环境振动的影响，这将在一定程度上降低建筑结构内部人员的舒适性、精密仪器的使用性能，甚至可能导致精密设备无法投入使用［3-5］。因此，在精密实验室的建设过程中，环境振动控制保障工作尤为重要。

之江实验室（图1）作为浙江省委、省政府贯彻落实习近平总书记科技创新思想，深入实施创新驱动发展战略的重大科技创新平台，肩负了建设创新型国家、世界科技强国进程中的责任与担当。园区规划总面积90.53 hm2（1 358亩），总建筑面积约120万m2，项目分三期工程，其中一期工程40.87 hm2（613亩），总建筑面积约61.4万m2，重点建设一批基础前沿研究机构、多学科交叉创新研究机构，组建创新性的应用大平台和共性的大科学装置、核心装备及配套设施，包括人工智能研究院、智能机器人研究中心、网络安全攻防试验场、大数据中心等。为保证之江实验室建成后，实验室内部的精密仪器设备能够正常投入使用，针对振动控制方面，实验室建设人员采取了大量有效的管理措施。

图1 之江实验室园区总体规划效果及现场施工

振动控制专项管理工作是一项专业性强，涉及多专业交叉学科的专业管理工作，且该工作贯穿于项目建设规划、设计、施工、验收全过程（图2）。本文围绕实验室总体规划、设计、施工等过程，阐述了之江实验室项目建设过程中振动控制专项的建设及管理措施，可为国内同类实验室的建设提供经验和参考。

图2 实验室建设振动控制专项管理流程

1 实验室振动控制专项规划管理

实验室建设作为一项科学含量高、专业性强的系统工程，前期的规划设计足以影响实验室建设及管理工作的效率及质量［6］。因此，在进行精密实验室的规划设计之前，需要对实验项目以及实验室的建造目的有详尽而充足的了解，同时将这些需求融入到设计中，确保大型实验室建造的有效性，并给精密仪器提供一个相对安静的振动环境，为实验室的成功建设打下坚实的基础。

1.1 实验室周边环境振源调查

精密仪器的测量和控制不仅与仪器本身的精度有关，还与周围的环境振动有关，且环境振动是决定精密仪器测量和控制精度的关键因素。因此，在项目建设规划时，首先必须对实验室周边的相关振源进行详细了解，并充分考虑可能对精密仪器有较大振动影响的系列振源。除对现有环境振动情况进行调查外，还需考虑未来规划建设对环境振动情况的影响，确保实验室在未来若干年后仍能正常使用。

之江实验室项目位于杭州市余杭区中泰街道和余杭街道，南苕溪以南，南湖以西，S102省道以北。在之江实验室选址规划时期，对周边现有和未来环境振源情况进行了深入的调研，现阶段实验室的南侧有S102省道、G56杭瑞高速公路和杭州地铁16号线，北侧有科技大道（图3），未来在实验室北侧规划有高铁线路。因此，公路交通和轨道交通作为主要振源在现阶段或未来将可能会对之江实验室产生不容忽视的振动影响，从而在项目规划阶段应对其进行详细的调查研究。

图3 之江实验室园区总体规划

1.2 实验室周边环境振动测试及评估

实验室在进行振源调查后，应安排专业的队伍对各种振源进行振动测试并对其可能产生的振动影响进行评估分析。之江实验室在项目规划阶段对实验室周边现有的振动环境进行测试，而对于未来规划的高铁，也采取了类比测试的方式评估其对实验室可能的振动影响。

1.2.1 之江实验室周边路面交通振动影响评估

在之江实验室拟建场地中心选取4个测点进行振动测试，每个测点测试垂直、南北和东西三个方向的振动大小。并在场地周边开展了无车、小型车（时速约10 km/h）、中型车（时速约20 km/h）和大型车（时速约30 km/h）跑车试验，评估未来实验室建成后，实验室内部、外部车辆可能对实验室造成的振动影响。

1.2.2 之江实验室高铁振动影响评估

在浙江省杭州市余杭区冯家塘进行高铁类比振动测试。测点沿着垂直于高铁运行方向布置，共布置了6个测点，测量高铁经过时场地振动的衰减情况，并评估高铁运行对之江实验室的振动影响。

1.3 与实验室使用方沟通精密仪器振动需求

与普通的建筑建设管理相比，精密实验室的建设管理更为复杂，需要考虑的因素更多。在项目建议书、可行性研究规划阶段，需要初步明确实验室的选址条件、功能定位、建设内容、工艺设备方案等，其中，环境振动对实验室的影响评估是不可缺少的内容。因而在精密实验室规划时，需要明确了解各个实验室的振动需求。虽然实验室部分精密设备有明确的振动需求，但也有很大一部分是实验室自研设备，受专业知识所限，无法提出明确的振动需求，需专业的振动控制团队提前介入，与实验室的使用方反复沟通，并根据实验室的使用习惯和需要达到的效果，由振动控制团队为其提出真实有效的振动需求。此外，在实验室的规划之初，很多进驻实验室并没有最终确定，此时，为了确保后期建成的实验室可用，需要根据其实验室的定位，对相应的振动需求进行预判，以便为后续实验室的规划和设计提出可靠的振动控制指标。

1.4 方案规划单位确定及管理办法

在确定规划单位时，应和规划单位详细沟通精密仪器设备的振动控制需求，确保规划单位在进行实验室规划设计时，能够充分考虑拟建场地周边的交通、人流等振源情况，便于在项目建设规划时期对未来可能会对实验室产生振动影响的振源进行规避，或对相应的设施进行减隔振处理，使规划设计方案更加合理、经济。

2 实验室振动控制专项设计管理

2.1 进一步与实验室使用方沟通精密仪器振动需求

在实验室设计阶段，仪器设备选型及实验室其他专业方案均已明确。通过和实验室的使用方进一步沟通仪器设备的振动需求，明确仪器设备的振动环境保障条件。在设计阶段，除了在规划阶段考虑的周边交通对精密仪器的振动影响外，来自于实验室内部和外部的配套动力设备振动影响也不容忽视。因此，在设计时需进行专项的振动控制设计，在考虑振动控制因素的基础上，对实验室工艺、建筑、动力、暖通、给排水专业等进行统筹设计，以保证实验室后期的振动环境能满足精密仪器设备运行需要。

另外，由于不同的精密仪器设备厂家会提供不同安装条件要求的振动允许值（或防振指标），故有必要和设备厂家详细沟通精密仪器设备的振动需求。同时，精密仪器设备厂家对其产品都会有成熟丰富的振动控制技术经验，在振动控制专项设计工作中也可借鉴。

2.2 设计单位确定及管理办法

在确定实验室设计单位时，应将振动控制设计作为专项设计委托给具备相应资质和能力的振动控制设计单位，也应要求该设计单位具备为同类精密实验室进行振动控制设计的经验。确定好设计单位后，应与设计单位明确精密仪器设备的振动条件和要求，确保设计单位能够准确掌握仪器设备振动控制需求，从而精准高效地开展振动控制专项设计工作。

2.3 精密仪器设备减隔振方式

精密实验室建设过程中，采取何种振动控制设计方案，需要综合考虑仪器设备振动需求、场地振动环境、工艺方案布局、综合经济效益等因素。对此，建设单位需加强管理，避免过度设计造成的资金浪费，以及考虑不周造成的二次改造。

之江实验室一期工程6＃楼地下1层的大科学装置精密实验室具有大小不一约60个精密设备实验平台，对环境振动的要求非常严格，部分实验平台需达到VC-E水平。根据项目前期的场地振动测试结果，并在大量的对比分析和经济性考虑基础上，实验室建设方组织了专家咨询会，最终对振动要求较高的实验平台采用主动控制装置，其中包括混凝土主动控制装置平台（图4）和钢结构主动控制装置平台（图5），主动控制装置平台规格参数见表1。

图4 混凝土主动隔振装置平台

图5 钢结构主动隔振装置平台

表1 主动控制装置平台规格参数

6＃楼精密实验室2层设计了空调机房，内部布置了27套动力设备——空调机组，空调机组及其附属管道产生的振动会通过6＃楼的主体结构传递至地下室，将对地下实验室内部的精密仪器设备产生一定的振动影响。为此，实验室建设方也组织了相应的专家评审会，对动力设备振源产生的振动影响进行咨询评估，最终决定对空调机组采取相应的减隔振措施，使空调机组的振动尽可能小地往楼下精密实验室传递，空调机组振动控制技术要求见表2。

表2 空调机组振动控制技术要求

3 实验室振动控制专项施工管理

3.1 施工单位的确定及管理办法

实验室振动控制专项施工前，应将振动控制项目作为专项工程委托给具有相应资质和能力的振动控制单位，并对各意向单位进行考察，调研各单位在振动控制方面的技术水平，包括振动控制装置深化设计、产品研发及产品供应等方面的能力，选择技术比较扎实的单位进行振动控制专项的实施，确保在实施阶段把前期规划、设计中确定的振动控制指标均完整准确地实现。振动控制专项施工前，应要求施工单位根据振动控制指标及图纸，对振动控制装置进行深化设计，并征得设计单位的意见，同时，须制定详细可行的施工措施和方案，图6为空调机组减隔振示意图。

图6 空调机组减隔振示意

3.2 施工前建筑内环境振动测试评估

在实验室建造实施阶段，尤其是在振动控制工程施工前，应对建筑物内的环境振动进行测试和评估，其主要考虑以下原因：1）该阶段的振动测试是对规划和设计阶段振动测试数据的复核，如果出现较大的偏差可以及时对设计方案进行纠偏；2）在振动控制专项施工时，建筑主体结构基本施工完毕，此时的场地振动情况最为接近未来实验室正常运行时的振动情况，此阶段的测试评估更具有工程实施的指导意义；3）专业的振动控制施工单位可将测试数据作为场地振动输入条件，评估控制方案效果并对方案进行深化设计。

3.3 施工实施管理

精密实验室的振动控制项目对精密度要求极高，如之江实验室一期工程6＃楼地下室，主动隔振系统高模态基础要求混凝土支墩顶面的平整度达到0.5 mm；防微振平台设备的台面平面度要求达到0.02 mm。因此，在进行精密实验室振动控制工程施工实施的过程中，为确保振动控制工程的每一步都合乎设计理念、技术标准和使用要求，对于其中涉及的关键技术要严格把控，采取精细化、专业化管理：将审核意识与监督意识贯穿到整个振动控制专项工程建设过程始终；加强实验室建设人员的责任意识与风险意识，用高度责任心和防范意识来确保建设全过程始终保持“匠心”态度，消除因施工质量而产生的安全隐患；进一步提高施工人员的技术水准，不断以规划、设计为核心进行建设指导，确保实验室按照规划、设计有条不紊的建设。

4 实验室振动控制竣工验收管理

在振动控制专项实施前，应提前制定主动控制装置减隔振平台及空调机组减隔振的验收标准，如对于之江实验室1期工程6＃楼大科学装置空调机组振动控制项目中，空调机组减振设计方案采用了油液阻尼减振机架，设计要求减振效果应达到固有频率≤4 Hz，阻尼比≥0.15的要求；而对于主动控制装置减隔振平台，要求载荷为1 500～2 500 kg时，0.1～1.0 Hz主动控制装置减隔振平台环境振动等级不得低于等于VC-E等级，≥1.0 Hz频段，振动均方根速度≤3.125μm/s。竣工验收时，根据验收标准，聘请第三方权威检测机构对减隔振平台进行验收测试，评判实验室的最终建设成果。

5 结 语

由于精密实验室对振动要求的特殊性，为了有效保证实验室建成后精密仪器设备能够正常投入使用，要求振动控制专项管理工作应贯穿于实验室建设的全过程，每一个阶段和环节的管理工作都发挥着非常重要的作用。笔者参与了之江实验室建设中振动控制管理的相关工作，分别对实验室规划、设计、施工及竣工验收等各个阶段进行了深入的管理，从而使动力设备的振动控制在固有频率≤4 Hz，阻尼比≥0.15，防微振平台2.5～3 Hz减振效率≥-20 dB。该管理经验可为其他精密实验室的建设提供借鉴和帮助。