高等级生物安全实验室设计

陈自明，查苏益

1 高等级生物安全实验室概览

1.1 生物安全实验室的发展现状

随着各国重视程度的提升，生物安全逐渐成为国家安全的新领域。而高等级生物安全实验室则是支撑起一个国家生物安全能力的重要平台[1]。美国、日本、德国、法国、澳大利亚、加拿大、瑞典等发达国家近年来先后投资兴建了高级别生物安全实验室，极大提高了实验室的安全标准。上述实验室在新冠肺炎、SARS、高致病性禽流感、尼帕病、汉得拉病、口蹄疫、猪瘟、牛瘟、非洲马瘟、埃博拉病等人畜共患传染病和动物烈性传染病的诊断和防治研究方面发挥了重要作用。通过对高等级生物安全实验室设计要点及难点的研究分析能够使读者在了解此类建筑设计时有一个基本的框架逻辑，更好地针对设计对象进行个性化、差异化的研究与设计，助力我国生物安全建设发展。

截至目前，依据可查询数据统计，全球共有22 个国家及地区拥有40 余座已投入使用的BSL-4 级别生物安全实验室（表1）。1987年，我国修建了第一座具有现代意义的BSL-3 级别生物安全实验室，隶属于中国军事科学研究院。2003 年SARS 疫情爆发，我国着手兴建BSL-4 等级生物安全实验室[2]。目前，我国共有两座BSL-4 级生物安全实验室（除军事保密工程外）。其中湖北武汉中国科学院武汉国家生物安全实验室于2018 年8 月正式投入使用，是国内第一座通过认证、唯一可开展“人间传染四级病原”研究的P4 实验室[3]。另一座为位于哈尔滨的国家动物疫病防控高级别生物安全实验室，是我国第一座大动物P4 实验室，通过探讨人兽共患病毒如拉沙热病毒、埃博拉病毒、尼帕病毒的致病和免疫机制，研制防控疫苗及诊断方法，从而实现保证畜牧业健康发展和公共卫生安全的目的[4]。

表1 全球已建成BSL-4 实验室，参考https://en.wikipedia.org/wiki/Biosafety_level#Biosafety_level_4 内容进行整理

1 生物安全风险等级

1.2 生物安全的基本概念

生物安全是指人们对于由动物、植物、微生物等生物体给人类健康和自然环境可能造成不安全的防范，目的在于防其弊，用其利。生物安全是一个系统的概念，即从实验室研究到产业化生产、从科技研发到经济活动、从个人安全到国家安全都涉及到生物安全性问题。生物安全又是一个广义的概念，它包括了以下几方面：

（1）外来物种迁入导致对我国生态系统的不良影响甚至破坏；

（2）人为造成的环境剧烈变化危及生物多样性；

（3）在科学、研究、开发生产和应用中，经遗传修饰的生物体和危险的病原体等可能对人类健康、生存环境造成的危害等；

以上都属于生物安全的范畴。

1.3 生物安全实验室的等级分类：

生物安全实验室是通过防护屏障和管理措施，防止或者控制有害生物因子等实验对象的扩散，从而达到生物安全要求的实验室[5]。按照国际惯例和我国执行的标准，根据实验室所处理对象的生物危害程度和采取的防护措施，可将生物安全实验室分为4级，其中一级对生物安全隔离的要求最低，四级最高（图1）。一般，三级和四级生物安全实验室被定义为高等级实验室。

为了方便，以BSL（Biosafety Level）表示生物安全等级，以ABSL（Animal Biosafety Level）表示动物生物安全等级。BSL-1、BSL-2、BSL-3、BSL-4 表示相应级别的生物安全实验室。ABSL-1、ABSL-2、ABSL-3、ABSL-4 表示相应级别的动物生物安全实验室。生物安全实验室的具体分级可见表2。

表2 生物安全实验室的分级[5]

2 “盒中盒”——高等级生物安全实验室的一种经典空间模型

2.1 高等级生物安全实验室的基本工艺要求

正确确定实验室的生物安全级别是规划建设实验室的第一步，不同危害程度的实验室应在相应的生物安全实验室里进行。国际惯例和相关标准对不同危害程度的生物安全实验室提出了相应的工艺要求。

三级生物安全实验室应具备双重门或气闸室和与外部隔离的实验区域，非实验室工作人员禁止入内。实验室必须配置生物安全柜、高温灭菌锅等设备。实验室的送风必须经过3 级过滤，室内空气也必须经过粗、中、高3 级过滤后高空排放到室外大气中，禁止使用循环回风。有时排风还需要经过两道高效过滤后排放。实验室的排风必须独立设置，并采取有效措施保证风系统的平衡，满足各个实验室区域之间的负压要求。

四级生物安全实验室为能够安全地从事可能通过气溶胶传播、实验室感染高度危险、严重危害人和动物生命及环境的、没有特效预防和治疗方法的微生物工作的安全实验室。BSL-4 实验室一般采用独立的建筑物，或建筑物内的独立隔离区域，不得设置在城市商业区或居民小区内，并远离公共场所。四级生物安全实验室需根据相应的隔离等级使室内保持负压，比三级生物安全实验室的要求更高，还要求在II 级B2 生物安全柜中，或在III 级生物学安全柜内完成实验。对于某些实验，实验人员必须穿着特制的正压防护服。非实验室工作人员禁止入内。

2.2 “盒中盒”基本逻辑介绍

2 几个典型BSL-4实例剖面布局类型总结，根据参考文献[6]改绘

3 BSL-3美国生物安全实验室典型配置示意，来源NIAID

4 某ABSL-4生物实验室总平面布局中的 两道物理防线

5 某ABSL-4实验室“盒中盒”平面分区 及剖面示意

在生物安全实验室设计中有一个所谓“整体安全壳”的概念，即前文提到的“防止内部有害生物因不扩散的物理屏障”。总结国际高等级生物安全实验室的空间布局发现，不同的方案体系对于“安全壳”的位置设置具有不同的逻辑。早期的高等级生物安全实验室设计认为，核心区本层内的天花板、地面和墙面即可界定为“安全壳”的边界，具有阻隔气流外溢的功能；设备被放在安全壳以外非封闭的部分，便于检修。吉朗的实验室创造性地提出“盒中盒”的早期模型体系，即将设备设施放置在第二层“安全壳”之内，原因是考虑到实验室内部实验对象均为外来生物疾病，若排放在室外，可能会发生病毒扩散等生物安全问题，将对当地物种造成不可逆的毁灭性危害[6]（图2）。

“盒中盒”模型通过两个嵌套的密闭空间实现生物安全防护，属于污染区的实验功能位于内部的“盒子”之中，盒子内部形成环状走廊，研究人员及实验生物在盒内活动，通过周围的密闭措施与外界分离。从剖面来看，内盒通常位于外盒的中部，内盒之上通常设置高效过滤器和生命维持系统，下方则设置污物处理设备，如活毒废水组织处理器等。通过层层密闭的措施，防止病毒等污染物的扩散。图3 所示为基本“盒中盒”模型体系生物安全实验室基本组成形式。

3 “盒中盒”模型的设计实践应用与修正

3.1 “盒中盒”模型的设计实践

笔者及团队曾主持设计国内某高等级动物生物安全实验室，该项目总建筑面积约为16,000m2，包含生物安全实验楼及配套设备用房等若干栋建筑。项目整体布局以生物安全实验楼为中心，配套工程（锅炉房、变配电、污水处理站）等布置于场地西侧，科研/办公楼置于生物安全实验楼东侧。场地整体外围设置围墙、围栏形成第一道物理防护，在中心生物安全实验楼四周通过围栏及绿化形成第二道物理屏障，总体布局满足基本生物安全防护的需求（图4）。

生物安全实验楼整体设计逻辑采用“盒中盒”理论模型，共4 层：地下1层，地上3 层。地下为实验室污水处理系统设备；地上首层东侧为办公，中间为ABSL-3 和ABSL-4 生物安全实验室，西侧中部为组织处理器和解剖间；地上二层东侧为生物安全二级实验区，西侧中部设置高效过滤器，送排风管道；三层布置实验室空调设备和生命维持系统用房（图5）。

3.2 设计实践中问题的分析与修正

在项目设计实践过程中，笔者及团队在将“盒中盒”理论模型与实际设计需求相结合的过程中遇到了诸多问题，对其进行复盘分析，总结归纳为两类，分别是“生物安全防护”相关问题与“消防设计”相关问题。

3.2.1 “生物安全防护”相关问题在实际应用中的问题及修正方法

在设计实践时，实验对象流线成为第一个难点。“盒中盒”体系模型决定了实验区在整个建筑的最中心，实验动物如何进入实验区域以及如何把控整个穿行过程中存在的生物防护风险成为首先需要解决的问题。除结构、机电等各专业本身可提供的技术手段外，建筑专业首先需要解决的是复杂的流线设计：相较于多数已建成生物安全实验室，常规实验室的实验对象多为实验鼠等较小型实验生物，而该项目为ABSL-4 生物安全实验室，因此实验对象除常规实验鼠等小动物外，还包含诸如猪、牛、羊等大动物实验体，这无形中提高了运输过程有害生物因子外溢的风险（图6）。因此，确定整体功能框架及流线逻辑成为项目设计的首要任务。设计之初，对于工艺流程国内并无可查先例，设计团队在结合“盒中盒”模型框架的基础上，针对于该项目中实验对象体型较大等特点，创造性地提出了3 套独立流线体系的设计构想。在此逻辑之下，将常规的“人员流线+物品流线”模式，升级为“人员+动物+实验物品”3 条独立流线的模式（图7）。结合大动物的运输特点以及生物安全防护要求进行流线设计，具体设计要点如下：

动物流动的起点是装卸点，终点是尸体处理场。卸货区为防止动物逃窜，空间设计应合理，同时还要容纳车辆或拖车卸货的需要，并设置一些遮挡风雨的措施。

从卸货区开始，动物要进入气密过渡室。气密过渡室将成为外部环境和洁净走廊之间的一道缓冲，进入气密过渡室需要保持清洁走廊区到防护空间的参考气压，这一入口点同样是进入防护设施的人员接收洁净动物的地点。

由于本项目实验对象中多为大型动物，因此，还必须考虑到排泄物的清理，如卸货到坡道、气密过渡室、清洁走廊等地点。在设计中，必须考虑到清洁流程、排水管网位置、卫生和消毒系统的管道分布。

洁净走廊中动物的移动由门来控制，为减少动物逃窜，入口气密过渡室应当安排出单一的通道，使用门堵住动物的退路。有些设施里还安排了适应区，让动物能够适应从建筑外部环境调整到建筑内部环境的变化。

6 大型实验动物与小型实验动物培养设 备尺度对比

7 某ABSL-4实验室流线逻辑示意

8 动物流线节点逻辑

一旦动物被感染，则只能通过气密门从存放室转到污染走廊。污染走廊也要有和清洁走廊门一样的设施，更好地运送感染疾病的、死亡的或者麻醉的动物。污染走廊应连到尸检室，最后，需要对动物尸体进行消毒处理（图8）。

同时，位于首层的ABSL-3 及ABSL-4 实验室中的实验设施在设计上也单独考虑了动物的进出通道，健康动物由实验室西侧动物入口进行清洗消毒后通过缓冲间进入实验区内环廊，实验室内环廊设置大动物不锈钢隔栅门，用于引导动物进入所要求的动物实验室。在动物经过通道上配置动物粪便清洗、消毒设施。动物实验完毕通过解剖室解剖处置后，碱裂解处理。

动物生物安全实验室的门开启方向应向内。ABSL-3 实验室缓冲间门和ABSL-4 实验室化学淋浴间两侧门均向外开，即外侧门开向半污染区，内侧门开向动物安全核心实验室。

3.2.2 “消防设计”相关问题在实际应用中的问题及修正方法

消防设计是“盒中盒”模型理论实践中的另一难点。首先，对于防火分区如何划分、是否设置喷淋系统，是否加装防火阀等技术措施类问题，在现行的设计规范中并无明确的规定。

在实际调研过程中，通过分析部分国际典型实验室消防设计发现，各国在实际消防设计中，国家规范与实际情况差异较为明显。其中多数国家在消防设计中，实验区和其他负压区内均不设置机械排烟系统，如澳大利亚动物健康实验室（AHHL）、英国国家生物制品标准控制研究所（NIBSC）的BSL-4 实验室、加拿大人类和动物健康科学中心（CSCHAH）等。

另外，在国内进行高等级生物实验室设计时，消防设计的另一难点不仅在于可参考的案例或规范较少，更在于此类建筑的消防设计逻辑与我国消防规范逻辑的背道而驰：现行消防规范的主要目的是缩短疏散时间，快速扑灭火焰以挽救生命，但对于生物安全实验室而言，生物安全防护相较于减少财产损失而言更为重要，火灾过程中一旦产生污染物泄露将会对社会造成不可挽回的后果。因此，高等级生物实验室的核心污染区在消防设计过程中应以“尽量燃烧”为目的。在高等生物安全实验室设计中消防措施的重点不仅仅是灭火，而是如何能够在防止污染物泄露的前提下及时解救实验人员。基于以上的理论分析，在该项目中未设计自动喷淋系统，是由于喷淋洒下的水会将原本控制于一处的病毒带至更广的范围，同时已染毒的动物以及实验品也可能随着水流扩散至其他空间，造成不可挽回的后果。同时因现行消防设计规范对于该类型建筑设计缺乏描述，本项目经过消防安全性能评估后得以实施。在该项目中，将ABSL-3 实验区与ABSL-4 实验区分别设计为独立的防火分区，实验区内部设置合适可控的灭火器材，如气体灭火装置，外部清洁区设置喷淋灭火器系统，可有效地控制火势蔓延同时达到防止病毒外泄的目的。结合规范中关于建筑材料燃烧性能和耐火极限的要求，可将位于核心实验区外的内部环廊设计为无任何可燃、易燃、易爆的安全区域，以解决实验区域发生火灾时的疏散问题[7]。

4 结语

总结高等级生物安全实验室的设计方法，“生物安全防护”这一命题贯穿始终。“盒中盒”理论模型正是高等级生物安全实验室中对于“生物安全防护”诉求的产物。从1980 年代中期的吉朗实验室到如今笔者团队参与设计并建成的两座高等级生物安全实验室，均论证了其结构逻辑的合理性。然而针对于不同的实验对象，“盒中盒”的基本形式又很难提供一套万能公式。尤其是针对高等级大型动物生物安全实验室，需要考虑运输、实验、观察饲养过程中可能存在的诸如动物排泄、逃逸、破坏等造成有害因子外溢的潜在风险。基于“盒中盒”体系框架而设计的独立的单向封闭动物流线为这一问题提供了一种解决思路。□