任务一 实验室的建筑设计
建造实验室，从拟定计划到建成使用，一般有编制计划任务书、选择和勘察基地、设计、施工以及交付使用后的回访等几个阶段。设计工作是其中比较重要的过程，它不仅要严格执行国家相关的基本建设规划，而且还要具体贯彻对于实验室的整体建设思路和理念。通过设计这个环节，把计划中有关设计任务的文字资料、内容要求编制成可以直观展示实验室建筑的整套图纸。实验室的建筑设计应当本着坚持科学、合理先进、实用节约的原则，体现标准化、智能化、人性化、前瞻化的特点。
一、实验室设计的主要内容
实验室的设计，一般包括实验室建筑设计、结构设计和设备设计等几部分，它们之间既有分工，又相互密切配合。
设计人员进行建筑设计时所依据的是主管部门有关建设任务、使用要求、建筑面积、单方造价和总投资的批文，以及国家或地方的有关部门规定的相关设计定额和指标，还有工程设计任务书、城建部门同意设计的批文等相关文件。此外，设计单位在接受委托设计该工程项目后，还要通过大量的调研，收集必要的原始数据和勘探设计资料，综合考虑总体规划、基地环境、功能要求、结构施工、材料设备、建筑经济以及建筑艺术等多方面的问题进行设计，并绘制成实验室的建筑图纸，编写主要意图说明书与图纸，编写各实验室的计算书、说明书以及概算和预算书。
二、实验室建筑设计的过程和阶段
实验室建筑设计一般分为设计准备、初步设计、技术设计和施工图设计等几个阶段。
（一）设计准备工作
1. 熟悉设计任务书
具体着手设计前，首先要熟悉设计任务书，以明确实验室建设项目的设计要求。设计任务书内容有：
（1）实验室建设项目总的要求和建造目的说明；
（2）各实验室的具体使用要求、建筑面积以及各类实验室之间的面积分配；
（3）实验室建筑的总投资和单方造价，并说明土建费用、房屋设备费用以及道路等室外设施费用情况；
（4）实验室基地范围、大小，周围原有建筑、道路、地段环境的描述，并附有地形测量图；
（5）供电、供水和采暖、空调等设备要求，并附有水源、电源接用许可文件；
（6）公害处理要求，如对废气、废水、废物、噪声、辐射、震动等的技术处理要求；
（7）设计期限和实验室项目的建设进程要求。
2. 收集必要的设计原始数据
（1）气象资料 所在地区的温度、湿度、日照、雨雪、风向和风速以及冻土深度等；
（2）基地地形及地质水温资料 基地地形标高、土壤种类及承载力、地下水位以及地震烈度；
（3）水电等设备管线资料 基地地下的给水、排水、电缆等管线布置，以及基地上的架空线路情况；
（4）设计项目的有关定额指标 国家或所在省市地区有关实验室设计项目的定额指标，例如实验室面积定额、建筑用地、用材等指标；
（5）设计前的调查研究。
①各实验室的使用要求：通过调查、了解实验室各岗位人员的工作需求以及同类已建实验室的实际使用情况，对于楼栋间的相互关系、楼层间的布置安排、各实验室间的布局设置以及主要仪器设备的安置位置和设施需求，设计人员要做到 “心中有数”；
②建筑材料供应和结构施工等技术条件：了解设计实验室所在地区的建材供应的品种、规格、价格、性能及采用的可能性等；
③基地勘探：根据城建部门所划定的实验室基地图纸，进行现场勘探，依据现状考虑拟建实验室的可能性；
④当地经验和习惯：可根据拟建实验室的当地具体情况，借鉴和选取当地传统建筑中结合当地地理、气候条件而形成的设计布局和创作经验，同时在建筑设计时，也应考虑当地的生活习惯和社会审美需求。
（二）初步设计阶段
1. 初步设计的主要任务
初步设计的主要任务是提出设计方案，其内容包括：确定实验室的组合方式，选定所用建筑材料和结构方案，确定实验室的建设位置，说明设计意图，分析设计方案的合理性以及提出概算书。
2. 初步设计的图纸和设计文件
（1）建筑总平面 比例尺为（1∶500） ～（1∶2000），实验室在基地上的位置、标高，以及基地上设施的布置和说明；
（2）各层平面及主要剖面、立面 比例尺为（1∶100）～（1∶200），标出各实验室的主要尺寸，实验室的面积、高度以及门窗位置，部分实验室室内用具和设备的布置等；
（3）说明书 设计方案的主要意图、主要构造方案和特点以及主要技术经济指标等；
（4）建筑概算书，根据不同需要，还可附上建筑模型图或透视图，具体如图1－1所示。
图1－1 建筑模型图
（三）技术设计阶段
技术设计是实验室建筑设计的中间阶段。它的主要任务是进一步确定各实验室之间的技术问题。
技术设计的内容为各实验室相互提供资料、提出要求，并共同研究、协调编制拟建各实验室的图纸和说明书，为各实验室编制施工图打下基础。
技术设计的图纸和设计文件，要求实验室建筑的图纸标明与技术工种有关的详细尺寸，并编制实验室建筑部分的技术说明书，结构工种应有实验室结构布置方案图，并附初步计算说明，仪器设备也应提供相应的设备图纸及说明书。
（四）施工图设计阶段
1. 施工图设计的主要任务
施工图设计是实验室建筑设计的最后阶段。它的主要任务是满足施工要求，即在初步设计或技术设计的基础上，综合建筑、结构、设备各工种，相互交底、核实核对，深入了解材料供应、施工技术、设备等条件，把满足实验室工程施工的各项具体要求反映在图纸中，做到整套图纸齐全统一、明确无误。
2. 施工图设计的内容
施工图设计的内容包括：确定全部工程尺寸和用料，绘制实验室建筑、结构、设备等全部施工图纸，编制实验室工程说明书、结构预算书。
3. 施工图设计的图纸及设计文件
（1）建筑总平面 比例尺为1∶500，详细标明基地上实验室建筑物、道路、设施等所在位置的尺寸、标高，并附说明。
（2）各层实验室建筑平面、各个立面及必要的剖面 比例尺为（1∶100）～（1∶200）。
（3）实验室建筑结构节点详图。
（4）各实验室工种相应配套的施工图。
（5）实验室建筑、结构及设备等的说明书。
（6）结构及设备的计算书。
（7）实验室工程的预算书。
三、实验室的建设规划与设计布局的基本要求
（一）实验室的建设规划
实验室的建设规划是实验室具体设计的指导思想，其依据来源于实验室的实际检验工作需要。建设一套完善的实验室系统，必须符合企业产品质量检验的要求；根据生产检验的需要设置日常检验仪器、设备和辅助装置的安置场所及工作环境；根据技术进步的需要，增添或更新技术装备的场所等；根据内部质量控制工作的需要，适当地设置专用工作间、标准样品间等。实验室的建设规划可细分列举如下：
1.实验室名称
（1）实验室名称 如理化检验室、感官评定室、微生物实验室、药物分析实验室、精密仪器实验室、电子计算机室、称量室、储藏室等。
（2）房屋间数 同类同用途的实验室需要几间，如药物分析实验室需要3间，就标明 “3”。
（3）使用面积 每间使用面积的大小往往与建筑模数联系起来，应根据当地的施工条件，确定采用何种模数及何种结构、形式比较符合实际。如采用模数为6m ×7m的柱网，则每间使用面积可填40m2。
2.实验室建筑要求
（1）实验室房间位置要求 ①底层：实验室设备质量较大或需要防震的房间，可设置在底层；②楼层；③朝向：有些辅助实验室或实验室本身要求朝北，多数实验室要求朝南，这就需要具体研究，综合平衡。
（2）实验室房间要求 实验室房间要求。指实验室本身的要求：①一般清洁；②洁净：进行化验或实验时要求房间内达到一定的洁净要求；③耐火；④安静。
（3）实验室房间尺寸要求 如按建筑模数排列各实验室，就按模数的倍数填写长、宽、高。如实验室要求必须吊顶，则层高就相应地要增加。有些实验室属于特殊类型的，则采用单独的尺寸。
（4）门的要求 实验室的门有以下各种要求：①门的开向：内开，门向房间内开；外开，主要设置在有爆炸危险的房间内；②隔声；③保温：如冷藏室要求采用保温门；④屏蔽：防止电磁场的干扰而设置的屏蔽门；⑤自动感应门。
（5）窗的要求 实验室的窗有以下各种要求：①开启：指向外开启的窗扇；②固定：有洁净要求的实验室可以采用固定窗，以防止灰尘进入室内；③部分开启：在一般情况下窗扇是关闭的，用空气调节系统进行换气；当检修、停电时，则可以开启部分窗扇进行自然通风；④双层窗：在寒冷地区或空调要求的房间采用；⑤遮阳：根据实验室的要求而定，有时需用水平遮阳，有时需用垂直遮阳，也可以采用窗帘、百叶窗等遮阳；⑥屏蔽窗；⑦隔声窗。
（6）墙面要求 墙面根据实验室的要求各有不同：①一般要求；②可以冲洗：有的墙面要求清洁，可以冲洗；③墙裙高度：离地面1.2～1.5m的墙面做墙裙，便于清洁；④保温：冷藏室墙面要求隔热；⑤耐酸碱：有的实验室在实验时有酸碱气体逸出，要求设计耐酸碱的油漆墙面；⑥吸声：实验时产生噪声，影响周围环境，墙面要用吸声材料；⑦消声：实验时避免声音反射或外界的声音对实验有影响，墙面要进行消音设计；⑧屏蔽：外界各种电磁波对实验室内部实验有影响，或实验室内部发出各种电磁波对外界有影响；⑨色彩：根据实验室的要求和舒适的室内环境选用墙面色彩，墙面色彩的选用应该与地面、吊顶、实验台等的色彩相协调。
（7）地面要求 ①一般要求；②清洁、防滑、干燥等；③防震：一种是实验本身所产生的震动，要求设置防震措施以免影响其他房间；另一种是实验本身或精密仪器本身所提出的防震要求；④防放射性污染；⑤防静电；⑥隔声；⑦架空：由于管线太多或架空的空间作为静压箱，设置架空地板，并提出架空高度。
（8）实验台要求 实验台分岛式实验台（实验台四边可用）、半岛式实验台（实验台三边可用）、靠墙式实验台和靠窗式实验台，需提出实验台的长、宽、高的要求。
（9）其他要求 针对各实验室提出的具体方案要求，再对实验室进行细节设置。
3.结构
根据荷载性质分为恒载和活荷载两类。恒载是作用在结构上的不变的荷载，如结构自重、土重等；活荷载是作用在结构上的可变荷载，各楼面活荷载、屋面活荷载、屋面积灰荷载、雪荷载及风荷载等。
（1）地面荷载 指底层地面荷载，即每1 m2 的面积内平均有多少千克的物体。
（2）楼面荷载 指二层及二层以上的各层楼面活荷载。
（3）屋面荷载 屋面上是否要上人，积灰荷载、雪荷载及风荷载有多少等。
（4）特殊设备附加荷载 有的实验室内如果有特别重的设备，必须注明设备的质量、尺寸大小以及标明设备轴心线距离墙的尺寸。
（5）防护墙密度 有射线实验装置的建筑物，防护墙材料的选择及其墙厚度的尺寸均应根据实验室的不同要求进行仔细的考虑。
（6）地基钻探资料 在设计阶段，必须提供地基钻探资料，以便根据钻探资料进行基础设计。
（7）抗震要求 拟建实验室的地区是否属于抗震区、抗震的等级。
4.采暖通风
应根据《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50019—2015）进行规范，科学、合理的设计排风系统，进而达到实验室在设计上的安全、舒适、节能等目的。
（1）采暖
①蒸汽系统：采用蒸汽供暖的系统；
②热水系统：采用热水供暖的系统；
③温度：房间采暖的温度。
（2）通风
①自然通风：不设置机械通风系统；
②单通风：靠机械排风；
③局部排风：如某一实验室产生有害气体或气味等需要局部排风。在有机械排风要求时，最好能提出每1 h的换气次数；
④空调：有些实验室要求恒温、恒湿，采用空气调节系统可以保证实验室内的温度和湿度。
⑤洁净要求：有些实验室的空气要求保持在一定的洁净度时，则需要提出洁净等级。
（3）补风系统 根据实验室类型的要求进行设计，以实现特定的实验室对房间压差的特定要求。一般理化实验室要求保持微负压（－10～－5Pa）状态；个别特殊的如生物安全实验室则有压力梯度的要求。
5.气体管道
根据需要选用气体管道，有些实验室需要量特别大的必须注明。气体管道分为压缩空气、氧气、惰性气体及天然气等。
6.给排水
（1）给水
①冷水：即城市中的自来水或采用地下水；
②热水：根据实验要求采用；
③去离子水：有些实验室需要去离子水；
④水温：要求多少摄氏度；
⑤屋顶水箱：设置水箱，有些实验要求较高，要有一定的水压。有的城市水压不够，要设置水箱。
（2）排水
实验室排水系统根据实验室排出废水的成分、性质、流量、排放规律的不同而设置相应的排水系统。
①对于实验室设备的冷却水排水或其他仅含无害悬浮物或胶状物、受污染不严重的废水可不必处理，直接排至室外排水管网；
②对于含有多种成分、有毒有害物质、可互相作用、损害管道或造成事故的废水，应与生活污水分开，作预处理使之符合国家标准方可排入室外排水管网或分流排出；
③对于较纯的溶剂废液或贵重试剂，宜在技术经济比较后回收利用；
④排放的废水如需重复使用，应作相应的处理；
⑤对于放射性同位素实验室的排水系统，应将长寿命和短寿命的核素废水分流，废水流向，应从清洁区至污染区；放射性核素排水管道的布置和铺设，管材、附件的选择，应符合《放射性同位素与射线装置安全和防护管理办法》（2011年4月18日中华人民共和国环境保护部令第18号公布）的相关规定。
7.电
（1）照明用电
①日光灯；
②白炽灯；
③要求工作面上的照度有多少勒克斯（lx）；
④安全照明；
⑤事故照明：指万一发生危险情况时需要的照明；
⑥明线：电线用外露形式的；
⑦暗线：电线采用暗装形式的；
（2）设备用电
①设备用电量（kW）：按每台设备的容量提出数据；
②供电电压：标明电压是多少伏特（V）；
③单向插座：标明插座的电流是多少安培（A）；
④三相插座：标明插座的电流是多少安培（A）；
⑤特殊设备：大型设备的用电要求；
⑥供电路数：根据实验的重要性，提出供电要求（指不能停电、要求电压稳定、频率稳定等）。
（3）弱电 针对现代化实验室的发展要求和科技发展趋势，建议主要房间都要设计多个网络通讯端口和至少一个电话接口；还需要在主要通道位置设计摄像头进行实验室管理监控，有条件的可以每个房间设计，甚至重要精密仪器室需要加强摄像监控。
8.防雷
实验室建设地点的雷击情况要调查清楚，提出防雷要求。
（二）实验室的总体布局
1.实验室总体布局原则
在对实验室建设提出整体规划要求的同时，也应根据安全和防干扰原则安排各功能实验室的组合，并充分考虑到如下问题：
（1）方便开展实验工作，避免室间干扰，注意各功能实验室的基本要求，一般情况下是工作联系密切或要求相似的实验室相邻布置，有干扰的实验室尽量远离布置。必要时可以对高温加热室的墙体加隔热屏障，以减少对邻室的影响。
（2）便于给排水、供电及其他工程管线的布置。
（3）容易发生危险的实验室，应布置在便于疏散且对其他实验室不发生干扰（或干扰较少）的位置。
（4）可能发生燃烧、爆炸的实验室要考虑灭火禁忌；凡使用的灭火剂有可能发生干扰的实验，应分室布置。
（5）总体布局要符合安全要求。
2.实验室平面布置图的制作
实验室的平面布置是根据实验室性质、实验室的目标定位、实验室的功能要求、实验类型以及实验工艺流程等因素，按照国家相关标准针对实验室既有场地进行科学、合理的功能间区分和布局的工作。在绘制单个实验室平面图和全实验室总体组合布置图时应注意以下几点要求。
（1）根据规划，绘制单个实验室平面布置图，应尽可能详尽，以利于实验室建成后的室内装修和实验设施定位。
（2）总体组合平面布置图的绘制，应显示主要用电、用水和主要工作台位置，以利于配套设施（包括工程管网、环保设施等）的设计。
（3）为利于建筑设计部门进行建筑设计，应对允许修改的尺寸范围做出尽可能详尽的说明。
此外，为保证实验室职能的充分发挥，由建筑设计部门完成的实验室建筑设计图纸，在最后定案前应征得实验室认同。
常见的实验室平面布置实例：
（1）单室布置 把所有实验集中于一个实验室内，如图1－2所示。适用于检验类型和项目比较少的小型企业。
（2）多室布置 把某些项目分解为多个环节，分别以专业室的形式进行布置。这种布置通常用于使用精密仪器的实验室，可以充分发挥各功能实验室的作用，又便于不同专业室之间的交流，有利于开展工作。因此，这种布置为多数企业所采用，如图1－3所示。多室中还应设计出用于普通试剂存放的试剂储藏室。为了安全，带有危险性的物品，通常储存于在主体建筑以外的独立小建筑内。危险物品储藏室不设人工照明及各种电器设施，仅使用自然光或手电筒照明。
图1－2 单室布置图
1—门；2—水磨石实验台；3—马弗炉；4—烘箱；5—通风柜；6—水槽；7—化学实验台；8—水磨石实验台及排风罩；9—天平；10—工作台。
图1－3 多室布置图
（三）实验室设计布局的基本要求
1.实验室的尺寸要求
（1）平面尺寸要求实验室的平面尺寸主要取决于实验工作的要求，并考虑安全和发展的需要等因素。例如实验台、仪器设备的放置和运行空间，通常情况下，岛式实验台宽度为1.2～1.8m（带工程管网时不小于1.4m）；靠墙的实验台宽度为0.75～0.9 m（带工程管网时可增加0.1 m）；靠墙的储物架（柜）宽度为0.3～0.5 m。实验台的长度一般是宽度的1.5～3倍。通道方面，实验台间通道一般为1.5～2.1m，实验台与墙之间的通道不小于1.25m，岛式实验台与外墙窗户的距离一般为0.8 m。具体实验室的平面尺寸要求如图1－4所示。
图1－4 实验室的平面尺寸要求 单位：mm
在工作空间方面，单人单面工作空间的通道为1.2m，双人双面工作空间的通道为1.5m，实验台与安全设备间、安全设备间的通道均为1.8m。1台分析天平需要占用工作台3～4m2 ，2台天平需要5～6m2 ，4台以上天平，每台需2m2。通常情况下天平台面宽度为0.6m，高0.7～0.75m。一台普通精密仪器连同准备工作台在内，通常需要8～10m2；一台大型精密仪器则需要15～25m2，甚至更大的室内空间，因此需要配备专用的辅助实验室；一位承担多项分析检验工作的化验人员往往需要占有15～50m2 （必要时可以更大）的室内工作区间面积。部分常规通道及空间安置的尺寸要求图例如图1－5所示。常规中央台通道规划的一般要求如图1－5所示。
（一）常规中央台通道规划的一般要求
（二）常规边台通道规划的一般要求
图1－5 部分常规通道及空间安置的尺寸要求图例 单位：mm
（2）实验室的高度尺寸
①实验室的一般功能实验室：操作空间高度不应小于2.5 m，考虑到建筑结构、通风设备、照明设施及工程管网等因素，新建的实验室，建筑楼层高度采用3.6 m或3.9 m；
②专用电子计算机室：工作空间净高一般要求为2.6～3 m，加上活动地板（考虑到电缆铺设、空调静压力等功能需要，高度为0.25～0.4m）以及天花板、装修等因素，建筑高度需高于一般实验室。
2.走廊要求
（1）单面走廊 适用于狭长的条形建筑物，单面走廊净宽1.5m左右。
（2）双面走廊 适用于长而宽的建筑物，中间为走廊，净宽1.8～2m，当走廊上空布置有通风管道或其他管线时，应加宽到2.4～3 m，以保证各个实验室的通风要求。
（3）检修走廊 宽度一般采用1.5～2m。
（4）安全走廊 安全要求较高的实验室或工作人员较多、人员疏散有困难的实验室需设置安全走廊，一般在建筑物外侧建设，以便于紧急疏散，宽度一般为1.2m。
3.建筑模数要求
（1）开间模数要求 实验室的开间模数主要取决于实验人员活动空间以及工程管网合理布置的必需尺度。对于目前常用的框架结构，开间尺寸比较灵活，常用的 “柱距”有4.0m、4.5m、6.0m、6.5m、7.2m等。一般旧式的混合结构为3.0m、3.3m、3.6m。
（2）进深模数要求 实验室的进深模数取决于实验台的长度和其布置形式，即采用岛式还是半岛式实验台，此外还取决于通风柜的布置形式。目前采用的进深模数有6.0m、6.6m、7.2m或8.4m等。
（3）层高模数要求实验室层高指相邻两楼板之间的高度，净高是指楼板底面至楼板的距离，一般层高采用3.6～4.2m，如图1－6所示。
4.实验室的朝向
实验室一般应取南北朝向，并避免在东西向（尤其是西向）的墙上开门窗，以防止阳光直射实验室仪器、试剂，影响化验工作的进行。若条件不允许，或取南北朝向后仍有阳光直射室内，则应设计局部遮阳或采取其他补救措施。在进行室内布局设计的时候，也应考虑朝向的影响。
5.建筑结构和楼面载荷
（1）实验室宜采用钢筋混凝土框架结构，可以方便地调整房间间隔及安装设备，并具有较高的载荷能力。对于旧有楼房改建的实验室，必须注意楼板的承载能力，必要时应采取加强措施。
（2）根据GB 50009—2012 《建筑结构荷载规范》对实验室载荷的要求，标准值一般取2.0 KPa。此要求可以满足一般实验室的使用要求，但是对于一些特殊实验室，如包含试生产设备实验室，拥有较多储水设备的实验室，重型箱体设备集中的实验室等，在设计时需要考虑增加局部载荷标准。当需要载荷量较大而采取加强措施又不太经济时，应安置在底层。
图1－6 建筑模型图，单位：mm
（3）在非专门设计的楼房内，实验室宜安排在较低的楼层。
（4）实验室应使用不脱落的墙壁涂料，也可以镶嵌瓷片（或墙砖）以避免墙灰掉落。
（5）实验室的操作台及地面应作防腐蚀处理。实验室如安装地板应考虑防静电。
6.实验室建筑的防火
一般性的消防要求可以参照GB 50016—2014 《建筑设计防火规范》。我们主要关注实验室对于消防的一些特殊要求。
（1）实验室建筑的耐火等级 应按一、二级耐火等级设计，吊顶、隔墙及装修材料应采用防火材料。
（2）疏散楼梯 位于两个楼梯之间的实验室的门至楼梯的最大距离为30m，走廊末端的实验室的门至楼梯的最大距离不超过15m。
（3）走廊净宽 走廊净宽要满足安全疏散要求，单面走廊净宽最小为1.3m，中间走廊净宽最小为1.4m。不允许在实验室走廊上堆放储物柜及其他物品、设施。为确保人员安全疏散，专用的安全走廊净宽应达到1.2m。
（4）实验室的出入口 单开间实验室的门可以设置一个，双开间及以上的实验室的门应设置两个出入口，如两个出入口不能全部通向走廊，则其中之一可以通向邻室，或在隔墙上留有方便出入的安全通道。
7.采光和照明
进行精密实验的工作室，采光系数应取0.2～0.25 （或更大），当采用电气照明时，其照度应达到150～200lx。
一般工作室采光系数可取0.1～0.12，电气照明的照度为80～100 lx。
在有裸露旋转机械的工作区，人工照明应避免使用荧光灯具，以免因灯光的“频闪”现象而产生 “停转”的错觉。
存有感光性试剂的实验室，在采光和照明设计时可以加滤光装置以削弱紫外线的影响。
凡可能由于照明系统引发危险，或有强腐蚀性气体的环境的照明系统，在设计时应采取相应的防护措施，如使用防爆灯具等。
四、实验室的平面系数
在设计过程中经常碰到总建筑面积、建筑面积、辅助面积及平面系数（K值）等指标。
总建筑面积是指几幢实验室建筑面积之和。
建筑面积为一幢实验室大楼各层外墙外围的水平面积之和（包括地下室、技术层、屋顶通风机房、电梯间等）。
使用面积是指实际有效的面积。
辅助面积是指大厅、走廊、电梯、卫生间、管道竖井、墙厚、柱子等面积之和。
平面系数＝使用面积/建筑面积，其中，使用面积＝建筑面积－辅助面积。