探秘欧洲最现代化的动物卫生研究所

16:24 - 27/05/2020 | 来自: 医疗建筑师联盟

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世界上第一家病毒学机


在德国东海的里姆斯岛(Riems)上的弗里德里希·洛夫勒研究所(Friedrich Loeffler Institute,以下简称“FLI”)是由德国学者弗里德里希·洛夫勒(Friedrich Loeffler 以下称为“洛夫勒”)于1910年首次建立生物实验室的地方。当时在一次爆发的毁灭性口蹄疫(FMD)中,洛夫勒教授发现口蹄疫是由“滤过性物质”引起的。那时,人们还没有意识到疾病可能是由比细菌还小的传染源引起的。洛夫勒教授和他的口蹄疫团队合作开创了微生物学的新领域:病毒学。为此,FLI被公认为是世界上第一家病毒学机构。FLI成立100周年时德国联邦政府出版了一套邮票(图1),邮票上洛夫勒教授和当时研究的就是现在被人熟知的冠状病毒。



图1  FLI成立100周年纪念邮票



自一个多世纪以来成立以来,FLI已经发展成为世界上最大的传染病机构之一。其首要目标是改善动物、人类和全球健康。在其历史上,里姆斯的FLI获得了“瘟疫之岛”的盛名。除了对口蹄疫,非洲猪瘟,还对埃博拉病毒,尼帕病毒,裂谷热,牛海绵状脑病,蓝舌病,狂犬病,Q-发烧,流行性感冒,耶尔森氏菌,弗朗西斯菌土拉希,炭疽杆菌,以及鱼类,软体动物,甲壳类和蜜蜂独有的传染病,非传染性动物健康问题,包括营养,福利和饲养等方面进行研究。这些研究具有深远的意义。






FLI 新改扩建工程


FLI现直属于联邦德国食品,农业和消费者保护部。岛上的研究所约240人,其中包括约50名科学家。新改扩建工程规划在FLI成立100周年之际,该工程于2005年03月开始设计,至2007年12月完成方案设计,2008年7月开工,2011年完工,2013年12月全部投入运行。完工后,共有不同生物安全等级的实验室89间和动物饲养厩舍163个,其中有生物安全最高等级的BLS4实验室。建筑面积为79400m²,使用面积为62500m²,建筑总容积为325500 m²


除了FLI外,在德国最高安全等级的BSL4生物安全实验室还有3处,如马尔堡大学(University of Marburg)研究所,柏林的罗伯特·科赫研究所(Robert Koch Institute)和汉堡的伯恩哈德·诺希特研究所(Bernhard Nocht Institute)。


*跨越时代感的风景线

鸟瞰在里姆斯岛上的FLI(图2),岛的东面带有1920年代风格建筑是老研究所马厩牛栏与带大草坪的开放牧场,北面是老椴树大道。中间的新建筑就像两个红色抽屉型的平屋顶建筑(图3)。窄长的建筑是生物实验室大楼,宽长的建筑是封闭式的动物饲养厩舍,中间是东西走向的人造通道,形成了新建筑群的中央通道,并将新研究所与南面老研究所(图4)两代建筑的地面入口区域连接起来,使两代建筑错落有致、相得益彰。贯通岛上现有的所有道路,经过南湾区芦苇地和开阔海面,通往洛夫勒教授纪念馆(图5),直至门楼。有长堤与陆地连接起来。由于新建建筑是扁平的,1920年代的老建筑的尖顶还是显露,地标性的老烟囱仍高高耸立。整个设计维持了原岛上的景观与生态平衡,使里姆斯岛集成了不同空间的景观元素,形成跨越时代感的连续有序的风景线。


图2    里姆斯岛上FLI鸟瞰图




图3    新建研究所大楼(右侧是实验楼,左侧是动物设施)


图4    FLI老研究所



*颠覆传统生物实验楼形象的现代化建筑


传统的生物安全实验室大楼因其建筑功能往往在外观上呈现出无窗、严实与安全的形象。为了避免给人隔绝、封闭、沉重的感觉,设计者独具匠心,在大楼的底层采用了整块彩色玻璃做围护,二层与三层采用了大玻璃窗(图6),实验大楼的3个内天井各个节点也处理得十分到位(图8),使楼内充满更多的阳光,内部隔断也颇有艺术感(图9)。
由于进入高危生物安全实验室工作的人员,神经紧绷、心理压力较大,这种实验室外环境的友善的界面、多彩的空间、平和的色调与温馨的环境,有利于消除实验人员心理压力,调节心情。
整个建筑通透、轻盈,如一栋现代化的办公大楼。完全不像危险性极高的生物实验楼。到了晚上,大楼的内部灯光开启,十分艺术化(图7)。



图6   新研究所大楼近景



图7     新研究所大楼夜景



图8   内天井处理的节点



图9     新研究所大楼内景





新研究大楼设施系统


*重点在于安全

为了防止生物安全实验室,特别是BSL3和BSL4实验室建成后在灾害与事故期间出现裂缝和泄漏,其结构高强度、抗震性、气密性、防水性是关键。在设计前,要求对场地的地质做专门勘察,建筑物的地基挖到岩石层。整体建筑必须采用箱中箱围堵系统(Box-in-Box-Containment-System)现浇混凝土结构(图10)。使用强度等级最高的C35 / 45混凝土,所有混凝土表面均涂环氧树脂(图11),才能保证高强度密封的安全围挡。



图10 整体现浇混凝土箱中箱围挡结构


图11  混凝土表面均涂环氧树脂




新研究大楼由两栋建筑组成(图12),北面是动物设施建筑由43号楼至47号楼共6栋楼组成,长210m,总面积为48000m²;163个动物饲养厩舍。南面实验楼建筑是由40号、41号和42号楼组成,长230m,面积为22800m²。各楼的功能如图12所示。其中生物安全实验室净面积为2440m²,89间实验室。BSL2实验室面积为1200m²,BSL3实验室面积为1000m²,BSL4实验室面积为240m²。地上3层,地下1层或2层。一楼为使用层,其他层面为技术设备层。连接实验楼与动物设施有三座天廊。
这两栋建筑内各个实验空间的安全级别自西向东逐步增加(图12、13)。南面实验楼从最西部的BSL2级的细胞库开始,到最东部的最高级别BSL4实验室。北面的动物设施楼从最西部的BSL2级动物饲养厩舍开始,到最东部的BSL3+动物饲养厩舍。


图12    实验楼和动物设施楼的不同级别生物安全实验室分布图



        图13是两栋建筑的平面布局,平面内与主通道平行的灰白走廊是非控制区,由主通道进入各大楼的人员可停留在灰白走廊。如要进入相应受控的区域,先要进行相配套的更衣换鞋后,经绿色走廊(图14)到相应科室,绿色走廊是半污染区,各科室是污染区。工作后由红色走廊(图15)返回。红色走廊是污染区。受控区域内墙壁与地面的转角都要经过特殊圆角处理(图16)。所有内表面(地板,墙壁和天花板)必须非常容易清洁、消毒和去污,并能耐受所有消毒化学物质及清洁方法。地板还必须具有耐磨性和抗冲击性,包括能够承受牛、马脚踢与踩踏。BSL3+的动物厩舍人员,必须先第一次更衣换鞋后经由黄色走廊。黄色走廊属于清洁受控区,工作人员从黄色走廊进入绿色走廊前再要换上正压防护服。进入缓冲间(图17),再进入BSL3+动物饲养厩舍对动物进行实验(图18,19)。从实验室或动物厩舍出来的人员须走红色走廊。如与被感染的动物一起工作时,要到特殊房间时进行化学淋浴去污,防护服去污染和防护服更换必须是两个房间。然后再次换自己衣服,返回灰白色走廊。


图13    实验楼和动物设施楼内平面布局



图14   绿色走廊



图15   红色走廊


图16   受控区域内墙与地转角的特殊处理


图17   缓冲间


图18   动物饲养厩舍


图19   感染动物做试验




*各设施系统


整个项目的污水处理中心与能源中心设置在岛的西面,有6个地下储罐的燃料,确保断电后一周的发电用油量。


新研究大楼44号楼有一座冷、热、电三联供设施;3台制冷机和6台冷却塔,总制冷量4000kW。楼内的冷热水、蒸汽、排水、压缩空气与动力等管线均通过地下隧道与能源中心、污水处理中心连接。整个项目管道达130000m,电缆100万米。


动物设施楼控制系统,见图20。这动物设施楼是4层结构,很典型的设施系统布局方式,上走风、气、电管道,下走水管道,横向不走管道。一楼是实验室工作区层面,有实验工作室、缓冲间、动物厩舍等空间。二层是技术层,布置通风与空调系统,蓝色的风管是新风管,由三层的新风空调箱供给,经二层送风过滤箱送入一层的工作区。黄色的风管是排风管,经二层的袋进袋出的空气过滤箱过滤除菌后,由三层的排风机机组排至楼顶。三层的6个蓝色气罐是送入正压防护服的呼吸用的空气。所有废水都收集在地下一层的收集槽中,先在建筑物内部直接进行消毒,然后再送入研究所污水处理厂。47号楼要处理实验后的感染动物,要有地下两层结构。先将动物尸体在密闭罐150℃高温高压碱蒸煮9h 。高危排水需经高温高压蒸汽处理,要加热到121℃。在特殊情况下,要求加热到136℃进行灭菌处理。



图20    动物设施楼控制系统示意图


验楼中由黄色走廊所围的是实验区,白色的方块是生物安全实验室,42号楼是设置BSL4实验室的,是个很典型的“箱中箱”结构(图13)。BSL4实验区面积为350m²,BSL4实验室面积为240m²。BSL4实验室适用于处理可能在实验室内经气溶胶传播并导致严重致死性疾病的病原体,且尚无可用的疫苗或治疗方法,如埃博拉病毒。这些病毒对人类非常危险。必须采取特殊措施来保护工作人员。在Ⅲ级生物安全柜中操作病原体的为安全柜型实验室。人员须穿着正压防护服操作的是防护服型实验室。FLI采用的是正压防护服型的BSL4实验室(图21)。

涉及研究的是人畜共患病,即可以在动物和人之间传播的传染原,其中某些病原体的没有疫苗或有效药物,如SARS,MERS。只有穿着正压防护服的人员在BSL4实验室才能对此类病毒进行研究(图22、图23)。

工作人员身穿全套正压防护服,由通过带有安全阀的软管供给过滤后的呼吸空气。防护服的充气压力略高于房间内的压力,因此即使发生泄漏,也不会有病原体会渗透到防护服中。整个实验区保持负压,室内通过HEPA过滤器送风,并经过HEPA过滤器全部排到室外。退出BSL-4实验室的人员必须经过化学淋浴进行去污,然后经过一个特殊更衣间脱去正压防护服,再进行个人淋浴。

该区域所有用过的衣物和所有其他固体废物均用热蒸汽消毒。进入BSL-4实验室的人员仅限于经过培训和授权的人员,并必须记录所有进入和离开实验室的人员与时间。



图21      BSL4实验室




图22    BSL4实验室研究人员


图23    BSL4实验室研究人员交接


灭火系统。高级别生物安全实验室的消防是个大问题。实验室处理高危的病原微生物,万一遭遇火灾,常用的自动喷水灭火系统、高压细水雾灭火系统、泡沫灭火器灭火,会产生大量高危生物污水,病原微生物有可能随水流出。二氧化碳或惰性气体灭火,会使室内负压变成正压,高危的病原微生物会逸出。哈龙灭火剂和氢氟烃类灭火剂虽然不会破坏负压,但所带来的环境污染,破坏臭氧层问题。为了防止消防过程高危的病原微生物出来,目前常常采用保证人员撤离,将实验室禁闭,让火烧尽的方式。但科研成果、精密仪器、昂贵设备、复杂设施同时也毁于一旦。

FLI新研究大楼采用Novec1230高效、环保型灭火剂。其热力行为像制冷剂蒸气,不像气体。在灭火过程中,先冷却室内空气产生负压,从火焰中抽取热量,从而达到灭火目的。Novec 1230被认为是哈龙的替代品,总体来说将对实验室运行和负压控制的不利影响降到最低。除了拥有优良的灭火性能外,对人员安全,不具有导电性,灭火后不留残渣,不会损害设备,对高级别生物安全实验室消防灭火十分理想。



结 语



FLI成立于1910年,一个多世纪的发展使其已成为世界上最大的传染病机构之一。在FLI成立100周年之际, 政府投资了近3亿欧元,建造新的研究设施,将其发展成为欧洲最现代化的动物卫生研究所,其新的设施采用了最新的科研成果与工程技术,很有特点,值得同类型的工程参考与借鉴。

作者:沈晋明   刘燕敏  同济大学

文章来源于CHAE






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