理化實(shí)驗(yàn)室規(guī)劃布局及工程設(shè)計(jì)
引言
理化實(shí)驗(yàn)室是工業(yè)部門(mén)、生產(chǎn)企業(yè)及研究單位用于檢測(cè)材料和產(chǎn)品理化指標(biāo)不可缺少的重要組成部分，對(duì)材料及產(chǎn)品質(zhì)量有監(jiān)督保證及指導(dǎo)作用。理化實(shí)驗(yàn)室作為專用實(shí)驗(yàn)室，主要應(yīng)用于醫(yī)藥工業(yè)、石油化工、檢驗(yàn)檢疫、疾病預(yù)防等行業(yè)，是生產(chǎn)檢測(cè)、科學(xué)研究的重要技術(shù)基礎(chǔ)，也是支撐工業(yè)發(fā)展及推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步的科學(xué)手段。理化實(shí)驗(yàn)室不同于一般科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，他不僅有電子顯微鏡、高精密天平、等離子質(zhì)譜儀、色譜儀、熱重分析儀、紅外光譜儀等高精尖設(shè)備，還有較多的易燃易爆物及有害物品，需要特殊的環(huán)境條件及實(shí)驗(yàn)設(shè)施支撐。然而對(duì)于當(dāng)前已建成的一些理化實(shí)驗(yàn)室，由于前期規(guī)劃布局和設(shè)計(jì)不盡合理，造成后期使用很不方便，而且具有很大的安全隱患。因此，如何建設(shè)好一個(gè)安全、實(shí)用、智慧、綠色、人文的理化實(shí)驗(yàn)室，已成為當(dāng)前亟待解決的重要問(wèn)題。
1、理化實(shí)驗(yàn)室組成和功能布局
1.1 理化實(shí)驗(yàn)室組成
理化實(shí)驗(yàn)室是提供針對(duì)某種產(chǎn)品或物質(zhì)在研制、生產(chǎn)、使用過(guò)程中采用物理方法和化學(xué)方法進(jìn)行測(cè)試分析的場(chǎng)所，由一系列專用實(shí)驗(yàn)室組成。根據(jù)用房類別不同，通?？煞譃閷?shí)驗(yàn)用房、輔助用房和公共設(shè)施用房，實(shí)驗(yàn)室的設(shè)置、建設(shè)規(guī)模應(yīng)結(jié)合理化實(shí)驗(yàn)室具體承擔(dān)的工作任務(wù)性質(zhì)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及任務(wù)量的大小確定。常用理化實(shí)驗(yàn)室用房構(gòu)成宜按照表1設(shè)置。
1.2 理化實(shí)驗(yàn)室規(guī)劃布局及要求
鑒于理化實(shí)驗(yàn)室組成比較復(fù)雜，在整體規(guī)劃布局時(shí)，應(yīng)按照不同工藝特點(diǎn)要求，功能分工明確，分布合理，并預(yù)留一定的發(fā)展空間，總體宜遵循組合布局原則、底層布局原則、頂層布局原則、北側(cè)布局原則安排。實(shí)驗(yàn)室人流、物流、污染流應(yīng)分開(kāi)布置，非受控區(qū)域和受控區(qū)域中間設(shè)立門(mén)禁，以保證實(shí)驗(yàn)人員安全及樣品無(wú)交叉污染。
化學(xué)分析室單獨(dú)設(shè)計(jì)房間，布置在實(shí)驗(yàn)樓頂層北側(cè)，前處理室靠近化學(xué)分析室，無(wú)機(jī)前處理室和有機(jī)前處理室分別設(shè)置。譜儀室和氣體分析室布置在遠(yuǎn)離振動(dòng)源的建筑物底層，條件具備時(shí)，可設(shè)置過(guò)渡間。天平室應(yīng)布置在遠(yuǎn)離振動(dòng)源和電磁干擾源的化學(xué)分析室附近，對(duì)于存放測(cè)量精度0.001mg高精度天平的天平室應(yīng)設(shè)置前室。
電子顯微鏡分析室、電子探針?lè)治鍪?、光學(xué)金相顯微鏡分析室應(yīng)遠(yuǎn)離振動(dòng)源、電磁干擾源和輻射干擾源，宜布置在建筑物底層，并設(shè)置前室。力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)室應(yīng)充分考慮設(shè)備凈高，遠(yuǎn)離對(duì)環(huán)境要求嚴(yán)格的其他實(shí)驗(yàn)室，設(shè)置在沒(méi)有地下室的一層。
無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室宜布置在距離樓梯口較近的區(qū)域，以方便設(shè)備搬運(yùn)。X射線光電子能譜、X射線熒光光譜儀室、X射線衍射分析室應(yīng)布置在人員活動(dòng)較少區(qū)域，統(tǒng)一規(guī)劃，靠近布置。
洗滌間、純水制備室、氣瓶間均設(shè)置獨(dú)立房間，氣瓶間應(yīng)將可燃?xì)怏w和非可燃?xì)怏w分間單獨(dú)布置，且靠近譜儀室。樣品接收、存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)處理室等輔助用房宜設(shè)置在門(mén)廳入口處。制冷等各類公用設(shè)施用房宜布置在用能負(fù)荷中心，并遠(yuǎn)離對(duì)振動(dòng)要求較高的精密儀器室。
2、理化實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)室建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜的綜合系統(tǒng)工程，涉及建筑、裝飾、結(jié)構(gòu)、通風(fēng)空調(diào)、給水排水、廢水、廢液、供配電、氣體管道以及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)施設(shè)備安裝等多個(gè)專業(yè)。應(yīng)按照要求，全面考慮，整體設(shè)計(jì)，最終確定方案。
2.1 建筑、裝飾和結(jié)構(gòu)
為滿足未來(lái)實(shí)驗(yàn)室具有較高程度的調(diào)整靈活性，理化實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)用房在結(jié)構(gòu)選型和室內(nèi)建筑布局時(shí)優(yōu)先采用標(biāo)準(zhǔn)單元組合設(shè)計(jì)，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元開(kāi)間、進(jìn)深和層高應(yīng)按實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備尺寸、安裝及維護(hù)檢修的要求確定，并與通風(fēng)柜、實(shí)驗(yàn)臺(tái)及管道空間布置緊密結(jié)合。通常情況下，開(kāi)間模式分為3.0m、3.3m、3.6m三種，進(jìn)深一般在6m~9m之間，層高設(shè)計(jì)應(yīng)考慮空調(diào)、消防等管道安裝位置和設(shè)備的運(yùn)輸以及安裝空間，不設(shè)吊頂時(shí)室內(nèi)凈高不應(yīng)低于2.8m，設(shè)置吊頂時(shí)不應(yīng)低于2.6m。單面走廊凈寬可采用1.5m，中間走廊凈寬宜為2.0m，大型理化實(shí)驗(yàn)室可考慮設(shè)置設(shè)備專用走廊，走廊凈寬采用2.8m，門(mén)窗設(shè)計(jì)根據(jù)各實(shí)驗(yàn)用房具體情況確定。
不同實(shí)驗(yàn)用房的室內(nèi)裝修選擇不同，使用強(qiáng)酸、強(qiáng)堿的實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)裝修應(yīng)耐酸堿、耐腐蝕。實(shí)驗(yàn)室墻面除具有放射性等特殊要求的實(shí)驗(yàn)用房外，其他可采用金屬壁板結(jié)構(gòu)，無(wú)凈化要求的實(shí)驗(yàn)室可不設(shè)置吊頂或采用格柵吊頂，地面材料根據(jù)不同用房要求可選擇防靜電架空地板、耐磨地坪或PVC卷材。實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的布置應(yīng)考慮安全性和方便性，可采用島型、半島型、L型、U型或一字型。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式宜采用鋼筋混凝土框架、鋼框架或排架結(jié)構(gòu)，樓面活荷載一般為400kg/m2~500kg/m2。對(duì)于周圍環(huán)境振動(dòng)反應(yīng)敏感或受環(huán)境振動(dòng)影響而不能正常使用的天平、電鏡、譜儀等精密儀器，應(yīng)采取被動(dòng)隔振措施，空調(diào)機(jī)組等自身產(chǎn)生振動(dòng)的動(dòng)力設(shè)備應(yīng)采取主動(dòng)隔振措施。
2.2 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)
按標(biāo)準(zhǔn)單元組合設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)用房，其通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)也應(yīng)該按標(biāo)準(zhǔn)單元組合設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)排風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，排風(fēng)裝置、風(fēng)管、閥門(mén)、附件和風(fēng)機(jī)等設(shè)施設(shè)備的材質(zhì)應(yīng)依系統(tǒng)所排除的有害物的種類確定。
譜儀室、洗滌臺(tái)上部應(yīng)配置萬(wàn)向排氣罩，光譜分析室除設(shè)萬(wàn)向排氣罩外，還宜增設(shè)排風(fēng)量較大的吸收罩?；瘜W(xué)分析室及前處理室宜根據(jù)需要設(shè)置桌上型通風(fēng)柜和臺(tái)式通風(fēng)柜，無(wú)機(jī)前處理通風(fēng)柜應(yīng)耐強(qiáng)酸腐蝕，實(shí)驗(yàn)臺(tái)局部上方設(shè)有萬(wàn)向排氣罩。有輻射防護(hù)要求的實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)應(yīng)采取防射線外溢措施；暗室的風(fēng)管等處應(yīng)采取防漏光措施，換氣次數(shù)不宜小于5次/h。持久-蠕變性能實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)位置應(yīng)設(shè)在房間的最高點(diǎn)，補(bǔ)風(fēng)位置應(yīng)距離設(shè)備頂部1m以上。試劑室、樣品接收與暫存室采用帶排風(fēng)的試劑柜，保持24h不間斷排風(fēng)。所有實(shí)驗(yàn)用房要有一定的換氣次數(shù)，以保證室內(nèi)揮發(fā)性有害物質(zhì)及時(shí)排出室外，換氣次數(shù)與通風(fēng)柜數(shù)量及每個(gè)通風(fēng)柜換氣量有關(guān)，通常實(shí)驗(yàn)室無(wú)人時(shí)換氣次數(shù)為5次/h~6次/h。
制冷方式的選擇和場(chǎng)所設(shè)置應(yīng)根據(jù)熱源、電源、水源以及空氣調(diào)節(jié)所需制冷量、冷水溫度和工藝需求與特點(diǎn)等情況，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定?？諝庹{(diào)節(jié)宜采取集中與分散相結(jié)合的方式進(jìn)行設(shè)置。實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)清潔氣流宜呈穩(wěn)定恒向?qū)恿鳡顟B(tài)，先流經(jīng)人體，再流經(jīng)污染源，最后排出實(shí)驗(yàn)室。
2.3 給排水及廢水、廢液處理系統(tǒng)
給水系統(tǒng)選擇，應(yīng)根據(jù)科研、生產(chǎn)、生活、消防各項(xiàng)用水對(duì)水質(zhì)、水溫、水壓和水量的要求，并結(jié)合室外給水系統(tǒng)等因素，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。排水系統(tǒng)選擇，應(yīng)根據(jù)污水的性質(zhì)、流量、排放規(guī)律并結(jié)合室外排水條件確定。排出有毒和有害物質(zhì)的污水，應(yīng)與生活污水及其它廢水廢液分開(kāi)。對(duì)于較純的溶劑廢液或貴重試劑，宜在技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后回收利用。凡含有毒和有害物質(zhì)的污水，均應(yīng)進(jìn)行必要的處理，符合國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)后，方可排入城市污水管網(wǎng)。
理化實(shí)驗(yàn)室宜設(shè)純水制備系統(tǒng)。規(guī)模較大，用水較多的食品檢測(cè)理化室宜設(shè)立中央純水系統(tǒng)。進(jìn)行強(qiáng)酸、強(qiáng)堿實(shí)驗(yàn)的前處理室和化學(xué)分析室等實(shí)驗(yàn)室以及有飛濺爆炸可能的實(shí)驗(yàn)室，應(yīng)就近設(shè)置應(yīng)急噴淋設(shè)施。當(dāng)應(yīng)急眼睛沖洗器水頭>1m時(shí)，應(yīng)采取減壓措施。進(jìn)入射線探傷機(jī)機(jī)房的給水管宜埋地敷設(shè)，架空敷設(shè)時(shí)應(yīng)采取防護(hù)措施。放射性同位素的操作間、去污室的水龍頭，應(yīng)采用腳踏開(kāi)關(guān)、肘式開(kāi)關(guān)或光電開(kāi)關(guān)。大型理化實(shí)驗(yàn)室宜安裝蓄水裝置。
污水及廢水的最大小時(shí)流量和設(shè)計(jì)秒流量，應(yīng)按工藝要求確定。前處理室、化學(xué)分析室等具有產(chǎn)生腐蝕性污水的實(shí)驗(yàn)室應(yīng)設(shè)置防倒流密閉地漏，排水下水道應(yīng)采用耐酸堿腐蝕的材料。洗滌應(yīng)設(shè)置專門(mén)清洗玻璃器皿區(qū)域，有機(jī)分析用的器皿與無(wú)機(jī)分析用的器皿應(yīng)分開(kāi)，用于檢測(cè)有毒物品的器皿要專用。放射性同位素實(shí)驗(yàn)室的排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，應(yīng)將長(zhǎng)壽命和短壽命的核素廢水分流。廢水流向，應(yīng)從清潔區(qū)至污染區(qū)。
對(duì)產(chǎn)生廢液的洗滌室等實(shí)驗(yàn)室，應(yīng)設(shè)廢液桶分類收集，回收處理。一般實(shí)驗(yàn)室的廢水可直接排入污水處理站進(jìn)行處理，對(duì)高濃度的酸堿廢水應(yīng)先中和再排入污水處理站。凡含有放射性核素的廢水，應(yīng)根據(jù)核素的半衰期長(zhǎng)短，分為長(zhǎng)壽命和短壽命兩種放射性核素廢水，并應(yīng)分別進(jìn)行處理。較大理化實(shí)驗(yàn)室宜建設(shè)配套的污水處理站。
2.4 供配電系統(tǒng)
配電箱宜按照標(biāo)準(zhǔn)單元進(jìn)行配置，設(shè)有設(shè)備走廊的實(shí)驗(yàn)室，可將配電箱放置在設(shè)備走廊，每個(gè)配電箱應(yīng)設(shè)置具有遠(yuǎn)程功能的計(jì)量表。
城市電網(wǎng)電源質(zhì)量不能滿足用電要求時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體條件采用濾波、屏蔽等相應(yīng)的電源質(zhì)量改善措施。
有電磁屏蔽要求的實(shí)驗(yàn)室，應(yīng)根據(jù)儀器、設(shè)備對(duì)電磁屏蔽的要求，對(duì)電源進(jìn)行采取濾波措施。實(shí)驗(yàn)室用電一般分為動(dòng)力用電與實(shí)驗(yàn)用電，二者線路應(yīng)分開(kāi)配置。要求24h運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備和持久-蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)等供電可靠性要求高的用電負(fù)荷，應(yīng)采用雙路電源末端配電裝置互投的方式供電。譜儀實(shí)驗(yàn)和金相實(shí)驗(yàn)等電壓穩(wěn)定要求高的儀器、設(shè)備，應(yīng)采用交流穩(wěn)壓電源供電。烘箱、高溫爐等電熱設(shè)備應(yīng)有專用插座、開(kāi)關(guān)及熔斷器。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)宜統(tǒng)一配備220V、380V兩種規(guī)格電壓，用電負(fù)荷計(jì)算宜采用需要系數(shù)法，實(shí)驗(yàn)設(shè)備需要系數(shù)取值范圍應(yīng)為0.2~0.6。在同一實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)有兩種及以上不同電壓或頻率的電源供電時(shí)，宜分別設(shè)置配電裝置；不同電壓或頻率的電源由同一配電裝置供電，配電裝置應(yīng)有良好的隔離。不同電壓或頻率的電源應(yīng)有明顯區(qū)分或標(biāo)志。
2.5 氣體管道系統(tǒng)
按標(biāo)準(zhǔn)單元組合設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室，各種氣體管道也應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)單元組合設(shè)計(jì)。瓶裝氣體供氣宜集中設(shè)置氣瓶間，采用管道供應(yīng)。氣瓶間宜單獨(dú)設(shè)置。日用氣量小于1瓶、用氣點(diǎn)少的氣體供應(yīng)，可采用單瓶供氣方式，但氣瓶應(yīng)放在起防護(hù)作用的氣瓶柜內(nèi)。
氫氣、氧氣和煤氣管道以及引入實(shí)驗(yàn)室的各種氣體管道支管宜明敷。當(dāng)管道井、管道技術(shù)層內(nèi)敷設(shè)有氫氣、氧氣和煤氣管道時(shí)，應(yīng)有換氣次數(shù)為1次/h——3次/h的通風(fēng)措施。氫氣、氧氣管道的末端和最高點(diǎn)宜設(shè)放空管。放空管應(yīng)高出層頂2m以上，并應(yīng)設(shè)在防雷保護(hù)區(qū)內(nèi)。氫氣管道上還應(yīng)設(shè)取樣口和吹掃口。放空管、取樣口和吹掃口的位置應(yīng)能滿足管道內(nèi)氣體吹掃置換的要求。氫氣、氧氣管道應(yīng)有導(dǎo)除靜電的接地裝置。
色譜分析室宜提供氮?dú)?、氫氣、氦氣、氬氣、空氣等氣體。光譜分析室宜提供空氣、乙炔、氬氣、氮?dú)獾葰怏w?；瘜W(xué)分析室應(yīng)預(yù)留1路氮?dú)?。進(jìn)入色譜、光譜分析室的氣體主管道上設(shè)有總閥，應(yīng)安裝在房間內(nèi)明顯的墻面上，各路支管沿實(shí)驗(yàn)臺(tái)功能柱鋪設(shè)，就近設(shè)置二級(jí)減壓閥和壓力表。氣體管道宜采用不銹鋼管、銅管或無(wú)縫鋼管。氣體純度大于或等于99.99%的氣體管道應(yīng)采用EP級(jí)不銹鋼管。
3、結(jié)語(yǔ)
本文在對(duì)不同行業(yè)理化實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)和建設(shè)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的基礎(chǔ)上，對(duì)理化實(shí)驗(yàn)室必備的功能區(qū)域進(jìn)行了科學(xué)系統(tǒng)的分類，在設(shè)計(jì)上引進(jìn)了先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)思想，分別從建筑、結(jié)構(gòu)、裝飾裝修、通風(fēng)空調(diào)、給水排水、廢水、廢液、供配電、氣體管道等幾個(gè)方面詳細(xì)介紹了理化實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)方法，為理化實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)建設(shè)提供了實(shí)用、前沿、科學(xué)的信息和依據(jù)。
