【西门子实验室的构思、设计与建设经验回顾】

图1. 1100m2的新式实验室一览—模块化与机动性的设施。

西门子公司总面积为1100m2的实验室在1年内即完成了设计与改建过程，该实验室通过模块化布局，重点满足了工艺开发与优化及过程安全的需求。实验室的设计在追求经济性、技术性的同时，也保障了安全性，可谓面面俱到。

2011 年5月，西门子公司坐落于德国法兰克福赫斯特工业园区（IPH）的新实验室正式投入运营。在完工之际，我们不妨对这项于2004年启动的项目做一些回顾， 例如众多建设方案的提出、改建过程中遇到的挑战等，当然，特别值得一提的是：针对综合性实验室各种任务需求，该项目如何找到了完美的解决方案。

西 门子公司工业业务领域的工程咨询部是该实验室的主要使用者。该部门前身隶属于前赫斯特公司（赫斯特公司曾是德国三大化学工业公司之一，已破产），目前拥有 约250名内部员工，另有100名员工来自西门子公司设在赫斯特工业园内的其他部门。在该项目实施之前，各工作群分散于工业园内的4座租赁楼和3个租区， 总面积超过5600?m2，这种状况造成了员工们工作空间的分离。此外，几座租赁楼年久失修，需要改建，而技术设备也已老化，这些也推动了该项目的实施。 项目的目标是：通过对工作区的整合、工作路程的缩减和预见性维护，节省运作成本，提高可计划性。实验室设计是西门子公司的内部项目，由本公司负责。另外， 由于很难把委托人和受托人的角色分清，该工程也像是一个设计者和用户共同开发的外部项目。

实验室建设前期设计

项目的初期规划在各种设计理念的碰撞、讨论和改进中启动。最初的想法是在IPH的“绿地”上盖起新楼，该计划启动于2005年，该楼未来的业主和出租者为工业园区的管理公司 Infraserv Höchst （ISH）。

经 济性和技术性是确定实验室设计主题必须要遵守的两个原则。有些设备几经维修，将它们整合在一起是最重要的工作之一，综合考虑统一性、工作流程及技术要求等 因素后，实验设备的布局被大致确定下来。在该布局的基础上，再计算出操作间的几何形状、面积需求以及随后的租赁和投资成本。计算后得出的结论是：总成本超 过了预期。因此，规划必须重新进行调整。将原本安排在固定位置的实验设备尽可能地设计成机动化和模块化，实验室布局则划分为置放区和工作区。平时，实验设 备放在合理的置放区小心保管，需要的时候才被运到工作区。这种设计借鉴了“开放式办公室”理念，实现了对高成本面积的有效利用。在该项目中，宝贵的实验面 积得到了节省，并转化成合理的置放面积。遗憾的是，2008年初，原定投资方突然中止了这项计划，该项目暂时搁浅。

图2. 最大的抽气式操作间，面积为5m×2m，其周围环境可以灵活布局。

项目进展

2009 年，工业园管理公司ISH提供了一块现有的现代化楼群里的场地，该项目再次启动,并对之前已经达成的建造要求以及新楼的规划草图进行了检验。检验结果为： 除了项目启动时确定的员工人数、面积参数需根据新情况做出调整外，该场地条件满足了大部分要求。根据在此期间修订的内部规则，人们必须在至少3个方案中做 出对比和选择。由于时间关系，重盖新楼的方案已行不通。因此，在外部支持下，人们试图在法兰克福市周边找到合适而又现成的场地，该场地需要具备相应的化学 /药学设施环境，遗憾的是，人们未能如愿找到。于是，搜寻还是在工业区里进一步展开，2010年3月，工业园提供了一块合适的现成用地。由于ISH公司已 为该出租楼找到短期的租户，人们必须在不到1年的时间内完成对该实验室近6年的发展规划，其中包括：前期规划、重新再规划方案和继续细化方案的对比选择、 询价、订购、建造及搬迁等。

在项目的早期，出租方和租用方就已经在实验室改建任务上做了明确分工。分工规定：实验室结构性建设（包括地板、 墙壁、开关阀门、供气排气设施、消防栓等）由出租方负责。作为建造要求的一部分，供媒（供媒是实验室所有流动性供应设施的高度集成，包括电、气、数据线、 照明设施等）的类型和数量（16种主要供媒）以及通风设备也由出租方负责。而实验室的设备、空间总体分配和调整则是租用方的工作。改建过程中最大的挑战之 一是时间表的安排，解决的办法是将详细的计划分成两步来完成。首先，将具体的执行计划细化到近75%，这些细节制定成文后上交，以便与制作和组装计划达成 协调，进而100%地完成具体的规划。那些受供应商或系统设备影响的规划可根据情况直接进行调整。项目执行中的第二个重点是同设计服务商的协作。招标时， 所有厂商的资料都一并成文上交论证。最终来自德国旺根的Waldner公司中标，该公司在紧迫的时间里完成了项目的商业性、规划性及技术性指标。

图3. 蒸馏塔区一瞥—天花板上的钻孔、支撑蒸馏塔的组装架以及防碎片的垂直片窗。

实验室的技术与功能

实 验工作的机动性和模块化布局要求实验室中相应的区域都要达到规定的安全标准。为了解决这个问题，人们设计了可进出的，带有换气装置的抽气式操作间。最大的 操作间面积为2m × 5m, 高 2.7 m (见图2)。针对需要防燃防爆的实验，还专门设计了面积为1.9m× 3.6m，高3.5 m的操作间。在实施操作间大模块前人们预留了相应的自由空间，为了使这些空间得以利用，在里面摆放上带滚轮的桌子和柜子。为了更好地支持实验室这种机动灵 活的布局，在供媒设施上采用了Waldner公司提供的供媒天花板。这种天花板配有微穿孔纤维出口，实现了自然通风和均匀而无阴影的照明。此外，这些设施 大部分可以提前制作，然后到现场快速组装起来，以赢得宝贵的时间。

作为附加的设计层，供媒天花板还为该项目增添了一些优点。例如：通过在天 花板上方或下方增设固定装置，可在蒸馏实验的蒸馏塔区周围装上一排透明的垂直片窗以免工作人员受到碎片的伤害（见图3）。新的规划图中专门为最高为8m的 蒸馏塔设计了独立的空间，这部分空间必须与大楼融为一体。由于底楼的租用空间净高度只有3.5m，经过与出租方的协商，二楼的两块20m2 大的区域及与之对应的底楼空间被独立出来，使蒸馏塔能够上下贯穿两层。经过精密的静力计算，天花板上无须凿出大口，而只需钻个单孔即可搭建好蒸馏塔。蒸馏 实验区的防火装置位于底楼，与之对应的上层则被天花板隔离开来。

图4. 恒温实验区，用透明的垂直片窗实现隔热。

上 述的垂直片窗还将20 m2的区域从520 m2的实验室分离出来进行隔热。由于在该区执行的实验对温度测量的灵敏度要求很高，因此必须把该区的环境温度稳定控制在22 ℃ ± 3K。如果把整个实验室都置于空调控制之下，太浪费能源，成本也太高昂。将蒸馏实验区单独隔离出来后，通过天花板上的空调，可对该区进行温度控制。同时， 透明的垂直片窗还使得该区域处于可视状态，一旦有危险，工作人员可迅速察觉，这样就增添了一道保护屏障（见图4）。

出于对混合操作的安全性 考虑，实验室还必须设置防爆室。这种用混凝土高度加固的“高压室”被设计成房中房结构，由公司专家、安全官员、项目设计人员以及静力学家共同协作完成，专 家们对爆炸泄压口和防爆室的耐压强度进行了精确的计算。防爆室只能从外围进行监察，一旦发生爆炸，压力将通过管道系统向外传递。爆炸时可能产生的飞片会被 设在每个泄压口处的栅格网挡住，而防爆室内的通风及供媒连接则会被一个带有速动阀门的抗压系统迅速切断，从而实现防爆。整个规划过程中，所有范畴的设计都 植入了相应的安全理念，对工作人员的保护一直都摆在首位。

性能得到增强

经过长期的工程酝酿，该项目在很短的时间内和预计的成本里完成。项目的设计严谨而且高效，它反映了现代化实验室建设的特征，即模块化、灵活地利用面积。通过对实验室设备的更新以及对面积利用和人流、物流的优化，能顺应未来变化，实现高效运作和可持续发展。