火眼實驗室（氣膜版）

蘇運升 陳堃 李若羽 王知然

在疫情初期打造的“火眼”實驗室是用于新冠病毒核酸檢測的實驗室，在病毒快速傳播期間，氣膜結(jié)構(gòu)的實驗室能夠?qū)崿F(xiàn)快速量產(chǎn)、成本較低、方便運輸、安裝簡易、方便儲存，大大降低了建設(shè)傳統(tǒng)建筑的能耗。運用BIM軟件進行智能化運營管理，增加建筑體系的智慧化。未來該實驗室僅需幾天便能火速建成萬級通量規(guī)模的核酸檢測實驗室，為各地突發(fā)疫情防控貢獻了數(shù)百萬例新冠檢測，及時精準高效的排查有助于最大限度地緩解社會危機。

評審點評：在今年疫情的情況下，我很欣喜能看到通過在氣膜結(jié)構(gòu)中同時施加正負壓的方法，設(shè)計出的這款火眼實驗室（氣膜版）。這個氣膜結(jié)構(gòu)的聰明之處在于，它可以折疊拆卸、可快速安裝，并且由于采用了模塊化設(shè)計，因此可以將其添加到更大的陣列中。很有趣的是，這款產(chǎn)品的價格只是普通訓(xùn)練機器人的五分之一;這種便宜的結(jié)構(gòu)很可能會被用在大規(guī)模應(yīng)用中。

蘇運升，城市規(guī)劃博士，注冊規(guī)劃師，德國達姆施坦大學(xué)兼職教授，現(xiàn)任同濟大學(xué)上海國際設(shè)計創(chuàng)新研究院執(zhí)行院長、同濟大學(xué)設(shè)計創(chuàng)意學(xué)院院長協(xié)理。擅長跨學(xué)科，跨尺度的人工智能城市的策劃規(guī)劃及其城市內(nèi)部智能空間產(chǎn)品和服務(wù)體系的創(chuàng)新設(shè)計。2020年，主創(chuàng)氣膜負壓隔離空間產(chǎn)品體系，用于“火眼實驗室”，并在沙特、加蓬、哈薩克斯坦等國家落地。2005-2010年，全程參與了上海 2010 年世博會的規(guī)劃和設(shè)計，之前參與了北京通州副中心概念規(guī)劃，也包括江南六鎮(zhèn)在內(nèi)的眾多歷史村鎮(zhèn)的保護與發(fā)展規(guī)劃，之后又參與過安哥拉、贊比亞、俄羅斯近10個國際城市的規(guī)劃項目。

《設(shè)計》：請介紹下“火眼”實驗室（氣膜版）的設(shè)計團隊及分工合作的情況。

蘇運升：本次火眼實驗室（氣膜版）的同濟創(chuàng)新設(shè)計團隊成員曾經(jīng)歷過2010世博會規(guī)劃、汶川地震災(zāi)后重建、雄安新區(qū)規(guī)劃等國家級重大項目，具備快速集成創(chuàng)新的能力。在疫情之后，由華大基因提出需求，同濟團隊迅速集結(jié)，基于過去氣膜研發(fā)的專利技術(shù)，在短短兩個月內(nèi)迭代了三個版本的火眼實驗室（氣膜版），最終形成量產(chǎn)。

首先，由華大基因團隊對接全球需求，提出了可空運、可量產(chǎn)的技術(shù)要求，并在前期和我們一起進行了研發(fā)迭代和現(xiàn)場的搭建。他們除實驗室的建設(shè)外，還提供實驗室內(nèi)部高精尖的檢測設(shè)備、核酸檢測試劑等，為全球客戶提供的是一套整體檢測解決方案，包括前期實驗室規(guī)劃、設(shè)備組裝調(diào)試、專業(yè)技能培養(yǎng)及考核體系、實驗室質(zhì)量管理體系等。

然而，從0到1的創(chuàng)新，基于問題、需求和用戶體驗，需要產(chǎn)業(yè)鏈上所有的部品部件和服務(wù)商協(xié)同創(chuàng)新。火眼實驗室（氣膜版）從產(chǎn)業(yè)鏈配置，再到最后的落地搭建，是一個從無到有的過程，“設(shè)計思維”在其中起到了關(guān)鍵作用。同濟大學(xué)設(shè)計創(chuàng)意學(xué)院跨專業(yè)跨學(xué)科背景的研發(fā)團隊，基于“設(shè)計思維”，以摩爾定律創(chuàng)新理論為指導(dǎo)，以五維BIM模型設(shè)計為基礎(chǔ)，不斷提出新的技術(shù)愿景。通過對需求側(cè)的創(chuàng)新理解，特別是用戶的需求和市場趨勢的準確洞察力，創(chuàng)造性地重新整合了供給側(cè)，找到創(chuàng)造新市場的產(chǎn)品機會缺口，不僅實現(xiàn)產(chǎn)品策略到項目定案的創(chuàng)新，更建立靈活，高效的團隊。

除了設(shè)計創(chuàng)意學(xué)院以外，火眼實驗室（氣膜版）整合了同濟大學(xué)創(chuàng)新科技生態(tài)圈，集眾智加速方案迭代，用設(shè)計助力全球抗疫。同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院譚洪衛(wèi)教授作為全國防疫專家組專家參與本次建設(shè)標準審定，在暖通空調(diào)等方面提供大量寶貴意見;同濟大學(xué)國家創(chuàng)新發(fā)展研究院運營主任陳自立協(xié)調(diào)空調(diào)全球服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，為火眼實驗室（氣膜版）提供了空調(diào)解決方案;同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院劉東副教授及其團隊提供了暖通設(shè)計咨詢方案;同濟大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院王中平教授、魏永起教授提供了加纖混凝土材料的配方，使火眼實驗室（氣膜版）在未來可以成為混凝土噴筑建筑;同濟大學(xué)EMBA學(xué)員梁志力等企業(yè)團隊負責早期研發(fā)階段的強電方案和安裝研發(fā);同濟大學(xué)校友曾朝杰等企業(yè)團隊提供了氣膜結(jié)構(gòu)技術(shù)的計算。

上海易托邦建筑科技有限公司基于對移動智能裝配式建筑的領(lǐng)域多年積累的經(jīng)驗和專利成果，在火眼實驗室（氣膜版）項目中，把“類生命建筑”的概念落實到具體的設(shè)計方案中，并協(xié)調(diào)供應(yīng)商和服務(wù)商并行研發(fā)，不斷優(yōu)化技術(shù)標準。

《設(shè)計》：“火眼”因何得名？

蘇運升：“火眼”實驗室的原始創(chuàng)意，來源于華大基因董事長汪建。華大基因在疫情初期打造的“火眼”實驗室是用于新冠病毒核酸檢測的實驗室，“火眼”取自中國四大名著之一《西游記》中孫悟空的“火眼金睛”，孫悟空的“火眼”能識別妖魔鬼怪，而“火眼”實驗室可以把病毒精準地檢測出來。隨著疫情蔓延，可快速落地的火眼實驗室（氣膜版）也應(yīng)運而生。采用了阻燃、耐磨、穩(wěn)定性高的PVC材料作為建筑主材，通過雙層氣膜形成氣拱結(jié)構(gòu)提供負壓環(huán)境。

《設(shè)計》：請介紹下“火眼”實驗室（氣膜版）的設(shè)計構(gòu)想中“類生命建筑”的概念及其在“火眼”實驗室（氣膜版）中的體現(xiàn)。

蘇運升：當時，隨著年初全國抗擊疫情形勢日益嚴峻，華大基因董事長汪建提出通過“火眼”實驗室一體化建造方案來解決城市檢測能力方面的問題，而后我與尹燁基于新冠病毒檢測需求和痛點，以及病毒傳播特征，通過多輪思維碰撞，共同萌生了氣膜版“火眼”實驗室的想法。我們將“基因—細胞—人”和“人—建筑—城市生命體”的關(guān)系比喻成同構(gòu)的關(guān)系，最終得出“類生命建筑”的概念。

我對“摩爾定律”一直很感興趣，“摩爾定律”本是指芯片體積越來越小，處理性能反而越來越高。將來的建筑可能不再是鋼筋混凝土建造的，而是可移動式的充氣膜結(jié)構(gòu)模塊化的建筑體系。建造的能耗越來越少，蘊含的智慧度越來越高。建筑體與有機生命體一樣，有類似生命體生長的特征，火眼實驗室（氣膜版）借鑒雙層細胞膜的仿生構(gòu)造，創(chuàng)新性地使用了充氣拱形結(jié)構(gòu)，是“像生命體一樣會呼吸”的氣膜建筑，是利用“摩爾定律”打造追求極致的氣膜建筑。

《設(shè)計》：“氣膜”這種材質(zhì)和構(gòu)造在疫情發(fā)生之前多應(yīng)用于哪些情境？

蘇運升：氣膜建筑起源于20世紀70年代，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)在普遍應(yīng)用于羽毛球、網(wǎng)球、游泳館等體育場館及煤礦場、石場、水泥廠等灰塵需要密封的場合。氣膜建筑在我國是一種新起的封閉式建筑，用膜材料做成封閉空間，加以錨定，配以恰當?shù)匿摾|系統(tǒng)，利用適當?shù)拇髿鈮翰畛蔀槟艿钟L(fēng)、雨、雪的封閉式氣膜建筑。疫情發(fā)生前的充氣膜結(jié)構(gòu)建筑，一般僅供體育館或需要密封灰塵的場合，而沒有應(yīng)用到應(yīng)急醫(yī)療建筑方面。

因為氣膜建筑建造速度快，性價比高，體積壓縮比高，可折疊打包后空運，快速在各個國家及城市間調(diào)配資源，便于日常儲存，也便于利用現(xiàn)有的生產(chǎn)系統(tǒng)及時大規(guī)模生產(chǎn)和建造。且因其可采用熱合技術(shù)對膜材進行封閉，因此可保證室內(nèi)空間的密閉性，有利于實現(xiàn)負壓環(huán)境。于是我們想到把氣膜建筑應(yīng)用到應(yīng)急醫(yī)療領(lǐng)域。

《設(shè)計》：“火眼”實驗室（氣膜版）從研發(fā)到投入使用用了多長時間？哪個步驟最具挑戰(zhàn)性？

蘇運升：從2月中旬開始，我就構(gòu)思了充氣膜結(jié)構(gòu)的防護隔離系統(tǒng)，并帶領(lǐng)團隊申請了專利、開發(fā)了樣品。4月3日，和華大基因合作的火眼實驗室（氣膜版）1.0版本在國家基因庫啟動了揭幕儀式，而后在短短一個月內(nèi)夜以繼日，將氣膜版BSL-2級生物實驗室又迭代更新了兩版，5月1日萬人通量的3.0版本在哈爾濱建成，并助力哈爾濱及時精準排查新冠病毒。

最具挑戰(zhàn)的是6月北京的火眼實驗室（氣膜版）的設(shè)計和搭建。當時需求的通量極大，并且從接到需求到項目落地只給了我們兩周時間，項目現(xiàn)場情況千變?nèi)f化，很多設(shè)計都是臨時熬夜調(diào)整更改。但也正因為最初采用了模塊化設(shè)計，火眼實驗室（氣膜版）可根據(jù)需求靈活調(diào)整配置檢測通量，僅6天就在北京大興區(qū)建設(shè)完成了10萬高通量核酸檢測實驗室。

《設(shè)計》：“火眼”實驗室（氣膜版）運用了哪些新老科技及材料？其設(shè)計上的創(chuàng)新性體現(xiàn)在哪些方面？

蘇運升：氣膜材料和新風(fēng)機是一直有的材料和技術(shù)。而疫情何時爆發(fā)，爆發(fā)在哪個城市難以預(yù)估，傳統(tǒng)核酸檢測實驗室的建筑結(jié)構(gòu)和負壓空調(diào)系統(tǒng)存在實施成本較高、建造周期較長、安裝難度高、無法打包儲備。針對新冠病毒通過氣溶膠傳播的本質(zhì)矛盾，我們最大的創(chuàng)新是放棄了鋼架支撐的傳統(tǒng)思路，采用醫(yī)工結(jié)合和平疫轉(zhuǎn)換的創(chuàng)新思路，創(chuàng)造了模塊化、智能化、預(yù)制化的建筑新范式。傳統(tǒng)的預(yù)制化方案無法滿足在一周甚至幾天內(nèi)完成運輸、搭建的要求，所以必須有一個能夠空運的方案，因此可折疊的氣膜實驗室應(yīng)運而生。

并且，在時間有限的情況下，考慮到最優(yōu)的解決方案，將原來集中式的大型系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為分布式的設(shè)備系統(tǒng)，從原來供貨周期較長、價格較高的工業(yè)供應(yīng)鏈體系轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀走_到的民用供應(yīng)鏈，大大提高了響應(yīng)速度。

實驗室內(nèi)部的光交互智能門禁、無接觸傳遞窗、智能艙壓控制等智能化系統(tǒng)，和配備的MGISP-960自動化樣本制備系統(tǒng)等檢測醫(yī)療設(shè)備，都是最先進的高精尖技術(shù)。

《設(shè)計》：據(jù)介紹，火眼實驗室（氣膜版）具有會生長、低能耗、更智能、可收納、易運輸?shù)葍?yōu)點，在擁有強大性能的同時，低造價是如何實現(xiàn)的？

蘇運升：這也是我們很關(guān)鍵的一個創(chuàng)新點。傳統(tǒng)的檢測實驗室安裝復(fù)雜，需要專業(yè)人員，而氣膜實驗室簡化了安裝流程，只需普通工人，利用智能充氣泵充氣便可搭建成型。大大降低成本，提高效率。如果疫情爆發(fā)在城市中心區(qū)或者貧困地區(qū)，在無法使用大型設(shè)備的情況下，人工就可進行搬運，也能夠建成。

而現(xiàn)有暖通設(shè)備為工業(yè)級，成本高、產(chǎn)能低，我們創(chuàng)新地使用低成本、產(chǎn)能高的民用級空調(diào)及新風(fēng)機設(shè)備來實現(xiàn)BSL-2級實驗室要求。因為使用民用級別的功能設(shè)備，減小體量，降低成本，降低操作難度，增大產(chǎn)能，更快速地應(yīng)對突發(fā)地公共衛(wèi)生事件。再比如，現(xiàn)有傳統(tǒng)實驗室的給排水系統(tǒng)，需要大型設(shè)備來集中處理污水，成本高，場地限制條件大，我們則采用了分布式給排水方案和消殺方法。由此，從生產(chǎn)、物流、人力、安裝的時間成本和費用成本都大大節(jié)省。

《設(shè)計》：未來該產(chǎn)品還可以應(yīng)用到哪些領(lǐng)域？

蘇運升：可應(yīng)用的領(lǐng)域還有很多，各種智慧空間都可以。比如負壓隔離病房、沉浸式餐廳、展覽展廳、會議室、辦公室、教室、零售店、民宿等等。甚至可以循環(huán)利用使用過的廣告布之類的材料來作為建筑主材，充氣形成可持續(xù)的智能化靈活空間。

將來，還可以通過在氣膜表面噴筑復(fù)合材料，變成混凝土殼體結(jié)構(gòu)，形成永久性建筑或者覆土式殼體結(jié)構(gòu)。這樣的建造方法，為未來實現(xiàn)大規(guī)模的產(chǎn)品和建筑物定制化提供可能性，也可在將來面向救災(zāi)和難民提供低精度的快速建房體系。這也正如同母體內(nèi)的雞蛋胚胎，在誕生的過程中表面逐漸硬化、變成雞蛋，也是“類生命”建筑體系一方面的體現(xiàn)。