03 数字化、网络化、智能化赋能技术对实验室设计的要求
  数字化、网络化、智能化是新一代信息技术，不断与现代实验技术交叉融合。现代实验技术发展、精密的实验仪器和整套的技术装备的进步又推动着数字化、网络化、智能化发展。这要求实验室设计重视通信网络基础设施、算力基础设施和数字技术基础设施的建设。而这种新型基础设施是以新发展理念为引领，如Lab 4.0的发展理念，以技术创新为驱动，以信息网络为基础，面向高质量发展需要，提供数字转型、智能升级、融合创新等服务的基础设施体系，具有数字驱动、技术迭代、产业赋能等特点。
  现代实验室设计重大任务要构建覆盖“5G＋物联网（IoT）”的通信网络基础设施体系，为实现万物互联奠定坚实基础。强化新型基础设施对实验室的赋能作用，才可能使实验室充分运用网络化、数字化、智能化技术。如实验室的所有实验室基础设施和设备均通过物联网（软件，传感器和执行器）连接，从而实现过程控制和远程控制，无缝交换数据等。
  高速网络将人员和团队联系在一起，团队内部以及与其他研究团队，甚至全国、全球共享数据变得越来越简单。新的设计思路正在以新的方式组织空间，实现开放共享。如果过去的实验室是整晚通宵达旦的科学家，那么现代实验室将是许多科学家通过网路系统和技术，全天候和全方位（全球）的同行们一起工作。全球化是推动新思想和科学进步的动力。通过丰富的经验和观点、以及硕大的数据，科学家可以对发现的需求有更深入的了解。科学家们合作共享和扩展思想，    创建了一个不断积累的知识网络，会使创新成倍增长。

  成功的高速网络的基础是有效的IT结构。只有这样，才能可持续地控制和监视各种过程。可以确保评估，存储和管理的可靠性，这在当今和将来都至关重要。在实验室中提供开放的IT通信标准来促进实验科学的发展。使实验室中分析仪，测量设备，传感器，过程控制等所有先进的实验室设备或仪器之间能够更好地通信和相互联网，使数据处理与管理更容易，工作更省力，并由实验室信息管理系统调节和控制该网络。从而使实验室的运营和科学家之间的协作更加容易，更加安全。形成实验室共建共享、互联协作的工作模式。这将允许更有效的计划和流程优化，并开拓着实验室的新领域，例如仿真和建模，可视化，以实现人员与技术之间的更好交流、理解与掌控。

  这些赋能技术的迅速发展，为实验质量和效率开辟了新的可能性，并且易于使用。自动化实验室可以在数字化基础上构建，以提供更大的价值和更高的成本节省。因此，数字化实验室不仅仅涉及结果数据，云计算的数据分析与整理，还涉及到整个实验操作过程。要从数据中提取全部价值的技能，关键要具备从数据源获取最大价值所需的高级分析功能。这些技术在减少实验错误、自动捕获数据和过程控制方面表现得非常强大。
  实验室的图像（还包括质谱、光谱、色谱等各种图像或图形）分析是一个潜力巨大的领域。随着人工智能AI的进步，利用AI算法进行图像分析成为节省时间和提高效率的关键因素。在AI的帮助下，科学家将能够以前所未有的速度和准确性识别不同结果之间的关系，哪怕是人眼难以分辨的微小差异，并可持续跟踪，不断地获得数据。图像分析任务的自动化，AI已表现出与当前基于人类的智力标准相同或更好的性能（见图8）。
  另一方面，机器人技术发展的进步正在帮助将实验室推向自动化领域。机器人技术和自动化在制造等领域带来了巨大的好处，提高产量和质量，降低成本。尽管有时收益（如效率，周转时间和质量，减少错误和丢失样本）并非总是非常严格地量化出来。特别是用来执行所有可重复的或有害、危险的任务（见图9）。实验室机器人处理存有少量液体的易碎容器是个极妙的任务，传统上需要人工技能，而且具有很大的可变性和成本效应。实验室机器人执行液体处理的能力取得了惊人的成功，并实现了高通量的筛选，而使用手动移液根本无法实现。如在临床实验室中，由于使用了高度的自动化功能检测设备，大大较低了常规血液检测价格。

  科学家可以完全不用担心地安全地与机器人互动，机器人越来越多地处理实验。这不仅为科学家们腾出了时间，集中思想，远程监视进度，而且还可以消除人为错误，使许多无法完全复制的实验，获得更可靠的结果。可以预测将来会有更多自主机器人科学家，以它的方式计划和执行实验。
04 加强实验室设施的灵活性以适应不断的变化科研需求
  数字化、网络化、智能化赋能技术推动着实验室的快速发展。现代实验室随着实验的工艺、技术与手段的不断进步，实验室的研究方法、工艺流程、实验仪器与装备、操作、人流与物流等也随之变化。甚至要求实验空间可以随意变更与扩展，重新配置并能允许增添多种功能或更多装备。可以说，现代实验室的“变”是永远“不变”的真理。
  在规划现代实验室设计时，不仅要考虑实验室的当前需求进行个性化定制，还可以根据将来发展需求能够便捷地改建与扩建实验室。从这个角度来综合考虑实验室仪器与装备的设置和整体布局，尤其是精密的实验仪器和整套的高新技术装备，内部功能分区，人流与物流等，以及今后变更与扩展的对策。这就为实验室设计的灵活性和适应性提出更高的要求。为了使实验室保持灵活性，空间的构建应该方便于重新配置。操作台面和设备站可以重新安置，以适应新项目的目标，而无需太多改扩建或变更公用设施系统。
  灵活性和适应性意味着所设计的实验室也许现在不一定完全需要，但为研究人员将来可能面临的改变做好充分的准备。可以说灵活性与适应性一直是实验室更新与改扩建的关键。灵活性与适应性主要体现在：
·实验室易于改建与扩建；
·实验室易于适应重新配置和设施的更改；
·实验室具有多种用途的能力。
  数字化、网络化、智能化是发展很快的赋能技术，今后实验室更新与扩展可能与传统不同，会突出数字化改造，内网与外网的升级改造。工艺流程改造、精密实验仪器与整套实验装备的更新换代，基础数据共享等智能化改造和新一代信息技术的运用。
  今天实验室的数字化、网络化与智能化不一定适合明天的实验室，在明天的实验室中，至少数据量必将是巨大的。由此产生的数据流不仅对实验室数据处理而且对于整个实验室管理都是一个重大挑战。这些需要为明天建立6G高速网络，开发新的通信接口，软件解决方案和标准化进程。
总的来说，这些软件还是硬件占有空间不大，对建筑结构与设施系统整体影响不大。
  过去，实验室大型装备的位置和布局，内部功能分区以及人流与物流的更改与扩展是涉及到方方面面的大事情，但如今快速装配的模块化隔墙以及可移动的模块化家具现已发展得十分成熟，为实验室的改造与扩展创造了良好的硬件。可以十分简便地实现实验室的任何布局与分区（见图10）。当然，数字化、网络化、智能化也促进了实验室家具与间隔尝试新的设计，发展智能眼镜、头盔式显示器、智能手表等可穿戴技术的科研新装备。相比之下，公用设施系统的灵活性与适应性更需要重点关注。

  公用设施系统涉及到供暖、通风、空调、供气，供水，供电，真空吸引系统、各种数据线以及局域网等等，实验室常常将这些管道通过走廊布置在实验室的墙壁和天花板上，可以轻松连接或断开连接（见图11的上部管道），以便快速，简便地适应设备的变更。现在大型实验室也开始像工业建筑一样采用技术夹层与技术竖井，公用设施系统的管道直接铺设在技术夹层，管道通过技术竖井进行上下贯通，大大增加了设施系统布置的灵活性，特别是管径较大的暖通空调的管道的需求。由于各种管道布置在实验室外的技术夹层，管道以及控件的维护也在技术夹层内进行。使得维修保养不必进入所在的实验室。各种管线的接口直接设置在实验台上方的设备带（见图12），方便各种装备的连接或断开。由于采用了技术夹层与技术竖井，整个实验室显得整洁、宽敞、明亮（对比图11与图12）


  通风柜对实验室而言极为重要。实验室布局的更改常常要求移除或增加通风柜，或改变通风柜设置的位置，甚至将办公区域改为实验空间，或反之。通风柜变更的最大麻烦在于通风系统。
  一般要求，从设计开始，就需要为实验大楼预设通风系统满足最大数量的通风柜，以及相应的技术夹层与管道竖井。有的还要求不小于25%的冗余量。在以后使用中可以通过增减通风支管，调整风管的尺寸，以适应通风柜数量变化和位置变更的需要。与此同时需要重新调试平衡整个通风系统，以便满足通风柜正常使用以及每个房间所需的换气。如果在设计时能在管道系统中配置与压力无关的变风量或定风量装置的话，如文丘里阀等，则可大大简化管道系统的调试工作。也增加了管道系统的灵活性与适应性。

05 结语
  实验室数字化、网络化、智能化对实验室设计与建造提出了挑战。要明确数字化、网络化、智能化的赋能技术替代不了人类的创新的思维，替代不了现代实验技术发展、精密的实验仪器和整套的技术装备的进步。在赋能技术新时代，人的思维不能依赖于赋能技术，甚至被赋能技术束缚。实验室设计重点不仅在于实现赋能技术，而在于利用赋能技术来创新，来取得更多具有自主知识产权的成果。本文介绍的实验室设计与建造的新思路、新理念、新措施，提出建立“学术社区”理念，注重团队研究与促进学术互动；实现“开放”实验室和“封闭”实验室的融合设计；加强实验室设施的灵活性以能适应不断变化的科研需求；以满足数字化、网络化、智能化赋能技术对实验室设计的要求。未来实验室不仅是实验场所，而是学术社区。未来的实验室不是建筑物，而是集合体，不停地融合各个领域的最新技术和团队。未来的实验室不是离散任务，而是标准化程序。未来的实验室也许从实体走向虚拟的，具有复杂的数字工具、数学模型、过程演示、远程控制和方案解决，可以在更加开放和协作的环境中不断地促进全球化意义上的创新。

  沈晋明，同济大学教授、博士生导师。现任中国建筑学会暖通空调分会常务理事长，中国洁净技术分会副主任委员，中国医学装备协会医用洁净装备分会专家委员会主任委员。先后获国家省部级科技奖8项，在国内外杂志发表论文300多篇，专著5本，获发明专利7项，参与编写《综合医院建筑技术规范》、《医院洁净手术部建筑技术规范》、《洁净室施工验收规范》等国家标准与规范5部。2014年获吴元炜暖通空调奖，2017年获许钟麟净化科技奖。