從2019年底至今，新型冠狀病毒肺炎疫情令世界公共衛生安全面臨極大挑戰。據當時世界衛生組織發布的新冠疫情統計數據顯示，截止北京時間2021年11月30日16:22，全球疫情累計262203718例，累計死亡5207775例[1]；其中我國確診127825例，死亡5697例，治愈119249例[2]。我國是最早出現以及發現新型冠狀病毒肺炎疫情的地方。

核酸檢測實驗室室內需要維持負壓狀態保證空氣定向流動，以有效防止被傳染性病原微生物污染的空氣向污染概率低的區域及外環境擴散。實現負壓環境的新風系統是一種強制性機械排風設備，如果房間密閉不好，室外的空氣會從房間縫隙進入室內，影響新風質量[3,4]。由此可見，核酸檢測實驗室必須有一定的氣密性。而傳統實驗室的建筑結構無法實現完全密閉，需要構造復雜的負壓系統，通過專業計算機編程控制器實現室內負壓系統的自動控制。但大部分臨床檢測試驗設備落后、硬件條件差，甚至基本的生物安全仍未滿足。更有甚者，在某些國家或地區根本沒有病毒核酸檢測的實驗室。

從2021年2月中旬開始，同濟大學設計創意學院蘇運升就構思了充氣膜結構的防護隔離系統，并帶領團隊申請了專利、開發了樣品。隨著去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不足的問題，而后華大基因CEO尹燁和同濟大學蘇運升基于新冠病毒檢測需求和痛點，共同萌生了火眼實驗室（氣膜版）的想法[5,6]。

充氣膜結構建筑體系是這些年發展起來的創新建造技術，建造速度快，性價比高，便于日常儲存，并且體積壓縮比高，運輸快捷，便于在各個城市間調配資源，也便于利用現有的生產系統及時大規模生產和建造。

氣膜建筑[7,8,9]起源于20世紀70年代，在我國是一種新起的封閉式建筑，用膜材料做成封閉空間，利用適當的大氣壓差成為能抵御風、雨、雪的封閉式氣膜建筑。且因其可采用熱合技術對膜材進行封閉，因此可保證室內空間的密閉性，有利于實現負壓環境。

氣膜核酸檢測實驗室的靈感來自于“基因–細胞–人”和“人–建筑–城市生命體”的同構關系，似一種“類生命建筑”。未來該實驗室可以通過噴筑復合材料變成混凝土殼體結構，成為永久建筑[10,11]�；鹧蹖嶒炇遥�氣膜版）平面圖及流線圖如圖1所示。

2020年4月，為解決部分國家和地區無新冠病毒檢測實驗室[12,13]的問題與滿足新型冠狀病毒核酸快速和大量檢測的需求，團隊設計研發了用于新冠病毒等病原微生物核酸檢測的充氣膜結構病毒檢測實驗室——“火眼實驗室（氣膜版）”。

火眼實驗室（氣膜版）考慮全球生物安全要求和行業規范，采用阻燃、耐磨、穩定性高的PVC材料作為建筑主材，以氣膜結構進行模塊化布局，共設置四大功能區，包括了樣本接收區、試劑準備區、樣本制備區和擴增區，并配備了光交互門禁系統、醫廢出口、緩沖間、更衣間等輔助轉換空間，裝配有Class II生物安全柜、全自動核酸制備儀、QPCR儀等新冠病毒核酸檢測設備，未來可擴充抗體檢測設備、基因測序儀、高性能服務器等先進實驗室設備[14]。

火眼實驗室（氣膜版）還具有全國產、高集成智能化、可收納、易運輸等優點。打包后可以通過貨機空運，可實現靈活選址、快速布局、快速建造、快速啟用，可根據需求靈活調整配置，幫助各個國家快速建立和提升用于確診新冠的核酸檢測能力。結構圖、表面圖、剖面圖如圖2～4所示。

充氣膜結構按照形態可分為單層充氣膜結構、雙層充氣膜結構和管式充氣膜結構；按傳力途徑和膜內氣壓不同，分為氣承式和氣囊式。本氣膜建筑采用雙層充氣膜結構，屬于氣囊式充氣膜結構，通過在膜面形成的密閉空間中充氣使膜面張緊以獲得抵抗外部荷載所需的張力[15]。

本氣膜建筑主體采用PVC夾網布，具有易成型、防風雨、防潮濕、抗紫外線、阻燃的特點，并用熱合技術確保氣膜結構密閉性。使用環境也可滿足不同地區的環境條件，既可放在室內，也可放在室外。且經實踐檢測，本氣膜實驗室的抗風等級：7級（極限9級）；最大積雪載荷45kg/m2；耐溫：–40～120℃；阻燃性能等級：B1(B-s1)；抗紫外線等級：灰級等級4。

氣膜建筑高體積壓縮比，能夠進行空運，或者在有限的空間內放置多個進行陸運。如用集裝箱的解決方案，占用的空間大，空運承載量有限，只能用鐵路運輸或者輪船海運。而要運到海外國家，尤其是欠發達的國家和地區，首先要確保有鐵路可通行，而采用輪船運輸，則會大大增加運輸時間。

飛機按機身尺寸分為窄體飛機、寬體飛機，按機艙載貨類型分為全貨機和客貨兩用機。日檢測通量達5000份的氣膜實驗室所需三個氣膜單體和一個備用氣膜單體，經測量計算，氣膜主體打包后長寬高分別為2m、1m和1m，體積約為2m3，重量約為400kg；氣膜主體及其所有相關配件裝箱后的總體積約為40m3，總重量為6000～7000kg；為方便標準化裝貨運輸，考慮到貨車裝載貨物限制和飛機艙門尺寸限制，每個木箱規格不超過2.4m×1.2m×1.3m。因此根據貨物規格，主要考慮采用寬體飛機運輸，常見機型基本都可運輸。

氣膜實驗室通過充氣膜結構和預制化建造系統結合，確保整個系統密閉，氣膜被內部氣壓頂起，大大簡化了建筑支承的結構。一個氣膜實驗室利用智能充氣設備充氣，只需要20分鐘，便可完成充氣，挺立成型。因氣膜結構特性，設置靈活，對搭建場地基礎要求低，可適應不同的基地，室內室外均可，并且可隨時搬遷。氣膜自重輕，可建筑于原有建筑之上，如在室外則需要考慮當地環境影響的因素。氣膜實驗室還可實現快速拆卸，之后進行折疊打包儲存，可反復多次使用。

除了氣膜主體本身能夠快速搭建外，強電電箱、電纜插座、智能設備等設備都已在工廠預制化安裝好，大大節約了安裝時間和減小了安裝難度。氣膜實驗室功率主要分三部分，包括氣膜自帶功率（照明、空調和新風機組功率）和生產設備功率，以5000通量為例，總負荷不超過100KW，每個氣膜單體配備一個三級電箱，三個三級電箱配備一個二級電箱。氣膜充好氣后，只需在電箱上連接好電纜，并將預制好防水盒（插排功能）的電纜直接拉進實驗室，試驗設備接上電源后即可投入使用。傳統實驗室和火眼實驗室安裝人工時對比如表1所示。

氣膜檢測實驗室的功能區是通過膜結構將其分開，并和氣壓差分區相結合，從而實現人流、物流和垃圾流的有效分離�？照{系統可調節的室內溫濕度，再通過設置新風機與排風機，形成內部氣流的定向流動�？諝獾倪M入與排出均經過HEPA高效過濾，以確保實驗室空氣的高效過濾。

新風系統可實現室內正負壓的轉換，通過利用智能自動風閥控制新風機的送風風量和排風機的排風風量，例如當送風量低于排風量時即可實現負壓環境，不同的控制方法使病房不同功能區形成不同氣壓差，經實踐驗證，此系統的正負壓轉換值為±30Pa。

根據生物實驗室相關規范的設計要求，在每個單體氣膜建筑內，前后門設置了緩沖區、前門處的入口更衣間和出口更衣區。工作人員開啟前門首先進入緩沖區，緩沖區內設置了洗手池；再從緩沖區進入更衣區穿防護服，然后進入到核心工作間；工作人員離開核心工作間時首先進入出口更衣區脫換防護服，再進入到緩沖區，然后從前門離開[16,17,18]。

根據計算得出氣膜檢測實驗室截面面積為10.28m2，不含設備的室內體積為113.64m3，而每個艙內設備和人員占用體積比約為12%～17%，由此得出室內體積為96.12～99.51m3而室內空間所占風量比分別為：主艙空間80%、緩沖間10%、入口更衣區5%和出口更衣區5%，按照P2實驗室標準，每小時換氣量需要在10～12次，滿足潔凈室潔凈等級8～9級的要求，并根據相關規范要求，采用非單向流的氣流流型，氣膜檢測實驗室主要設定為頂送風側下排風的方式。因此實驗室內不含設備的換氣量為1130.8m3/h，含少量設備為1194.12m3/h，含最多設備為1153.44m3/h�；鹧蹖嶒炇遥�氣膜版）所需風量計算圖如圖5所示。

在計算新風量與排風量時，主要依據正負壓漏風量、換氣次數計算風量、人員滿足風量進行綜合考慮；其中正負壓漏風量考慮不同區域的壓強，根據《潔凈廠房設計規范》（GB50073-2013）進行確定，如按照換氣次數法，當壓差為5Pa時，正負壓漏風量按照換氣次數1～2次/h進行計算；當壓差為10Pa時，正負壓漏風量按照換氣次數2次/h～4次/h進行計算。換氣次數計算風量，即根據潔凈等級與實驗室標準確定的10～12次/h，對整個實驗室空間進行整體風量計算。而人員滿足風量，主要考慮緩沖間、更衣間等較小面積情況下，其風量計算要滿足每人40m3/h的要求。在三種風量計算中，考慮設備應用的房間數量，綜合取得最大值，即為新風機選型所需風量，再根據得到的送風量，根據正負壓要求，對正負壓漏風量進行加減計算，得到排風機所需排風量；從而滿足整個新排風系統的風量計算要求。各功能區風量情況如表2所示。

團隊研發了氣膜版的病毒核酸檢測實驗室。并聯合申請了“充氣膜結構病毒檢測實驗室、及覆土結構病毒檢測實驗室”和“充氣膜結構病毒檢測實驗室、生物安全實驗室、覆土結構病毒檢測實驗室”等19項專利。

2020年7月3日，深圳市標準化協會發布了《充氣膜結構病毒檢測實驗室建設指南》團體標準，為我國乃至全球各國和地區建設充氣膜結構病毒檢測實驗室提供統一的設計和建設指導，為已知和未知病原微生物核酸檢測提供技術支撐、科學依據和質量保障。該標準在國際及國內均屬首次提出，對新型冠狀病毒疫情的防控具有重要指導意義，也填補了該領域的空白，此外還完成了國家標準和一帶一路團體標準的立項工作。

火眼實驗室（氣膜版）已在國內和海外多個國家進行了建設，向世界展現了如何快速建設核酸檢測實驗室的“中國方案”。氣膜版“火眼”實驗室從產業鏈配置，再到最后的落地搭建，整合了同濟大學和華大基因創新科技生態圈，集眾智加速方案迭代，用設計創新助力全球抗擊新冠疫情。

目前，已在全球9個國家啟動了26座氣膜版火眼實驗室，包括中國15座，分布在哈爾濱、北京、深圳、香港、青島、石家莊，廣州、南京、珠海和呼市等城市，國際11座，分布在沙特、加蓬、多哥、哈薩克斯坦、阿曼、埃塞俄比亞、巴布亞新幾內亞和文萊等城市，合計建設日檢測通量達100萬單管，顯著提升了當地的核酸檢測能力，從而助力全球疫情防控。

自2020年4月3日火眼實驗室（氣膜版）全球首發，根據中國對PCR實驗室的要求，不斷對各個功能及實驗室環境進行了優化，已經根據實際使用需求快速迭代到第三版。深圳國家基因庫火眼實驗室（氣膜版）如圖6所示。

于5月1日，火眼實驗室（氣膜版）歷時7天在哈爾濱新區平房片區建成并率先投入使用，日檢測通量可達10000人份，補充規�；瘧�急檢測能力、“前哨”和覆蓋作用，以便及時精準排查新冠病毒案例。哈爾濱火眼實驗室（氣膜版）如圖7所示。

6月13日，連續50多天沒有本土確診病例的北京，累計報告本地確診病例36例，易搭建、智能化、高通量的“火眼”實驗室便能夠有效緩解當前的核酸檢測燃眉之急。經歷24小時不停工連續3天的搭建，北京首座氣膜版“火眼”核酸檢測實驗室在大興區體育中心建成，根據場地條件設立的9座氣膜艙，每日核酸檢測能力可達3萬人份，6月23日正式投入運行；6月25日，緊急新增7座氣膜艙，日檢測量可突破10萬人份。

火眼實驗室（氣膜版）也在海外多個國家進行建設，向世界展現了如何快速建設核酸檢測實驗室的“中國方案”。氣膜版“火眼”實驗室從產業鏈配置，再到最后的落地搭建，整合了同濟大學和華大基因創新科技生態圈，集眾智加速方案迭代，用設計創新助力全球抗擊新冠疫情。

氣膜版“火眼”實驗室海外首站于5月19日在加蓬共和國首都利伯維爾建成，加蓬共和國總統阿里·邦戈·翁丁于當日訪問氣膜版“火眼”實驗室，實驗室每日可檢測10000人份新冠病毒樣本，配備的MGISP-960自動化樣本制備系統，每臺可于80min內完成192個樣品的RNA提取，大幅提高當地的疫情防控與核酸檢測能力；5月29日，氣膜版“火眼”實驗室于沙特阿拉伯麥地那（伊斯蘭教第二圣城）國際伊斯蘭大學籃球場建成，麥地那省省長于6月1日到現場進行了參觀指導，該核酸檢測平臺每日檢測通量可達10000人次；6月5日，努爾蘇丹市長、副市長蒞臨參觀了在哈薩克斯坦首都努爾蘇丹的火眼實驗室（氣膜版）；6月11日，哈薩克斯坦另一個城市阿拉木圖的火眼實驗室（氣膜版）也完成搭建，阿拉木圖市長等蒞臨現場參觀指導。

對于突發性重大公共衛生事件，火眼實驗室（氣膜版）能在短時間內搭建完成，迅速提升當地高通量新冠病毒核酸檢測能力。而在疫情平穩后，火眼實驗室（氣膜版）還將會在生育健康、傳染感染疾病、腫瘤等方面的大規模人群檢測上繼續發揮優勢，成為各地醫療衛生體系改造升級中的“標配”，也是改善民生健康，促進生命科學研究以及發展生命健康產業重要的“新基建”。

火眼實驗室（氣膜版）在充分考慮全球生物安全要求和行業規范的前提下，具有前瞻性的科技創新成果，在全球多個國家的新冠肺炎疫情防控工作可以發揮重要作用，可滿足新型冠狀病毒的檢測要求。