从2019年底至今，新型冠状病毒肺炎疫情令世界公共卫生安全面临极大挑战。据当时世界卫生组织发布的新冠疫情统计数据显示，截止北京时间2021年11月30日16:22，全球疫情累计262203718例，累计死亡5207775例[1]；其中我国确诊127825例，死亡5697例，治愈119249例[2]。我国是最早出现以及发现新型冠状病毒肺炎疫情的地方。

核酸检测实验室室内需要维持负压状态保证空气定向流动，以有效防止被传染性病原微生物污染的空气向污染概率低的区域及外环境扩散。实现负压环境的新风系统是一种强制性机械排风设备，如果房间密闭不好，室外的空气会从房间缝隙进入室内，影响新风质量[3,4]。由此可见，核酸检测实验室必须有一定的气密性。而传统实验室的建筑结构无法实现完全密闭，需要构造复杂的负压系统，通过专业计算机编程控制器实现室内负压系统的自动控制。但大部分临床检测试验设备落后、硬件条件差，甚至基本的生物安全仍未满足。更有甚者，在某些国家或地区根本没有病毒核酸检测的实验室。

从2021年2月中旬开始，同济大学设计创意学院苏运升就构思了充气膜结构的防护隔离系统，并带领团队申请了专利、开发了样品。随着去年初全国抗击疫情形势日益严峻，华大基因董事长汪建提出通过“火眼”实验室一体化建造方案来解决城市检测能力不足的问题，而后华大基因CEO尹烨和同济大学苏运升基于新冠病毒检测需求和痛点，共同萌生了火眼实验室（气膜版）的想法[5,6]。

充气膜结构建筑体系是这些年发展起来的创新建造技术，建造速度快，性价比高，便于日常储存，并且体积压缩比高，运输快捷，便于在各个城市间调配资源，也便于利用现有的生产系统及时大规模生产和建造。

气膜建筑[7,8,9]起源于20世纪70年代，在我国是一种新起的封闭式建筑，用膜材料做成封闭空间，利用适当的大气压差成为能抵御风、雨、雪的封闭式气膜建筑。且因其可采用热合技术对膜材进行封闭，因此可保证室内空间的密闭性，有利于实现负压环境。

气膜核酸检测实验室的灵感来自于“基因–细胞–人”和“人–建筑–城市生命体”的同构关系，似一种“类生命建筑”。未来该实验室可以通过喷筑复合材料变成混凝土壳体结构，成为永久建筑[10,11]。火眼实验室（气膜版）平面图及流线图如图1所示。

2020年4月，为解决部分国家和地区无新冠病毒检测实验室[12,13]的问题与满足新型冠状病毒核酸快速和大量检测的需求，团队设计研发了用于新冠病毒等病原微生物核酸检测的充气膜结构病毒检测实验室——“火眼实验室（气膜版）”。

火眼实验室（气膜版）考虑全球生物安全要求和行业规范，采用阻燃、耐磨、稳定性高的PVC材料作为建筑主材，以气膜结构进行模块化布局，共设置四大功能区，包括了样本接收区、试剂准备区、样本制备区和扩增区，并配备了光交互门禁系统、医废出口、缓冲间、更衣间等辅助转换空间，装配有Class II生物安全柜、全自动核酸制备仪、QPCR仪等新冠病毒核酸检测设备，未来可扩充抗体检测设备、基因测序仪、高性能服务器等先进实验室设备[14]。

火眼实验室（气膜版）还具有全国产、高集成智能化、可收纳、易运输等优点。打包后可以通过货机空运，可实现灵活选址、快速布局、快速建造、快速启用，可根据需求灵活调整配置，帮助各个国家快速建立和提升用于确诊新冠的核酸检测能力。结构图、表面图、剖面图如图2～4所示。

充气膜结构按照形态可分为单层充气膜结构、双层充气膜结构和管式充气膜结构；按传力途径和膜内气压不同，分为气承式和气囊式。本气膜建筑采用双层充气膜结构，属于气囊式充气膜结构，通过在膜面形成的密闭空间中充气使膜面张紧以获得抵抗外部荷载所需的张力[15]。

本气膜建筑主体采用PVC夹网布，具有易成型、防风雨、防潮湿、抗紫外线、阻燃的特点，并用热合技术确保气膜结构密闭性。使用环境也可满足不同地区的环境条件，既可放在室内，也可放在室外。且经实践检测，本气膜实验室的抗风等级：7级（极限9级）；最大积雪载荷45kg/m2；耐温：–40～120℃；阻燃性能等级：B1(B-s1)；抗紫外线等级：灰级等级4。

气膜建筑高体积压缩比，能够进行空运，或者在有限的空间内放置多个进行陆运。如用集装箱的解决方案，占用的空间大，空运承载量有限，只能用铁路运输或者轮船海运。而要运到海外国家，尤其是欠发达的国家和地区，首先要确保有铁路可通行，而采用轮船运输，则会大大增加运输时间。

飞机按机身尺寸分为窄体飞机、宽体飞机，按机舱载货类型分为全货机和客货两用机。日检测通量达5000份的气膜实验室所需三个气膜单体和一个备用气膜单体，经测量计算，气膜主体打包后长宽高分别为2m、1m和1m，体积约为2m3，重量约为400kg；气膜主体及其所有相关配件装箱后的总体积约为40m3，总重量为6000～7000kg；为方便标准化装货运输，考虑到货车装载货物限制和飞机舱门尺寸限制，每个木箱规格不超过2.4m×1.2m×1.3m。因此根据货物规格，主要考虑采用宽体飞机运输，常见机型基本都可运输。

气膜实验室通过充气膜结构和预制化建造系统结合，确保整个系统密闭，气膜被内部气压顶起，大大简化了建筑支承的结构。一个气膜实验室利用智能充气设备充气，只需要20分钟，便可完成充气，挺立成型。因气膜结构特性，设置灵活，对搭建场地基础要求低，可适应不同的基地，室内室外均可，并且可随时搬迁。气膜自重轻，可建筑于原有建筑之上，如在室外则需要考虑当地环境影响的因素。气膜实验室还可实现快速拆卸，之后进行折叠打包储存，可反复多次使用。

除了气膜主体本身能够快速搭建外，强电电箱、电缆插座、智能设备等设备都已在工厂预制化安装好，大大节约了安装时间和减小了安装难度。气膜实验室功率主要分三部分，包括气膜自带功率（照明、空调和新风机组功率）和生产设备功率，以5000通量为例，总负荷不超过100KW，每个气膜单体配备一个三级电箱，三个三级电箱配备一个二级电箱。气膜充好气后，只需在电箱上连接好电缆，并将预制好防水盒（插排功能）的电缆直接拉进实验室，试验设备接上电源后即可投入使用。传统实验室和火眼实验室安装人工时对比如表1所示。

气膜检测实验室的功能区是通过膜结构将其分开，并和气压差分区相结合，从而实现人流、物流和垃圾流的有效分离。空调系统可调节的室内温湿度，再通过设置新风机与排风机，形成内部气流的定向流动。空气的进入与排出均经过HEPA高效过滤，以确保实验室空气的高效过滤。

新风系统可实现室内正负压的转换，通过利用智能自动风阀控制新风机的送风风量和排风机的排风风量，例如当送风量低于排风量时即可实现负压环境，不同的控制方法使病房不同功能区形成不同气压差，经实践验证，此系统的正负压转换值为±30Pa。

根据生物实验室相关规范的设计要求，在每个单体气膜建筑内，前后门设置了缓冲区、前门处的入口更衣间和出口更衣区。工作人员开启前门首先进入缓冲区，缓冲区内设置了洗手池；再从缓冲区进入更衣区穿防护服，然后进入到核心工作间；工作人员离开核心工作间时首先进入出口更衣区脱换防护服，再进入到缓冲区，然后从前门离开[16,17,18]。

根据计算得出气膜检测实验室截面面积为10.28m2，不含设备的室内体积为113.64m3，而每个舱内设备和人员占用体积比约为12%～17%，由此得出室内体积为96.12～99.51m3而室内空间所占风量比分别为：主舱空间80%、缓冲间10%、入口更衣区5%和出口更衣区5%，按照P2实验室标准，每小时换气量需要在10～12次，满足洁净室洁净等级8～9级的要求，并根据相关规范要求，采用非单向流的气流流型，气膜检测实验室主要设定为顶送风侧下排风的方式。因此实验室内不含设备的换气量为1130.8m3/h，含少量设备为1194.12m3/h，含最多设备为1153.44m3/h。火眼实验室（气膜版）所需风量计算图如图5所示。

在计算新风量与排风量时，主要依据正负压漏风量、换气次数计算风量、人员满足风量进行综合考虑；其中正负压漏风量考虑不同区域的压强，根据《洁净厂房设计规范》（GB50073-2013）进行确定，如按照换气次数法，当压差为5Pa时，正负压漏风量按照换气次数1～2次/h进行计算；当压差为10Pa时，正负压漏风量按照换气次数2次/h～4次/h进行计算。换气次数计算风量，即根据洁净等级与实验室标准确定的10～12次/h，对整个实验室空间进行整体风量计算。而人员满足风量，主要考虑缓冲间、更衣间等较小面积情况下，其风量计算要满足每人40m3/h的要求。在三种风量计算中，考虑设备应用的房间数量，综合取得最大值，即为新风机选型所需风量，再根据得到的送风量，根据正负压要求，对正负压漏风量进行加减计算，得到排风机所需排风量；从而满足整个新排风系统的风量计算要求。各功能区风量情况如表2所示。

团队研发了气膜版的病毒核酸检测实验室。并联合申请了“充气膜结构病毒检测实验室、及覆土结构病毒检测实验室”和“充气膜结构病毒检测实验室、生物安全实验室、覆土结构病毒检测实验室”等19项专利。

2020年7月3日，深圳市标准化协会发布了《充气膜结构病毒检测实验室建设指南》团体标准，为我国乃至全球各国和地区建设充气膜结构病毒检测实验室提供统一的设计和建设指导，为已知和未知病原微生物核酸检测提供技术支撑、科学依据和质量保障。该标准在国际及国内均属首次提出，对新型冠状病毒疫情的防控具有重要指导意义，也填补了该领域的空白，此外还完成了国家标准和一带一路团体标准的立项工作。

火眼实验室（气膜版）已在国内和海外多个国家进行了建设，向世界展现了如何快速建设核酸检测实验室的“中国方案”。气膜版“火眼”实验室从产业链配置，再到最后的落地搭建，整合了同济大学和华大基因创新科技生态圈，集众智加速方案迭代，用设计创新助力全球抗击新冠疫情。

目前，已在全球9个国家启动了26座气膜版火眼实验室，包括中国15座，分布在哈尔滨、北京、深圳、香港、青岛、石家庄，广州、南京、珠海和呼市等城市，国际11座，分布在沙特、加蓬、多哥、哈萨克斯坦、阿曼、埃塞俄比亚、巴布亚新几内亚和文莱等城市，合计建设日检测通量达100万单管，显著提升了当地的核酸检测能力，从而助力全球疫情防控。

自2020年4月3日火眼实验室（气膜版）全球首发，根据中国对PCR实验室的要求，不断对各个功能及实验室环境进行了优化，已经根据实际使用需求快速迭代到第三版。深圳国家基因库火眼实验室（气膜版）如图6所示。

于5月1日，火眼实验室（气膜版）历时7天在哈尔滨新区平房片区建成并率先投入使用，日检测通量可达10000人份，补充规模化应急检测能力、“前哨”和覆盖作用，以便及时精准排查新冠病毒案例。哈尔滨火眼实验室（气膜版）如图7所示。

6月13日，连续50多天没有本土确诊病例的北京，累计报告本地确诊病例36例，易搭建、智能化、高通量的“火眼”实验室便能够有效缓解当前的核酸检测燃眉之急。经历24小时不停工连续3天的搭建，北京首座气膜版“火眼”核酸检测实验室在大兴区体育中心建成，根据场地条件设立的9座气膜舱，每日核酸检测能力可达3万人份，6月23日正式投入运行；6月25日，紧急新增7座气膜舱，日检测量可突破10万人份。

火眼实验室（气膜版）也在海外多个国家进行建设，向世界展现了如何快速建设核酸检测实验室的“中国方案”。气膜版“火眼”实验室从产业链配置，再到最后的落地搭建，整合了同济大学和华大基因创新科技生态圈，集众智加速方案迭代，用设计创新助力全球抗击新冠疫情。

气膜版“火眼”实验室海外首站于5月19日在加蓬共和国首都利伯维尔建成，加蓬共和国总统阿里·邦戈·翁丁于当日访问气膜版“火眼”实验室，实验室每日可检测10000人份新冠病毒样本，配备的MGISP-960自动化样本制备系统，每台可于80min内完成192个样品的RNA提取，大幅提高当地的疫情防控与核酸检测能力；5月29日，气膜版“火眼”实验室于沙特阿拉伯麦地那（伊斯兰教第二圣城）国际伊斯兰大学篮球场建成，麦地那省省长于6月1日到现场进行了参观指导，该核酸检测平台每日检测通量可达10000人次；6月5日，努尔苏丹市长、副市长莅临参观了在哈萨克斯坦首都努尔苏丹的火眼实验室（气膜版）；6月11日，哈萨克斯坦另一个城市阿拉木图的火眼实验室（气膜版）也完成搭建，阿拉木图市长等莅临现场参观指导。

对于突发性重大公共卫生事件，火眼实验室（气膜版）能在短时间内搭建完成，迅速提升当地高通量新冠病毒核酸检测能力。而在疫情平稳后，火眼实验室（气膜版）还将会在生育健康、传染感染疾病、肿瘤等方面的大规模人群检测上继续发挥优势，成为各地医疗卫生体系改造升级中的“标配”，也是改善民生健康，促进生命科学研究以及发展生命健康产业重要的“新基建”。

火眼实验室（气膜版）在充分考虑全球生物安全要求和行业规范的前提下，具有前瞻性的科技创新成果，在全球多个国家的新冠肺炎疫情防控工作可以发挥重要作用，可满足新型冠状病毒的检测要求。