鈕于藍，楊立星，葉宇康

（之江實驗室，浙江 杭州 311100）

國家精密實驗室是科技創(chuàng)新體系的重要組成部分，是孕育重大原始創(chuàng)新，推動學科發(fā)展的重要科技力量，是開展核心技術(shù)攻關(guān)和重大前沿基礎(chǔ)研究的重要基地，對解決國家和區(qū)域重大戰(zhàn)略需求具有十分重要的作用［1-2］。國家一批精密實驗室陸續(xù)開工建設(shè)，如之江實驗室、松山湖科學城、鵬城實驗室、深圳灣實驗室等。精密實驗室內(nèi)部通常具有大量的精密儀器設(shè)備，該類設(shè)備對環(huán)境振動十分敏感，但隨著我國城市化進程和公共交通建設(shè)的高速發(fā)展以及城市用地資源的制約，新建建筑結(jié)構(gòu)、研究機構(gòu)、實驗室等不可避免地遭遇地鐵、高鐵及路面交通等區(qū)域環(huán)境振動的影響，這將在一定程度上降低建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部人員的舒適性、精密儀器的使用性能，甚至可能導(dǎo)致精密設(shè)備無法投入使用［3-5］。因此，在精密實驗室的建設(shè)過程中，環(huán)境振動控制保障工作尤為重要。

之江實驗室（圖1）作為浙江省委、省政府貫徹落實習近平總書記科技創(chuàng)新思想，深入實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的重大科技創(chuàng)新平臺，肩負了建設(shè)創(chuàng)新型國家、世界科技強國進程中的責任與擔當。園區(qū)規(guī)劃總面積90.53 hm2（1 358畝），總建筑面積約120萬m2，項目分三期工程，其中一期工程40.87 hm2（613畝），總建筑面積約61.4萬m2，重點建設(shè)一批基礎(chǔ)前沿研究機構(gòu)、多學科交叉創(chuàng)新研究機構(gòu)，組建創(chuàng)新性的應(yīng)用大平臺和共性的大科學裝置、核心裝備及配套設(shè)施，包括人工智能研究院、智能機器人研究中心、網(wǎng)絡(luò)安全攻防試驗場、大數(shù)據(jù)中心等。為保證之江實驗室建成后，實驗室內(nèi)部的精密儀器設(shè)備能夠正常投入使用，針對振動控制方面，實驗室建設(shè)人員采取了大量有效的管理措施。

圖1 之江實驗室園區(qū)總體規(guī)劃效果及現(xiàn)場施工

振動控制專項管理工作是一項專業(yè)性強，涉及多專業(yè)交叉學科的專業(yè)管理工作，且該工作貫穿于項目建設(shè)規(guī)劃、設(shè)計、施工、驗收全過程（圖2）。本文圍繞實驗室總體規(guī)劃、設(shè)計、施工等過程，闡述了之江實驗室項目建設(shè)過程中振動控制專項的建設(shè)及管理措施，可為國內(nèi)同類實驗室的建設(shè)提供經(jīng)驗和參考。

圖2 實驗室建設(shè)振動控制專項管理流程

1 實驗室振動控制專項規(guī)劃管理

實驗室建設(shè)作為一項科學含量高、專業(yè)性強的系統(tǒng)工程，前期的規(guī)劃設(shè)計足以影響實驗室建設(shè)及管理工作的效率及質(zhì)量［6］。因此，在進行精密實驗室的規(guī)劃設(shè)計之前，需要對實驗項目以及實驗室的建造目的有詳盡而充足的了解，同時將這些需求融入到設(shè)計中，確保大型實驗室建造的有效性，并給精密儀器提供一個相對安靜的振動環(huán)境，為實驗室的成功建設(shè)打下堅實的基礎(chǔ)。

1.1 實驗室周邊環(huán)境振源調(diào)查

精密儀器的測量和控制不僅與儀器本身的精度有關(guān)，還與周圍的環(huán)境振動有關(guān)，且環(huán)境振動是決定精密儀器測量和控制精度的關(guān)鍵因素。因此，在項目建設(shè)規(guī)劃時，首先必須對實驗室周邊的相關(guān)振源進行詳細了解，并充分考慮可能對精密儀器有較大振動影響的系列振源。除對現(xiàn)有環(huán)境振動情況進行調(diào)查外，還需考慮未來規(guī)劃建設(shè)對環(huán)境振動情況的影響，確保實驗室在未來若干年后仍能正常使用。

之江實驗室項目位于杭州市余杭區(qū)中泰街道和余杭街道，南苕溪以南，南湖以西，S102省道以北。在之江實驗室選址規(guī)劃時期，對周邊現(xiàn)有和未來環(huán)境振源情況進行了深入的調(diào)研，現(xiàn)階段實驗室的南側(cè)有S102省道、G56杭瑞高速公路和杭州地鐵16號線，北側(cè)有科技大道（圖3），未來在實驗室北側(cè)規(guī)劃有高鐵線路。因此，公路交通和軌道交通作為主要振源在現(xiàn)階段或未來將可能會對之江實驗室產(chǎn)生不容忽視的振動影響，從而在項目規(guī)劃階段應(yīng)對其進行詳細的調(diào)查研究。

圖3 之江實驗室園區(qū)總體規(guī)劃

1.2 實驗室周邊環(huán)境振動測試及評估

實驗室在進行振源調(diào)查后，應(yīng)安排專業(yè)的隊伍對各種振源進行振動測試并對其可能產(chǎn)生的振動影響進行評估分析。之江實驗室在項目規(guī)劃階段對實驗室周邊現(xiàn)有的振動環(huán)境進行測試，而對于未來規(guī)劃的高鐵，也采取了類比測試的方式評估其對實驗室可能的振動影響。

1.2.1 之江實驗室周邊路面交通振動影響評估

在之江實驗室擬建場地中心選取4個測點進行振動測試，每個測點測試垂直、南北和東西三個方向的振動大小。并在場地周邊開展了無車、小型車（時速約10 km/h）、中型車（時速約20 km/h）和大型車（時速約30 km/h）跑車試驗，評估未來實驗室建成后，實驗室內(nèi)部、外部車輛可能對實驗室造成的振動影響。

1.2.2 之江實驗室高鐵振動影響評估

在浙江省杭州市余杭區(qū)馮家塘進行高鐵類比振動測試。測點沿著垂直于高鐵運行方向布置，共布置了6個測點，測量高鐵經(jīng)過時場地振動的衰減情況，并評估高鐵運行對之江實驗室的振動影響。

1.3 與實驗室使用方溝通精密儀器振動需求

與普通的建筑建設(shè)管理相比，精密實驗室的建設(shè)管理更為復(fù)雜，需要考慮的因素更多。在項目建議書、可行性研究規(guī)劃階段，需要初步明確實驗室的選址條件、功能定位、建設(shè)內(nèi)容、工藝設(shè)備方案等，其中，環(huán)境振動對實驗室的影響評估是不可缺少的內(nèi)容。因而在精密實驗室規(guī)劃時，需要明確了解各個實驗室的振動需求。雖然實驗室部分精密設(shè)備有明確的振動需求，但也有很大一部分是實驗室自研設(shè)備，受專業(yè)知識所限，無法提出明確的振動需求，需專業(yè)的振動控制團隊提前介入，與實驗室的使用方反復(fù)溝通，并根據(jù)實驗室的使用習慣和需要達到的效果，由振動控制團隊為其提出真實有效的振動需求。此外，在實驗室的規(guī)劃之初，很多進駐實驗室并沒有最終確定，此時，為了確保后期建成的實驗室可用，需要根據(jù)其實驗室的定位，對相應(yīng)的振動需求進行預(yù)判，以便為后續(xù)實驗室的規(guī)劃和設(shè)計提出可靠的振動控制指標。

1.4 方案規(guī)劃單位確定及管理辦法

在確定規(guī)劃單位時，應(yīng)和規(guī)劃單位詳細溝通精密儀器設(shè)備的振動控制需求，確保規(guī)劃單位在進行實驗室規(guī)劃設(shè)計時，能夠充分考慮擬建場地周邊的交通、人流等振源情況，便于在項目建設(shè)規(guī)劃時期對未來可能會對實驗室產(chǎn)生振動影響的振源進行規(guī)避，或?qū)ο鄳?yīng)的設(shè)施進行減隔振處理，使規(guī)劃設(shè)計方案更加合理、經(jīng)濟。

2 實驗室振動控制專項設(shè)計管理

2.1 進一步與實驗室使用方溝通精密儀器振動需求

在實驗室設(shè)計階段，儀器設(shè)備選型及實驗室其他專業(yè)方案均已明確。通過和實驗室的使用方進一步溝通儀器設(shè)備的振動需求，明確儀器設(shè)備的振動環(huán)境保障條件。在設(shè)計階段，除了在規(guī)劃階段考慮的周邊交通對精密儀器的振動影響外，來自于實驗室內(nèi)部和外部的配套動力設(shè)備振動影響也不容忽視。因此，在設(shè)計時需進行專項的振動控制設(shè)計，在考慮振動控制因素的基礎(chǔ)上，對實驗室工藝、建筑、動力、暖通、給排水專業(yè)等進行統(tǒng)籌設(shè)計，以保證實驗室后期的振動環(huán)境能滿足精密儀器設(shè)備運行需要。

另外，由于不同的精密儀器設(shè)備廠家會提供不同安裝條件要求的振動允許值（或防振指標），故有必要和設(shè)備廠家詳細溝通精密儀器設(shè)備的振動需求。同時，精密儀器設(shè)備廠家對其產(chǎn)品都會有成熟豐富的振動控制技術(shù)經(jīng)驗，在振動控制專項設(shè)計工作中也可借鑒。

2.2 設(shè)計單位確定及管理辦法

在確定實驗室設(shè)計單位時，應(yīng)將振動控制設(shè)計作為專項設(shè)計委托給具備相應(yīng)資質(zhì)和能力的振動控制設(shè)計單位，也應(yīng)要求該設(shè)計單位具備為同類精密實驗室進行振動控制設(shè)計的經(jīng)驗。確定好設(shè)計單位后，應(yīng)與設(shè)計單位明確精密儀器設(shè)備的振動條件和要求，確保設(shè)計單位能夠準確掌握儀器設(shè)備振動控制需求，從而精準高效地開展振動控制專項設(shè)計工作。

2.3 精密儀器設(shè)備減隔振方式

精密實驗室建設(shè)過程中，采取何種振動控制設(shè)計方案，需要綜合考慮儀器設(shè)備振動需求、場地振動環(huán)境、工藝方案布局、綜合經(jīng)濟效益等因素。對此，建設(shè)單位需加強管理，避免過度設(shè)計造成的資金浪費，以及考慮不周造成的二次改造。

之江實驗室一期工程6＃樓地下1層的大科學裝置精密實驗室具有大小不一約60個精密設(shè)備實驗平臺，對環(huán)境振動的要求非常嚴格，部分實驗平臺需達到VC-E水平。根據(jù)項目前期的場地振動測試結(jié)果，并在大量的對比分析和經(jīng)濟性考慮基礎(chǔ)上，實驗室建設(shè)方組織了專家咨詢會，最終對振動要求較高的實驗平臺采用主動控制裝置，其中包括混凝土主動控制裝置平臺（圖4）和鋼結(jié)構(gòu)主動控制裝置平臺（圖5），主動控制裝置平臺規(guī)格參數(shù)見表1。

圖4 混凝土主動隔振裝置平臺

圖5 鋼結(jié)構(gòu)主動隔振裝置平臺

表1 主動控制裝置平臺規(guī)格參數(shù)

6＃樓精密實驗室2層設(shè)計了空調(diào)機房，內(nèi)部布置了27套動力設(shè)備——空調(diào)機組，空調(diào)機組及其附屬管道產(chǎn)生的振動會通過6＃樓的主體結(jié)構(gòu)傳遞至地下室，將對地下實驗室內(nèi)部的精密儀器設(shè)備產(chǎn)生一定的振動影響。為此，實驗室建設(shè)方也組織了相應(yīng)的專家評審會，對動力設(shè)備振源產(chǎn)生的振動影響進行咨詢評估，最終決定對空調(diào)機組采取相應(yīng)的減隔振措施，使空調(diào)機組的振動盡可能小地往樓下精密實驗室傳遞，空調(diào)機組振動控制技術(shù)要求見表2。

表2 空調(diào)機組振動控制技術(shù)要求

3 實驗室振動控制專項施工管理

3.1 施工單位的確定及管理辦法

實驗室振動控制專項施工前，應(yīng)將振動控制項目作為專項工程委托給具有相應(yīng)資質(zhì)和能力的振動控制單位，并對各意向單位進行考察，調(diào)研各單位在振動控制方面的技術(shù)水平，包括振動控制裝置深化設(shè)計、產(chǎn)品研發(fā)及產(chǎn)品供應(yīng)等方面的能力，選擇技術(shù)比較扎實的單位進行振動控制專項的實施，確保在實施階段把前期規(guī)劃、設(shè)計中確定的振動控制指標均完整準確地實現(xiàn)。振動控制專項施工前，應(yīng)要求施工單位根據(jù)振動控制指標及圖紙，對振動控制裝置進行深化設(shè)計，并征得設(shè)計單位的意見，同時，須制定詳細可行的施工措施和方案，圖6為空調(diào)機組減隔振示意圖。

圖6 空調(diào)機組減隔振示意

3.2 施工前建筑內(nèi)環(huán)境振動測試評估

在實驗室建造實施階段，尤其是在振動控制工程施工前，應(yīng)對建筑物內(nèi)的環(huán)境振動進行測試和評估，其主要考慮以下原因：1）該階段的振動測試是對規(guī)劃和設(shè)計階段振動測試數(shù)據(jù)的復(fù)核，如果出現(xiàn)較大的偏差可以及時對設(shè)計方案進行糾偏；2）在振動控制專項施工時，建筑主體結(jié)構(gòu)基本施工完畢，此時的場地振動情況最為接近未來實驗室正常運行時的振動情況，此階段的測試評估更具有工程實施的指導(dǎo)意義；3）專業(yè)的振動控制施工單位可將測試數(shù)據(jù)作為場地振動輸入條件，評估控制方案效果并對方案進行深化設(shè)計。

3.3 施工實施管理

精密實驗室的振動控制項目對精密度要求極高，如之江實驗室一期工程6＃樓地下室，主動隔振系統(tǒng)高模態(tài)基礎(chǔ)要求混凝土支墩頂面的平整度達到0.5 mm；防微振平臺設(shè)備的臺面平面度要求達到0.02 mm。因此，在進行精密實驗室振動控制工程施工實施的過程中，為確保振動控制工程的每一步都合乎設(shè)計理念、技術(shù)標準和使用要求，對于其中涉及的關(guān)鍵技術(shù)要嚴格把控，采取精細化、專業(yè)化管理：將審核意識與監(jiān)督意識貫穿到整個振動控制專項工程建設(shè)過程始終；加強實驗室建設(shè)人員的責任意識與風險意識，用高度責任心和防范意識來確保建設(shè)全過程始終保持“匠心”態(tài)度，消除因施工質(zhì)量而產(chǎn)生的安全隱患；進一步提高施工人員的技術(shù)水準，不斷以規(guī)劃、設(shè)計為核心進行建設(shè)指導(dǎo)，確保實驗室按照規(guī)劃、設(shè)計有條不紊的建設(shè)。

4 實驗室振動控制竣工驗收管理

在振動控制專項實施前，應(yīng)提前制定主動控制裝置減隔振平臺及空調(diào)機組減隔振的驗收標準，如對于之江實驗室1期工程6＃樓大科學裝置空調(diào)機組振動控制項目中，空調(diào)機組減振設(shè)計方案采用了油液阻尼減振機架，設(shè)計要求減振效果應(yīng)達到固有頻率≤4 Hz，阻尼比≥0.15的要求；而對于主動控制裝置減隔振平臺，要求載荷為1 500～2 500 kg時，0.1～1.0 Hz主動控制裝置減隔振平臺環(huán)境振動等級不得低于等于VC-E等級，≥1.0 Hz頻段，振動均方根速度≤3.125μm/s?？⒐を炇諘r，根據(jù)驗收標準，聘請第三方權(quán)威檢測機構(gòu)對減隔振平臺進行驗收測試，評判實驗室的最終建設(shè)成果。

5 結(jié) 語

由于精密實驗室對振動要求的特殊性，為了有效保證實驗室建成后精密儀器設(shè)備能夠正常投入使用，要求振動控制專項管理工作應(yīng)貫穿于實驗室建設(shè)的全過程，每一個階段和環(huán)節(jié)的管理工作都發(fā)揮著非常重要的作用。筆者參與了之江實驗室建設(shè)中振動控制管理的相關(guān)工作，分別對實驗室規(guī)劃、設(shè)計、施工及竣工驗收等各個階段進行了深入的管理，從而使動力設(shè)備的振動控制在固有頻率≤4 Hz，阻尼比≥0.15，防微振平臺2.5～3 Hz減振效率≥-20 dB。該管理經(jīng)驗可為其他精密實驗室的建設(shè)提供借鑒和幫助。