Nachrüstung erweckt ein historisches Silberschmiedegebäude zu neuem Leben

Jun 06, 2023

MaryBeth DiDonna ist Redakteurin für Labordesign und Redakteurin für digitale Veranstaltungen für Lab Manager. Ihre Arbeit für den Abschnitt „Labordesign“ der Publikation untersucht die Herausforderungen, denen Projektteams gegenüberstehen ...

Die Whiting School of Engineering der Johns Hopkins University benötigte schon seit mehreren Jahren einen konsolidierten Raum für Materialeigenschaften und Verarbeitung, da die Instrumente der Schule zuvor in drei separaten Gebäuden auf dem Campus untergebracht waren. Die Schule suchte nach einem historischen Gebäude aus dem frühen 20. Jahrhundert auf dem Campus als möglichen neuen Standort für ihr Programm.

Das Ergebnis ist die Materials Characterization and Processing (MCP) Facility, eine 18.000 Quadratmeter große Kernlaboranlage mit hochmoderner Elektronenmikroskop- und Rasterelektronenmikroskop-Forschung und -Ausrüstung. Laut dem Beitrag für die Design Excellence Awards ist das MCP auf dem besten Weg, die modernste Anlage im Mittelatlantik für die Verarbeitung und Charakterisierung von Materialien zu werden.

Für die Erhaltung eines historischen Gebäudes und dessen Anpassung an den Einbau modernster wissenschaftlicher Geräte hat Lab Manager Page Southerland Page, Inc. bei den Design Excellence Awards 2023 den Preis „Honourable Mention – Innovation“ verliehen. Page Southerland Page, Inc. fungierte als Designarchitekt/Laborplaner für das Projekt für die Materialcharakterisierungs- und Verarbeitungsanlage an der Johns Hopkins University in Baltimore, MD.

Das MCP befindet sich im Stieff Silver Building, das 1924 als Gießerei für die Stieff Silver Company erbaut und 1971 um einen Anbau im Stil eines Lagerhauses erweitert wurde. Das Gebäude ist im National Register of Historic Places aufgeführt. Das Designteam traf sich erstmals 2018 mit dem Johns Hopkins-Team, der Bau begann im Oktober 2020 und das Labor wurde ab Dezember 2022 offiziell bezogen.

Im Gebäude von 1971 gibt es zehn Instrumentenlabore sowie zwei Kontrollräume für die Instrumente, die sich vier Instrumentenlabore teilen. Die Instrumente sind um einen „ruhigen“ Hauptkorridor herum positioniert, der den Personenfluss und den Zugang zum Labor ermöglicht. Maschinen, die viel Wärme und Lärm erzeugen, wie Kältemaschinen, Pumpen und Serverschränke, befinden sich in den hinteren Geräteschächten.

Das Designteam nannte die größten Herausforderungen eines Projekts, das sich mit empfindlichen Instrumenten beschäftigt, den sogenannten „Big Four“:

Vibration: Das MCP befindet sich in der Nähe einer stark befahrenen Straße und teilt sich eine Bodenplatte mit anderen Hochregal-Forschungslaboren, darunter einem großen Wellenbecken. Ein Vibrationsberater führte eine Grunduntersuchung des Raums durch, um die Eignung des Standorts zu ermitteln, und fand eine sehr stabile Platte mit einer Tiefe von mehr als 16 Zoll – die Platte ist tatsächlich sechs Zoll tief, wurde aber über dem Grundgestein errichtet. Der Berater riet dem Planungsteam, jegliche Störungen der bestehenden Decke zu minimieren. Eine Utility-Chassis-Strategie dient außerdem dazu, die Geräteräume von der Außenwand und der angrenzenden Straße zu isolieren.

Elektromagnetische Interferenz: Ein Hauptelektroraum in der Mitte des geplanten Standorts verfügte über Wechselstromquellen, die durch viertel Zoll dicke, geschweißte Aluminiumplatten, die an den Wänden, dem Boden und der Decke der Instrumentenlabore installiert waren, abgeschwächt wurden. Zu den Gleichstromquellen gehören der vorhandene Aufzug, Autos und Lastwagen auf der nahe gelegenen Straße sowie eine nahegelegene Stadtbahnlinie.

Lärm: Akustische Störungen können Mikroskopbilder stören. In den Instrumentenräumen wurde eine Kasten-in-Kasten-Bauweise verwendet, um sie von anderen Räumen im Gebäude zu isolieren. Bei den vertikalen Wänden handelte es sich um eine Doppelwandkonstruktion, und die Decke berührte die tragende Struktur des Gebäudes nicht – vielmehr dienten vertikale Wände als Stütze. Alle durch die Decke oder Doppelwände verlaufenden Versorgungsleitungen verwendeten flexible Verbindungen, um die Übertragung von Vibrationen oder Lärm in den Raum zu begrenzen. In den Räumen wurden mit Stoff umwickelte Schallpaneele installiert, um Schall zu absorbieren und den Raum zu dämpfen. Anstelle der typischen flachen Akustikplatten wurden in verschiedenen Anordnungen abgewinkelte Wandpaneele verwendet, um ein leistungsstarkes Absorptionssystem zu bieten.

Thermische Umgebung: In den Instrumentenräumen sind extrem geringe Temperaturschwankungen erforderlich – nur 0,8 Grad Celsius über 24 Stunden. Es wurde festgestellt, dass gekühlte Wandpaneele die effektivste Möglichkeit sind, eine solche Umgebung zu schaffen. Deshalb wurden im Raum mehrere 1,20 m breite und 3,60 m hohe Paneele installiert. In der Decke wurden HEPA-gefilterte Paneele mit niedrigen Wandabluftkanälen installiert, um eine saubere Luftumgebung zu bieten und die Räume mit Belüftungsluft zu versorgen. Diese Filter ermöglichen eine einheitliche Luftströmungsrichtung und eine minimale Luftvermischung. Jeder Raum verfügt über eigene Bedienelemente und drei Betriebsmodi: Instrument im Einsatz (sehr geringer Durchfluss), Personenbelegung und Spülmodus (wenn der Raum gereinigt wird, bevor das Instrument verwendet wird).

Eine zusätzliche Herausforderung bei der Arbeit mit diesem bestehenden Gebäude bestand darin, Renovierungs- und Nachrüstungsarbeiten durchzuführen, während das Gebäude bewohnt war. Der neue MCP-Bereich würde die Hälfte der untersten Ebene des bestehenden Gebäudes einnehmen, wobei laufende Forschungs- und Studienarbeiten neben und über dem Gelände stattfinden würden. Darüber hinaus befanden sich auf dem Grundriss des MCP-Geländes dichte mechanische, elektrische, Sanitär- und Telekommunikationssysteme – einige davon wurden nicht benötigt und konnten abgerissen werden, andere mussten jedoch in anderen Bereichen des Gebäudes weiter genutzt werden. Das Designteam arbeitete während der Abrissphase mit dem Auftragnehmer zusammen, um ordnungsgemäß zu kategorisieren, welche Systeme entfernt werden konnten, welche verbleiben konnten und welche verlegt werden mussten.

Drei Instrumentenräume benötigten 13 Fuß freien Raum, um hohe Mikroskopsäulen unterzubringen, aber die vorhandene Bodenhöhe bot nur 12 Fuß freien Raum. Um diese zusätzliche Höhe zu erreichen, wurden neue W-förmige Träger zwischen den vorhandenen Balkenträgern installiert und nach der Installation der Balken wurden die Balkenträger entfernt. Zwischen den neuen Trägern wurden mechanische Kanäle zu diesen Räumen installiert, um den erforderlichen Freiraum zu maximieren.

Die MCP-Instrumentenlabore wurden so konzipiert, dass sie neben der Erfüllung funktionaler Anforderungen auch ein „gehobenes Erscheinungsbild“ bieten. Die Räume sind weiß, um steril zu bleiben, da Staub eine große Gefahr für die Instrumente darstellt. Für Forschungszwecke oder einfach als Farbtupfer wurde jedoch eine farbwechselnde Beleuchtung eingesetzt. Der Hauptnutzer – ein ausgebildeter Geologe – wünschte einen Raum, der eine geodätische Kuppel oder Felsfraktale widerspiegelt. Als Hauptgestaltungselement wurden Akustikpaneele verwendet, wobei 60 x 60 cm große Paneele mit einer Dicke von 5 bis 10 cm nach dem Zufallsprinzip an den Wänden und Decken angeordnet waren.

Der primäre, „ruhige“ Korridor ermöglicht den Zugang zu jedem Instrumentenraum, wobei Fenster oder Videomonitore einen Blick auf die Instrumente und Forschungsarbeiten in ausgewählten Räumen bieten. Ein dunkler Raum, ein geometrisch gemusterter Teppich, Wandakzente aus Eichenholzlamellen und eine „Sternennacht“-Decke aus Metallpaneelen sorgen für ein elegantes und ästhetisches Erscheinungsbild und dienen gleichzeitig als hochfunktionale Methode zur Absorption und Dämpfung von Schall außerhalb der Instrumentenlabore und zur Abschwächung potenzieller Störungen zu der Arbeit. Der Flur und die Kontrollräume nutzen eine zirkadiane Beleuchtung, um das natürliche, wechselnde Licht im Freien nachzuahmen und so ein angenehmes Benutzererlebnis zu bieten.

Da die Benutzer zu Beginn des Designprozesses noch nicht in der Lage waren, die Geräte zu identifizieren, die im MCP untergebracht werden sollten, war eine zukunftssichere Anlage erforderlich. Benutzer wurden gebeten, mögliche Instrumente zusammenzustellen, die sie in Zukunft für ihre Forschung benötigen könnten, und das Designteam überprüfte und klassifizierte diese Instrumente in drei Kategorien. Daraufhin wurden drei Raumtypologien entwickelt und in einer Raumtypmatrix kodifiziert, um das Design zu beeinflussen. Die berücksichtigten Eigenschaften waren elektromagnetische Störungen, Vibrationen, Akustik, Temperatur und andere detaillierte Anforderungen.

Anschließend wurden gemeinsame Geräteverfolgungen entwickelt, um die Langlebigkeit der Anlage zu fördern und den Instrumentenwechsel zu ermöglichen. Jeder Instrumentenraum verfügt über einen gemeinsamen Raum hinter dem Haus, in dem laute, wärmeerzeugende und allgemein störende Geräte untergebracht werden können. Diese gemeinsamen Bereiche ermöglichen es, dass die unterstützende Ausrüstung der Instrumente abnimmt und abnimmt, wenn neue Instrumente hinzukommen und andere Änderungen vorgenommen werden. Dadurch kann das Gebäude seine Geschichte bewahren und gleichzeitig den Blick auf die Zukunft von Wissenschaft und Technologie richten.

„Wir fühlen uns geehrt und freuen uns, diese Auszeichnung für ein solch innovatives und einzigartiges Laborprojekt zu gewinnen“, sagt Brian Tucker, AIA, NCARB, LEED AP BD+C, leitender Planer, Hochschulbildung, Direktor bei Page Southerland Page, Inc. „Komplex.“ Die Gestaltung von Mikroskopie- und Bildgebungsräumen wird so oft nur von den technischen und funktionalen Anforderungen der Instrumente bestimmt – die Ästhetik tritt in den Hintergrund. Wir sind dankbar, dass Johns Hopkins unser Planerteam herausgefordert hat, Räume zu schaffen, die sowohl funktional als auch ästhetisch innovativ sind. Darüber hinaus Dieses Projekt unterstreicht die einzigartige Chance, die sich aus der Wiederverwendung vorhandener historischer Gebäude für hochmoderne Laborräume ergibt. Das Ergebnis ist eine Vorzeigeeinrichtung, die sich wirklich von der Konkurrenz abhebt.“