עתיד של מודלים הנדסיים מודולריים והגדרה מחדש

מה הם מודלים מודולריים ו Reconfigurable Engineering Laboratory?

מעבדות הנדסה מודולריות בנויות מיחידות קדם-מסווגות, סטנדרטיות - לעתים נקראות "pods" או "מודולים" - שניתן להרכיב באתר כמו אבני בניין.כל מודול מכיל מסגרת מבנית משלו, חיבורים שימושיים (כוח, נתונים, מים, או או ventilation), ולעתים קרובות pre-re-oriented Structures או ציוד. Reurable Laboratorys לקחת את הרעיון הזה: הם מאפשרים את הפריסה פנימית, ספסלים, אפילו לתאר לוחות הפעלה מחדש, תוך שבועות, ולא להזיזו כמשמעו, או להזיזוכים, ולא להזיזומים, אפילו שעות הפעלה, ולא להזיזוכות חלל.

עיצובים אלה אינם מוצר יחיד אלא פילוסופיה של זריזות מרחבית.מעבדה טיפוסית שניתן יהיה להשתמש באיים שירות נשללים, מובילים בשירות הפנים שניתן להציג מחדש, וניתן לשנות את עבודת התיקים מודולריים על סיירות.וולs יכול להיות בעל ערך, רצפות יכול לקבל אריחים בין-שינוי עם חתך שונה, ו / תאורה / אזורי תאורה יכול להיות מותאם באמצעות בקרה דיגיטלית.

דרושים Urgent for Adaptable Labs

דיסציפלינות הנדסיות מתפתחות מהר יותר מאי פעם 5 שנים, כמה מעבדות אקדמיות צריך שטח ייעודי לייצור תוספים, בדיקות מזל"טים או מערכות ביו-היברידיות.היום, אלה הן מעבדות מסורתיות קבועות - עם ספסלים קונקרטיים שפכו, קשיחות צנרת קשה, ועומס על קירות זמן - להיות מיושן כאשר בכיוון מחקר חדש עולה, כגון של מאות דולרים לריבועים, לוקח לעתים קרובות עלות מחקר נית.

יתרונות מרכזיים של מעבדות מודולריות ו- Reconfigurable

גמישות לא מתאימה

גמישות היא הנהג הראשי. טביעת רגל מעבדה אחת יכול לארח דינמיקה נוזלית אחד סמסטר, אז ראיית מחשב לעבוד הבא.מחלוקות ממותרות מאפשרות למדריכים ליצור אזורי פירוק קטנים לפרויקטים קבוצתיים, ואז לפתוח להרצאות גדולות יותר.

עלויות יעילות על מחזור החיים

בעוד עלויות ההון הראשוניות של רכיבים מודולריים יכולות להיות גבוהות פי 10-20% מבנייה קונבנציונלית, העלות הכוללת של הבעלות היא לעתים קרובות נמוכה יותר. Reusing מודולים מבטלים פסולת ההריסה. Repurposing מעבדה לשימוש חדש עשויה לעלות רק 15-30% ממה ששיפוץ מלא יהיה.בתקופה של 20 שנה, החיסכון בשיפוץ נמנע יכול להיות משמעותי.

חיסכון בזמן ל Deployment מהירה

כאשר מענק מחקר חדש דורש סביבה מיוחדת, המתנה 12-18 חודשים לבנייה מסורתית אינה מקובלת.מעבדות מודולריות יכולות להיות מתוכננות ומיוצרות מחוץ לאתר בעוד ההכנה באתר מתקדמת במקביל, חיתוך זמני הפרויקט עד 30-50%.

חוסר יכולת וצמצום הפסולת

בנייה מודולרית מייצרת פחות פסולת חומרית באתר כי רכיבים הם precut in מפעלים. Reconfigurable אלמנטים - כמו קירות בלתי אפשריים ויצירות ניתנות להחלפה - המציאו חומרים טובים לחלוטין מלהגיע למזומנים במהלך שינוי.היכולת להתאים מקום ל-30-40 שנים ללא היערכות גדולה עם מטרות קיימות בקמפוס והסמכת בנייה ירוקה כגון LEED.

קידום עתידי נגד שינוי טכנולוגי

שדות מתעוררים כגון הנדסה קוונטית, מיקרו-השפעהידיקים וחומרה מלאכותית לעתים קרובות דורשים תשתיות ייחודיות.מעבדות מודולריות יכולות לשלב אזורי "blank" עם חיבורים ללא תשלום המופעלים כנדרש.נושאי שירות Overhead יכולים להיות מנוסדים עם קווי גז חדשים או סיבים אופטיים ללא חיתוך קומות או תקרה.זה הוכחה עתידית זו היא קריטית עבור מוסדות שרוצים להישאר בחזית ללא קמפיינים קבועים.

חידושים טכנולוגיים מניעים את התמורה

בניית מודל מידע (BIM) ו- Digital Twins

BIM עבר כלי תכנון לנכס תפעולי.כאשר מעבדה מודולרית מיועדת ב BIM, כל רכיב - החל מההפצה ועד ליציאה - מקטלוג עם metadata. זה תאום דיגיטלי יכול לדמות זרימת אוויר, עומסי ציוד ואפילו תזמון סכסוכים. במהלך תיקון מחדש, מודל BIM הוא מעודכנת ראשונה, המאפשר למתכננים לבדוק פריסות לפני שפיסת ריהוט אחת נעה זה מבטיח שגיאות חדשות.

חיישנים חכמים ושילוב IoT

מעבדות ניתנות להגדרה יותר ויותר חיישנים שמפקחים על תנאי הסביבה. ספסל מעבדה עשוי לדווח על רמת הרטט שלו, הטמפרטורה והשימוש בגז.כאשר חוקר מסדיר מודול, המערכת החכמה מעדכנת באופן אוטומטי את מערכת ניהול הבנייה כדי להתאים את האוורור או הקצאת החשמל שלה.זה לא רק משפר את הבטיחות אלא גם מזין נתונים בחזרה לתוך ה- BIM דיגיטלי, יצירת לולאה רציפה של שיפור מהיר:0 ספקטרום חכם של רשתות חכמות אלה הוא מקבל במהירות חיישנים אלה עם חיישנים מתקדמים יותר עם עיצובים.

חומרים מתקדמים למבנהים

חומרים חדשים הפכו את התצורה מחדש מעשית יותר. לוחות בעלי דירוג חד-משמעיים מאפשרים חלוקת חדרים גמישה תוך שמירה על שליטה קולית בציוד רועש. Light Weight, אך מסגרות אלומיניום חזקות תמיכה בכבדות אך עדיין ניתן לנסח מחדש על ידי שני אנשים. מגנטי וכיסוי כללי אריחי הרצפה מפשטים את ניהול הכבלים.

מחקרים: מעבדות מודולריות בפעולה

משרד ההנדסה המכנית של MIT

MIT אימצה את "מעבדות הוראה סטנדרטיות" עבור תוכנית הלימודים לתואר ראשון שלה הנדסה התוכנית.כל מעבדה היא שטח רגל רבוע 1200 מרובע עם רשת של ספקים שירות מעל פני השטח שניתן להרחיב או מאריך. ספסלים אי נע עם כוח משולב ונתונים מאפשרים למדריכים להגדיר עשר תחנות שונות עבור קורס רובוטיקה, ולאחר מכן לעבור למעבדה ביו-רפואית בארבע שעות.

אוניברסיטת טקסס במרכז המחקר והחינוך של אוסטין

מתקן זה כולל חיבורים "plug-and-play" ברשת של 5 מטרים.וולs הם לא נושא עומס וניתן לנסח מחדש בתוך יום אחד.המבנה תוכנן עם פילוסופיה "kit-of-parts": כל רכיב מכני, חשמל וצנרת מונע מעליות עתידיות רק צריכות נקודות חיבור.

מעבדת מחקר תאגידית: Shell's Modular Prototyping Facility

מרכז הטכנולוגיה של Shell משתמש במיכלים מודולריים - מעבדות בגודל של מיכלי אופניים שניתן לערום ולארגן כמו לגו לבנים.כל מיכל הוא מעבדה מלאה: HVAC, דיכוי אש, רשת ומערכות בטיחות שנבנו בו. כאשר פרויקט דורש סביבה מסוימת, מיכל הוא הורה ממניות, נמסר, ומחוברת בימים אלה, מאפשר לה לבחון תהליכים כימיים חדשים בבנייה מרוחקת עם מינימום יכול להחזיר את הבירות למרכזיות.

עקרונות עיצוב למעבדות Reconfigurable

תשתית מבוססת Grid

מעבדות מוצלחות להגדרה מחדש בנויות על רשת מודולרית - באופן רטימטי 4 עד 6 מטרים בכל הכיוונים.כל התועלת טיפות (כוח, נתונים, מים, גז, ממצה) תואמים עם נקודות רשת.זה מתוכנן מראש או מתחת לרשת פירושו שכל נקודה ברשת יכולה להפוך לשקוע או ליצירות.

התפלגות שירותים מבוססת אזורית

במקום לציין צינורות ספציפיים לחדרים ספציפיים, מערכות אזוריות מאפשרות בידוד של כלי רכב.לדוגמה, אזור מעבדה עשוי להיות ארבעה מעגלים נפרדים ממצה שניתן להיעמיס על או כבוי.כאשר מודול מועבר, האזור ממשיך לתפקד בעוד המודול מתחבר לאזור חדש.זה נמנע מהצורך לסגור רצפה שלמה במהלך התחדשות.

חיבורים סטנדרטיים

כל המרכיבים המודולאריים חייבים להשתמש בממשקים משותפים – חיבורים מהירים לגז, לתקעים חשמליים סטנדרטיים ומחברים של נתונים.מערכות מפיצים מערכת פרופילים מונעות מוסד למוכר יחיד, אשר מערערער את הגמישות ארוכת הטווח.אימוץ סטנדרטים פתוחים מבטיח כי מודולים מיצרנים שונים יכולים לתאם ושדרגות עתידיות נותרו אפשריות.

Overhead vs. Underfloor Productivity

מובילים בשירות הפנים נפוצים במעבדות ניתנות להגדרה מחדש מכיוון שהם שומרים על רצפות ברורות, מפשטים את הסגירה, ומאפשרים לניקוז כוח הכבידה.מערכות מתחת לאדמה פועלות היטב עבור חללים שמשנים לעתים קרובות, אבל הם יכולים להיות מוגבלים על ידי חדירה סלאב.מעבדות מודרניות רבות משלבות את שניהם: קומה מוגדלה עבור נתונים וכוח, ונושאות יתר עבור נוזלים וגזים.

אתגרים ושיקולים

עלויות ותיקון תקציב

פרמיה העלות הראשונית של רכיבים מודולריים יכולה להיות קשה להצדיק אם מוסד רק מסתכל על תקציבי בנייה בשנה הראשונה. עלות מחזור חיים היא חיונית, אבל לא לכל מנהל המתקן יש את הנתונים או הסמכות לקחת מבט ארוך. מוסדות להשכלה גבוהה לפעמים משתמשים "רזרבות גמישות" (אחוז של תקציב הכולל שנקבע בצד לשינויים עתידיים) כי הם רק סבירים עם גישות קונסוליות נוכחיות ראויות ניתוח האופק של 20 שנים הוא אישור קריטי עבור אישור קריטי עבור 20 שנים.

חללים ומבנה Envelope

רכיבים מודולריים דורשים גבהים ברורים-להקדים - באופן זמני 12-14 רגל - כדי להכיל נושאי שירות מעל הראש.הבניינים הקיימים עם סלאבים נמוכים עשויים להיאבק במערכות ניתנות להגדרה מחדש.בנוסף, מעבדות מודולריות פועלות בצורה הטובה ביותר בלוחות הרצפה עם רשתות טור קבועות. Irregular או תוכניות רצפה הדוקות להפחית את היעילות של המערכת.

סטנדרט לעומת התמחות

יותר מדי סטנדרטיזציה יכולה לעכב מחקר מיוחד מאוד.מעבדה כימית רטובה הדורשת רטט אולטרה-נמוך קבוע לא תוכל לשתף מערכת אוורור אזורי עם מעבדה לפיזיקה הדורשת רטט אולטרה-נמוך.הפתרון הוא לעצב "משפחותזון" בתוך הרשת מודולרית - אזורים כבדים על כלי רכב, אחרים אור.

בטיחות וקוד חובה

כל שינוי מחדש חייב לעבור בדיקה בטיחותית. ציוד וקירות יכולים להשפיע על נתיבים טריטוריאליים, כיסוי אש וקידום יעילות לכידת.מעבדות חכמות מודרניות לטפל בזה על ידי הטמעת חיישנים שמקרינים שינויים ואזהרה למערכת ניהול הבנייה.עם זאת, תהליך אנושי של שיקום מעבדה דורש הכשרה ובקרה פרוקטוריטיביים.

תלות והתמיכה לטווח ארוך

החל על מוכר מערכת מודולרי יחיד יכול ליצור מנעול בעתיד.אם הספק יוצא עסקים או מפסיק קו מוצר, מודולים חלופיים לא יכול להיות זמין.כדי להקטין את זה, מוסדות יכולים לציין קריטריונים מבוסס ביצועים ולא שמות מותג, והם יכולים לשמור מלאי קטן של מודולים חסונים. פתוח קוד פתוח עיצובים עבור ריהוט מעבדה וחיבורי תועלת הם מתעוררים, אשר יכול לדמוקרטיזציה טכנולוגיה מודולרית.

מפת דרכים יישום

1. (FLT:0 Assess Needs and Metrics: EmveFLT:1) סקר פעילויות מחקר ולימוד נוכחיות.זהה תדירות שינוי (כמה פעמים אתה עכשיו reconstructing?) כמה זמן לוקח?) לקבוע מדדים בסיס עבור עלות, זמן, ושביעות רצון המשתמש. השתמש במטריקס החלטה מואצת משקל כדי לאשר גמישות מול עלות הון.
2. (FLT:0Engage Stake בעלי חיים מוקדם:FreaLT:1 , סגל מעורב, קציני בטיחות, מתקנים, ו משתמשי קצה בשלב העיצוב. Modular רק לספק ערך אם משתמשים מוכנים לאמץ את השינוי בזרימת עבודה.
3. (FLT:0Select a Modular Platform:FLT:1) , ספקים או צוותי עיצוב המציעים בדיקות, רכיבי מודולריים מתקדמים קוד.בקשו הפניות ממוסדות דומים.חשב אם אתה רוצה פתרון "נקי" מלא או היברידית המשלבת תשתיות מודולריות עם כמה תחומים מיוחדים קבועים.
4. (FLT:0) לעצב את הרשת והאזורים: FIRLT:1 ממפה את רשת השירותים, גבולות האזור, ואת קצבה להתרחבות עתידית.קיבולת השירות על ידי 30-50% כדי להתאים לצרכים עתידיים לא ידועים.
5. (FLT:0)Pilot and Iterate:FLT:1 התחל עם רצפת מעבדה אחת או סוויטה. Monitor מחדש זמני, משוב משתמש, ועלויות תחזוקה.
6. (FLT:0) לתקן פרוטוקול ניהול שינוי: FIRLT:1) Define שיכול לבקש הגדרה מחדש, כיצד הוא מאושר, המבצע את המהלכים הפיזיים, וכיצד תוקף בטיחותי מתרחש.
7. (FLT:0) משתמשים וסגל: FLT:103 לספק הדרכה מעשית עבור חוקרים וטכנאים על איך להעביר מודולים בבטחה. הדגשה כי מעבדות ניתנות להגדרה דורש שינוי תרבותי - משתמשים חייבים להיות נוח עם המרחב שלהם מתפתח, ולא להחזיק מיקום קבוע.

קיימות וכלכלה מעגלית בעיצוב מעבדה

מעבדות הן בין סוגי הבנייה העוצמתיים ביותר, צריכת 4-10 פעמים יותר אנרגיה ל רגל רבוע מאשר שטח משרדים טיפוסי.מודולרית ועיצוב ניתן להגדרה ישירה תומך מטרות קיימות על ידי צמצום הפסולת ההריסה והגדלת חיי הבניין. יתר על כן, היכולת להחליף מודולים פירושה שניתן להסיר ציוד ישן יותר או ממוחזר ללא הרס החדר.

חיסכון באנרגיה יכול גם להיות מובן.כאשר מעבדה היא reconfiged למטרה חדשה הדורשת פחות אוורור (למשל, מעבר מכימיה למדע המחשב), מערכת HVAC יכולה להיות מותאם באמצעות בקרות אזוריות, הורדת עלויות התפעול. חיישנים חכמים יכולים לזהות דיקור וציוד כדי למזער את השימוש באנרגיה.

תפקיד השינוי התרבותי

יישום מעבדות reconfigurable הוא הרבה שינוי תרבותי כמו אחד טכני החוקרים לעתים קרובות להיות מחובר "שטח ספסל" שלהם, מנהלי יכול להיות ספקן של עלות למעלה.צוותים מתקני יכול להתנגד לשינוי כי מערכות מודולריות דורש מיומנויות חדשות. אימוץ מוצלח דורש מנהיגות כי תקשורת חזון לטווח ארוך ומפגין ניצחונות מהירים.

בחינוך הנדסי, מעבדות ניתנות להגדרה משמשים ככלי הוראה בעצמם.סטודנטים לומדים על עיצוב מודולרי, בנייה רזה והתאמה - תפיסות החלות ישירות על תרגול הנדסי מודרני. חלק מהתוכניות כוללות כעת "עיצוב עבודה" כפרויקט שבו סטודנטים מתכננים ולבצע התחדשות של סביבת העבודה שלהם, מושכות מערכות חשיבה.

כיוונים עתידיים

מעבדות אוטונומיות

מערכות רובוטיות להובלת רהיטים וציוד מפותחות.דמיין מעבדה שבה, בלחיצת כפתור, ספסלים חיפוי, מערכות מקר, ואפילו שוקעים המבוססים על פריסה מוטענת מראש. אבות טיפוס מוקדמים קיימים בהגדרות תגובה אסון, אבל הרעיון ניתן להעביר למעבדות הנדסיות.

אופטימיזציה של חלל AI-Driven

אלגוריתמי למידת מכונות יכולים לנתח דפוסי שימוש מנתוני חיישן ולהציע פריסות אופטימליות.לדוגמה, אם מעבדה כימית היא לעתים רחוקות באמצעות החוות המוטעות שלה, המערכת עשויה להמליץ להמיר חלק מהמרחב למעבדה יבשה. AI יכול גם לחזות צרכים עתידיים המבוססים על מגמות מענק מחקר, עוזר למוסדות לתכנן השקעות מודולריות באופן פרואקטיבי.

שילוב עם מציאות מרוחקת ומעמיקה

ככל שמחקר מרחוק וחינוך הופכים נפוצים יותר, מעבדות מודולריות יכולות להיות מתוכננות עם מצלמות משולבות, AR overlays, וגישה מרחוק-intrument. סטודנט במדינה אחרת יכול להשתתף בניסוי מעבדה על ידי שליטה על מבנה מבוסס מודול באמצעות הענן.הטבע הרפורמי מאפשר התקנת מהירה של רובוטים טלפורמנטליים או מצלמות מדרגה 360 ללא שיפוץ גדול.

כינוי:Lab-in-a-Box

הביטוי האולטימטיבי של מודולריות עשוי להיות מעבדה אישית מאוכלת, מצוידת לחלוטין כי חוקר יכול "לעבור" בכל מיקום בקמפוס. כמה סטארט-אפים ביוטק כבר מציעים יחידות כאלה. as סטנדרטיזציה משתפר, חוקרי הנדסה יכולים להביא מודול טרום-הגדרה משלהם המכיל ציוד מיוחד, תוכנה, בקרה בסביבה, לעגון אותו לתוך הרשת בכל מקום שבו הם מוקצים חלל.

מסקנה

עיצובים הנדסיים מודולריים והגדרה מחדש אינם רק מגמה של בנייה; הם מייצגים תגובה אסטרטגית לקצב ההפחתה של שינוי טכנולוגי והצורך בת קיימא, עלות-תועלת תשתיות, על ידי אימוץ גמישות בכל רמה - מרשת הבנייה לריהוט - titutions יכול ליצור מעבדות שמתאימות, להתפתח ולתמוך בחדשנות במשך עשרות שנים.