許慶虎，王澳，唐雅勤，田士林

（1.安徽建筑大學(xué)；2.安徽省BIM工程中心）

1 引言

BIM技術(shù)(Building Information Mod‐eling)通過(guò)數(shù)字化3D技術(shù)對(duì)建筑工程中涉及的多種信息進(jìn)行全面的整合，實(shí)現(xiàn)了工程數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建。目前，BIM技術(shù)已廣泛用于計(jì)算機(jī)輔助建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，它的三維仿真功能為設(shè)計(jì)的各個(gè)參數(shù)提供了更科學(xué)的參考，促進(jìn)了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性和便捷性，通過(guò)BIM模型我們可以有效實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的可視化、參數(shù)化與協(xié)同作業(yè)，有效輔助工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)更全面的進(jìn)行。在深化構(gòu)件設(shè)計(jì)的過(guò)程中，先對(duì)構(gòu)件進(jìn)行拆分，然后進(jìn)行形狀優(yōu)化、管線(xiàn)優(yōu)化、碰撞檢測(cè)等，大大提高了設(shè)計(jì)效率和建筑整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

“模塊化”設(shè)計(jì)研究方法采用標(biāo)準(zhǔn)化的操作思路，設(shè)計(jì)各個(gè)模塊，然后以不同的方式組合，形成一個(gè)符合要求的系統(tǒng)。雷神山醫(yī)院病房的裝配化已達(dá)相當(dāng)高的水平，但模塊化病房施工速度快的優(yōu)勢(shì)只局限于主體結(jié)構(gòu)部分，機(jī)電系統(tǒng)與醫(yī)療設(shè)備的集成化水平相對(duì)較低，遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)模塊化，并且在病房?jī)?nèi)安裝密閉傳遞窗，密封穿墻管孔，現(xiàn)場(chǎng)安裝醫(yī)療器械都是非常費(fèi)時(shí)的[1]?；贐IM技術(shù)，可以對(duì)模塊化病房進(jìn)行折疊優(yōu)化，并對(duì)病房空間布局和醫(yī)療設(shè)備預(yù)留的孔洞進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，應(yīng)用BIM技術(shù)來(lái)研究構(gòu)件的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)一步節(jié)省了運(yùn)輸和儲(chǔ)存空間，加快了整體安裝進(jìn)度。

2 BIM技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

2.1 BIM技術(shù)貫穿項(xiàng)目全生命周期

大量的項(xiàng)目管理實(shí)踐研究表明，BIM技術(shù)大大促進(jìn)了建筑工程全生命周期的信息資源共享。BIM技術(shù)將設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)等諸多方面融入建筑工程管理全過(guò)程，有效改善了業(yè)主對(duì)整個(gè)施工項(xiàng)目的管理能力并提高了所有利益相關(guān)者的生產(chǎn)力。

2.2 BIM的應(yīng)用特點(diǎn)

BIM技術(shù)具有可視化操作、協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)、模擬構(gòu)建、優(yōu)化信息數(shù)據(jù)處理、可出圖性五大基本特點(diǎn)。應(yīng)用BIM技術(shù)可以同時(shí)對(duì)建筑的數(shù)據(jù)化、信息化管理模型研究進(jìn)行分析整合，在項(xiàng)目的全生命周期過(guò)程中共享和傳遞實(shí)時(shí)信息，為項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)等各個(gè)重要環(huán)節(jié)的進(jìn)行提供了互為完善、相互關(guān)系協(xié)調(diào)的統(tǒng)一平臺(tái)。BIM技術(shù)的應(yīng)用對(duì)提高項(xiàng)目設(shè)計(jì)效率、滿(mǎn)足生產(chǎn)質(zhì)量、節(jié)約施工成本、縮短工期具有重要作用[2]。BIM在三維數(shù)字技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行模型構(gòu)建，充分研究建筑物的各種數(shù)據(jù)信息，確保施工方和設(shè)計(jì)方收到一致的信息，并與多方合作和碰撞檢測(cè)以降低圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的錯(cuò)誤和施工管理的難度，為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)生產(chǎn)與施工的協(xié)調(diào)奠定基礎(chǔ)。

2.3 BIM技術(shù)與模塊化

模塊化是建筑業(yè)參照系統(tǒng)工程原理，在參數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化等基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的預(yù)制裝配的成熟形式。模塊化設(shè)計(jì)的理念是：首先，將建筑整體分為幾層，根據(jù)功能要求將整層分解成幾個(gè)戶(hù)型模塊和輔助模塊，然后將戶(hù)型模塊和輔助模塊劃分為不同類(lèi)別的組件，最后，將單元、層等組件按照“搭積木”的方式建造出整個(gè)建筑[3]。BIM平臺(tái)的參數(shù)化特性可以使類(lèi)似模塊的多樣性更新不再困難，只需根據(jù)原本“族群”的基本性質(zhì)調(diào)整“族群”的參數(shù)設(shè)置即可，并且模塊的信息可直連到施工方和生產(chǎn)工廠(chǎng)。數(shù)字模塊具有單元模塊的可變性和可定制性的特點(diǎn)，通過(guò)BIM的“族”，可以自動(dòng)識(shí)別、整合和分離模塊的變化。

3 儲(chǔ)備模塊化病房及快速建造傳染病應(yīng)急醫(yī)院的必要性

3.1 事發(fā)突然，分秒必爭(zhēng)

近年來(lái)傳染病大多是突然暴發(fā)，很難在短時(shí)間內(nèi)全面了解新病毒的傳播途徑和特點(diǎn)。疫情暴發(fā)后，患者的救治和傳染病醫(yī)院的建設(shè)一刻也不能耽誤。

3.2 集中暴發(fā)，傳播迅速

傳染病病毒具有潛伏性、高致病性以及傳染性。在人口眾多的城市，由于人流量大，疫情往往會(huì)在短時(shí)間內(nèi)的某個(gè)時(shí)點(diǎn)引發(fā)，然后隨著人口的流動(dòng)迅速暴發(fā)。

3.3 救治急迫，損失巨大

疫情大規(guī)模暴發(fā)時(shí)，若無(wú)預(yù)案和抗疫物資的準(zhǔn)備，會(huì)使當(dāng)?shù)蒯t(yī)院的救治能力出現(xiàn)巨大缺口，陷入醫(yī)療物資、防疫醫(yī)療保障建筑以及病房緊缺的局面。2020年，我國(guó)GDP的增速由2019年的6.1%放緩至2.3%，而對(duì)于消極防疫的某些西方國(guó)家，損失則更為巨大。

4 BIM技術(shù)輔助模塊化病房?jī)?yōu)化的策略

根據(jù)火神山與雷神山醫(yī)院的CAD圖紙及考察情況，從模塊化病房設(shè)計(jì)階段使用BIM軟件（如Autodesk Revit）建立三維可視化模型，之后進(jìn)行拆分，把主體鋼結(jié)構(gòu)重新組合，再把拆分的預(yù)制構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息、詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)，用Revit進(jìn)行分析和優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)制構(gòu)件屬性的標(biāo)準(zhǔn)化。在BIM平臺(tái)中對(duì)模塊化病房施工的各個(gè)過(guò)程中進(jìn)行三維仿真，可以有效地發(fā)現(xiàn)預(yù)制信息參數(shù)中存在的誤差和模塊病房安裝時(shí)易出現(xiàn)的錯(cuò)誤。同時(shí)，有效解決在施工過(guò)程中機(jī)電系統(tǒng)和醫(yī)療設(shè)備安裝的不便、費(fèi)時(shí)等難題。

4.1 4D虛擬建造優(yōu)化模塊化病房的構(gòu)造

工程師使用Revit軟件構(gòu)建出病房虛擬模型，通過(guò)該模型查看有關(guān)模塊化病房的各種信息，多角度研究分析工程的整體效果。設(shè)計(jì)的變化可通過(guò)屏幕實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，確保病房的空間感，使病房的設(shè)計(jì)更人性化，還可以對(duì)病房的設(shè)計(jì)思路、方法進(jìn)行合理性驗(yàn)證。

4.2 優(yōu)化圖紙的生成

在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，圖紙是獨(dú)立的，通過(guò)整套圖紙看到項(xiàng)目的全圖，這增加了工程實(shí)際開(kāi)展過(guò)程中圖紙修改的難度，造成了人力和時(shí)間的浪費(fèi)。BIM技術(shù)的應(yīng)用則從根本上解決了圖紙整合與生成的難題，利用虛擬模型發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，然后通過(guò)修改單個(gè)圖紙就可以實(shí)現(xiàn)全套圖紙的自動(dòng)更新。

4.3 優(yōu)化數(shù)據(jù)分析過(guò)程

傳統(tǒng)狀態(tài)下，CAD中的圖像是靜態(tài)的，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析技術(shù)難度大，難以完成數(shù)據(jù)的整體模擬。利用BIM技術(shù)構(gòu)建的整個(gè)虛擬模型將大量的數(shù)據(jù)信息輸入到仿真軟件中，根據(jù)病房的結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能分析，以較高的質(zhì)量完成對(duì)病房空間效果的仿真，通過(guò)BIM輔助數(shù)據(jù)技術(shù)分析來(lái)提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度[4]。

5 BIM技術(shù)輔助模塊化病房?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用流程—以火神山醫(yī)院鋼結(jié)構(gòu)箱式模塊化房屋為例

在BIM平臺(tái)下模塊化病房實(shí)施過(guò)程的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于實(shí)現(xiàn)了模塊設(shè)計(jì)的參數(shù)化，建立了較為全面的模塊產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)，在信息化和虛擬化建設(shè)的支持下，實(shí)現(xiàn)了高效的現(xiàn)場(chǎng)裝配施工?；谌S建筑信息模型，利用參數(shù)化建筑信息和時(shí)間維度的結(jié)合，不僅可以協(xié)調(diào)各個(gè)階段的專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)和施工，還可以通過(guò)虛擬技術(shù)模擬生產(chǎn)和施工過(guò)程，從而預(yù)測(cè)每個(gè)階段可能出現(xiàn)的問(wèn)題，達(dá)到提前避免和改進(jìn)的效果。

設(shè)計(jì)階段BIM平臺(tái)下的模塊化病房模型包含了病房的幾何數(shù)據(jù)信息、主要參數(shù)性能、供應(yīng)商產(chǎn)品價(jià)格等大量信息。此外，隨著模塊數(shù)據(jù)庫(kù)的不斷積累，以往的設(shè)計(jì)工作將省去設(shè)計(jì)各個(gè)模塊的步驟，直接在數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇成熟的模塊產(chǎn)品，大大減輕了設(shè)計(jì)人員的工作量，促進(jìn)了模塊產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。同時(shí)，BIM模型信息在各專(zhuān)業(yè)間是互聯(lián)互通的，任何修改都會(huì)立即與其他專(zhuān)業(yè)模型共享，傳統(tǒng)的專(zhuān)業(yè)“提資”和“反提資”方式不會(huì)重現(xiàn)。這也避免了信息在溝通中丟失的可能性，真正實(shí)現(xiàn)了各專(zhuān)業(yè)之間的信息技術(shù)協(xié)調(diào)與共享[5]。

5.1 可折疊拆裝的模塊化病房?jī)?yōu)化

病房的尺寸為3m（寬）×6m（長(zhǎng)）×2.9m（高），如圖1所示[6]。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)箱式模塊化病房爆炸圖

可折疊拆裝模塊化病房通過(guò)立柱表面以及墻體里內(nèi)置的鉸鏈、使得進(jìn)深方向的墻板之間可以向開(kāi)間的方向折疊。病房的箱頂和箱底可以通過(guò)預(yù)制鉸鏈和板內(nèi)的液壓裝置折疊到箱體內(nèi)部。立柱、墻體、箱頂板、箱底板構(gòu)成了一個(gè)可折疊結(jié)構(gòu)框架，醫(yī)護(hù)人員通道處的窗戶(hù)和傳遞窗，緩沖區(qū)處的門(mén)和病人通道處的門(mén)裝在墻體內(nèi)，這就構(gòu)成了最基本的可折疊拆裝的模塊化病房，如圖2所示。

圖2 折疊優(yōu)化過(guò)程圖

5.2 連接技術(shù)

可折疊拆裝的模塊化病房相互之間連接的主要方式是鎖具和水平限位器。鎖主要用于病房面的四根側(cè)梁與外立面結(jié)構(gòu)框架的鎖固，是將多個(gè)病房連成一體、共同抵抗外力的主要受力構(gòu)件，可防止箱體的豎向位移。夾層部分采用水平限制器，其主要作用是配合PE橡膠墊片，防止箱體間的水平位移，同時(shí)在上部箱體的吊裝過(guò)程中還可以起到輔助定位的作用，提高施工精度[6]。

5.3 應(yīng)急救護(hù)高程度集成化優(yōu)化

在病房?jī)?nèi)進(jìn)行預(yù)留風(fēng)機(jī)風(fēng)管、凈化暖通所需的孔洞、安裝給水排水的管道、強(qiáng)電弱電的電纜，并在墻體外安裝設(shè)備所需的電源接口，使裝修、電氣、醫(yī)氣、智能設(shè)備安裝一體化，如圖3所示。同時(shí)，通過(guò)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步將可折疊模塊化病房的特點(diǎn)與應(yīng)急救援項(xiàng)目的特殊要求相結(jié)合，充分發(fā)揮可折疊模塊化病房快速施工安裝的優(yōu)勢(shì)，更好地滿(mǎn)足應(yīng)急工作的需要。當(dāng)然，還可以通過(guò)針對(duì)不同應(yīng)急救援領(lǐng)域，開(kāi)展不同條件背景下的應(yīng)用技術(shù)問(wèn)題研究，形成相應(yīng)的系列建筑物[7]。

圖3 病房單元BIM模型

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在模塊化的基礎(chǔ)上，建立標(biāo)準(zhǔn)化病房單元模塊，可以實(shí)現(xiàn)少規(guī)格、多組合，為深化設(shè)計(jì)、構(gòu)件生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)施工提供理論支撐。模塊化病房?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)的研究為生產(chǎn)、施工、裝修和管理提供了便利，模塊化病房在疫情結(jié)束后即可拆卸，經(jīng)過(guò)消毒后可循環(huán)利用，極大提高了鋼材的利用率，減輕建筑對(duì)環(huán)境的負(fù)荷，節(jié)約了能源和資源，具有良好的應(yīng)用前景。