章 明，詹健江，楊 冕，高 鵬，張 穎，黃心雨

(1.中南建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司，湖北 武漢 545001；2.華中科技大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引言

新型冠狀病毒(COVID-19)給全球經(jīng)濟(jì)、社會造成了嚴(yán)重沖擊，全世界確診人數(shù)在2021年10月份已達(dá)到2.3億。在未來一段時(shí)間內(nèi)，世界各地也將長期面對著變異病毒的威脅。針對疫情的反復(fù)性和變異性，常態(tài)化管控機(jī)制成為應(yīng)對病毒風(fēng)險(xiǎn)的重要控制手段之一。中國國家衛(wèi)生健康委規(guī)劃發(fā)展與信息化司在2020年8月17日發(fā)布了《關(guān)于印發(fā)綜合醫(yī)院“平疫結(jié)合”可轉(zhuǎn)換病區(qū)建筑技術(shù)導(dǎo)則(試行)的通知》，其中提出應(yīng)當(dāng)充分利用信息化、智慧化手段來提升綜合醫(yī)院“平疫結(jié)合”的智慧化運(yùn)行管理水平，加快推進(jìn)醫(yī)院信息與疾病預(yù)防控制機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)共享、業(yè)務(wù)協(xié)同，加強(qiáng)智慧型醫(yī)院建設(shè)。

具有“平疫結(jié)合”功能的醫(yī)院在設(shè)計(jì)上具有一定彈性，在平時(shí)狀態(tài)下醫(yī)院可收治常規(guī)病人，疫情期間轉(zhuǎn)換為傳染病醫(yī)院，并在短時(shí)間內(nèi)將大量的醫(yī)院資源有序投入到傳染病治療中。這為醫(yī)院的設(shè)計(jì)帶來了極大的難度，需要根據(jù)頂層設(shè)計(jì)對建筑功能及服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行突破傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使醫(yī)院在不同時(shí)期高效便捷地完成功能轉(zhuǎn)換與改造。因此，需要對設(shè)計(jì)成果進(jìn)行反復(fù)的仿真與模擬，測試不同使用環(huán)境下多系統(tǒng)協(xié)同工作的可靠性與穩(wěn)定性。

為提高項(xiàng)目實(shí)施效率與可靠度，需在設(shè)計(jì)過程中引入數(shù)字化仿真技術(shù)，對多種應(yīng)用場景中的氣流組織、通道流線等進(jìn)行模擬分析。例如，中國火神山醫(yī)院的快速建設(shè)就受益于BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用[1]。因此，醫(yī)院項(xiàng)目建設(shè)過程中可以利用BIM工具作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并以正向設(shè)計(jì)理論為指導(dǎo)重塑設(shè)計(jì)流程。通過將“平疫轉(zhuǎn)換”的設(shè)計(jì)理念與基于BIM的正向設(shè)計(jì)方法相融合，在設(shè)計(jì)信息共享的基礎(chǔ)上，利益相關(guān)方能夠?qū)崿F(xiàn) “平疫轉(zhuǎn)換”信息的傳遞。同時(shí)，設(shè)計(jì)流程制定的BIM工作流能起到約束各專業(yè)的提資范圍及深度的作用。

本文從平疫結(jié)合和BIM正向設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)分析入手，梳理了“平疫結(jié)合”綜合醫(yī)院修建的必要性以及BIM正向設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，介紹了將“平疫轉(zhuǎn)換”融于BIM正向設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢，并以某“平疫結(jié)合”綜合醫(yī)院為例，具體闡述了其平疫結(jié)合的BIM正向設(shè)計(jì)方案。研究表明，與BIM正向設(shè)計(jì)結(jié)合，并將轉(zhuǎn)換方案以可視化方式呈現(xiàn)，利用建筑信息模型進(jìn)行空間氣流組織統(tǒng)籌、模塊化管理等方面工作，有利于提高設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)共享與業(yè)務(wù)協(xié)同效率。

1 基于BIM的平疫結(jié)合醫(yī)院正向設(shè)計(jì)方案分析

1.1 平疫結(jié)合設(shè)計(jì)重難點(diǎn)

平疫結(jié)合醫(yī)療設(shè)施作為應(yīng)對烈性傳染病的重要場所，需要在設(shè)計(jì)上具有相對彈性，并能夠在應(yīng)對突發(fā)疫情時(shí)快速轉(zhuǎn)換為應(yīng)急醫(yī)療設(shè)施。其重難點(diǎn)包括3個(gè)方面：①總體功能布局；②通道流線布設(shè)；③病區(qū)功能變換。

1)總體功能布局

平疫變換要求醫(yī)院在總體功能布局上靈活設(shè)置，能夠?qū)崿F(xiàn)在平時(shí)常規(guī)接診和疫情爆發(fā)時(shí)的快速轉(zhuǎn)換。普通綜合醫(yī)院的功能區(qū)域設(shè)置未完全考慮平疫轉(zhuǎn)換的要求，缺乏應(yīng)急區(qū)域和可供醫(yī)護(hù)人員休息的清潔區(qū)域，這樣的功能布局在突發(fā)疫情時(shí)會相應(yīng)增加醫(yī)護(hù)人員的感染風(fēng)險(xiǎn)。

為避免交叉感染，醫(yī)護(hù)、后勤人員、疑似與確診病患均單獨(dú)設(shè)有出入口。除了清潔區(qū)和污染區(qū)，還應(yīng)當(dāng)設(shè)置緩沖區(qū)。合理規(guī)劃總體功能布局，能夠保證疫情狀態(tài)下醫(yī)院接診能力不會驟減，從而保障醫(yī)院的正常運(yùn)行。

2)通道流線變換

在平疫轉(zhuǎn)換過程中，配合病區(qū)的改變，為有效避免交叉感染，醫(yī)患通道流線將發(fā)生變換。以雷神山醫(yī)院為例，其內(nèi)部設(shè)置為“三區(qū)兩通道”。同時(shí)，設(shè)置醫(yī)護(hù)通道與患者通道[2]。感染性病人應(yīng)當(dāng)單獨(dú)設(shè)置進(jìn)入口，其就診流線應(yīng)當(dāng)與普通疾病患者分開。在平疫轉(zhuǎn)換過程中，通道流線也將發(fā)生相應(yīng)的變化。如何科學(xué)設(shè)置通道流線，能夠避免交叉感染，有效保障醫(yī)護(hù)人員的安全是平疫轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

3)病區(qū)改造

呼吸道傳染性疾病治療病房要求為負(fù)壓病房，即要求病房內(nèi)的空氣壓力比病房外的空氣壓力低，以保證室內(nèi)整體氣流只能由外部壓力較高的清潔區(qū)域流向內(nèi)部病房污染區(qū)域。病房內(nèi)的污染空氣經(jīng)消毒之后排放至室外。火神山醫(yī)院的建設(shè)過程中，負(fù)壓隔離病房與相鄰緩沖間和走廊保持大于5Pa的氣壓差[3]。清潔區(qū)和半污染區(qū)都安裝有負(fù)壓壓力表，從而對病房的氣流走向進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，保證氣流流向從清潔區(qū)流向污染區(qū)[4]。因此，傳染病醫(yī)院需要重點(diǎn)統(tǒng)籌設(shè)計(jì)氣流組織，按照負(fù)壓病房等相關(guān)設(shè)計(jì)依據(jù)，對病房進(jìn)行轉(zhuǎn)換，避免因污染空氣流向問題造成交叉感染。

1.2 基于BIM的正向設(shè)計(jì)方法

正向設(shè)計(jì)是從用戶需求出發(fā)確立頂層設(shè)計(jì)要求，自上而下地分解和細(xì)化復(fù)雜產(chǎn)品(系統(tǒng))功能，確定產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)，子系統(tǒng)和零部件解決方案，形成可批量生產(chǎn)和穩(wěn)定運(yùn)行的商業(yè)化產(chǎn)品并實(shí)現(xiàn)全生命周期支持[5]。BIM正向設(shè)計(jì)是以三維BIM模型為出發(fā)點(diǎn)和數(shù)據(jù)源，完成從方案設(shè)計(jì)到施工圖設(shè)計(jì)的全過程任務(wù)[6]。

從傳染病醫(yī)院平疫轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)的實(shí)際需求出發(fā)進(jìn)行項(xiàng)目的頂層設(shè)計(jì)，并以此目標(biāo)逐步分解設(shè)計(jì)任務(wù)，確定功能分區(qū)布局、人員流線組織以及空氣流向，以形成具有平疫轉(zhuǎn)換功能并可在轉(zhuǎn)換后持續(xù)平穩(wěn)服務(wù)的建設(shè)產(chǎn)品。其中，BIM正向設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)在于項(xiàng)目管理，它對于建設(shè)的實(shí)施過程具有導(dǎo)向作用[7]。在此過程中，建設(shè)參與方組成了一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，系統(tǒng)的各部分具有相互協(xié)作與相互制約的關(guān)系，并共同組成具有一定功能的整體。信息隨著建筑生命周期的變換和環(huán)境的改變還具有動態(tài)性[8]。因而，基于正向設(shè)計(jì)理念，在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段引入BIM工具，使得各方參與更早更深入地融入到工程實(shí)施流程中，為項(xiàng)目提質(zhì)增效。

2 案例分析

本文選取武漢某平疫結(jié)合三級甲等綜合醫(yī)院的建設(shè)為案例進(jìn)行分析，該醫(yī)院設(shè)置平疫結(jié)合床位1 000張，傳染病床位200張。項(xiàng)目整體包括醫(yī)技樓、科研辦公樓、值班樓等，占地216畝(1畝≈666.7m2)，總建筑面積24萬m2，地上建筑面積約17.19萬m2，地下不計(jì)容面積6.84萬m2。項(xiàng)目采用了設(shè)計(jì)方牽頭的EPC模式進(jìn)行建設(shè)，參與方眾多且利益關(guān)系復(fù)雜，項(xiàng)目信息貢獻(xiàn)與協(xié)同尤為關(guān)鍵。將BIM正向設(shè)計(jì)理念融入平疫轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)過程中，以有效利用建筑信息，并進(jìn)行共享。下面將具體分析其BIM正向設(shè)計(jì)實(shí)施過程，并將重點(diǎn)放在平疫轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)上。

2.1 BIM應(yīng)用規(guī)劃

本項(xiàng)目全程進(jìn)行了BIM標(biāo)準(zhǔn)化流程建設(shè)，建立了完善的BIM協(xié)同流程和管理平臺。根據(jù)項(xiàng)目自身特點(diǎn)，依據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需求，制定了項(xiàng)目BIM實(shí)施流程，明確不同專業(yè)在項(xiàng)目各階段的主要建模范圍、表達(dá)深度、基準(zhǔn)坐標(biāo)、模型命名及提資格式與方式等內(nèi)容，以及多專業(yè)之間設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)的流程。實(shí)施技術(shù)路線分為3個(gè)階段，分別為實(shí)施策劃、設(shè)計(jì)與深化應(yīng)用以及數(shù)字化項(xiàng)目管理。每個(gè)階段由若干過程組成，并形成一個(gè)主要任務(wù)，如圖1所示。

圖2 BIM實(shí)施技術(shù)路線

項(xiàng)目基于VmWare平臺應(yīng)用虛擬化進(jìn)行部署，統(tǒng)一軟件工具及數(shù)據(jù)管理流程，設(shè)計(jì)人員在平臺進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)。信息模型作為設(shè)計(jì)分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)被用以進(jìn)行醫(yī)院功能分區(qū)、流線組織、氣流分析等，從而進(jìn)一步比選與優(yōu)化方案，以提高管理效率。此外，為保證模型的可重復(fù)利用性，建模使用的構(gòu)件均來源于自主研發(fā)維護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)化模型庫，有利于提高建設(shè)中的BIM標(biāo)準(zhǔn)化程度，也提高了醫(yī)院的設(shè)計(jì)效率。

2.2 某傳染病人民醫(yī)院平疫轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)方案

本部分介紹的醫(yī)院總體布局如圖2所示。

圖2 醫(yī)院總體布局

醫(yī)院主要設(shè)門診樓、值班公寓樓、應(yīng)急場地等。在平疫轉(zhuǎn)換過程中，醫(yī)院需要做出相應(yīng)部署調(diào)整整體功能。

2.2.1功能流線變化

本項(xiàng)目功能流線設(shè)計(jì)主要分為平時(shí)狀態(tài)、疫情二三級響應(yīng)狀態(tài)、疫情一級響應(yīng)狀態(tài)3種功能流線。

1)平時(shí)狀態(tài)

在平時(shí)狀態(tài)下，醫(yī)院主要分為兩部分，一是隔離區(qū)(污染區(qū))，包括傳染樓，二是普通區(qū)(潔凈區(qū))，包括門診樓，住院樓，行政樓，如圖3所示。此外，醫(yī)院主要設(shè)置4條流線，分別是感染患者通道，門診患者通道，后勤辦公通道，住院患者通道，實(shí)現(xiàn)不同人群的分散。污染區(qū)域的污物有單獨(dú)出口，并與清潔區(qū)域分開。

圖3 平時(shí)狀態(tài)下院區(qū)功能流線

2)疫情二三級響應(yīng)狀態(tài)

在疫情二三級響應(yīng)狀態(tài)下，將隔離區(qū)(污染區(qū))面積擴(kuò)大，傳染樓外設(shè)置室外應(yīng)急場地，同時(shí)門診急診部分轉(zhuǎn)換為發(fā)熱門診，如圖4所示。醫(yī)療物資經(jīng)醫(yī)技樓轉(zhuǎn)運(yùn)至污染區(qū)域。在該狀態(tài)下，住院樓高層標(biāo)準(zhǔn)病區(qū)視需求逐層轉(zhuǎn)換為傳染病區(qū)，醫(yī)護(hù)人員與醫(yī)療物資經(jīng)平時(shí)狀態(tài)的后勤辦公入口進(jìn)入。

圖4 疫情二三級響應(yīng)狀態(tài)

3)疫情一級響應(yīng)狀態(tài)

疫情一級響應(yīng)狀態(tài)下，醫(yī)院的整體布局將發(fā)生巨大轉(zhuǎn)變，并將被主要用于應(yīng)對突發(fā)公共衛(wèi)生事件，如圖5所示。首先，在場地整體布局上，醫(yī)院更多的區(qū)域被用來治療傳染病病人，同時(shí)，預(yù)留的應(yīng)急場地被迅速改造為應(yīng)急醫(yī)院以增加應(yīng)對突發(fā)公共衛(wèi)生事件的治療能力。停車場轉(zhuǎn)換為焚燒爐、垃圾暫存以及車輛洗消等工作場地，增強(qiáng)醫(yī)院的應(yīng)急緩沖能力。

圖5 疫情一級響應(yīng)狀態(tài)

其次，單獨(dú)設(shè)置感染患者入口，臨時(shí)建立的應(yīng)急醫(yī)院入口，醫(yī)護(hù)人員與醫(yī)療物資入口3條路線，此外設(shè)置領(lǐng)導(dǎo)指揮入口。不同人群流線相互分開，避免發(fā)生交叉感染。物資專門設(shè)置地下轉(zhuǎn)運(yùn)路線。

最后，醫(yī)院整體還是由潔凈區(qū)和污染區(qū)兩塊構(gòu)成，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了整體功能流線的調(diào)整。醫(yī)院主要建筑功能也將做出相應(yīng)調(diào)整，值班樓、行政樓、科研樓全部轉(zhuǎn)換為醫(yī)護(hù)人員宿舍。原住院樓根據(jù)實(shí)際需求自上而下逐層轉(zhuǎn)換為傳染病區(qū)。BIM體量模型能夠直觀體現(xiàn)平疫轉(zhuǎn)換過程中醫(yī)院功能流線的變化。

2.2.2應(yīng)急場地改造

在平時(shí)狀態(tài)下，醫(yī)院預(yù)留了應(yīng)急場地用于在一級響應(yīng)狀態(tài)時(shí)迅速擴(kuò)充醫(yī)院容量。在圖5中可以看出，在該應(yīng)急場地處設(shè)立了應(yīng)急醫(yī)院。為方便應(yīng)急場地的平疫轉(zhuǎn)換，應(yīng)急場地在平時(shí)狀態(tài)下也保留了方便轉(zhuǎn)換的方式。

應(yīng)急場地下會預(yù)留機(jī)電接口，在疫情時(shí)，拆除停車位。同時(shí)，參考火神山、雷神山醫(yī)院的模塊化設(shè)計(jì)，按照裝配化施工等方式，實(shí)現(xiàn)臨時(shí)醫(yī)院快速建造，如圖6所示。在BIM模型中可以快速對轉(zhuǎn)換方案所需的空間、資源等進(jìn)行評估和分析，直觀得到兩種方案涉及的材料明細(xì)，并以最高效的方式進(jìn)行工序搭接安排。

圖6 應(yīng)急場地轉(zhuǎn)換為臨時(shí)醫(yī)院

2.2.3通道流線改變

平疫轉(zhuǎn)換過程中，住院樓將逐層轉(zhuǎn)換為傳染病區(qū)。在平常狀態(tài)下，醫(yī)患通道相互交叉，并未設(shè)置“三區(qū)兩通道”，如圖7a所示。疫情發(fā)生時(shí)，整體區(qū)域?qū)凑铡叭齾^(qū)兩通道”的做法進(jìn)行調(diào)整，有效避免交叉感染，如圖7b所示。利用BIM平臺對通道流線布置進(jìn)行可視化展示，用于醫(yī)護(hù)人員培訓(xùn)和轉(zhuǎn)換實(shí)施依據(jù)，可以提高信息傳輸和利用的效率。

2.2.4病房轉(zhuǎn)換

基于BIM模擬負(fù)壓病房的氣流組織和污染物擴(kuò)散，并采取XFLOW軟件進(jìn)行流體仿真，在該平臺上實(shí)現(xiàn)方案比較，以保證醫(yī)院的安全性。

按照呼吸道傳染疾病病房設(shè)置的要求，在平疫轉(zhuǎn)換過程中，需要設(shè)置負(fù)壓病房，重新調(diào)整氣流組織。在本項(xiàng)目中，平疫結(jié)合傳染樓，3層消化道病房送、排風(fēng)系統(tǒng)做戰(zhàn)時(shí)設(shè)計(jì)。風(fēng)機(jī)內(nèi)裝初效過濾和平板靜電凈化段，預(yù)留亞高效過濾段。平時(shí)狀態(tài)下，安裝送風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)各1臺，衛(wèi)生間排氣扇開啟，保障日常通風(fēng)，如圖8a所示。疫情狀態(tài)下，傳染樓消化道病房轉(zhuǎn)化為呼吸道負(fù)壓隔離病房。加裝亞高效過濾器，高速運(yùn)行送風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)各1臺，并開啟衛(wèi)生間排氣扇，形成穩(wěn)定的負(fù)壓，阻止空氣中污染物擴(kuò)散，如圖8b所示。同時(shí)，疫情狀態(tài)下，傳染樓消化道病房也可轉(zhuǎn)化為呼吸道負(fù)壓ICU病房。此時(shí)，加裝亞高效過濾器，高速運(yùn)行送風(fēng)機(jī)排風(fēng)機(jī)各2臺，并開啟衛(wèi)生間排氣扇，以保障負(fù)壓穩(wěn)定，如圖8c所示。

圖8 不同狀態(tài)下病房氣流組織

3 結(jié)語

隨著新冠疫情管控呈現(xiàn)常態(tài)化，平疫結(jié)合醫(yī)院成為應(yīng)對新冠疫情的有效手段。這類醫(yī)院的建設(shè)需要綜合考慮總體布局設(shè)置、功能流線和通道流線變換、病區(qū)改造等多方面因素?？紤]到建筑工程信息復(fù)雜且較難以管理，可以利用BIM在數(shù)據(jù)模型集成、信息高效傳遞等方面的優(yōu)勢，并通過正向設(shè)計(jì)理念為指導(dǎo)，高效提升協(xié)同工作能力。本文以某EPC總承包的平疫結(jié)合醫(yī)院為例，具體闡述了其在BIM軟件應(yīng)用、正向設(shè)計(jì)流程方面為提升項(xiàng)目管理水平而采用的方法。同時(shí)介紹了其利用BIM正向設(shè)計(jì)在平疫結(jié)合醫(yī)院功能流線轉(zhuǎn)換，應(yīng)急場地改造，通道流線轉(zhuǎn)換，病房改造，傳輸方案模擬和設(shè)備通過性驗(yàn)證方面的應(yīng)用。在本案例中，項(xiàng)目充分利用了BIM模型數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化與驗(yàn)證，保證了設(shè)計(jì)質(zhì)量，提高了項(xiàng)目參與方協(xié)同工作的能力。同時(shí)，驗(yàn)證了平疫轉(zhuǎn)換方案的可操作性、可施工性，提高了醫(yī)院“平疫轉(zhuǎn)換”的效率。

通過應(yīng)用BIM技術(shù)，改善平疫結(jié)合醫(yī)院病房內(nèi)采光性能，減少人工照明，并且通過模擬可得出使用光伏面板(PV panel)每年減少的能源消耗以及節(jié)約的成本。另外，BIM技術(shù)也可以模擬出光伏面板的最優(yōu)朝向和最優(yōu)傾斜角度，這些數(shù)據(jù)可為平疫結(jié)合醫(yī)院設(shè)計(jì)前期的選址提供建議。

由于平疫結(jié)合醫(yī)院需要控制空氣傳播導(dǎo)致的交叉感染，存在部分病房沒有空調(diào)的情況，這就導(dǎo)致了醫(yī)護(hù)人員與病人的熱舒適度降低。一種混合系統(tǒng)可以有效解決這個(gè)問題，利用太陽能電池板產(chǎn)生的熱能(熱電聯(lián)產(chǎn))，通過熱泵進(jìn)行冷卻，然后進(jìn)入病房降低室溫。該系統(tǒng)可以改善自然通風(fēng)病房的熱舒適性，提高太陽能光伏系統(tǒng)的效率以優(yōu)化發(fā)電，并通過低能耗冷卻系統(tǒng)提高建筑的整體能源性能。它不僅解決了熱舒適問題，也能較好避免空調(diào)引起的交叉?zhèn)鞑ァ?/p>