BIM在預制裝配式醫院建筑中的應用研究與實踐

蔣鳳昌，周桂香，朱水勇，奚晟翔，董 杰，吉盛凱

(1.泰州職業技術學院，江蘇 泰州 225300；2.江蘇永泰建造工程有限公司，江蘇 泰州 225300；3.上海科瑞真誠建設項目管理有限公司，上海 200092)

1 引言

隨著預制裝配式混凝土結構(PC)在房屋建筑中的推廣應用，醫院建筑也逐步采用這種結構形式[1]。為了更好地達到綠色設計、綠色施工、提高施工進度、施工質量和安全等目標[2]，建筑信息模型(BIM)技術被應用于預制裝配式混凝土結構建設全過程，可以較好地提前發現設計和施工中可能存在的隱患，從而優化設計方案和施工方案，利于醫院建筑進行工程質量、安裝、進度和造價的控制管理[3]。本文以上海市皮膚病醫院門急診醫技病房綜合樓建設為例，進行BIM+PC的技術融合研究與工程實踐。

2 工程概況

上海市皮膚病醫院新建門急診醫技病房綜合樓(圖1)，位于上海靜安區保德路1278號，該項目建設總面積為48988 m2，其中地下二層，建筑面積17733 m2，地上十層，建筑面積31205 m2，建筑高度44.9 m。建筑功能用房主要包括門急診、醫技、病房等。

本項目是設計過程中調整為預制裝配式混凝土結構的醫院建筑，也是上海市“十三五”規劃項目中第一幢采用預制裝配式混凝土結構的醫院建筑。在前期報建階段均未按照裝配式建筑要求進行報建，在滬建建材【2019】97號文件實施后，醫院領導與設計院及時溝通協調，響應政府文件要求，對設計圖紙進行變更設計，主樓采用裝配整體式框架-現澆剪力墻結構混凝土，裙房采用裝配整體式框架結構，同時結合項目進展的實際情況，在裝配式方案評審匯報中，基于BIM的模擬分析，針對醫院建筑的特色工藝要求，并綜合考慮成本控制等因素，最終將預制率降低至25.01%。

3 醫院建筑應用PC的難點分析

裝配式建筑主要考慮大量的建筑部品在工廠加工完成，并且基于設計的標準化，實現構件標準、生產效率的顯著提高，從而降低構件成本。但是，上海市皮膚病醫院項目在裝配式結構應用過程中，存在一些難點，亟需深入分析研究。

圖1 綜合樓BIM圖

3.1 房間功能的多樣性

綜合樓的功能用房布局具有大多數醫院建筑的特征：布局廣、科室多、功能復雜。裙房首層功能主要為門診大廳、藥房、放射科；其余各層分布各亞專科專題治療門診，包括銀屑病診療中心、過敏性皮膚病診療中心、光醫學治療中心、中醫治療中心、性病治療中心、醫學美容中心等功能空間。主樓二至四層為醫技功能用房，醫技特殊要求多，醫療設備種類多，五層以上為各亞專科住院病房。

由于醫院建筑功能的多樣性，使得各樓層平面布局根據各自功能及醫療工藝而定，房間分配的建筑面積及尺寸變化較多，無法像住宅用房一樣做到上下對齊、成列布置。例如各種診療中心的診室開間進深較小，并且每間診室都設置洗手池。諸如此類的因素不利于批量生產的預制構件的設計與加工。

3.2 建筑立面的獨特性

綜合樓的外立面設計，為了體現皮膚的紋理，基于仿生學原理，建筑立面采用橫向舒展的線條作為主要特征，層層退臺，轉角處皆采用圓弧過渡處理(圖2)，以鋁板和橫向帶形窗體展現醫院建筑的簡潔明快的個性。

建筑立面獨特的創意設計，使得預制構件尺寸獨特，標準模塊重復率低，即加工制作混凝土構件的模具可重復率不高，達不到工廠規模化生產的基本要求，導致建造成本上升。

圖2 建筑外立面設計

3.3 結構體系的選擇性

考慮醫院建筑的功能多樣性、房間分布的規律性不強、全生命周期功能調整的彈性發展等因素，當采用預制裝配式建筑結構形式時，裝配式鋼結構體系更適合醫院綜合樓。但是，據投資測算，通常裝配式鋼結構體系比裝配式混凝土結構體系造價稍高，造價系數約達1.1倍左右。而由于國家發改委對新建醫院建筑的投資控制管理嚴格，綜合樓前期報建時所確定的投資估算為42592萬元，不允許突破。因此，在結構體系選擇時考慮采用預制裝配式混凝土結構體系，并且確定適當的PC預制裝配率，以滿足造價指標的要求。

3.4 建設環境的受限性

由于新建綜合樓位于老院區內，醫院周邊居民小區環繞，工程建設全過程的維穩工作是保證項目順利推進的重要方面。新建綜合樓主要出入口與市政道路之間也需穿越居民小區，施工期間，除保證工程質量問題外，施工過程中對周邊居民的干擾也是項目需要重點考慮的部分。裝配式運輸車輛一般為13 m以上，若從醫院主入口進入，極有可能影響正常道路交通和醫院運營，另一側通道為三泉公園旁與居民小區公用的公共通道，較為狹窄，運輸預制構件的大型平板車通行難度大。因此采用裝配式混凝土結構時，運輸大型構件需考慮建設環境的受限性。

4 BIM+PC應用方案與工程實踐

在預制裝配式混凝土結構的醫院建筑中應用BIM技術，需充分考慮醫療工藝和醫療設備布置對預制構件的影響，提前做好精細化的構件分解設計。

4.1 BIM模型構建

依據建筑工程的施工圖和PC深化設計圖紙，構建BIM模型，包括建筑結構模型(圖3)和機電專業模型(圖4)。在模型構建過程中，基于BIM的可視化、參數化和可模擬性的特點[4]，進行構件拆分多方案比選，確定單元重復率高的構件和單元模塊，輔助快速確定構件拆分設計最優方案，最終確定制作402個預制構件，主要包括預制混凝土疊合板、預制混凝土梁和預制樓梯板，降低預制構件生產成本，并經過測算，控制在造價范圍內。

圖3 建筑結構BIM模型

圖4 機電BIM模型

4.2 BIM管線綜合

為了確保醫院建筑的給排水、強弱電、空調、消防等機電管線和醫療氣體、醫用物流系統等專用系統管線的合理布局，基于BIM進行各類機電管線綜合，碰撞分析，并且考慮各類醫療用房和公共部位的凈空高度[5]。以此為基礎，精細化地分析了PC構件的預留孔洞和預埋鐵件(圖5)，從而提高預制構件細部加工的準確性。

圖5 管線綜合助力PC預留預埋

4.3 基于BIM的醫療工藝分析

醫院建筑的布局設計主要決定于醫療工藝的需求[6]。基于BIM分別針對綜合樓內標準診室、特需診室、病房等診療空間進行醫療工藝深化設計分析(圖6)，精細化地布局洗手池、醫用家具、醫療設備等布局，據此深化設計預制裝配式構件的預留孔洞和預埋鐵件。

圖6 醫療工藝分析助力PC預留預埋

4.4 PC構件深化設計

應用深化設計的結構專業BIM模型，進行PC構件連接端的鋼筋布置進行深化設計(圖7)，及時發現碰撞點，避免因鋼筋碰撞問題導致后續施工困難及變更，影響造價及工期[7]。

圖7 基于BIM的PC構件深化設計

4.5 PC構件運輸模擬

由于施工場地位于居民小區密集范圍，大型拖車運輸PC構件難度較大，因此基于BIM模擬分析，對行走路徑作精細化分析，保證不發生PC構件與沿途建筑、圍墻、設施碰撞。尤其是車輛轉彎處，應保證足夠的安全間距。通過運輸模擬(圖8)，保證了PC構件的順利進場、順利安裝。

圖8 運輸模擬

4.6 BIM-4D施工模擬

綜合樓建設全過程，應用BIM-4D模擬施工工藝[8]，進行現場布置分析，控制施工進度、質量和安全。重點進行了優化場地布置及PC吊裝順序(圖9)，基于BIM信息進行虛擬分析，防止碰撞，保證能夠高效拼裝，為現場順利施工奠定良好基礎。

4.7 云平臺PC構件管理

利用IFC技術及面向對象編程技術，構建通用BIM管理平臺[9]，實現預制構件的現場管理(圖10)，即利用BIM平臺鏈接實際生產進度，實現預制構件的實時定位、追蹤、查詢，防止丟失、錯用的發生。綜合樓的402個PC構件，依據不同施工階段顯示的狀態包括“未生產”“已生產”“已入庫”“運輸中”“已到場”“已安裝”和“已完成”7種狀態，據此，實現對裝配式建筑的動態追蹤、查詢，實現對質量、進度、成本的動態管理。

圖9 PC吊裝工藝模擬

圖10 基于BIM的漫拓云平臺PC管理界面

5 結語

上海市皮膚病醫院門急診醫技病房綜合樓應用BIM+PC融合的技術，并且開發應用了云工程平臺進行信息集成，高效實施了項目管理，保證了施工進度、質量和安全，并且有效地控制了工程造價，為類似的預制裝配式混凝土結構醫院建筑提供有益的參考。