基于BIM技術的模塊化病房優化設計研究

許慶虎，王澳，唐雅勤，田士林

（1.安徽建筑大學；2.安徽省BIM工程中心）

1 引言

BIM技術(Building Information Mod‐eling)通過數字化3D技術對建筑工程中涉及的多種信息進行全面的整合，實現了工程數據模型的構建。目前，BIM技術已廣泛用于計算機輔助建筑結構設計中，它的三維仿真功能為設計的各個參數提供了更科學的參考，促進了建筑結構設計的科學性和便捷性，通過BIM模型我們可以有效實現構件的可視化、參數化與協同作業，有效輔助工程項目設計更全面的進行。在深化構件設計的過程中，先對構件進行拆分，然后進行形狀優化、管線優化、碰撞檢測等，大大提高了設計效率和建筑整體結構質量。

“模塊化”設計研究方法采用標準化的操作思路，設計各個模塊，然后以不同的方式組合，形成一個符合要求的系統。雷神山醫院病房的裝配化已達相當高的水平，但模塊化病房施工速度快的優勢只局限于主體結構部分，機電系統與醫療設備的集成化水平相對較低，遠未實現模塊化，并且在病房內安裝密閉傳遞窗，密封穿墻管孔，現場安裝醫療器械都是非常費時的[1]。基于BIM技術，可以對模塊化病房進行折疊優化，并對病房空間布局和醫療設備預留的孔洞進行優化。同時，應用BIM技術來研究構件的模塊化和標準化，進一步節省了運輸和儲存空間，加快了整體安裝進度。

2 BIM技術的特點及優勢

2.1 BIM技術貫穿項目全生命周期

大量的項目管理實踐研究表明，BIM技術大大促進了建筑工程全生命周期的信息資源共享。BIM技術將設計、施工、運營、維護等諸多方面融入建筑工程管理全過程，有效改善了業主對整個施工項目的管理能力并提高了所有利益相關者的生產力。

2.2 BIM的應用特點

BIM技術具有可視化操作、協調設計、模擬構建、優化信息數據處理、可出圖性五大基本特點。應用BIM技術可以同時對建筑的數據化、信息化管理模型研究進行分析整合，在項目的全生命周期過程中共享和傳遞實時信息，為項目的設計、施工、運營等各個重要環節的進行提供了互為完善、相互關系協調的統一平臺。BIM技術的應用對提高項目設計效率、滿足生產質量、節約施工成本、縮短工期具有重要作用[2]。BIM在三維數字技術的基礎上進行模型構建，充分研究建筑物的各種數據信息，確保施工方和設計方收到一致的信息，并與多方合作和碰撞檢測以降低圖紙設計的錯誤和施工管理的難度，為實現設計生產與施工的協調奠定基礎。

2.3 BIM技術與模塊化

模塊化是建筑業參照系統工程原理，在參數化、標準化、系列化等基礎上發展起來的預制裝配的成熟形式。模塊化設計的理念是：首先，將建筑整體分為幾層，根據功能要求將整層分解成幾個戶型模塊和輔助模塊，然后將戶型模塊和輔助模塊劃分為不同類別的組件，最后，將單元、層等組件按照“搭積木”的方式建造出整個建筑[3]。BIM平臺的參數化特性可以使類似模塊的多樣性更新不再困難，只需根據原本“族群”的基本性質調整“族群”的參數設置即可，并且模塊的信息可直連到施工方和生產工廠。數字模塊具有單元模塊的可變性和可定制性的特點，通過BIM的“族”，可以自動識別、整合和分離模塊的變化。

3 儲備模塊化病房及快速建造傳染病應急醫院的必要性

3.1 事發突然，分秒必爭

近年來傳染病大多是突然暴發，很難在短時間內全面了解新病毒的傳播途徑和特點。疫情暴發后，患者的救治和傳染病醫院的建設一刻也不能耽誤。

3.2 集中暴發，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，疫情往往會在短時間內的某個時點引發，然后隨著人口的流動迅速暴發。

3.3 救治急迫，損失巨大

疫情大規模暴發時，若無預案和抗疫物資的準備，會使當地醫院的救治能力出現巨大缺口，陷入醫療物資、防疫醫療保障建筑以及病房緊缺的局面。2020年，我國GDP的增速由2019年的6.1%放緩至2.3%，而對于消極防疫的某些西方國家，損失則更為巨大。

4 BIM技術輔助模塊化病房優化的策略

根據火神山與雷神山醫院的CAD圖紙及考察情況，從模塊化病房設計階段使用BIM軟件（如Autodesk Revit）建立三維可視化模型，之后進行拆分，把主體鋼結構重新組合，再把拆分的預制構件的節點數據信息、詳細設計參數導入數據庫，用Revit進行分析和優化，能夠實現預制構件屬性的標準化。在BIM平臺中對模塊化病房施工的各個過程中進行三維仿真，可以有效地發現預制信息參數中存在的誤差和模塊病房安裝時易出現的錯誤。同時，有效解決在施工過程中機電系統和醫療設備安裝的不便、費時等難題。

4.1 4D虛擬建造優化模塊化病房的構造

工程師使用Revit軟件構建出病房虛擬模型，通過該模型查看有關模塊化病房的各種信息，多角度研究分析工程的整體效果。設計的變化可通過屏幕實時數據顯示，確保病房的空間感，使病房的設計更人性化，還可以對病房的設計思路、方法進行合理性驗證。

4.2 優化圖紙的生成

在傳統的設計過程中，圖紙是獨立的，通過整套圖紙看到項目的全圖，這增加了工程實際開展過程中圖紙修改的難度，造成了人力和時間的浪費。BIM技術的應用則從根本上解決了圖紙整合與生成的難題，利用虛擬模型發現問題，然后通過修改單個圖紙就可以實現全套圖紙的自動更新。

4.3 優化數據分析過程

傳統狀態下，CAD中的圖像是靜態的，進行數據分析技術難度大，難以完成數據的整體模擬。利用BIM技術構建的整個虛擬模型將大量的數據信息輸入到仿真軟件中，根據病房的結構進行性能分析，以較高的質量完成對病房空間效果的仿真，通過BIM輔助數據技術分析來提高計算結果的準確度[4]。

5 BIM技術輔助模塊化病房優化設計的應用流程—以火神山醫院鋼結構箱式模塊化房屋為例

在BIM平臺下模塊化病房實施過程的關鍵優勢在于實現了模塊設計的參數化，建立了較為全面的模塊產品數據庫，在信息化和虛擬化建設的支持下，實現了高效的現場裝配施工。基于三維建筑信息模型，利用參數化建筑信息和時間維度的結合，不僅可以協調各個階段的專業設計和施工，還可以通過虛擬技術模擬生產和施工過程，從而預測每個階段可能出現的問題，達到提前避免和改進的效果。

設計階段BIM平臺下的模塊化病房模型包含了病房的幾何數據信息、主要參數性能、供應商產品價格等大量信息。此外，隨著模塊數據庫的不斷積累，以往的設計工作將省去設計各個模塊的步驟，直接在數據庫中選擇成熟的模塊產品，大大減輕了設計人員的工作量，促進了模塊產品的產業化和標準化發展。同時，BIM模型信息在各專業間是互聯互通的，任何修改都會立即與其他專業模型共享，傳統的專業“提資”和“反提資”方式不會重現。這也避免了信息在溝通中丟失的可能性，真正實現了各專業之間的信息技術協調與共享[5]。

5.1 可折疊拆裝的模塊化病房優化

病房的尺寸為3m（寬）×6m（長）×2.9m（高），如圖1所示[6]。

圖1 鋼結構箱式模塊化病房爆炸圖

可折疊拆裝模塊化病房通過立柱表面以及墻體里內置的鉸鏈、使得進深方向的墻板之間可以向開間的方向折疊。病房的箱頂和箱底可以通過預制鉸鏈和板內的液壓裝置折疊到箱體內部。立柱、墻體、箱頂板、箱底板構成了一個可折疊結構框架，醫護人員通道處的窗戶和傳遞窗，緩沖區處的門和病人通道處的門裝在墻體內，這就構成了最基本的可折疊拆裝的模塊化病房，如圖2所示。

圖2 折疊優化過程圖

5.2 連接技術

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梁與外立面結構框架的鎖固，是將多個病房連成一體、共同抵抗外力的主要受力構件，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，同時在上部箱體的吊裝過程中還可以起到輔助定位的作用，提高施工精度[6]。

5.3 應急救護高程度集成化優化

在病房內進行預留風機風管、凈化暖通所需的孔洞、安裝給水排水的管道、強電弱電的電纜，并在墻體外安裝設備所需的電源接口，使裝修、電氣、醫氣、智能設備安裝一體化，如圖3所示。同時，通過相應的標準，進一步將可折疊模塊化病房的特點與應急救援項目的特殊要求相結合，充分發揮可折疊模塊化病房快速施工安裝的優勢，更好地滿足應急工作的需要。當然，還可以通過針對不同應急救援領域，開展不同條件背景下的應用技術問題研究，形成相應的系列建筑物[7]。

圖3 病房單元BIM模型

6 結語

綜上所述，在模塊化的基礎上，建立標準化病房單元模塊，可以實現少規格、多組合，為深化設計、構件生產和現場施工提供理論支撐。模塊化病房優化設計的研究為生產、施工、裝修和管理提供了便利，模塊化病房在疫情結束后即可拆卸，經過消毒后可循環利用，極大提高了鋼材的利用率，減輕建筑對環境的負荷，節約了能源和資源，具有良好的應用前景。