基于BIM的平疫結合醫院設計*

章 明，詹健江，楊 冕，高 鵬，張 穎，黃心雨

(1.中南建筑設計院股份有限公司，湖北 武漢 545001；2.華中科技大學土木與水利工程學院，湖北 武漢 430074)

0 引言

新型冠狀病毒(COVID-19)給全球經濟、社會造成了嚴重沖擊，全世界確診人數在2021年10月份已達到2.3億。在未來一段時間內，世界各地也將長期面對著變異病毒的威脅。針對疫情的反復性和變異性，常態化管控機制成為應對病毒風險的重要控制手段之一。中國國家衛生健康委規劃發展與信息化司在2020年8月17日發布了《關于印發綜合醫院“平疫結合”可轉換病區建筑技術導則(試行)的通知》，其中提出應當充分利用信息化、智慧化手段來提升綜合醫院“平疫結合”的智慧化運行管理水平，加快推進醫院信息與疾病預防控制機構數據共享、業務協同，加強智慧型醫院建設。

具有“平疫結合”功能的醫院在設計上具有一定彈性，在平時狀態下醫院可收治常規病人，疫情期間轉換為傳染病醫院，并在短時間內將大量的醫院資源有序投入到傳染病治療中。這為醫院的設計帶來了極大的難度，需要根據頂層設計對建筑功能及服務系統進行突破傳統的設計，使醫院在不同時期高效便捷地完成功能轉換與改造。因此，需要對設計成果進行反復的仿真與模擬，測試不同使用環境下多系統協同工作的可靠性與穩定性。

為提高項目實施效率與可靠度，需在設計過程中引入數字化仿真技術，對多種應用場景中的氣流組織、通道流線等進行模擬分析。例如，中國火神山醫院的快速建設就受益于BIM技術在設計階段的應用[1]。因此，醫院項目建設過程中可以利用BIM工具作為數據基礎，并以正向設計理論為指導重塑設計流程。通過將“平疫轉換”的設計理念與基于BIM的正向設計方法相融合，在設計信息共享的基礎上，利益相關方能夠實現 “平疫轉換”信息的傳遞。同時，設計流程制定的BIM工作流能起到約束各專業的提資范圍及深度的作用。

本文從平疫結合和BIM正向設計的重難點分析入手，梳理了“平疫結合”綜合醫院修建的必要性以及BIM正向設計的難點，介紹了將“平疫轉換”融于BIM正向設計中的優勢，并以某“平疫結合”綜合醫院為例，具體闡述了其平疫結合的BIM正向設計方案。研究表明，與BIM正向設計結合，并將轉換方案以可視化方式呈現，利用建筑信息模型進行空間氣流組織統籌、模塊化管理等方面工作，有利于提高設計數據共享與業務協同效率。

1 基于BIM的平疫結合醫院正向設計方案分析

1.1 平疫結合設計重難點

平疫結合醫療設施作為應對烈性傳染病的重要場所，需要在設計上具有相對彈性，并能夠在應對突發疫情時快速轉換為應急醫療設施。其重難點包括3個方面：①總體功能布局；②通道流線布設；③病區功能變換。

1)總體功能布局

平疫變換要求醫院在總體功能布局上靈活設置，能夠實現在平時常規接診和疫情爆發時的快速轉換。普通綜合醫院的功能區域設置未完全考慮平疫轉換的要求，缺乏應急區域和可供醫護人員休息的清潔區域，這樣的功能布局在突發疫情時會相應增加醫護人員的感染風險。

為避免交叉感染，醫護、后勤人員、疑似與確診病患均單獨設有出入口。除了清潔區和污染區，還應當設置緩沖區。合理規劃總體功能布局，能夠保證疫情狀態下醫院接診能力不會驟減，從而保障醫院的正常運行。

2)通道流線變換

在平疫轉換過程中，配合病區的改變，為有效避免交叉感染，醫患通道流線將發生變換。以雷神山醫院為例，其內部設置為“三區兩通道”。同時，設置醫護通道與患者通道[2]。感染性病人應當單獨設置進入口，其就診流線應當與普通疾病患者分開。在平疫轉換過程中，通道流線也將發生相應的變化。如何科學設置通道流線，能夠避免交叉感染，有效保障醫護人員的安全是平疫轉換設計的關鍵。

3)病區改造

呼吸道傳染性疾病治療病房要求為負壓病房，即要求病房內的空氣壓力比病房外的空氣壓力低，以保證室內整體氣流只能由外部壓力較高的清潔區域流向內部病房污染區域。病房內的污染空氣經消毒之后排放至室外。火神山醫院的建設過程中，負壓隔離病房與相鄰緩沖間和走廊保持大于5Pa的氣壓差[3]。清潔區和半污染區都安裝有負壓壓力表，從而對病房的氣流走向進行動態監測，保證氣流流向從清潔區流向污染區[4]。因此，傳染病醫院需要重點統籌設計氣流組織，按照負壓病房等相關設計依據，對病房進行轉換，避免因污染空氣流向問題造成交叉感染。

1.2 基于BIM的正向設計方法

正向設計是從用戶需求出發確立頂層設計要求，自上而下地分解和細化復雜產品(系統)功能，確定產品功能結構，子系統和零部件解決方案，形成可批量生產和穩定運行的商業化產品并實現全生命周期支持[5]。BIM正向設計是以三維BIM模型為出發點和數據源，完成從方案設計到施工圖設計的全過程任務[6]。

從傳染病醫院平疫轉換設計的實際需求出發進行項目的頂層設計，并以此目標逐步分解設計任務，確定功能分區布局、人員流線組織以及空氣流向，以形成具有平疫轉換功能并可在轉換后持續平穩服務的建設產品。其中，BIM正向設計的重難點在于項目管理，它對于建設的實施過程具有導向作用[7]。在此過程中，建設參與方組成了一個復雜的系統，系統的各部分具有相互協作與相互制約的關系，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境的改變還具有動態性[8]。因而，基于正向設計理念，在規劃設計階段引入BIM工具，使得各方參與更早更深入地融入到工程實施流程中，為項目提質增效。

2 案例分析

本文選取武漢某平疫結合三級甲等綜合醫院的建設為案例進行分析，該醫院設置平疫結合床位1 000張，傳染病床位200張。項目整體包括醫技樓、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，地下不計容面積6.84萬m2。項目采用了設計方牽頭的EPC模式進行建設，參與方眾多且利益關系復雜，項目信息貢獻與協同尤為關鍵。將BIM正向設計理念融入平疫轉換設計過程中，以有效利用建筑信息，并進行共享。下面將具體分析其BIM正向設計實施過程，并將重點放在平疫轉換設計上。

2.1 BIM應用規劃

本項目全程進行了BIM標準化流程建設，建立了完善的BIM協同流程和管理平臺。根據項目自身特點，依據實際設計需求，制定了項目BIM實施流程，明確不同專業在項目各階段的主要建模范圍、表達深度、基準坐標、模型命名及提資格式與方式等內容，以及多專業之間設計協調的流程。實施技術路線分為3個階段，分別為實施策劃、設計與深化應用以及數字化項目管理。每個階段由若干過程組成，并形成一個主要任務，如圖1所示。

圖2 BIM實施技術路線

項目基于VmWare平臺應用虛擬化進行部署，統一軟件工具及數據管理流程，設計人員在平臺進行協同設計。信息模型作為設計分析的數據基礎被用以進行醫院功能分區、流線組織、氣流分析等，從而進一步比選與優化方案，以提高管理效率。此外，為保證模型的可重復利用性，建模使用的構件均來源于自主研發維護的標準化模型庫，有利于提高建設中的BIM標準化程度，也提高了醫院的設計效率。

2.2 某傳染病人民醫院平疫轉換設計方案

本部分介紹的醫院總體布局如圖2所示。

圖2 醫院總體布局

醫院主要設門診樓、值班公寓樓、應急場地等。在平疫轉換過程中，醫院需要做出相應部署調整整體功能。

2.2.1功能流線變化

本項目功能流線設計主要分為平時狀態、疫情二三級響應狀態、疫情一級響應狀態3種功能流線。

1)平時狀態

在平時狀態下，醫院主要分為兩部分，一是隔離區(污染區)，包括傳染樓，二是普通區(潔凈區)，包括門診樓，住院樓，行政樓，如圖3所示。此外，醫院主要設置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，實現不同人群的分散。污染區域的污物有單獨出口，并與清潔區域分開。

圖3 平時狀態下院區功能流線

2)疫情二三級響應狀態

在疫情二三級響應狀態下，將隔離區(污染區)面積擴大，傳染樓外設置室外應急場地，同時門診急診部分轉換為發熱門診，如圖4所示。醫療物資經醫技樓轉運至污染區域。在該狀態下，住院樓高層標準病區視需求逐層轉換為傳染病區，醫護人員與醫療物資經平時狀態的后勤辦公入口進入。

圖4 疫情二三級響應狀態

3)疫情一級響應狀態

疫情一級響應狀態下，醫院的整體布局將發生巨大轉變，并將被主要用于應對突發公共衛生事件，如圖5所示。首先，在場地整體布局上，醫院更多的區域被用來治療傳染病病人，同時，預留的應急場地被迅速改造為應急醫院以增加應對突發公共衛生事件的治療能力。停車場轉換為焚燒爐、垃圾暫存以及車輛洗消等工作場地，增強醫院的應急緩沖能力。

圖5 疫情一級響應狀態

其次，單獨設置感染患者入口，臨時建立的應急醫院入口，醫護人員與醫療物資入口3條路線，此外設置領導指揮入口。不同人群流線相互分開，避免發生交叉感染。物資專門設置地下轉運路線。

最后，醫院整體還是由潔凈區和污染區兩塊構成，并以此為基礎進行了整體功能流線的調整。醫院主要建筑功能也將做出相應調整，值班樓、行政樓、科研樓全部轉換為醫護人員宿舍。原住院樓根據實際需求自上而下逐層轉換為傳染病區。BIM體量模型能夠直觀體現平疫轉換過程中醫院功能流線的變化。

2.2.2應急場地改造

在平時狀態下，醫院預留了應急場地用于在一級響應狀態時迅速擴充醫院容量。在圖5中可以看出，在該應急場地處設立了應急醫院。為方便應急場地的平疫轉換，應急場地在平時狀態下也保留了方便轉換的方式。

應急場地下會預留機電接口，在疫情時，拆除停車位。同時，參考火神山、雷神山醫院的模塊化設計，按照裝配化施工等方式，實現臨時醫院快速建造，如圖6所示。在BIM模型中可以快速對轉換方案所需的空間、資源等進行評估和分析，直觀得到兩種方案涉及的材料明細，并以最高效的方式進行工序搭接安排。

圖6 應急場地轉換為臨時醫院

2.2.3通道流線改變

平疫轉換過程中，住院樓將逐層轉換為傳染病區。在平常狀態下，醫患通道相互交叉，并未設置“三區兩通道”，如圖7a所示。疫情發生時，整體區域將按照“三區兩通道”的做法進行調整，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行可視化展示，用于醫護人員培訓和轉換實施依據，可以提高信息傳輸和利用的效率。

2.2.4病房轉換

基于BIM模擬負壓病房的氣流組織和污染物擴散，并采取XFLOW軟件進行流體仿真，在該平臺上實現方案比較，以保證醫院的安全性。

按照呼吸道傳染疾病病房設置的要求，在平疫轉換過程中，需要設置負壓病房，重新調整氣流組織。在本項目中，平疫結合傳染樓，3層消化道病房送、排風系統做戰時設計。風機內裝初效過濾和平板靜電凈化段，預留亞高效過濾段。平時狀態下，安裝送風機、排風機各1臺，衛生間排氣扇開啟，保障日常通風，如圖8a所示。疫情狀態下，傳染樓消化道病房轉化為呼吸道負壓隔離病房。加裝亞高效過濾器，高速運行送風機和排風機各1臺，并開啟衛生間排氣扇，形成穩定的負壓，阻止空氣中污染物擴散，如圖8b所示。同時，疫情狀態下，傳染樓消化道病房也可轉化為呼吸道負壓ICU病房。此時，加裝亞高效過濾器，高速運行送風機排風機各2臺，并開啟衛生間排氣扇，以保障負壓穩定，如圖8c所示。

圖8 不同狀態下病房氣流組織

3 結語

隨著新冠疫情管控呈現常態化，平疫結合醫院成為應對新冠疫情的有效手段。這類醫院的建設需要綜合考慮總體布局設置、功能流線和通道流線變換、病區改造等多方面因素?？紤]到建筑工程信息復雜且較難以管理，可以利用BIM在數據模型集成、信息高效傳遞等方面的優勢，并通過正向設計理念為指導，高效提升協同工作能力。本文以某EPC總承包的平疫結合醫院為例，具體闡述了其在BIM軟件應用、正向設計流程方面為提升項目管理水平而采用的方法。同時介紹了其利用BIM正向設計在平疫結合醫院功能流線轉換，應急場地改造，通道流線轉換，病房改造，傳輸方案模擬和設備通過性驗證方面的應用。在本案例中，項目充分利用了BIM模型數據進行設計優化與驗證，保證了設計質量，提高了項目參與方協同工作的能力。同時，驗證了平疫轉換方案的可操作性、可施工性，提高了醫院“平疫轉換”的效率。

通過應用BIM技術，改善平疫結合醫院病房內采光性能，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約的成本。另外，BIM技術也可以模擬出光伏面板的最優朝向和最優傾斜角度，這些數據可為平疫結合醫院設計前期的選址提供建議。

由于平疫結合醫院需要控制空氣傳播導致的交叉感染，存在部分病房沒有空調的情況，這就導致了醫護人員與病人的熱舒適度降低。一種混合系統可以有效解決這個問題，利用太陽能電池板產生的熱能(熱電聯產)，通過熱泵進行冷卻，然后進入病房降低室溫。該系統可以改善自然通風病房的熱舒適性，提高太陽能光伏系統的效率以優化發電，并通過低能耗冷卻系統提高建筑的整體能源性能。它不僅解決了熱舒適問題，也能較好避免空調引起的交叉傳播。