重離子醫學中心大樓建筑設計與思考

□ 黃銘 HUANG Ming 吳榮 WU Rong 傅敏俊 FU Min-jun 朱亮 ZHU Liang

惡性腫瘤是嚴重威脅人類生命健康、制約社會經濟發展的一類重大疾病，具有復雜性、多樣化、易轉移等難以完全克服的特點，已經成為致死的重要殺手。根據國際抗癌聯盟（UICC）統計，約有70%的腫瘤患者需要通過放射治療達到根治或姑息治療的目的，或配合術前、術中或手術后進行放療[1-2]。隨著粒子加速器等相關技術的發展，人們發現重離子具有倒轉深度劑量分布、拓展布拉格峰后沿劑量急劇下降、高傳能線密度(LET) 、高相對生物效應(RBE) 、較小的氧增比、可實時劑量驗證、對腫瘤靶區進行準確投射等顯著優勢。這些特征使重離子放射治療相較于傳統放療，有巨大的治療優勢，它不僅能夠更為準確地向腫瘤細胞發起進攻，對DNA致死性更加復雜，對腫瘤的殺傷力和殺傷效果更優[3]。

隨著加速器建造技術的發展，重離子治療裝置也可以配備旋轉機架，結合重離子在物理學及生物學上的優勢，若采用旋轉重離子調強放射治療技術，將有望進一步降低周圍正常組織的輻射劑量，提高腫瘤靶區劑量。從而使得采用重離子的超低分割放射治療成為可能，進而使得腫瘤患者無需住院治療。由于重離子束的以上優點，重離子治療作為一種新型的腫瘤放療治療技術，在療效方面、安全性方面、治療周期方面與傳統的放療技術相比，均展現出較強的優越性[4]，是目前世界腫瘤放療領域最先進和有效的腫瘤治療方法。

項目的意義

中國是繼美國、德國、日本之后，掌握重離子治療腫瘤技術的國家之一，已經具備重離子臨床治療能力和治療專用裝置生產能力。中國科學院大學附屬腫瘤醫院（浙江省腫瘤醫院）引進國產第二代重離子治療裝置，并為其配套建設重離子醫學中心大樓，開啟了對重離子醫學中心大樓建筑設計的探索與思考。據測算，重離子治療裝置建成后，平均每年治療患者約800例。對于常規放射敏感的腫瘤，重離子治療可明顯減少正常組織損傷，提高患者生活質量。對于常規放射抗拒的腫瘤，重離子治療可顯著提高療效50%以上。除了為患者提供優質的醫療治療服務外，關于重離子治療裝置的探索與研究工作還包括重離子治療新技術的研發、重離子治療與免疫治療聯合等。

項目選址條件

本項目位于醫院內部東南側，現狀為醫院的臨時地面停車場。該地塊西側緊鄰醫院門診大樓和中心公園，北側緊鄰放射治療樓（直線加速器樓），東側為醫院圍墻和杭州半山國家森林公園的道路，總用地面積為5800平方米。見圖1。

圖1 重離子醫學中心大樓總平面圖

因為重離子治療設備運行的條件極其復雜，對承重、傾斜度、光潔度、沉降、四周凈空、設備轉運、屏蔽安全、管線安裝及預埋等均有嚴格的要求，考慮到重離子醫學中心大樓不僅需要滿足輻射安全的防護要求，也要為重離子治療設備運行提供必備的工藝條件，為此項目在前期的選址過程中，邀請重離子治療設備生產廠家及專業的地質勘察單位，對項目的地質情況進行勘探并出具詳勘分析報告，對擬選址場地的重離子裝置區、工藝設備區、治療區等布置情況進行初步規劃，結合現場踏勘和專家論證反饋意見，邀請專業的設計單位對選址場地進行二次復驗，確保項目選址條件的科學合理且具有可行性。根據地質勘察結果，工程場地內無斷裂帶通過，場地屬于區域構造穩定的地段，地下土體的穩定性較好，場地20米勘探深度場地內不存在飽和粉土、粉砂，各土層均為非液化土，因此本場地為不液化場地。同時，工程場區無軟土層，擬建場地屬對建筑抗震有利地段，經論證選址可行。見圖2。

圖2 工程地質剖面圖

設計的原則

經專項設計，重離子醫學中心大樓的總建筑面積為14000平方米，其中地上建筑面積7600平方米，地下6400平方米。主要建設內容包括有重離子醫學中心大樓主體建筑（主要功能包括含一個加速器大廳及其工藝配套、4個治療室和其他醫護及后勤的相關配套用房）、拆除工程、公用工程、室外工程等。作為國際先進、國內稀缺的重離子項目，項目在建筑設計時，應充分考慮國際視野和前瞻性，在滿足醫院整體規劃經濟技術指標下，兼顧經濟合理、功能適用、滿足醫療使用要求，在建筑的理念、技術、建筑風格上進行創新，充分考慮建筑智能化、創新化、綠色化等設計構思，并與老院區的現狀建筑風格、室外綠地景觀有機融合。

設計也應遵守國家和地方有關城市規劃與建設的法律法規要求，合理采用新技術和新材料，合理選擇外立面的顏色、材料，做到“技術先進，經濟合理，安全適用，確保質量”。以后續施工的實際出發，充分考慮當地的水泥砂漿、混凝土、鋼材等建筑材料的供應條件，充分衡量施工隊伍的生產能力和生產效率，合理選用主要材料、施工方案、結構措施等，充分考慮建筑物、構筑物及其它設施之間的布局，按工藝用房、設備用房、輔助用房等用房之間的功能關系、使用要求、性質特點進行布置，使項目的整體用房功能即緊湊合理、聯系方便，又能確保工藝部分的流線暢通，滿足治療、工藝的使用功能要求，同時符合重離子裝置特殊的防火、防輻射、環保等要求。

設計的思考

1.應充分考慮關鍵結構技術設計。由于本項目的重離子裝置區、工藝區和治療區均位于地下，應充分考慮超長地下室結構抗裂設計措施。建議在超長結構板的選型時，考慮采用雙層雙向通長抗裂鋼筋，兼做受力，受力不足處另加筋；在地下室混凝土澆筑時，考慮對防水的特殊要求，不設后澆帶，而采用膨脹加強帶，減少滲水薄弱風險點；地下室底板（含承臺）、外墻和頂板采用補償收縮混凝土無縫設計，普通位置摻10%高性能膨脹抗裂外加劑，加強帶摻量可提高到12%，減少砼的收縮變形對砼結構開裂造成的不利影響。

同時，由于本項目重離子裝置的特殊工藝設計要求，治療裝置區對沉降要求極高（整體沉降量控制值＜15毫米），并且由于有防輻射要求，結構構件厚度大，自重大，墻體單位面積重量約20噸至50噸。為此，裝置區部分可采用筏板基礎，以壓縮模量大（大于 50MPa）的穩定中風化巖為持力層，消除工后沉降。在主體結構施工完成后，建議對治療區內裝置采用預埋板二次回填調平的方式，以保證裝置底座安裝精度。對于大跨度的加速器大廳，廳中局部抗浮采用抗拔樁或者抗拔錨桿，確保底板的上浮變形在允許范圍內。見圖3。

圖3 重離子治療中心剖切效果圖

2.應充分關注建筑的輻射防護專項設計。根據國家相關法律法規，“新建、改建、擴建放射性工作場所的輻射防護設施，應當與主體工程同步設計、同步施工、同步投入使用[5]。輻射防護設施應與主體工程同時驗收；驗收合格后，主體工程方可投入生產或者使用”。粒子加速器輻射防護系統遵從以下三原則：實踐的正當性、防護的最優化及個人劑量限值。輻射防護的設計應依據國家各項有關的規定和標準，以及國際輻射防護委員會（ICRP）和國際原子能機構（IAEA）等組織的建議書來進行。根據《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》，劑量率限值應滿足：土壤中 5mSv/h，監督區 2.5μSv/h，公眾區域0.25μSv/h。

為此，在設計時，充分參考國內外大型加速器輻射防護系統的實例，結合中國科學院近代物理研究所多年的加速器建設及運行經驗，除了考慮裝置區和治療區的主體結構采用重晶石混凝土自防護外，還在工作場所布置了輻射監測系統、人身安全聯鎖系統、出入口控制系統、束流閘、中子監測器等，確保輻射防護墻體及頂板等相關輻射區域滿足輻射防護規范要求。見圖4、圖5。

圖4 加速器大廳墻體厚度示意圖

圖5 加速器大廳劑量率分布圖

3.應充分關注建筑的消防專項設計。重離子裝置區的設備均為不燃、難燃或阻燃材料，這些區域運行時雖有輻射，但與其它部分用鋼筋混凝土墻進行分隔，墻體最小設計厚度不應小于800毫米，防護門均應采用耐火甲級輻射防護聯鎖電動門。由于治療裝置區域為滿足工藝要求，空間連續連通且無法分割（分區面積大），空間內部距離迷宮出口較遠（疏散口距離較大），治療裝置區域空間只能根據防輻射計算設置迷宮出口，且出口數量和位置受到嚴格的限制，為此在設計時應充分考慮特殊消防設計部分的專項分析和論證。

建議建設單位在開展特殊消防設計之前，提前完成大樓的總平面圖、建筑平面剖面及防火分區圖、防火分區消防疏散計算表、消防給水系統圖、防排煙暖通圖、重離子裝置工藝說明以及醫院內的火災疏散逃生應急預案等圖紙及資料編制工作，并委托一家具備為建筑物的火災防護和消防安全保衛系統提供專業的消防技術咨詢的服務機構開展特殊消防設計評估報告的編制，重點開展重離子裝置區域的火災危險性分析、火災及煙氣的發展及蔓延CFD模擬分析、樓宇人員疏散模擬分析及類似項目的消防設計總結，針對特殊消防設計的重難點提出合理的解決方案，為后續消防專項評審、項目竣工消防驗收提供科學依據和指導建議。

4.應充分關注建筑內部交通組織設計。建議將主要的治療空間和公共等候空間布置在地下一層，在建筑中部設置垂直運輸（兼無障礙電梯），使患者可便捷地到達負一層。醫用電梯只到達治療空間和公共等候空間，實現醫護流線和患者流線互相獨立，互不干擾。將患者流線、醫護流線和設備及后勤流線獨立區分：

患者就診流線：建議從問診及檢查明確病情（明確病情，初步判斷是否具有重離子治療指征）→多學科綜合診療（判斷患者是否應該接受重離子治療）→放療計劃制定（CT模擬定位，根據勾畫范圍設定劑量，設計完成治療計劃）→質量控制（對假人模型進行實際照射，測量/ 驗證實際照射的劑量）→重離子治療

醫護流線：建議從醫護專用出入口進入建筑，通過醫護走廊進入功能用房，并由醫護專用電梯進入各層醫護區域及辦公區域，與患者流線分開，相對獨立，互不干擾。

設備及后勤流線：建議從場地設備專用預留進出口進入，出入口位置應盡量設置在樓宇內相對隱蔽的區域。

5.應充分應用建筑信息模型（building information modeling，BIM）專項設計。在項目中使用BIM技術，可以有效地解決復雜的加速器等各種特種設備的碰撞問題，為參建各方在設計和施工過程中提供可視化交流、設計成果優化、技術交底與會審等相關服務。重離子項目作為特殊的建筑，為工藝復雜、技術特殊的大型科學醫療裝置提供配套用房，確保主機及配套高壓配電系統、水冷系統、凈化系統等裝置維持正常運行。由于本項目包含給排水、消防、電力、智能化、暖通等通用系統與重離子設備裝置系統的協同設計，采用BIM平臺可以有效實現設計各方的碰撞檢查、設計檢驗、無障溝通等，對于項目后續實施十分有益。同時，由于加速器設備位于地下加速器隧道內，屏蔽墻根據束流傳輸線布置，不同于一般規則廠房，而且本項目各系統中的部件和設備數量較多，安裝要求很高，且貴重易碎，其中有些元部件的體積或重量較大。加速器是本項目的重要精密設備，通過BIM技術手段，讓磁鐵加速器布置在BIM模型中，并且通過BIM進行三維建模，讓輻射屏蔽措施變得可視化，有效對設計進行檢驗。