武漢雷神山醫院項目施工階段BIM應用

文|李文建 彭飛

一、項目概況

1.項目簡介

武漢雷神山醫院是武漢市防疫指揮部針對在2020年春節期間爆發的新冠肺炎疫情，批準在湖北省武漢市江夏區強軍路建設的武漢“小湯山醫院”。

武漢雷神山醫院由中建三局第一建設工程有限責任公司（以下簡稱中建三局）負責承建，醫院建設用地面積達22 萬m2，總建筑面積為7.9 萬m2，總床位數1500 張，可容納醫護人員2300 人，開設32 個病區，是一個專為收治新冠病毒肺炎重癥患者建造的抗疫應急醫院，是疫情期間全國投資建設的最大抗疫項目。整個醫療隔離區呈魚骨狀分布，病房采用箱型板房形式，醫技樓為鋼結構形式。

圖1 雷神山醫院鳥瞰圖

2.項目創新性

雷神山醫院建設初始，國內疫情肆虐，留給設計人員、施工人員及管理人員的時間極短，如何利用數據流高效的辦公，減少設計變更，減少設計錯誤，降低施工難度，提高施工速度，是建造過程中的重難點，因此，利用BIM 技術進行正向設計、深化設計，過程中進行流線模擬，氣流模擬，醫療可視化模擬等，極大的提高了設計效率與溝通效率。

3.項目難點

雷神山醫院的設計重難點主要有四個：一是傳染病醫院系統復雜；二是要能快速建成投入使用；三是要防止對環境造成污染；四是要避免醫護人員感染。BIM 技術的應用也應圍繞上述四個項目難點展開。

4.應用目標

本次雷神山醫院的建造面對施工現場工作面協調壓力大、人員管理難度大、物資協調難度大、機械協調管理難度大、安全防疫壓力大、工期異常緊張等一系列困難。其中利用BIM 技術來提速設計、提速施工、管理現場、簡化流程是本項目的重中之重。

5.應用內容

一是設計階段需要施工方提前介入，利用BIM 技術搭接設計端與裝配式箱式房供應商，減少后期的設計變更。二是減輕施工現場的工作面管理壓力、降低現場的施工難度。三是提速設計，簡化流程，形成設計與施工的垂直信息傳輸。

二、BIM 整體方案

1.組織架構與分工

武漢雷神山醫院項目BIM 組織架構圖如圖2所示。

圖2 組織架構圖

2.軟硬件配置

（1）硬件配置

?

（2）軟件配置

?

3.標準保障

雷神山醫院作為突發事件的應急項目，中南院和中建三局迅速組建BIM 團隊，助力其快速建設。雙方各自依據企業BIM 實施標準，統一項目BIM應用標準。

三、BIM 實踐過程

1.人員技術培訓

在雷神山醫院的建造過程中，為輔助設計，串聯設計圖紙與施工現場，在施工現場培養了一大批能看、會用BIM 的管理人員，為后續提高現場的管理效率，縮短建造時間，緩解資源壓力提供有力技術支撐。

2.技術應用過程

（1）BIM 助力裝配式設計、施工

疫情就是生命、防控就是責任。雷神山醫院要求10 天建成使用，如何快速有效的建成滿足具備治療傳染性呼吸疾病的高防護級別醫院，是整個項目的重難點。一方面，要站在設計的角度考慮其結構性滿足相應的規范要求；另一方面，要站在施工的角度考慮其快速建造及工作面的展開。而BIM 技術正是連接設計和施工的橋梁，充分考慮多方因素，平衡各方意見，達到BIM 設計指導施工建造的目的。

在對隔離醫療區進行功能區劃分的過程中，設計人員將其分為護理單元和醫技區兩種典型區域。其中護理單元均由尺寸規格一致的隔離病區與醫護辦公區組成，具有典型的標準化模塊的特征。考慮到疫情期間的材料供應問題，以及施工環境和施工機械的制約，最大限度的提高建造速度，設計方與施工方一致決定護理單元采用裝配式設計和施工，選擇輕型模塊化鋼結構組合房屋（箱式房）結構體系。通過A、B 兩種型號的箱式房進行組合排布，形成具備3 個基礎功能的區域模塊，并通過對三個基礎功能區域模塊的合理拼裝，構成一個完整的護理單元模塊。

圖3 裝配式設計與模塊化組裝

圖4 負壓ICU 名渲染圖

圖5 負壓檢驗室渲染圖

圖6 手術室模型渲染圖

圖7 復蘇室模型渲染圖

由于現場對箱式房的需求較大，已有庫存不足，需要進行箱式房批量化加工生產，設計人員根據市場供應能力分析，確認相關尺寸型號，固定模塊化戶型，固定項目整體布置，使得工廠預加工，預裝配速度上升新臺階。

由于雷神山醫院項目的特殊性，對其防污染水系統、電力系統、通風系統都有極高的要求。因此，在給水端為隔離醫療區病區和非病區分別設置兩路獨立給水管網；在排水端，將清潔區、半污染區、污染區排水嚴格劃分，防止醫患之間的交叉感染。

在電氣系統設置方面，采用4 路10KV 高壓電源供電。采用模塊化設計，利用建筑魚骨式的模塊化設計理念，每四個病區的護理單元為一個固定模塊，一共分為八個模塊。每兩臺變壓器和一臺柴油發動機組成一個供電模塊，保證了供電的高可靠性的同時，也滿足了“快速設計、方便施工”的要求。

對于空調通風系統，送風系統均設置粗、中、高三級過濾，其中負壓檢驗、負壓ICU、負壓手術室設高效過濾風口。所有區域排風經高效過濾器處理后高空排放，負壓ICU、負壓手術室、治療室、復蘇室等房間設下排風口。

（2）基于BIM 的施工優化

BIM 輔助現場集裝箱模塊化組裝方案。為實現箱房工業化生產，加快現場施工進度，項目根據市場供應能力分析、確定箱式房的型號，并將箱體標準化，建立模塊化單元，實現模塊化設計，固定模塊化戶型，固定項目整體布置。通過BIM 模擬現場集裝箱模塊化組裝過程。模塊單元組成包含鋼結構冷彎薄壁型材骨架和彩鋼復合板墻體。

BIM 輔助施工總平面布置優化。策劃階段，根據工程施工部署，采用BIM 技術模擬箱體汽車吊布置情況。通過模擬，得出最優施工方案：各區平行施工吊裝，集裝箱堆場臨時征用軍運路及黃家湖大道部分道路。配備10 臺25m 臂長吊車。平板車經大門進入場內，自西向東將集裝箱式活動房運至各汽車吊處進行吊裝，完成后經M4、M5、M6大門駛出，返回集裝箱臨時堆場繼續轉運。

圖8 保障供電可靠性的設備模型

圖9 常規箱型房規格

圖10 標準箱房構成模塊

圖11 箱體汽車吊三維場地布置

場內吊裝階段，布置16 臺30M 臂長汽車吊，7 臺25m 臂長汽車吊，10 臺40m 臂長汽車吊，4臺52m 臂吊車。吊裝時，以H 型集裝箱群為一個單元，從H 型腰部向首尾方向進行安裝。

室外管網跳倉法施工。雷神山醫院原設計室外管網布置在每個護理單元之間均有雨、污、廢管線，如此施工將造成場內大面積開挖，對于廂房吊裝影響極大，嚴重影響現場進度。因此采用BIM 技術進行設計優化，合并多余管道，將管道優化為“隔一設一”，進行室外管網跳倉法施工，減少現場管道開挖、預埋施工工作量，為吊裝場地提供充足的保障工作。

原計劃進場50 臺挖掘機、40 臺推土機、250輛渣土車，經過深化后工程量大大減少，實際進場33 臺挖掘機、26 臺推土機、168 輛渣土車，機械投入減少1/3。

H 型鋼基礎優化。在施工基礎階段，對結構基礎進行優化。通過BIM 技術優化基礎形式，設計出一種砼條基+鋼結構組合式基礎，將原全砼基礎深化為外部采用全砼基礎、內部采用梅花形布置型鋼基礎，大大簡化施工工藝、加快了施工速度，僅此一項就減少混凝土條基22576 米（共計3387m3混凝土），減少管道穿孔1036 個，減少勞動力投入約200 人。

在施工醫護休息區階段，對醫護休息改建區底部采用貝雷架+工字鋼基礎進行BIM 深化設計，提供了一種呼吸類臨時傳染病醫院裝配式建筑體系基礎結構。相較普通基礎而言，大幅縮短工期的同時提高基礎承載力，同時能快速高效的用于后期穿管施工，大大縮短施工周期，可以在非常短的時間內高效完成大體量醫院的建造。

鋼管彩鋼瓦屋面施工技術。項目原設計采用鋼結構屋頂，但鋼結構屋頂需定制加工、施工周期長、自重大、工藝復雜，在臨時工程中應變性較差，通過BIM 深化設計了一種鋼管彩鋼瓦組合式屋面，并采用PKPM 軟件核算該支撐體系的安全性。采用鋼管作為主支撐架體、槽鋼作為檁條、彩鋼瓦作為屋面板、四周采用防雨布或彩鋼瓦封閉、滿拉攬風繩加固，五者結合，既能滿足屋面的使用功能，達到快速施工的效果，同時減小了結構安全風險。

集成式整體衛浴。通過BIM 建模深化設計將原設計下沉式衛生間深化為集成式整體衛浴，大大簡化衛浴施工工藝。按照深化設計圖紙施工后，進行對比分析結果表明，取材更加簡單，大大加快了應急工程施工速度、縮短移交周期，具有較好的社會效益。

圖12 醫護休息改建區貝雷架基礎整體效果圖

圖13 醫護休息改建區貝雷架基礎施工實物圖

（3）BIM 創新亮點應用

基于圖紙的交互式BIM 快速建模。自主開發基于圖紙的交互式BIM 快速建模插件，打通CAD圖紙和BIM 軟件的數據壁壘，提供交互式界面完成圖紙信息的快速提取、建模參數的自由選取、匹配規則的自主確定，實現了翻模過程的可視可控化，避免了CAD 圖紙導入BIM 軟件卡頓、信息丟失等問題，大幅提高了建模效率。

圖14 BIM 在線建模

BIM 在線建模、云渲染。病房樣板間裝修設計采用BIM 在線建模技術，模型直接保存在云端，可多人協作的在線建模，打開網頁就能查看和編輯，云端實時保存；可多人實時修改模型，安全可控。

基于BIM 的智能化管理平臺。項目應用自主研發的“BIM-QR 系統”，在原料采購、構件生產、構件運輸和質量驗收全過程實現鋼結構信息化管理，提升管理精細度，實現高效建造，鋼結構施工僅用6 天完成。

項目基于在施工過程中大型機械設備的受力研究，利用有限元軟件計算分析，應用自主研發的“輪式及履帶式起重機行走及起重荷載計算系統”，僅用1 天時間計算出31 臺汽車吊、15 臺履帶吊的行走和吊裝作業時的地基承載力。

項目針對雷神山醫院集裝箱安裝自主研發了“基于BIM 的智能化物流管理系統”：將BIM 技術、集裝箱調度與管理深度融合，綜合應用物聯網技術、移動通訊，通過將集裝箱房基本信息錄入、查詢管理、入庫檢查、審核、現場安裝調度等，實現數據自動采集、信息交互、智能分析，對集裝箱房從深化設計、下單管理、工廠生產、物流運輸、入場跟蹤、質量驗收及安裝管理全過程的信息跟蹤管理。實現了雷神山醫院在10 天內完成3700 多個集裝箱安裝施工目標，為雷神山醫院順利移交提供了保障。

為保證工期及各專業的穿插，自主研發了應急工程基于BIM 的計劃管理軟件平臺，可實現建設各方及各專業計劃管理協同，提升管理精細度，實現高效建造。自主研發了應急工程基于BIM 的維保軟件平臺，不僅解決了維保管理流程繁雜的問題，又能保證維保任務及時處理無遺漏，大大提高維保效率。

圖15 BIM-QR 系統結構圖

以上的5 個平臺都獲得了軟件著作權，體現了BIM 技術對于創新建造、智慧建造、信息化施工的驅動力。

四、BIM 實踐總結

1.應用效果總結

經濟效益：時間就是金錢。“這是救命工程，早一分鐘建成醫院，就能早一分鐘挽救生命”，雷神山醫院快速建成投入使用，拯救數以千計的生命。其中加快設計進程，推進施工進度，進行施工推演，BIM 技術功不可沒。

社會效益：雷神山醫院設計為用于收治已確診的新型冠狀病毒感染肺炎患者的醫院。于1月27日正式開工建設，2月6日正式竣工，高峰期投入2500 余名管理人員、22000 余名作業人員、2000余臺大型機械設備車輛。從2月8日開始收治轉院病人，到2月18日首批兩名新冠肺炎患者出院，至4月14日最后4 名重癥患者轉至中南醫院，患者清零，累計運維67 天。

管理效益：上千名管理人員，上萬名作業人員，近千臺大型機械設備與車輛，數百家供應商，其管理難度可想而知。而BIM 技術正是利用數據手段進行多方協同管理，簡化流程、加速生產，減輕管理壓力。

2.應用方法總結

在面對快速設計、快速建造的場景，BIM 技術有著極大的優勢，可以超前完成需求響應，打造數字孿生模型，最高效的反映設計成果，及時調整設計文件，使設計高效化。

在裝配式建筑的場景中，BIM 技術可以打通設計、生產、施工裝配這一整條產業鏈，形成所見即所得的設計模式，其過程中產生的對接問題，生產誤差問題可以得到極大的改善。

3.創新點總結

在疫情常態化的今天，負壓病房的氣流組織和污染物擴散問題是在每一個醫療設施建設過程中都需要考慮的，利用BIM+流體仿真技術進行布置方案模擬，能最大限度的降低交叉感染風險。

醫院不僅要做好自身的防護體系，同時需要考慮周邊區域建筑及室外管網的防護情況，因此進行區域級、城市級建造模擬，考慮建筑對周邊環境的影響也是必然的。

快速建造體系離不開BIM 技術的支持，施工提前介入設計并進行BIM 設計優化是提速設計、提速建造的最佳方式，因此設計施工一體化BIM應用技術將會成為后續發展方向。

五、下一步規劃

一是利用BIM 進行防疫工程醫療設施功能和建筑結構布局研發。在“魚骨狀”建筑布局之外，利用BIM 技術從醫療設施功能、醫患防護要求、建造便利等多角度，研究更為合理的建筑結構布局。

二是利用BIM 進行防疫工程室內氣流仿真模擬研究。持續開展氣流仿真模擬等理論研究,研究特定室內布局、進排風設計及負壓設置下,室內氣流壓力梯度分布，為產品結構體系設計提供理論支撐。

三是利用BIM 及實景建模技術開展應急防疫工程安全非接觸建造管理系統研究。開發工程安全管理及遠程安全檢查系統、遠程安全監控系統、非接觸智能通行管控系統、場地地形自動測繪設備與技術，實現建造人員非接觸管理，減少出入口等人員集中危險部位的觸碰，降低傳染風險，實現快速、自動化的三維精細建模及土方量計算。

四是利用BIM 技術開展醫療建筑標準化研究。根據醫療建筑功能的特點，用BIM 技術將醫療建筑中的功能模塊進行拆分和標準化設計，將設計轉化為成熟的產品，有利于提升設計質量和效率。如病房區的病房模塊、緩沖區模塊，醫技區的手術室模塊、ICU 模塊、CT 室模塊等。將大模塊拆分成重復率高的小模塊，建筑、結構、機電、裝修、設備等全專業精細化參數化建模，添加材質、尺寸、設備參數等構件信息，方便同類型醫療建筑的設計提取和復用。