醫療建筑全生命周期的數字化拓建及運維

趙海鵬

同濟大學附屬同濟醫院 上海 200065

1 醫療建筑拓建現狀及難點分析

隨著城市化進程的加快和城市人口比重的上升，原先較為老舊的醫療建筑設施、功能等已經難以滿足需求，因此對于醫療建筑的更新、拓展、改造、升級就更顯得越來越重要。據統計，到2020年我國每千常住人口醫療衛生機構床位數達到6張。以上海為例，《上海市醫療機構設置規劃（2021—2025年）》明確到2025年底全市新增床位約4萬張，配置水平達到每千人口約7.5張。鑒于此，醫療建筑的擴充、擴容就顯得十分迫切。然而醫療建筑改擴建不同于其他公共建筑，由于關乎人民的“生命財產”安全，醫療建筑的拓展專業性更強，對于設計、施工、后期運維的相關單位的要求更加嚴格。在緊張的時間與復雜的建設之間就存在著傳統手段難以彌合的問題。

1.1 醫療建筑拓建前期策劃階段難點分析

城市醫療體系綜合醫院的設計要點繁雜，其中包括交通流線組織、建筑布局、功能區設置、保障性功能、院區智能化等多方面需要在前期進行有效的協調溝通[1-3]。其中前期主要遇到的問題如下。

1.1.1 醫療建筑科室多，溝通時間長

綜合性醫院的新建及拓建往往牽涉臨床各科室、醫技部門、門診部等眾多部門。由于醫療科室內的醫護人員對建筑設計圖紙的理解存在偏差，常規平面圖及效果圖很難快速反饋意見，這也造成了設計方和使用方需要大量時間進行溝通，嚴重拖慢設計進度，以及后期大量的修改。

1.1.2 醫療建筑管線復雜，整合難度大

醫療建筑設備及管線系統復雜，一般情況下各專業設計人員獨自設計，在之后的管線綜合布局中，往往存在著整合難度大、管線碰撞難以發現的問題，這就會導致后期實際施工過程中才發現碰撞和問題，產生的設計變更和返工拖慢施工進度，無法及時找出最優化的實施方案。

1.1.3 功能用房不適用，流程不合理

醫療流程通常較為復雜，若設計策劃階段對醫療流程梳理不夠明確、完整，將導致功能用房布局出現功能缺失、交叉污染等問題，嚴重影響醫院的正常運行。

1.2 醫療體系建設階段難點分析

1.2.1 醫療建筑拓建施工擾動控制要求高

拓展既有醫院醫療資源的首要途徑是空間的拓建。然而，醫院內部改擴建工程所產生的噪聲、揚塵、光源等污染將對醫院環境、患者健康造成不良影響。同時，拓建造成的周邊醫療建筑和管線的無預警變形、沉降，都會對既有醫療建筑功能安全造成影響。

1.2.2 醫療建筑拓建質量管控要求高

醫療建筑關系民生，在質量的把控上應更加嚴格，傳統質量檢測手段，存在質量檢查精度差、效率低，過于依賴檢驗人員專業素養，人為因素影響大等缺點。

1.2.3 醫療建筑拓建應急響應要求高

醫院內部人員密集，疏散應急響應困難，在此情況下，對于重大危險源的監測設備必須具備精確度高、人為干擾少、盡早預警等特點。

1.3 醫療建筑運維階段難點分析

1.3.1 醫療建筑難點

醫院投入運營后，醫療建筑還存在醫護移動護理查房不便，醫療信息實時互通性不足，病區患者治療及護理數據無法實現醫院信息管理系統、實驗室信息管理系統等核心系統的互聯互通等問題。

1.3.2 服務體系難點

服務體系方面，通常存在床旁服務不夠便捷、功能簡單，病房環境配置單一、缺少智能化設備，病房內設備與裝修環境割裂等缺陷。

1.3.3 管理體系難點

醫療管理方面，醫院的應急管理預案通常停留在紙面，突發情況的應急管理能力薄弱，并且缺乏系統完善的管理制度指導病房醫療、護理、后勤、運行等保障工作。

綜上可知，傳統方法對復雜問題的處理效率低下、人為干擾多，已無法滿足現代醫療建筑建設需求。同時，傳統醫療建筑的落后功能現狀已不能滿足醫患使用需求。因此，在醫療建筑拓建全生命周期中引入數字化技術，推進智慧病房的建設，已成為解決上述問題的有效途徑之一。

2 醫療建筑拓建的數字化技術

2.1 智慧工地大腦在醫療工程中的綜合運用

醫療建筑功能多、科室多，流程復雜。為更有效地整合醫療建筑前期設計、過程施工、后期運維三方面，智慧工地大腦平臺的建立顯得尤為重要。作為系統化的集成平臺，智慧工地大腦平臺的搭建及發展能有效整合前期設計資源，提升管理人員對醫療建筑在建項目的材料、進度、質量、安全等內容監控管理效率，為后期運維的進一步決策打下堅實基礎，助力實現醫療建筑全生命周期管理。

2.2 BIM技術在醫療工程中的綜合運用

BIM技術作為現在較為成熟的技術，針對醫療建筑拓建工程涉及的“管線復雜龐大，施工難度大”“功能多，流程復雜”等難點，BIM技術的運用可極大提升前期策劃效率，優化MEP（機械、電氣、管道）系統布局、施工流程和場地布置。

2.3 數值模擬技術在醫療工程中的運用

醫療建筑的建設，特別是醫療建筑更新領域，往往存在著周邊環境復雜、病患多且敏感的特點，從結構施工安全到文明施工的合理性布置等各個方面，相對普通建筑有著更加嚴格的要求。在設計之初采用ANSYS、ABAQUS、MSC等數值模擬軟件對醫療建筑建設過程中的周邊環境變形、噪聲影響等問題進行預先模擬，并根據模擬結果對施工方案進行針對性改進，從而確保項目的實施效果。

2.4 醫療工程中數字化裝備的革新

醫療建筑在拓建過程中對于質量、安全、應急響應等有著更高的要求。然而，傳統建筑行業一直呈現較為粗放的管理模式，建筑器材、工具等仍存在精度不高、較為依賴施工人員經驗的弊端，近年來隨著施工裝備軟硬件的蓬勃發展，越來越多的建筑施工裝備通過數字化的迭代更新呈現更加精細化、標準化、智能化的趨勢。

目前，數字化裝備已在醫療工程安全、質量、管理等領域進行了全方位的運用，為醫療體系建筑拓建的管理人員提供了更加精確、高效的管理手段。

3 醫療建筑運維數字化技術

智慧醫療建筑的建設運維以“提供高質量的醫療服務”為首要目標，堅持安全、高效、強韌性、以人為本四項基本原則。

3.1 數字孿生

運用數字孿生技術貫穿醫療建筑策劃、實施、運維的全生命周期，實現建筑全過程、全方位虛擬仿真；實現整個病區內重大事件以數字孿生方式呈現，更加直觀立體。

3.2 系統集成

智慧醫療建筑內多系統設備的集成，包括軟件、硬件的集成化管理，實現病區內多源數據的互聯互通。

基于色彩學和建筑設計理論的醫院建筑裝修與多樣信息系統的高度集成，實現醫院日常的高效高質量運營。

3.3 態勢感知

實現實時感知醫院消防、安防等各種緊急情況，并通過標準的流程進行處理。

確保突發情況應急管理的實際落地，為形成基于全院的智慧感知平臺奠定理論和實踐基礎。

3.4 人工智能運用

醫療建筑內配置的宣教機器人、送藥機器人、醫廢機器人能夠幫助醫護提高工作效率。消毒機器人的使用能夠定時定量進行病區標準化消毒，降低院感發生的概率。

4 醫療建筑拓建中的數字化實踐

4.1 工程簡介

上海市同濟醫院內科醫技樓工程位于上海市同濟醫院內，緊貼原有外科醫療樓東側新建內科醫技綜合樓。新建內科醫技樓地下2層，地上16層，建筑高度63.45 m，總建筑面積32 560 m2，其中地上27 280 m2、地下5 280 m2。

4.2 主要數字化技術運用

4.2.1 BIM綜合技術運用

項目共采用BIM技術應用點45個，其中：醫院特有應用點8個，分別為院內外交通模擬、特殊場所疏散模擬、醫療工藝流程仿真一級、醫療工藝流程仿真二級、醫療工藝流程仿真三級、醫療樣板間BIM模型構建、大型醫療設備運輸模擬分析、疏散模擬分析；項目特有應用點5個，分別為云平臺攝像頭安裝與對接、室外管網改建協調方案、編制BIM應用計劃、物流系統模擬、建筑設備選型分析。

1）BIM＋管綜碰撞分析。采用BIM技術搭建了建筑結構及機電各專業模型，進行碰撞模擬分析，累計發現共6大類9 918處碰撞問題。通過BIM＋管綜碰撞分析，最大程度減少空間沖突和碰撞，避免將設計錯誤傳遞到施工階段。

2）BIM＋醫療工藝流線模擬分析。項目新建內科樓緊貼原外科醫技樓，各功能模塊和空間的銜接處理困難。利用BIM技術中的模型分析、平面分析、功能布局分析等相關功能，進行醫療流線模擬分析，輔助醫療工藝設計策劃，提升了醫護使用體驗，同時提高了醫院工作效率。

3）BIM＋4D施工階段模擬。為減少施工過程中因場地、材料、設備運行、交通組織等問題對施工進度和施工質量造成的影響，在施工準備階段對施工場地進行規劃模擬，提前發現施工階段可能存在的風險，提前采取針對性的措施，保證項目順利建設。

4.2.2 數字化模擬分析技術運用

1）噪聲分析模擬技術。在施工前為有效辨識隔聲屏障對于周邊住院部的影響，在隔聲屏障施工前采用Cadna/A室外噪聲預測軟件進行模擬。通過實際測試，噪聲滿足小于70 dB的要求，同時在實施之后得到病人的理解及肯定。

2）零距離沉降數字化模擬技術。由于項目新建建筑與老建筑零距離連接，為保證現有新老建筑銜接平穩，沉降在可控范圍內，采用巖土工程專業有限元軟件PLAXIS 2D建立二維計算模型。計算結果顯示：內科大樓施工完成后，外科樓與內科樓之間相鄰結構柱柱底沉降為4.188 mm；施工完成210 d后，外科樓與內科樓之間相鄰結構柱柱底沉降為4.378 mm。滿足規范及未來使用要求。

4.2.3 主要數字化裝備運用

1）雙聯式建筑用高精度傾角傳感器的運用，使得項目鋼立柱垂直度全部達到1/500的要求。

2）高精度檢驗傳感尺、隱蔽工程檢驗儀的運用使得項目各項質量得到顯著提高，獲得上海市優質結構工程榮譽。

3）用工實名制管理巡檢儀的運用加強了現場的實名制管理制度，有效地排除了因用工管理的缺失造成的隱患。

4.2.4 智慧化病房系統的建設與運維

1）智慧病房建設內容。智慧病房的建設主要依托3大系統：智慧病房服務系統、智慧醫療護理系統、智慧運行管理系統。其中智慧病房服務系統以智能硬件為基礎提升病房環境管理，使病患能在住院階段享受智慧化的信息查詢、預約、娛樂等功能，提升入院的舒適感。智慧醫療護理系統的建立能有效加強醫療護理能力，遠程診斷能力幫助醫護人員更好地為病患服務。智慧運行管理系統通過引入針對醫院后勤安全管理、物流管理、醫療廢棄物管理等，使用智能設備管理系統來增強后勤管理精細化水平。

2）智慧病房系統運用的效果如下。

① 醫患滿意度上升。智慧病房的建設實現了病區從傳統醫療模式向智慧醫療模式的轉變，從開始運營至2021年4月共收治362名患者，通過對362名患者進行問卷調研，出院病人的滿意度高達99%，其中，住院病人滿意度從97%提高至99.8%，醫護人員滿意度從95.78%提升至99.2%。

② 服務效率更高、服務質量更好。智慧護理白板、護理文書系統及手持PDA的引入，大大提高醫護工作效率，使其有更多的時間服務于患者。護士活動的軌跡明顯更加有規律，運輸機器人、宣教機器人、醫廢機器人、消毒機器人的使用解放了醫護及保潔人員的雙手。

③ 更節能、更舒適。智慧病房配備有先進的紅外感應設備，可判斷房間內人員情況，聯動環境控制系統和空氣凈化聯動系統將自動識別室內PM設定值，聯動自動開啟空氣凈化設備，加強空調循環速率，降低能耗的同時提升人員舒適度。

5 思考與展望

1）網絡技術的進一步發展。更快及更加穩定的數據傳輸，使得依托網絡技術發展各類型的醫療建設工程中的無人設備、遠程設備的運用將成為可能。

2）數字化裝備的進一步迭代升級。在人工智能還遠不能達到取代人腦的大前提下，為方便施工人員判斷，進一步發展數字化裝備是提升醫療工程現場質量、安全、進度的方向之一。

3）全生命周期的進一步建設。通過智慧化建造大腦平臺的發展，將設計、施工、運維3個階段的實施內容融入進一個系統中，打通、融合醫療體系建設各個階段，為后期建設迭代更新打下基礎。