基于BIM的医院建筑建造全过程管控技术研究

左 锋

上海交通大学医学院附属新华医院 上海 200092

1 研究背景

为满足不断提高的医疗需求，医院建筑的空间布局越来越复杂、机电系统越来越繁多，并且医院一旦建成便投入不间断运营，建造质量和运行保障要求特别高。然而，目前医院建设总体上还是以二维图纸为载体的建造和监管模式[1]，不同科室的医疗需求难以在图纸中清晰准确地展现，导致竣工后改建工作量大，不利于“绿色医院”“智慧医院”建设。

近年来，建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）成为描述建筑全过程信息的三维数字化主导，在设计、施工等阶段已经得到广泛应用[2]。仅上海地区，已有近10个医院新建工程应用了BIM技术[3-4]。但是由于目前我国设计施工分离、以二维图纸作为主要信息载体等现状[5]，BIM和传统管理仍存在脱节等问题。另外，BIM在运维阶段的研究和应用相对较少[6]， BIM的价值仍未能最大化发挥。

上海新华医院儿科综合楼于2016年8月开工建设，计划于2019年底竣工，总建筑面积为57 670 m2，工期较为紧张；其主楼地上18层，裙房地上8层；下设3层地下室（图1）。在该工程建设过程中，院方通过整合设计方、监理方、施工总承包方以及各家施工分包，创建各专业BIM模型，管线综合后运用BIM出施工图，应用BIM平台进行建设过程进度、质量、安全管控和成本估算，并以运维为导向完善BIM模型。目前，新华医院正以已建成的儿外科楼为试点，探索基于BIM的医院建筑运维管理技术，为建造中基于BIM的建设全过程管控技术奠定基础。

图1 儿科综合楼BIM模型

本文旨在结合新华医院建筑物建造过程中BIM应用实践案例，从院方的视角，介绍基于BIM的设计、建造、运维全过程建设管理体系，分析各阶段BIM应用要点和价值，以供分享与讨论。

2 基于BIM的医院建筑建造全过程管控体系

目前BIM在应用推广过程中，最大的阻碍就在于BIM未能在设计评审、工程报验、竣工验收、招投标等重要环节发挥主导作用，造成BIM只能作为CAD图纸的辅助工具，而非权威成果。BIM在建造全过程的应用需要制度和管控体系上的保障。基于BIM的医院建筑建造全过程管控体系包括4个关键要素，即组织要素、过程要素、应用要素、集成要素，这4个要素相互关联，形成管理体系框架的四面体模型[7]。

我国医院建筑建设常见组织模式包括设计施工分离模式（施工总承包模式）、设计施工一体化模式、EPC模式等。新华医院项目采用的是设计施工分离模式，但包括院方、代建方、设计院、工程监理、施工总承包方，以及各施工分包等各方均愿意基于BIM进行全过程管控。医院建筑的建设和运营主体都是医院，这有利于从全过程角度应用BIM技术。

过程要素是指在建设过程的工作流和信息流。传统的建设过程被认为是彼此分裂和顺序进行的。基于BIM的全过程管控技术需要对部分传统流程进行改造；譬如基于BIM对暖通空调、给排水、电气、医用气体、轨道小车、气动物流等多专业同步深化设计，最后形成各专业协调一致的BIM模型，改变了原来各专业线性设计的工作流程。

应用要素指支持BIM创建、分析和应用的软件硬件系统，包括BIM设计软件、碰撞检测软件、施工模拟软件、BIM建造管理平台、BIM运维管理平台等。其中，BIM运维管理平台是BIM从施工走向运维的关键，也是目前最为不成熟的应用系统。

集成要素是指将不同阶段不同应用产生的BIM信息进行集成，形成建筑生命期大数据，为医院建筑运维提供数据基础。由于建筑生产过程产生的数据众多、格式多样，如何将这些信息有效地集成和共享，是一个难点问题。

3 基于BIM的医院建筑建造全过程管控技术

3.1 基于BIM的设计管控技术

从院方角度出发，基于BIM的医院建筑设计技术以满足医疗需求和绿色节能为主要目标，包括基于BIM的设计方案和空间布局三维展现、管线综合、净高控制、停车位分析、人流分析、BIM出图等。本文重点介绍新华医院项目中较为重要和具有创新性的应用。

3.1.1 基于BIM的空间布局展现

宏观层面上，展现各房间的使用部门信息，譬如门诊、急诊、医技、住院、动力保障，分析不同楼层的空间分布合理性（图2）。儿科综合楼B1～B2主要是车库和动力保障空间，F1～F3主要是门诊用房，F4～F6主要是医技用房，主楼上部是病房；该布置方案可减少就医人员的行走路线，也可减少竖向交通压力，较为合理。

图2 空间布置宏观分析

微观层面上，基于BIM可建立门诊大厅、候诊大厅、手术室、诊疗室、设备间等复杂空间的空间布局情况，并结合VR设备展现高度真实感的设计方案，使医生、护士、运维管理人员等最终用户能够在建造以前直观地体验建筑设计的视觉效果。在儿科综合楼某候诊大厅的视觉效果中（图3），活泼可爱的装修效果有利于缓解儿童就医紧张感。

图3 基于BIM的门诊大厅空间布局展现

解决停车问题已经是现代化医院建设的一个重要要求。基于精细化的BIM模型，将土建、机电、精装模型进行拟合，通过自动分析及漫游操作，可对医院新建建筑的车位进行全方位的检验，通过统计合格的车位数量，检验车位数是否达到院方的使用需求。

3.1.2 基于BIM的管线综合与净空控制

大厅、走廊等公共区域的标高控制对医院建设至关重要，否则容易导致空间过于压抑，影响就诊和工作体验。基于BIM的管线综合技术通过建立机电管线模型，基于三维模型进行管线分析和优化，解决各机电专业间管线碰撞、二结构留洞、装饰装修吊顶标高等疑难问题，可有效提高机电管线的施工操作简易性、提升使用净高、优化室内空间深度。在儿科综合楼项目中，通过BIM技术将门诊大厅净空从3.55 m提高到3.95 m（图4）。

3.1.3 基于BIM的人流分析

医院建筑内部存在医护人员流程、病人就医流程、污物运输流程、洁物运输流程等不同流程。医院建筑设计应以人为本，尽量做到病人、医护人员流程简单，洁物分流，不出现人员过于聚集的地方。应用BIM模型和人流分析软件可进行三维的人流模拟和疏散模拟，保障医院建筑满足医疗需求。

图4 管线综合和净高优化

3.2 基于BIM的招投标管控技术

建筑施工招投标一般采用广联达、鲁班等算量软件根据招标图纸建立三维模型，然后进行工程算量。该方式建立的三维模型未能集成设计模型，也难以在施工管理中使用。而直接采用BIM软件基于BIM模型进行算量，可实现设计、招投标、施工跨阶段的信息集成与共享，更适用于基于BIM的全过程管控技术。

在新华医院儿外科楼的应用探索发现，基于BIM的算量与传统算量软件在原理和结果上基本一致，但可节省大量建模工作量。另外，基于BIM的算量可将各个构件的工程量和清单导出为Excel文件，供建造过程的产值计报、竣工结算等使用。基于BIM的算量软件在混凝土结构、砌体结构、钢结构等专业较为准确，技术上已比较成熟。但是由于图纸仍是法律规定的设计成果，基于BIM进行算量应用仍不够广泛，仍未被相关主管部门接受；因此基于BIM的算量结果仍是辅助性数据，仅供参考。

3.3 基于BIM的建造管控技术

基于BIM的医院建筑建造管控技术可实现施工方案模拟、进度管理、质量管理、安全管理等方面的可视化、精细化、流程化管控，支持项目各方面信息的自动收集和集成。

在儿科综合楼建造过程中，项目部应用施工总承包方自主研发的基于BIM的智慧建造平台进行总体管控。院方、监理、设计方、施工总包和各个分包均可基于该平台进行管控，具体包括以下功能。

3.3.1 进度管理

基于BIM可实现施工进度查看、施工计划管理、实际进度录入和进度对比分析等。可结合录入的实际进度和计划进度分析各施工段的进度执行情况，在三维视角下查看超时未开始、超时未完成的工作（图5），从而方便业主有针对性地推进工程进度。

图5 进度对比分析

3.3.2 质量管理

基于BIM的质量管理，支持管理人员通过手机微信发起、处理、关闭、追踪工程质量整改单。监理和业主使用微信拍照、输入文字或语音描述，发起质量问题；BIM平台通过微信自动通知相关施工单位；施工单位使用微信直接将处理后的情况通过照片和文字方式提交，实现在线的质量整改管理，方便业主分析项目质量通病和提高质量问题整改的及时性。在施工现场，管理人员也可以通过iPad查看BIM模型与现场的区别，发起质量问题（图6）。

图6 使用iPad查看BIM模型

3.3.3 安全管理

基于BIM的安全管理可将施工现场的视频监控与BIM模型集成，支持在BIM平台中调用选定位置的视频画面，辅助对施工现场进行安全监管。

3.4 基于BIM的运维管理技术

医院建筑不间断运营，管理难度大，风险高。传统基于二维图纸或示意图的方式，对楼宇设备运行进行管控，不直观，容易形成知识孤岛，仅仅存在于个别人脑里。通过BIM与楼宇自动化系统、报修等运维信息系统数据的融合，实现基于BIM的三维可视化运维管理，支持结合医院运维需求进行综合分析、评价，达到主动式运维管理的目标，可全面提升医院建筑精细化管理水平。核心技术包括运维BIM模型构建和基于BIM的集成运维管理。

3.4.1 运维BIM模型构建

运维BIM模型构建通过施工BIM模型向运维BIM模型的转化，然后集成现有运维信息系统数据与BIM模型2个步骤实现。新华医院儿外科楼试点研究表明，面向运维的BIM构建要求在BIM建模时考虑以下几个方面问题：

1）建立房间或空间单元，录入房间的功能、使用单位等信息，支持空间管理。

2）建立机电安装设备与管线的物理连接，支持基于BIM的系统逻辑结构生成与展现，辅助运维。应用BIM，可在三维视图中查看楼层空调箱的空气流向、上下游阀门、下游风口、上游冷水机组等（图7）。

图7 基于BIM机电设备上下游分析

3）建立包括真实材质的精装饰和机电模型，基于BIM提供高真实感的场景，辅助可视化运维管理、运维操作培训。

4）建立楼宇自动控制系统各项监测数据与BIM中相应设备的对应关系，实现动态运行监测数据与静态BIM信息的集成，达到基于BIM的机电系统运行监控。譬如基于BIM的污水处理系统监控情况（图8），可在三维视图中查看沉淀池的水位高低情况，提升泵的启停情况，以及污水处理系统的水流流向。

图8 基于BIM的污水处理系统运行监控

3.4.2 基于BIM的集成化运维管理技术

基于BIM的集成运维管理技术支持护士、病人等用户通过手机微信报修，并快速录入报修位置和问题描述。譬如A房间空调制冷效果不佳，病人或医护人员在微信中报修，接着后勤服务中心应用BIM运维平台接收到报修问题，在BIM中定位到A房间，并可定位到A房间空调风口对应的上游空调箱C；然后，调取该空调箱C的BA监测数据，查看其出风温度、过滤网压差等信息，分析是否有异常情况（图9），并可以调取空调箱C附件的视频监控画面了解现场情况。如果发现该空调箱C有异常情况，将报修信息、空调箱C位置、动态监测数据和异常情况发送给维修班组管理，从而提高维修效率，减少维修班组多次往返的时间。基于BIM的集成化运维管理技术实现了报修服务、设备监测、视频监控和BIM系统的集成，可逐步形成建筑全生命周期大数据，并探索基于大数据挖掘的智能运维技术。

图9 基于BIM的机电设备运维管理

4 结语

结合上海新华医院儿科综合楼建设实际案例，探讨了基于BIM进行医院建筑建造全过程管控的体系架构，以及各阶段基于BIM进行管控的要点和应用价值。研究和实践表明，目前BIM技术可以初步支持基于BIM的医院建筑建造全过程管控，包括设计阶段的空间规划分析、人流分析和管线综合，招投标阶段的算量与成本预算，建造阶段的进度、质量、安全管控，以及运维阶段的可视化、集成化设备运行管控和空间管理；但在应用软件和集成平台方面仍需要进一步完善，在管理体系和流程方面仍有不少阻碍，需要进一步改革和推动。