城市疫情时期应急医院的模数化设计的实现与优化*——基于武汉案例的医疗空间分析

赵秀敏 胡哲榕 石坚韧

导语

建筑模数是建筑走向工业化和产业化的基础，是建筑标准化的依据。周藤（2006）研究认为，在过去砖混结构大量应用的时代，设计师习惯于按照砖和砌块的模数布置门窗洞口，避免大量砍砖。在构件工厂化生产中，比如钢结构或者预制板结构的建筑，设计师习惯于进行合理排版，按照预制板的规格设计建筑的开间进深尺寸，减少板材和构件种类，来加快施工进度，实现工业化生产[1]。

1 数字时代下模数化设计背景

许牧川（2012）基于工业革命18世纪在英国的爆发，直至延续到19世纪末，工业化广泛影响了社会的各个方面，包括建筑行业的发展和人们的城市化生活。新的动力利用和能源分配快速改变了19世纪前的城市样貌，新的生产和装配工艺运用，改变着当时城市建筑的构造逻辑、外形和材质。多层、大跨度建筑中钢铁和钢筋混凝土的使用则增加了新型建筑出现的可能性。工业革命不仅剧烈影响着建筑新技术的不断产生，也刺激着建筑师创造性地将新的制造工艺运用于新的建筑方式和构造，同时迫使建筑师们不断与新的设计流程保持步调一致。其中，基于模数化的单元分割的组织法原理，非常简单直接地将建筑方式与大规模的工业生产联系了起来。模数化组织法号称打破了19世纪以前的传统的封闭的静态空间概念，以开放、协调、高效和规律的方式来组织空间，最终带来了城市建筑的进化、发展和变革。模数化原则因而在一定时期内被建筑师们奉为现代建筑必需的组织条理、视觉定理和变形法则，成为现代主义建筑的标志性表现之一。这一原则，在数字化时代，更是通过计算机的巨量运算功能，得以衍生发展，从而生成了更多的有机的设计[2]。

戴明（2006）认为，随着时间的推移，计算机也逐渐成了建筑师不可缺少的设计工具，建筑师的设计方式、思维方式也在这一过程中悄然发生着变化。所以，对于信息技术条件下的建筑设计研究，不仅有助于探讨信息技术在建筑设计领域的具体应用，也即作为一种设计工具和手段而存在的信息技术，同时也有助于探索在信息技术条件下的全新的建筑设计方式和设计理论，以便更好地理解，并最终在为人们提供符合新的时代要求的建筑，同时还能应对各种突发情况下的社会相关问题[3]。

BIM（建筑信息模型化）设计模式正随着科技的进步逐渐开始实践普及。传统建筑业的绘图工作以2D计算机辅助绘图来传达设计者的构想，虽然增加绘图效率，但因图纸说明常过于简化，导致信息传达错误或因猜测而产生错误的判断，此外若非专业领域人员，较难理解与明白2D平面视图真实内容与意义，因此需花费许多时间让各工程单位相关人员完全了解大量图纸说明内容，由于不同的团队对于图纸说明因个人背景与环境差异通常有不同的解读。建筑、结构、机电这三项主要的建筑系统皆为独立设计，当大量建筑信息传递给项目其他阶段参与人员时，造成参与人员对信息必须重新解读，解读过程中信息容易产生遗漏或冲突，形成信息传递的逆流情形。而BIM整合建筑物，从规划设计至运营维护阶段，全生命周期的建筑物信息整合于单一模型，以数据库形式及参数式组件的概念有别于传统2D平面绘图的概念及工作流程。BIM改变了现今建筑产业的普遍做法，增进了团队之间的协同作业，更纳入不同领域的信息整合。实现建工行业飞速发展，将土建、造价、装配式等这些原有的信息孤岛连接起来，可实现数据信息实时共享。但大量的信息结构被连接也会造成繁杂错乱的问题，因此BIM设计模式通过模数化的设计手法对信息结构进行打包优化，方便统筹管理项目整体。

其次，模数化的优点常被认为是易于复制、 删减和替代，能够很好地处理好各形式变换的问题。但是，一个简单的系统是不可能适应各种复杂情况的，想拥有强大适应性的意图往往受限于系统的特定性原则。应对错综复杂的环境，模数不仅应该包含累积重复，还应包含不同规格模数形式的变化体。模数化的变革依赖两方面：模数的机动性和可衍生性。模数化可通过衍生式发展的原理，像自然生长一样，可根据环境按照一定的原理进行变化。这使得模数化的增长呈现非线性发展。在一定的生产规范上增加模数量，不仅能提高模数化设计的适应性，也很大程度上控制了生产造价、加快了施工速度，对各种突发性状况能灵活处理，解决社会问题。

2 以火神山医院建筑设计为例

章琮（2013）研究认为，应急建筑的历史可以追溯到人类开始建造棚屋的行为,但是近代把应急建筑单独划分出来自成为一个领域，应急建筑的雏形是在一个漫长的人类历史中逐渐形成的，并不是突然出现的一个新的建筑领域[4]。黄泓桦（2019）发现。在国内应急建筑又被称为临时过渡房或临时安置房等。应急建筑在其特定功能的要求下，主要特性有短暂性和过渡性。短暂性是指使用时间较为短暂，单次使用时间和整体生命周期都比永久性建筑短；过渡性是指在过渡到永久性安置住所前，为灾民提供不同阶段的临时性庇护场所如帐篷和活动板房，其时效性由重建工作的开展进度决定。在永久性住所建设完成前，应急建筑需要为灾民提供遮风避雨的场所，而且还应该具备一定的舒适性，体现人性化关怀[5]。

火神山医院建筑设计是在新型冠状病毒突发状况下，为缓解中心医院压力，为病患提供就医环境与隔离病原体，快速建造的一种临时性应急医院（图1）。

图1 火神山医院鸟瞰图

王平和刘阳杰（2019）认为，用预制构件、部品、部件装配而成的建筑就是装配式建筑[6]。同时王佩东（2019）发现，随着绿色工地、文明工地、智慧工地在建筑业中的地位不断攀升,传统施工方式已经很难适应绿色、环保发展要求，装配式建筑作为在技术革命下诞生的产物,具有诸多优点,如质量坚固、对环境友好、能大量节省劳动成本等[7]。建筑业的转型升级迫在眉睫,装配式建造作为新的建造方式应运而生。

建筑模数化装配式设计是标准化的一种表现形式，以使建筑构配件和组合件实现规模化生产，并使不同形式、不同制造方法和不同材料的建筑构配件、组合件符合一定模数与标准，可达到较大通用性和互换性的目的，最终实现加快设计速度，提高施工质量和效率，综合降低建筑成本。火神山医院就是非常典型的建筑模数化装配式设计。

火神山医院借用模数化设计高效多变的特点，设计制定了基本模数模式，并考虑材料施工等多种方面，与施工单位沟通后采用装配式集装箱箱体活动板房进行模块化拼接，板房形成标准单元，且接地处采用架空的方式，从而实现最快速的建造（图2）。在火神山医院开工的第四天就可以安装。

图2 集装箱式模数示意图

模数化不仅分为材料模块化，还有功能模块化（如图3—4）。

图3 病房区模块化功能示意图

图4 诊疗区模块化功能示意图

医疗建筑看似千头万绪，但实际上其功能格局具有很强的规律性。以综合医院为例，其建筑功能分为门诊、急诊、医技、住院、后勤保障系统、行政管理和院内生活这七部分。门诊、医技、住院和后勤保障最为核心。由于门诊部和住院部均与医技部有着密切联系，因此医技部往往设置在门诊部和住院部之间，三部分之间由一条贯通的走廊——医疗主街相互连通。后勤保障部维持整个医院的运行，其他部分形成辅助，共同构成医院完整的功能格局（图5）。

图5 医院功能模块关系图

模数化设计也因其模数单位的相似性，模数变化的规律性，模数组合的衍生性，构成了一个完整严谨的逻辑体系。这恰恰完美契合了医院的功能布局。火神山医院在快速搭建的情况下又能良好地进行空间布局，最终达到质与量的统一（图6—7）。

图6 火神山室外流线图

图7 火神山平面功能分区图

火神山医院平面布局的基本要求是“三区两通道”，三区是指清洁区、半污染区和污染区。建筑平面采用鱼骨状形式，在分区划分时考虑到医务人员要有自己的清洁工作区和对应的连续通道，平面布局上正中间的一条轴便是清洁区、通道和工作区，中轴两侧的布置都是病房单元，在清洁区与病房单元之间是半污染区，病房单元中的病房为污染区，即医护人员和病房接触的过渡段，医护人员的很多工作都在半污染区里完成。病人的通道是在每个护理单元的外侧，因此病人通道与医护人员的通道是各自独立的，由此保证医护人员不被感染（图8）。

图8 病房区医患动线分析图

模数化设计规整有序的特点对传染病医院需要明确分区的设计起到了帮助，做到了区与区之间理性划分，通过模数组合梳理出中轴通道和侧轴通道，层层而下逻辑清晰，合理进行功能分区，做到洁污分流、医患分流，避免院内感染。且矩形的模数不仅最大限度地增加病房量满足供需，也方便了各病房的合理布局，满足卫生、日照、采光、通风、消防等基本要求。

至于各专业之间的协同，火神山医院采用BIM设计模式提高项目质量和效率，减少后续施工期间的返工，保障施工工期，节约项目资金。BIM的价值主要体现在5个方面：可视化、协调性、模拟性、优化性、出图。

可视化在建筑业上作用巨大，例如，经常拿到的施工图纸，只是各个构件的信息在图纸上采用线条绘制表达，但是其真正的构造形式需要建筑业参与人员自行想象。BIM提供了可视化的思路，将以往线条式的构件形成一种三维的立体实物图形展示在人们面前，使得设计师和业主等对项目需求是否得到满足判断更加明确、高效，使决策更为准确。

在设计上，常常由于各专业设计师之间的沟通不到位而出现各种专业之间的碰撞。BIM的协调性可以帮助处理这种问题。也就是说，BIM可在建筑物建造前期对各专业的碰撞进行协调，生成协调数据。

模拟性表现为，BIM将原本需要在真实场景中实现的建造过程与结果，在数字虚拟中预先实现，对设计上需要进行模拟的一些内容进行模拟实验，例如：节能模拟、紧急疏散模拟、日照模拟、热能传导模拟等。在招投标阶段和施工阶段可以进行4D模拟，根据施工的组织设计模拟实际施工，从而确定合理的施工方案来指导施工。同时，还可以进行5D模拟，实现成本控制。后期运营阶段可以进行紧急情况处理方式模拟，例如地震时人员逃生模拟及消防人员疏散模拟等。

在优化性方面，目前基于BIM的优化主要包括项目方案优化和特殊项目优化。项目方案优化可把项目设计和投资回报分析结合起来，设计变化对投资回报的影响可以实时计算，还可以对施工难度比较大的项目进行优化。

至于出图，那更是BIM相比于CAD的最大优势。操作者可随机同步提供、阅读BIM模型内任何专业、任何节点、任何时间段的图纸、技术资料和文件。

在这一技术理念模式的支持下，暖通专业迅速精准配合建筑结构，包括净化空调系统，排风系统，实现各个区域不同空气压力梯度，洁净区＞半污染区＞污染区，控制院内空气流通方向。给排水系统管材迅速而精准地配合建筑结构，选择便于快速施工、接口牢固的管材，加快施工进度，减少运行期间维修量。而简洁便利的建筑模数结构，能精准快速的配合给排水、暖通空调、强电、弱电（包括信息网络设施系统）、医疗气体（尤其是氧气）系统的安装、搭建。

刁卓越（2019）发现，舱体在建筑设计中的运用极为广泛，其中集装箱尤为出彩。无论是作为校园装置还是商业建筑，集装箱都发挥着独特优势。相较于传统的建筑，从实用的角度来说，集装箱的承载力较强并且方便装运，便于移动，也可以二次使用，具有可持续性；从设计的角度来说，设计师可把集装箱作为一个单元体，一个模数，在此基础上对其进行设计。[8]集装箱模数的使用也减少了主体结构的搭建，在紧急情况下交叉作业，可使多项工序并行，尽可能缩短工期的目的（图9）。

火神山病房区采用3 m×3 m的模组，但在局部设计上仍有瑕疵，譬如单人病房间缓冲区、病床和卫生间应统一靠墙一侧，使通道成一直线保障流线的贯通，减少医护及病患因回转问题产生的不必要的碰撞。此外，3 m模组勉强可满足轮椅的回转，但一旦遇到需要担架的病患就会出现问题，因此在缩减走道模组的前提下，应适当增加病房模组的尺寸（图10）。医技部不应沿用病房区3 m×3 m的模组，而应改为1.8 m×1.8 m。一方面是因为没必要与病房区模组统一；另一方面，模组减小，空间布局更灵活，可以更好地适应复杂的情况（图11）。

图9 集装箱式模数化组合图

图10 单双间布置及回转问题图

图11 医技部功能布置图

且模组化设计具有易搭建易拆除的特点，与火神山医院完成使命后的后续处理十分吻合。集装箱模式的设计本身与基地不属一个体系，在拆除之后对原场地的影响几乎没有。这也刚好避免了发生应急情况后对原有社会资源浪费和破坏的问题。

3 模组化设计应用

目前的模组化设计着重于“模组+协调”的原则方法。就是把部件规格化、通用化，使部件可适用于常规建筑，并可满足各种需求。低层轻钢建筑不仅能够满足建筑功能要求，满足承载力要求，而且节能、节水、节材和保护环境，更好地满足了绿色建筑的要求，真正实现对资源的高效利用和循环利用。它是绿色建筑的重要代表，在发达国家已被广泛应用。

模组化实施最重要的就是构配件模块的设计。杜玮（2014）研究认为，模组化实施主要就是构配件加工工厂化，施工简便化。在设计模组化、标准化的基础上，构配件有一定的规律可循，并且规格较少，具备工厂化生产的条件。所谓建筑物的工厂化率，主要就是指建筑物的构配件及其组合过程有多大部分是在工厂完成的，这是衡量建筑工业化的主要指标。低层轻钢建筑的工厂化率就非常高，它的所有建筑构、配件都可以在工厂加工完成，在现场装配完成，这样建造房子就像组装家具、搭积木一样简单方便，符合工业化生产的要求。建筑工业化施工方法与传统施工方式最大的区别就是现场构配件装配施工，不需现场湿作业。由于建筑构配件均为工厂化加工，精度很高，所以现场施工的精细化程度也很高，误差较小，施工效率高，可以大大节省工期，从而体现出较好的综合经济效益。低层轻钢建筑的现场施工更是非常便利，不需要大型施工机械，通过人工即可完成[9]。

在实际案例中，模组化设计有两种情况。

3.1 模组适应规范

在一定的生产规范下，可以适量增加模组量提高空间组合的灵活性，增加建筑对场地与需求的包容性。火神山医院整体采用的是3 m×3 m模组，医技区采用1.8 m×1.8 m模组，但由于3 m×3 m模组的单一性导致走道等空间过大或过小。可以增加2.4 m标准走道模组，这样既符合规范，又能节省大量材料和空间，同时2.4 m的尺寸方便生产，并不增加过多的成本。而多了一份模组就意味着产生了多种模组组合的可能性。这大大加强了空间的合理布局和极致利用。在特殊时期物资紧张的情况下，这对人力、物力都是一种合理分配和节约。

3.2 规范适应模组

设计始终是服务于人的，设计规范大都是从空间安全、合理、美观等人的需求角度而设立。在应急状况下，为满足一些必要的需求而舍弃一些次要的规范，对尺寸进行适量的调整，最终可达到模组化设计中模组组合方式的最优解。在火神山医院的实际案例中，理想房间距为20 m，但出于满足更多床位的应急考虑，此次医院设计病房楼间距为15 m。同时15 m也刚好在3 m×3 m的模组组合中，可加快模组化设计的施工速度，减少整体施工成本（图12）。

图12 火神山医院楼距示意图

可见，数字时代下模组化设计应秉持模组规范协调，信息智能建造的理念。

夏海山，李敏（2019）研究认为，这一理念主要体现在两个方面: 一是模组标准是建筑信息模型建立的数据规范性保证，以模组协调为辅助，为3D数据环境提供协同性保证; 二是减法式智能建造模式，为材料的零耗费和部件的可复用提供了技术支持，同时也提高了建造效率。[10]

4 结论

BIM的意义在于完善整个建筑行业从上游到下游的各个管理系统和工作流程间的纵、横向沟通和多维性交流，搭建一个或多个综合性系统平台，向项目投资者、规划设计者、施工建设者、监督检查者、管理维护者、运营使用者，乃至改扩建者、拆除回收者等不同业内从业者，提供一定时间范围内的涵盖工程各种项目的各类信息，并使这些信息具备联动、实时更新、动态可视化、共享、互查、互检等特点。而建筑设计模组化是将这些巨量信息进行整合打包优化，筛选有效信息，过滤重复信息，通过模组模块统筹整体。模组化的模块，通过预制生产、现场装配，将高效工作流程从设计层面延伸到施工实际层面，达到设计与现场的统一。特殊时期应急建筑的设计，借助BIM+模组化装配式的设计手法实现了项目全生命周期的信息化管理，并使项目高效运转迅速应对突发情况。