基于BIM的传染病医院施工质量控制

章 明， 董金华， 林 玲

(1. 中南建筑设计院股份有限公司，湖北 武汉 430071；2. 华中科技大学 土木与水利工程学院，湖北 武汉 430074

新型冠状病毒肺炎是我国建国以来最严重的一次公共卫生事件，新冠肺炎疫情中暴露出我国传染病医院数量、床位严重不足等问题，未来仍有可能爆发超大规模疫情，因此，建设传染病医院是当下的重要任务。根据国家统计局统计，2020年我国医院总数达到3.5万个，根据我国卫生健康统计年鉴，2019年我国传染病医院只有171个[1]，传染病医院数量不足、医院床位不足是导致疫情进一步扩散的原因之一[2]。根据《国务院办公厅关于推动公立医院高质量发展的意见》，我国要建立健全、分级、分层、分流的重大疫情救治体系，加快推进传染病国家、区域等医疗中心的建立。因此，改造和新建传染病医院是现在的新形势。

传染病医院项目具有医疗级别高、建设体量大以及质量要求高等特点，对于污染物处理、空间气密性以及平疫结合应用等方面有更高的要求。传染病医院建设质量管理比传统医院项目质量管理更为复杂。传染病医院项目施工专业繁多且交叉作业导致现场施工质量控制难度大，对参与人员技能要求高，部分专业需要进行现场二次深化，导致工作任务会在时间和空间上部分重合，如果衔接不当，可能造成不利后果。

当前关于传染病医院施工质量控制的研究主要集中在传染病医院建筑设计方面。例如Lu等[3]分析了医院病房地层通风、混合通风、向下通风和位移通风四种通风条件下各自污染物浓度分布和污染物去除效果，研究结果表明，地层通风模式下病房的污染物去除效果最好，建议医院病房采用地层通风设计。周静文[4]分析了传染病医院建设中的项目工程质量管理在项目建设各阶段的控制要点，并指出在已有的医院建筑工程中，大部分项目的质量管理仍是以施工完成后的质量验收检查为主，且存在工程项目质量管理水平低下、管理效率不高、工程质量管理评价体系不健全等问题。王围伦等[5]分析了从传染病医院建设中的气密性问题，总结出精准定位开孔、机电管线密封处理等施工控制措施。

已有学者提出在工程施工管理过程中运用BIM(Building Information Modeling)进行施工质量控制，尽可能减少项目施工质量问题[6,7]。通过BIM与其他技术结合，建立各种施工质量管理方法，寻求更好的质量管理方式[8,9]。Calvi和Martin提出面向虚拟设计施工的POP(Product，Organization，Process)建模方法，他们认为，POP模型与过程和组织相结合，能为虚拟设计施工提供更全面的方法。也有研究学者考虑到BIM在施工质量管理中的优势，提出将BIM与POP数据结构相结合，以改进当前的质量管理流程，并开发基于BIM的大型项目管理平台[10,11]。

为了提高传染病医院施工质量，综合解决传染病医院建筑本身结构复杂、施工过程难度大、建设人员多且管理复杂等问题，本研究建立基于BIM的传染病医院施工质量控制体系。将BIM与POP质量数据结构相结合，明确传染病医院施工产品(Product)、责任人(Organization)、产品形成过程(Process)三者之间的关系，为传染病医院施工质量控制提供更全面、更有效的管理办法。本研究还以武汉市某传染病医院为工程背景，进一步探究了该体系对传染病医院施工质量控制的有效性。

1 传染病医院施工质量控制难点分析

目前，我国已有的传染病医院建设规范主要有国家标准GB 50686-2011《传染病医院建筑施工及验收规范》[12]、GB 50849-2014《传染病医院建筑设计规范》[13]和建筑标准《传染病医院建设标准(建标173—2016)》。现有的传染病医院建设规范与标准均颁布于新冠疫情之前，经过实际使用情况检验，之前的建设标准不能完全满足现在的建设要求。例如“三区两通道”具体怎么设计，各区域该如何划分，还有部分医技科室的层高要求不同于一般病房，但相关规范并没有具体的指示。

传染病医院的特殊功能用房建设是传染病医院建设的重点，比如负压病房与医技科室，二者在施工工艺、材料设备、室内装修、安装环境等都提出了特别要求，必须采取严格的施工质量控制措施对其进行质量保障。负压病房要求不同污染等级房间的压差不得小于5 Pa，并严格控制整体构造的密封性，房间材料需使用易清洁、耐消毒、耐腐蚀的建筑材料，每个病房的通风空调系统需独立设置。医技科室是医院的技术支持系统，医技科室的布置除了满足整体医院的布局外，房间内部的设计还要考虑人、物流线设计以及医疗设备更新换代对空间设计、平面尺寸与布局的要求，此外，对部分会彼此影响的设备在空间布置上还需要做特别处理，如磁共振设备、CT机不能相隔太近。具有放射性的科室需做好辐射防护措施。

传染病医院施工与一般医院施工不同的质量控制难点可以主要分为建设产品、形成过程、人的因素三个方面。

(1)建设产品质量控制标准高

建设产品质量控制标准高，难度大。传染病医院建设涉及到超过20个专业工程[14]。众多专业工程不仅会造成设计图纸复杂，而且施工时会造成施工作业面交叉产生施工冲突，给管理带来一定负担。

区别于一般医院，传染病医院项目中机电、给排水、暖通以及物流等系统施工有气密以及防渗等特殊质量控制要求，进一步提高了设计与施工质量标准，需重新确定质量控制点，对于质量控制的重点环节和薄弱部位进行重新识别与分析，从而控制最终建设产品满足要求的程度。

传染病医院建设关键质量控制点除了包括一些比较常规的关键质量控制点外，还有一些传染病医院建设特有的质量控制点，主要有空间功能分区、空气流向、建筑气密性、雨污分流处理、建筑防渗漏水等方面。例如，GB 50686-2011《传染病医院建筑施工及验收规范》中规定传染病医院通风空调系统各类装置应严密、调节灵活、操作方便。空调净化系统宜选用风压变化较大时风量变化较小的风机。空调净化系统风管加工前应进行清洁处理，施工过程中应保证风管不受污染。污染区和半污染区排风管道的正压段不宜穿越其他房间，排风机应设置在室外排风口附近。负压隔离病房的通风系统要求排风机与送风机连锁，排风机先于送风机开启，后于送风机关闭。空调机组安装时应调平，并做减振处理。因此，为了保证建设产品质量，需将施工中的关键部位与薄弱环节作为重点控制对象。

(2)工作过程质量控制难度大

传染病医院项目中一些专业要求比较高的专业需要进行二次深化，深化过程中产生潜在的设计、施工冲突以及可能导致的大量现场协调与返工任务，将进一步造成产品质量问题。传染病医院的专业工程比较多，实际施工时，深化设计往往与土建施工同步进行。如果缺乏迅速有效的专业协调工作可能导致土建已经施工但不符合深化设计要求导致返工的情况。同时，由于相应的配套工程多，而且每个配套工程都需要相应的施工工作面，施工过程中经常会遇到多个专业、多个工种同时开展工作，多种材料、多种设备同时在现场运作，协调不当则会导致专业与专业之间、工种与工种之间、设备与设备之间发生冲突，影响施工的进度和质量。

对于关键部位除了关注产品质量，还需要在形成产品的过程中严密控制工序质量，将可能的质量缺陷消除在施工过程中。例如，在医用气体工程施工过程中，医用气体管道安装是其重要组成部分。医用气体管道主要使用无缝铜管和无缝不锈钢管，在管道焊接时为了防止管道内部高温氧化产生碳渣，产生由管道内部碳化形成的颗粒物导致的医疗气体污染，需要充入氮气或氩气进行管道内部保护。医用气体管道、阀门和仪器在安装前需进行内部清洗并进行脱脂处理[15]。进入污染区与半污染区的气体管道需设置套管，套管内的管材不得有焊缝与接头，管材与套管间用不燃材料填充并密封。管道的安装支架应做防腐处理，两者接触处应做绝缘处理。在这些关键质量控制点进行过程中需要进行严密的监控与检查，明确质量责任人。

(3)参与主体专业技能要求高

参建人员权责不清会导致建设时某些地方该行使某些权力的时候不实行，出现质量问题时拒绝承担责任，造成项目建设质量形成过程中得不到应有的保障。组织与操作人员的专业技能对施工过程的工作质量以及最终产品质量有着极大影响，因此对施工人员专业技能和职业素养提出了更高的要求。明确每项构件产品及其对应工序的实际责任主体，建立施工责任人与产品、过程的对应责任关系，能提高参与主体的可靠性，从而进一步提高项目整体的质量。

除了上述质量控制难点，传染病医院施工还存在施工规范、标准不全、施工人员对传染病医院质量要求认识不足、施工过程中质量反馈不及时等问题，这些最终都会影响传染病医院施工质量，迫切需要信息化手段引入，为质量管理提升效率。

2 基于BIM的传染病医院施工质量管理体系

目前BIM已经可以较好地解决图纸设计与深化设计中存在的问题。POP质量模型可以将项目产品、施工过程与施工组织结合起来进行统筹管理。因此，集成BIM与POP两者的优点，将BIM 4D进度模型与POP质量模型链接，形成BIM 5D质量模型，建立基于BIM的施工质量管理体系，对传染病医院施工质量全过程进行更优控制，并以传染病医院空气流向控制涉及的门窗部分工程施工质量控制为例进行实例分析。基于BIM的传染病医院施工质量控制流程可以按项目施工前质量控制、施工过程中质量控制、施工后质量控制三个过程对施工全过程展开质量控制。如图1所示，通过BIM对施工方案进行优化，对施工中的质量控制点进行重点管理。利用BIM 5D质量模型对施工过程中的质量进行动态管理。在BIM强大的数据支持下，可以实现各种施工文件的电子化，减少纸质文本造成的信息交流不便、信息不易保存等问题。

图1 基于BIM的施工质量控制总体流程

与传统方法相比，POP质量数据结构能够更好地帮助施工过程中的协调、可视化和规划。产品建模即通过图纸等信息建立BIM模型。产品-过程建模可以理解为在三维BIM模型的基础上，加入施工进度控制，形成BIM 4D模型。组织-过程建模是指模拟组织在产品形成过程中组织内部、组织与产品之间的交互，能够预知组织内部协调矛盾、组织工作拖延，组织之间交流不畅等问题。

(1)施工产品模板

施工产品模板集成了面向单个建设构件产品的标准允许偏差信息，以及本项目中对应的BIM模型代表的设计参数，包含构件的尺寸、定位、材质以及力学性能等。

(2)质量组织模板

项目质量涉及到的参与主体主要有建设方、勘察设计方、施工方和监理方等，其中施工质量责任主体包括施工总承包商、专业分包商以及班组等组织单位，各方对项目质量的形成与控制承担着不同的责任。因此，明确各项工作的责任人，明确其权利与义务，是确保施工质量的一大关键。

(3)施工过程质量模板

施工过程质量控制可以从质量控制点、工序质量以及工作质量入手。明确项目的质量控制点，按照施工进度，依次对控制点进行质量控制。其次，根据相应规范对施工工序质量以及工作质量进行控制，确保按规范施工。

集成施工产品、组织和过程三要素，建立基于BIM的POP质量数据结构。利用POP质量模型可以实现对施工过程中的每一道工序、每一个施工质量控制点、对应的每一个质量责任人实现明确、质量追踪与保障。以传染病医院通风系统为例，POP数据结构模型如图2所示。

图2 POP模型数据结构

通过前文对施工组织、施工过程质量控制、施工产品三者的分析，可以发现POP质量模型可以实现施工全员、全过程的质量控制。这个模型为BIM施工质量控制提供了理论依据与方法。

2.1 BIM 5D质量控制模型

(1)基于BIM的质量控制点设置

将与传染病医院项目相关的法规、标准、规范、质量通病、用户评价与反馈等数据进行归类与分析，形成传染病医院项目质量控制数据库。根据具体的项目特征及规模等影响因素，生成项目对应的质量控制点数据表，将控制点与BIM模型进行挂接，进一步明确三维设计参数与质量允许偏差，形成可视化的质量控制模型。通过应用不断积累新的数据扩充与更新库内部数据，使得之后给出的项目控制点结果更准确全面，图3为质量控制点形成与库更新交互流程。

图3 质量控制点形成与库更新交互流程

(2)基于BIM的5D 质量信息集成

基于BIM的5D质量信息集成是以BIM的4D进度模型为基础，再将前文描述的POP数据结构集成在进度模型上，形成5D质量模型。BIM融入POP质量模型，赋给BIM的构件质量参数、施工过程质量控制和组织等质量控制信息。BIM环境下POP数据结构中必须明确构件的施工人员、监理人员、验收人员等全面的人员信息，当发生质量问题时，可以通过该5D模型查找具体责任人并进行追责。

2.2 基于BIM的5D质量模型应用

(1)碰撞检查与图纸审查

传染病医院除了包含常规的公共建筑机电功能系统外，还涉及到很多医疗专项机电系统，例如医用气体系统，医院常用的医用气体有氧气(O2)、氧化二氮(CO2)、氩气(Ar)、氦气(He)和氮气(N2)等，每一种气体都需要专有管道。这导致医院的管线排布错综复杂，难以布置。通过BIM平台的各专业协同化设计，可以实现对管线布置风格和标高体系的统一管理，并对综合管线布局的位置、标高进行碰撞及交叉性检查，形成碰撞检查报告，技术人员可以根据碰撞检查报告准确找到碰撞点，对碰撞点进行移位或调整等操作。

传统的施工图纸方式主要以人工查看二维图纸为主，一个项目的施工图纸审查内容许多是重复的，审查速度较慢而且容易出错。基于BIM的图纸审查可以非常好地避免这些问题，能快速高效地提取图纸信息并完成审核工作，给出审核意见。

(2)施工方案模拟与技术交底

施工方案可视化模拟是指将原来图纸上的二维图形和施工方案里面的文字通过仿真技术以三维动态的形式进行表示，对于传染病医院这样的复杂工程来说，可以向施工者直观地展示出施工部署、施工流程和施工工艺等完整的施工方案，便于施工人员理解和执行。同样，施工方案可视化模拟也可以为施工方案优化和选择提供辅助。

传统技术交底主要依靠平面图纸和文字，不易直观形象，不便于施工人员理解和掌握。运用BIM的可视化、虚拟施工技术制成动画视频可以帮助施工人员更好地理解工程施工步骤和要点，尤其是复杂节点的施工要点，保障施工质量。

(3)基于BIM 5D的过程控制

现场质量管理时，使用手机、平板电脑等移动设备和测量工具完成对施工现场质量评定并上传到BIM质量管理平台。发现质量问题并上传到平台后，相关质量负责人员借助BIM模型进行问题分析并给出整改方案。项目整改后，再进行现场质量管理，检测是否满足要求。整个过程通过PDCA(Plan-Do-Check-Act)循环不断地对施工过程进行检查控制直至项目完工。施工现场质量信息管理流程如图4所示。

图4 施工现场质量信息管理流程

3 实证分析

湖北省武汉市某人民医院是在建的平战结合三甲综合医院。该项目总投资27.9亿元，总占地面积14万m2，总建筑面积24万m2。该医院设有传染楼、住院楼、医技科室综合楼、科研楼、直线加速器及核医学用房等多种功能用房。该医院设计传染病楼床位200张，住院楼床位1000张。住院楼床位经设计可以全部转换成传染病床位。本项目要求实现医疗服务系统智能化、物流传输系统自动化、人车分流交通系统人性化以及平战功能快速转换。项目建成后将大大提升公共卫生事件突发时的功能转化，提高医疗资源利用率，提升城市整体救治能力。项目工期一年左右，需要边设计边施工。本项目建筑面积大，而且工期紧、任务重，质量要求高、施工工艺复杂。本项目既涉及到传染病医院建设也涉及到综合医院建设，两种类型的医院建设各有标准，因此对项目施工提出了更大的挑战。

3.1 BIM 5D质量模型建立

通过BIM快速建模插件，使得BIM软件能够完成对BIM图纸信息的快速提取，实现建模的参数、匹配规则的自由选取与确定，并能够有效避免平面图纸导进BIM软件时信息丢失等问题，快速建立BIM三维模型。传染楼建筑结构BIM模型如图5所示。

图5 传染楼建筑结构BIM模型

根据质量数据库中的产品模板结合本项目专有施工质量要求，确定项目的质量控制点。通过建筑标准与规范、设计要求与施工组织设计以及施工各方合同关系，建立本项目的POP质量数据结构，并将此POP质量数据结构链接到BIM 4D模型中，建立BIM 5D模型。

3.2 BIM 5D施工质量控制

(1)施工前质量控制

通过碰撞检查，可以检查出本项目设计中管线布置以及结构梁板柱布置是否出现碰撞并进行设计优化。图纸智能审查可以快速审查出设计图纸中的错误，比如通过智能审查，发现传染楼门诊大厅某处排风立管外露，精装图纸中缺少相关细节，如图6所示。由于机电管综合排布，精装风口处上面管线较多，机电风口位置无法和精装风口位置一致，需要进一步设计优化与调整，如图7所示。

图6 某处排风立管外露

图7 机电风口点位与精装风口点位

(2)施工中质量控制

根据项目实际情况制定施工进度计划，并将其细化到每个BIM构件中。施工时施工人员能正确掌握每一个构件的计划施工时间以及构件之间的先后顺序，反馈每个构件的实施施工时间，模型能通过分析给出当前施工进度总体情况，有助于进度计划调整。图8为本项目传染楼的4D进度模型。通过对相关国家规范、标准以及行业标准等的收集整理，明确每个构件的质量控制信息，完成BIM 5D 模型构建。例如医用气体管道安装工程，其主要的质量控制信息如表1所示。在施工过程中，现场质量管理人员可以通过测量并与对应的BIM模型对比，发现施工中存在的质量问题并反馈给对应的质量责任人。

表1 医用气体管道工程质量控制项目

图8 传染楼4D进度模型

4 结 语

本文在总结传染病医院项目质量控制重难点的基础上，提出了基于BIM项目的质量控制方法。为了描述项目质量数据结构，引入POP模型表达控制对象、形成过程、责任人等多维度信息。构建了以BIM模型表达可视化设计参数，以POP质量模型表达验收规范的BIM 5D质量管理模型，支持质量控制点设置、偏差测算、现场同步验收等工作。通过武汉市某传染病医院的案例进行实证分析，为保证传染病医院项目质量控制提供了信息化与可视化的方法。为后续类似工程提供借鉴与思考。