基于BIM的平疫结合医院设计*

章 明，詹健江，杨 冕，高 鹏，张 颖，黄心雨

(1.中南建筑设计院股份有限公司，湖北 武汉 545001；2.华中科技大学土木与水利工程学院，湖北 武汉 430074)

0 引言

新型冠状病毒(COVID-19)给全球经济、社会造成了严重冲击，全世界确诊人数在2021年10月份已达到2.3亿。在未来一段时间内，世界各地也将长期面对着变异病毒的威胁。针对疫情的反复性和变异性，常态化管控机制成为应对病毒风险的重要控制手段之一。中国国家卫生健康委规划发展与信息化司在2020年8月17日发布了《关于印发综合医院“平疫结合”可转换病区建筑技术导则(试行)的通知》，其中提出应当充分利用信息化、智慧化手段来提升综合医院“平疫结合”的智慧化运行管理水平，加快推进医院信息与疾病预防控制机构数据共享、业务协同，加强智慧型医院建设。

具有“平疫结合”功能的医院在设计上具有一定弹性，在平时状态下医院可收治常规病人，疫情期间转换为传染病医院，并在短时间内将大量的医院资源有序投入到传染病治疗中。这为医院的设计带来了极大的难度，需要根据顶层设计对建筑功能及服务系统进行突破传统的设计，使医院在不同时期高效便捷地完成功能转换与改造。因此，需要对设计成果进行反复的仿真与模拟，测试不同使用环境下多系统协同工作的可靠性与稳定性。

为提高项目实施效率与可靠度，需在设计过程中引入数字化仿真技术，对多种应用场景中的气流组织、通道流线等进行模拟分析。例如，中国火神山医院的快速建设就受益于BIM技术在设计阶段的应用[1]。因此，医院项目建设过程中可以利用BIM工具作为数据基础，并以正向设计理论为指导重塑设计流程。通过将“平疫转换”的设计理念与基于BIM的正向设计方法相融合，在设计信息共享的基础上，利益相关方能够实现 “平疫转换”信息的传递。同时，设计流程制定的BIM工作流能起到约束各专业的提资范围及深度的作用。

本文从平疫结合和BIM正向设计的重难点分析入手，梳理了“平疫结合”综合医院修建的必要性以及BIM正向设计的难点，介绍了将“平疫转换”融于BIM正向设计中的优势，并以某“平疫结合”综合医院为例，具体阐述了其平疫结合的BIM正向设计方案。研究表明，与BIM正向设计结合，并将转换方案以可视化方式呈现，利用建筑信息模型进行空间气流组织统筹、模块化管理等方面工作，有利于提高设计数据共享与业务协同效率。

1 基于BIM的平疫结合医院正向设计方案分析

1.1 平疫结合设计重难点

平疫结合医疗设施作为应对烈性传染病的重要场所，需要在设计上具有相对弹性，并能够在应对突发疫情时快速转换为应急医疗设施。其重难点包括3个方面：①总体功能布局；②通道流线布设；③病区功能变换。

1)总体功能布局

平疫变换要求医院在总体功能布局上灵活设置，能够实现在平时常规接诊和疫情爆发时的快速转换。普通综合医院的功能区域设置未完全考虑平疫转换的要求，缺乏应急区域和可供医护人员休息的清洁区域，这样的功能布局在突发疫情时会相应增加医护人员的感染风险。

为避免交叉感染，医护、后勤人员、疑似与确诊病患均单独设有出入口。除了清洁区和污染区，还应当设置缓冲区。合理规划总体功能布局，能够保证疫情状态下医院接诊能力不会骤减，从而保障医院的正常运行。

2)通道流线变换

在平疫转换过程中，配合病区的改变，为有效避免交叉感染，医患通道流线将发生变换。以雷神山医院为例，其内部设置为“三区两通道”。同时，设置医护通道与患者通道[2]。感染性病人应当单独设置进入口，其就诊流线应当与普通疾病患者分开。在平疫转换过程中，通道流线也将发生相应的变化。如何科学设置通道流线，能够避免交叉感染，有效保障医护人员的安全是平疫转换设计的关键。

3)病区改造

呼吸道传染性疾病治疗病房要求为负压病房，即要求病房内的空气压力比病房外的空气压力低，以保证室内整体气流只能由外部压力较高的清洁区域流向内部病房污染区域。病房内的污染空气经消毒之后排放至室外。火神山医院的建设过程中，负压隔离病房与相邻缓冲间和走廊保持大于5Pa的气压差[3]。清洁区和半污染区都安装有负压压力表，从而对病房的气流走向进行动态监测，保证气流流向从清洁区流向污染区[4]。因此，传染病医院需要重点统筹设计气流组织，按照负压病房等相关设计依据，对病房进行转换，避免因污染空气流向问题造成交叉感染。

1.2 基于BIM的正向设计方法

正向设计是从用户需求出发确立顶层设计要求，自上而下地分解和细化复杂产品(系统)功能，确定产品功能结构，子系统和零部件解决方案，形成可批量生产和稳定运行的商业化产品并实现全生命周期支持[5]。BIM正向设计是以三维BIM模型为出发点和数据源，完成从方案设计到施工图设计的全过程任务[6]。

从传染病医院平疫转换设计的实际需求出发进行项目的顶层设计，并以此目标逐步分解设计任务，确定功能分区布局、人员流线组织以及空气流向，以形成具有平疫转换功能并可在转换后持续平稳服务的建设产品。其中，BIM正向设计的重难点在于项目管理，它对于建设的实施过程具有导向作用[7]。在此过程中，建设参与方组成了一个复杂的系统，系统的各部分具有相互协作与相互制约的关系，并共同组成具有一定功能的整体。信息随着建筑生命周期的变换和环境的改变还具有动态性[8]。因而，基于正向设计理念，在规划设计阶段引入BIM工具，使得各方参与更早更深入地融入到工程实施流程中，为项目提质增效。

2 案例分析

本文选取武汉某平疫结合三级甲等综合医院的建设为案例进行分析，该医院设置平疫结合床位1 000张，传染病床位200张。项目整体包括医技楼、科研办公楼、值班楼等，占地216亩(1亩≈666.7m2)，总建筑面积24万m2，地上建筑面积约17.19万m2，地下不计容面积6.84万m2。项目采用了设计方牵头的EPC模式进行建设，参与方众多且利益关系复杂，项目信息贡献与协同尤为关键。将BIM正向设计理念融入平疫转换设计过程中，以有效利用建筑信息，并进行共享。下面将具体分析其BIM正向设计实施过程，并将重点放在平疫转换设计上。

2.1 BIM应用规划

本项目全程进行了BIM标准化流程建设，建立了完善的BIM协同流程和管理平台。根据项目自身特点，依据实际设计需求，制定了项目BIM实施流程，明确不同专业在项目各阶段的主要建模范围、表达深度、基准坐标、模型命名及提资格式与方式等内容，以及多专业之间设计协调的流程。实施技术路线分为3个阶段，分别为实施策划、设计与深化应用以及数字化项目管理。每个阶段由若干过程组成，并形成一个主要任务，如图1所示。

图2 BIM实施技术路线

项目基于VmWare平台应用虚拟化进行部署，统一软件工具及数据管理流程，设计人员在平台进行协同设计。信息模型作为设计分析的数据基础被用以进行医院功能分区、流线组织、气流分析等，从而进一步比选与优化方案，以提高管理效率。此外，为保证模型的可重复利用性，建模使用的构件均来源于自主研发维护的标准化模型库，有利于提高建设中的BIM标准化程度，也提高了医院的设计效率。

2.2 某传染病人民医院平疫转换设计方案

本部分介绍的医院总体布局如图2所示。

图2 医院总体布局

医院主要设门诊楼、值班公寓楼、应急场地等。在平疫转换过程中，医院需要做出相应部署调整整体功能。

2.2.1功能流线变化

本项目功能流线设计主要分为平时状态、疫情二三级响应状态、疫情一级响应状态3种功能流线。

1)平时状态

在平时状态下，医院主要分为两部分，一是隔离区(污染区)，包括传染楼，二是普通区(洁净区)，包括门诊楼，住院楼，行政楼，如图3所示。此外，医院主要设置4条流线，分别是感染患者通道，门诊患者通道，后勤办公通道，住院患者通道，实现不同人群的分散。污染区域的污物有单独出口，并与清洁区域分开。

图3 平时状态下院区功能流线

2)疫情二三级响应状态

在疫情二三级响应状态下，将隔离区(污染区)面积扩大，传染楼外设置室外应急场地，同时门诊急诊部分转换为发热门诊，如图4所示。医疗物资经医技楼转运至污染区域。在该状态下，住院楼高层标准病区视需求逐层转换为传染病区，医护人员与医疗物资经平时状态的后勤办公入口进入。

图4 疫情二三级响应状态

3)疫情一级响应状态

疫情一级响应状态下，医院的整体布局将发生巨大转变，并将被主要用于应对突发公共卫生事件，如图5所示。首先，在场地整体布局上，医院更多的区域被用来治疗传染病病人，同时，预留的应急场地被迅速改造为应急医院以增加应对突发公共卫生事件的治疗能力。停车场转换为焚烧炉、垃圾暂存以及车辆洗消等工作场地，增强医院的应急缓冲能力。

图5 疫情一级响应状态

其次，单独设置感染患者入口，临时建立的应急医院入口，医护人员与医疗物资入口3条路线，此外设置领导指挥入口。不同人群流线相互分开，避免发生交叉感染。物资专门设置地下转运路线。

最后，医院整体还是由洁净区和污染区两块构成，并以此为基础进行了整体功能流线的调整。医院主要建筑功能也将做出相应调整，值班楼、行政楼、科研楼全部转换为医护人员宿舍。原住院楼根据实际需求自上而下逐层转换为传染病区。BIM体量模型能够直观体现平疫转换过程中医院功能流线的变化。

2.2.2应急场地改造

在平时状态下，医院预留了应急场地用于在一级响应状态时迅速扩充医院容量。在图5中可以看出，在该应急场地处设立了应急医院。为方便应急场地的平疫转换，应急场地在平时状态下也保留了方便转换的方式。

应急场地下会预留机电接口，在疫情时，拆除停车位。同时，参考火神山、雷神山医院的模块化设计，按照装配化施工等方式，实现临时医院快速建造，如图6所示。在BIM模型中可以快速对转换方案所需的空间、资源等进行评估和分析，直观得到两种方案涉及的材料明细，并以最高效的方式进行工序搭接安排。

图6 应急场地转换为临时医院

2.2.3通道流线改变

平疫转换过程中，住院楼将逐层转换为传染病区。在平常状态下，医患通道相互交叉，并未设置“三区两通道”，如图7a所示。疫情发生时，整体区域将按照“三区两通道”的做法进行调整，有效避免交叉感染，如图7b所示。利用BIM平台对通道流线布置进行可视化展示，用于医护人员培训和转换实施依据，可以提高信息传输和利用的效率。

2.2.4病房转换

基于BIM模拟负压病房的气流组织和污染物扩散，并采取XFLOW软件进行流体仿真，在该平台上实现方案比较，以保证医院的安全性。

按照呼吸道传染疾病病房设置的要求，在平疫转换过程中，需要设置负压病房，重新调整气流组织。在本项目中，平疫结合传染楼，3层消化道病房送、排风系统做战时设计。风机内装初效过滤和平板静电净化段，预留亚高效过滤段。平时状态下，安装送风机、排风机各1台，卫生间排气扇开启，保障日常通风，如图8a所示。疫情状态下，传染楼消化道病房转化为呼吸道负压隔离病房。加装亚高效过滤器，高速运行送风机和排风机各1台，并开启卫生间排气扇，形成稳定的负压，阻止空气中污染物扩散，如图8b所示。同时，疫情状态下，传染楼消化道病房也可转化为呼吸道负压ICU病房。此时，加装亚高效过滤器，高速运行送风机排风机各2台，并开启卫生间排气扇，以保障负压稳定，如图8c所示。

图8 不同状态下病房气流组织

3 结语

随着新冠疫情管控呈现常态化，平疫结合医院成为应对新冠疫情的有效手段。这类医院的建设需要综合考虑总体布局设置、功能流线和通道流线变换、病区改造等多方面因素。考虑到建筑工程信息复杂且较难以管理，可以利用BIM在数据模型集成、信息高效传递等方面的优势，并通过正向设计理念为指导，高效提升协同工作能力。本文以某EPC总承包的平疫结合医院为例，具体阐述了其在BIM软件应用、正向设计流程方面为提升项目管理水平而采用的方法。同时介绍了其利用BIM正向设计在平疫结合医院功能流线转换，应急场地改造，通道流线转换，病房改造，传输方案模拟和设备通过性验证方面的应用。在本案例中，项目充分利用了BIM模型数据进行设计优化与验证，保证了设计质量，提高了项目参与方协同工作的能力。同时，验证了平疫转换方案的可操作性、可施工性，提高了医院“平疫转换”的效率。

通过应用BIM技术，改善平疫结合医院病房内采光性能，减少人工照明，并且通过模拟可得出使用光伏面板(PV panel)每年减少的能源消耗以及节约的成本。另外，BIM技术也可以模拟出光伏面板的最优朝向和最优倾斜角度，这些数据可为平疫结合医院设计前期的选址提供建议。

由于平疫结合医院需要控制空气传播导致的交叉感染，存在部分病房没有空调的情况，这就导致了医护人员与病人的热舒适度降低。一种混合系统可以有效解决这个问题，利用太阳能电池板产生的热能(热电联产)，通过热泵进行冷却，然后进入病房降低室温。该系统可以改善自然通风病房的热舒适性，提高太阳能光伏系统的效率以优化发电，并通过低能耗冷却系统提高建筑的整体能源性能。它不仅解决了热舒适问题，也能较好避免空调引起的交叉传播。