医疗建筑是医院开展正常诊疗活动的重要载体。医院的特殊功能要求, 使得医疗建筑的系统复杂性远高于一般的民用建筑。目前, 我国大多数医疗建设项目都采取与一般项目等同的设计建造模式, 导致进度、费用、综合质量控制难度较大。虽然近年来在对医疗建筑及其内部系统的全生命周期的维护时, 引入了以BA技术为基础的智能化平台体系, 但由于缺乏各系统所在空间形态的准确定位及运行全矢量参数的支撑, 维护可及性远远不能满足医院运行的实际需求, 极大地影响了医疗安全。

BIM作为一种新兴的建筑领域信息技术, 是建筑设施的数字化、空间化、可视化模型。随着BIM技术的逐渐成熟, 医疗建筑项目开始应用BIM, 应用范围也逐步从设计阶段扩展到项目全生命周期, BIM的应用对医疗建筑建设质量的提高和安全有效地运行等都起到了巨大作用。

目前, 国内医疗建筑BIM技术应用主要集中在设计阶段, 包括碰撞检测和管线优化等功能, 医疗建筑全生命周期应用BIM技术尚无完整案例, 建设与运行管理中应用BIM的经验缺乏。因此, 本文对医疗建筑建设与运行管理的特点进行分析, 阐述当前医疗建筑建设与运行管理存在的主要问题, 并结合上海市第一人民医院改扩建项目, 从设计阶段、施工阶段与运行管理阶段对BIM的具体应用进行价值分析。

医疗建筑是一类由政府主导的特殊公共建筑, 其建设与运行管理具有功能复杂、工艺设计复杂、功能空间多变、能耗极大和医疗设施维护保养重要等特点。

医院主要有门诊部、急诊部、医技部、住院部、后勤部、行政办公和生活服务等七大部分, 每一个部分下又有复杂的细分组成, 科室众多, 专业性强, 使得医疗建筑功能复杂。由于21世纪的医疗趋势逐步转变为综合考虑病人心理、行为、社会等多方面因素的整体医疗模式, 因此医疗建筑室内环境“人性化”设计逐渐成为设计界关注的研究课题。另外, 医院建筑室内空间环境设计的好坏, 也直接影响着医院的社会效益和经济效益。

医疗建筑中设备与管线工程除包括水、暖、电、空调、消防等民用建筑设备管线外, 还包括医疗气体、智能系统、消毒等公用建筑设备管线系统, 工艺设计复杂。各种管线保证了医疗设备的高效运转, 医疗物资的快速输送, 为人们提供了高智能、舒适、卫生、安全的就诊和疗养环境。同时, 医院的智能化要求较高, 包括建筑设备自动化系统、通信网络系统、综合医疗信息管理系统、医院专用系统、物流系统、智能化集成系统等。

随着医疗需求和医疗工艺的不断发展, 大部分医院都不可避免地面临着扩张规模、功能改变和改善医疗环境的状况, 这些都将给医疗建筑带来非常重大的影响, 包括功能、流线、空间等各个方面, 空间的变化需求对功能布局、管线布设、建筑与设施信息的存储、更新与管理都提出了前所未有的挑战。

在医院的运行过程中, 大量的运行成本都用在了能源消耗和人力资源方面。在建筑建设与运行管理中, 降低能源消耗、降低人力成本的创新设计理念将成为医疗建筑可持续设计的又一关键因素。

医疗设施设备是医院核心价值最高的设施, 有效率地维护与延续使用效能不仅能节省整体运行费用, 也是医疗安全的重要保证。设备设施维护分为及时性故障派修以及预防性保养维护。对医疗设备设施的全寿命周期信息管理和智能化、数字化、可视化运行管理, 是提高设施保值增值的重要手段, 也是保证医院高效安全运行的重要基础。

在应对医疗建筑建设与运行管理时, 传统的设计、建造、运维的管理模式和技术手段出现了不适性, 引发了一系列问题, 包括:

(1) 在项目策划阶段, 项目规模、功能布局及工艺流程不明确, 进度策划和造价估算均不准确, 导致后期变动频繁, 目标难以实现。由于医院项目的需求和功能的复杂性, 往往难以在项目策划阶段确定医疗工艺流程。导致后期变动和布局调整频繁, 方案稳定性差, 进而影响项目的规模和标准确定, 造价估算不准确, 后期超投资严重, 进度严重滞后。

(2) 在规划及设计阶段, 由于需求不明确, 方案不稳定, 深度不够, 导致深化设计无法真正落实, 设计冲突较多, 设计修改和变更多, 引起严重的“三超问题”。由于医院项目的特殊性, 项目的规划设计除了常规的建筑总体设计、装饰设计、幕墙设计、机电设计、园林绿化设计等外, 还包括手术室、医用气体、物流系统深化等专业设计。随着各专业工程设计的相继完成并开始组织施工, 建筑总体设计的部分图纸将不断进行相应调整, 其中给排水、强电、空调等专业图纸的改动量最大。设计的调整导致施工单位增加相当大的工作量。譬如, 专业施工单位进场核对图纸后, 发现问题并需进行调整, 会引起诸如已建的分隔墙拆除移位、空调管道提高、风机移位、分级配电箱负荷不足补充电缆、结构开洞补装给排水管道、墙面开凿补充智能化控制点位等相关工作量增加。

(3) 在施工准备及施工阶段, 若招标依据不充分, 准确度不够, 设计和施工配合问题较多, 施工组织和施工计划的针对性和科学性较差, 施工和设备安装交叉作业多, 资源供应计划不匹配, 则会引起进度、质量和投资控制问题的集中爆发。医院项目医疗专业性强, 施工单位多, 交叉作业复杂, 现场协调工作量大。各施工单位分阶段进场后, 工作面相互交叉、相互影响的情况难以避免, 加上工期进度问题, 加大了现场协调管理的工作量和工作难度。

(4) 在验收、移交和运行阶段, 专业系统复杂, 系统调试难度大, 竣工结算工作量大, 工程和设施移交信息丢失严重, 后期运行维护和改造不便。医院项目不同于一般的民用建筑, 专业性较强, 设备安装工作量也较大, 除了常规的楼宇智能化系统设备、工作电梯、扶梯、冷水机组、发电机、冷却塔等设备外, 还包括医用气体管道和系统、气动物流传输系统、医用废水处理系统、手术室洁净空调系统、医院用热水供应的锅炉供水和太阳能供水系统等。安装工作量大且安装后各子系统需分别调试, 要求做到联动运行, 系统调试工作巨大。由于设计阶段、施工阶段和运营阶段分割, 不同阶段的项目信息丢失严重, 导致医院在后期维护、功能优化、设备更新和改建中缺乏大量的准确信息, 给运行和维护带来不便, 造成大量成本浪费, 也加剧了医院运行的不稳定性, 带来了较大的运营风险。

本部分以上海市第一人民医院改扩建项目为例, 介绍BIM在医疗建筑建设与运行管理中的具体应用, 其中包括有设计阶段、施工阶段与运营维护阶段。上海市第一人民医院改扩建项目主要建设内容为:新建一幢具有急诊中心 (1500人/日门诊量) 、急救中心、手术中心、中心供应室、功能检查、病房 (300张床位) 等功能的综合医疗建筑 (A楼) , 保留建筑改造成急诊中心诊室及行政办公用房 (B楼) , 在A楼和B楼之间建设一层连接体约555m², 并在武进路上空建设2个过街连廊与南院区连通, 连廊建筑面积约1054m²。新建高层主楼 (A楼) 15层, 建筑高度61.6m, 建筑面积43049m²。加固改建保留建筑 (B楼) 4层, 建筑高度16.4m, 建筑面积5803m²。

设计阶段的BIM应用是各专业模型构建并进行优化设计的复杂过程。各专业信息模型包括建筑、结构、给排水、暖通、电气等专业。在此基础上, 根据专业设计、施工等知识框架体系, 进行冲突检测、三维管线综合、竖向净空优化等基本应用, 完成对施工图设计的多次优化。针对某些会影响净高要求的重点部位, 进行具体分析, 优化机电系统空间走向排布和净空高度。

上海市第一人民医院改扩建项目设计阶段BIM应用主要包括各专业BIM模型的构建、冲突检测与三维管线综合和基于BIM的净高分析等。

(1) 各专业模型的构建

BIM各专业模型构建流程图如图1所示。

各专业的配件及连接模型经整合并充分协调后, 形成BIM综合协调模型, 如图2所示。

(2) 冲突检测与三维管线综合

在构建各专业模型的基础上, 将以上专业模型整合后应用于冲突检测及三维管线综合方面。其主要目的是基于各专业模型, 应用BIM软件检查施工图设计阶段的碰撞, 完成建筑项目设计图纸范围内各种管线布设与建筑、结构平面布置和竖向高程相协调的三维协同设计工作, 以避免空间冲突, 尽可能减少碰撞, 避免设计错误传递到施工阶段。在本项目中碰撞检查存在于机电各专业内部、机电各专业之间、机电专业与结构之间。

(3) 基于BIM的净高分析

竖向净高分析的主要目的是基于各专业模型, 优化机电管线排布方案, 对建筑物最终的竖向设计空间进行检测分析, 并给出最优的净空高度。利用BIM技术确定需要净空优化的关键部位, 在不发生碰撞的基础上, 调整各专业的管线排布模型, 最大程度提供升净空高度, 如图3所示。

上海市第一人民医院改扩建工程在施工阶段采用BIM进行全过程跟进, 主要应用于3D管线碰撞、专项施工方案模拟、4D动画控制施工进度、虚拟与现实等方面。

(1) 3D管线碰撞

传统施工过程中, 施工技术人员采用将二维CAD图纸进行叠加的方式, 将建筑、结构以及水暖电等专业单位图纸进行整合, 不仅工作量巨大, 容易造成疏漏, 而且容易导致施工下料中出现较多管线尺寸不准确、材料计划与实际需求误差极大的情况。为了避免因碰撞问题造成经济损失以及工期拖延, 利用BIM技术对安装综合管线建模, 确定管线、设备部署相互间的空间关系与施工顺序, 可有效避免装饰安装阶段相互影响, 避免返工。利用BIM技术对安装管线设计深化, 通过碰撞试验, 确定楼层各区域层高及管线排布空间关系, 并进行有针对性的优化调整, 一次性出图, 避免传统分专业蓝图在现场出现矛盾的情况。

通过安装与装饰综合建模, 确定管线部署与装饰吊顶间的空间关系与施工顺序, 可有效地避免装饰安装阶段相互影响, 避免返工, 确保成品得到很好的保护。

(2) 专项施工方案模拟

医院项目专业性比较强, 针对后续特殊部分施工, 针对一些狭小部位对工序进行模拟, 可以非常直观地了解施工工序。把握施工过程, 提前进行模拟, 发现并消除施工中可能存在的安全技术缺陷。譬如, 在上海市第一人民医院项目中对模板及外脚手架进行了施工方案模拟, 如图5。

(3) 4D施工进度模拟

基于BIM的4D虚拟建造技术是将设计阶段完成的3D建筑信息模型附加以时间的维度, 构成4D模拟动画, 通过在计算机上建立模型并借助于各种可视化设备对项目进行虚拟描述。其主要目的是按照工程项目的施工计划模拟现实的建造过程, 在虚拟的环境下发现施工过程中可能存在的问题和风险, 并针对问题对模型和计划进行调整和修改, 进而优化施工计划。即使发生了设计变更、施工图更改等情况, 也可以快速地对进度计划进行自动同步修改。

在地下室施工前, 采用4D施工进度模拟, 通过直观的展现, 对现场施工进度有清晰的认识, 并为未来的进度计划编排提供可靠的方向。

(4) 虚拟现实/现场

虚拟现实 (VR, Virtual Reality) 技术是近年来发展比较迅速并与众多技术相关的一门技术, 它的应用领域极其广泛。对虚拟现实的研究, 必将带来一场涉及各个领域的革命。在工程方面, 已经有许多工程师在利用VR模拟器制造和检验样品了。用电子样品或模拟样品可以省时、省钱, 缩短新产品的推出周期。

在上海市第一人民医院改扩建项目的推进过程中, 对标准诊室、病房等采取虚拟现实→予以确认→样本房→最终确认的途径。通过最新技术的使用, 推进内部装饰以及室外景观的设置标准、快速、精确, 如图4所示。

在第一人民医院改扩建的过程中, 结合BIM建立了运维系统。第一人民医院改扩建项目基于BIM的后勤运维管理系统, 将建筑、结构、综合管线、系统设备信息一并录入, 形成整体竣工三维空间模型及数据库交付运维部门, 利用BIM数据库对建筑使用、运行、维修保养提供详细的数据;结合BA系统及关键环节的感应装置设置, 实现动态数据可控;与医院建成的智能化管理平台有效地衔接, 达到精细化管理的目标。运维管理系统如图5。

第一人民医院改扩建项目充分证实了BIM技术在医疗建筑项目中的应用价值。运用BIM技术指导现场施工, 可减少因图纸错误及不合理导致的返工造成的进度与成本的浪费与损失, 并且合理节省材料、人工和相关管理成本, 上海市第一人民医院项目节省成本约1000万元。本工程提前半年完成工程实物量, 配合院方提早进入开办阶段, 为第一人民医院带来了较大的社会与经济效益。同时, 上海市第一人民医院改扩建项目获得了“住房城乡建设部绿色施工科技示范工程”等荣誉。

由于医疗项目的复杂性和特殊性, 做好医疗建筑建设与运行管理意义重大。BIM在项目建设方面的应用中展现出巨大优势, 其高度可视化功能使各方在项目前期就可以对方案进行模拟和决策, 能较好地满足医院后期医疗和运行管理的需求。建设阶段保存的信息对医疗项目建成后的设备检修、设备更新管理以及应急管理等工作都有巨大的帮助。本文介绍了医疗建筑建设与运行管理的特点及其存在的困难, 同时以上海第一人民医院改扩建项目为例, 介绍了BIM在医疗建筑建设与运行管理中的具体应用, 以期对类似建设项目提供参考。