上海市经历了“BIM三年行动计划(2015-2017)”诸多试点项目的工程实践,BIM技术已逐步“渗透”到工程建设的各个阶段和各个环节,进入了BIM深度应用阶段。

医院建筑作为功能复杂、社会关注度高的公共建筑,依然是BIM应用的热门领域。本文重点介绍上海市第六人民医院骨科诊疗中心在设计阶段的BIM应用。由于其顺应多学科联合诊疗(multi-disciplinary team,MDT)模式而集多功能于一体,在人流、车流、物流和气流组织等方面区别于传统诊疗模式的医院建筑,因此,BIM技术在诊疗中心工程中的深度应用可为同类工程项目的建设提供参考。

上海市第六人民医院新建骨科诊疗中心项目(图1)位于上海市宜山路柳州路,项目总投资约12亿元,总建筑面积约10.3万平方米,设计为南北2栋单体楼,地下3层,地上13层。北楼集门急诊、手术、医技、科研、教学等功能为一体,南楼为住院部分和康复中心。地下室建筑面积约4万平米,停车位650个,地下室还分设会议中心、职工食堂、营养科等功能区域。新建骨科临床诊疗中心与东侧楼栋通过新建的三个连廊连接。该项目是上海市“十三五”重点建设项目,质量目标为国家优质工程“鲁班奖”。

依据《上海市建筑信息模型技术应用指南(2017版)》、《上海市级医院建筑信息模型应用指南(2017版)》和《医院建筑信息模型应用指南(2018版)》,编制了该项目的《BIM实施规划》,其中设计阶段包括了25个BIM应用点(表1)。以下仅对影响医院诊疗中心工程造价、安全使用、高效运营且具有医院典型特征的BIM应用点进行阐述。

依据医院领导、医护人员和后勤管理人员关注的重点,在骨科诊疗中心设计过程中,应用BIM技术的各种软件进行模拟分析,所遵循的技术路线是“建筑结构布局→设备设施系统布局→机电管线优化布局”。下文所述的各类模拟分析主要围绕三个方面:①基于“BIM+医疗工艺流程”优化建筑结构布局,保证医疗运营的高效性;②基于BIM模拟分析设备设施系统布局,优化医院建筑的人流、车流、物流、气流组织,保证建筑空间的安全性和舒适性;③基于BIM模拟分析管线碰撞和净空高度,优化机电管线布局,保证工程建设的可施工性和运行维修的可操作性。

医院建筑与普通公共建筑最大的区别是医院建筑需满足复杂的医疗工艺流程,建筑内外的平面布局需解决医院中医护人员流线、病患流线、洁物流线、污物流线、医院车辆流线、社会车辆流线等各种流线的相互干扰问题。基于二维CAD图纸的传统设计方法无法很好地解决此类问题,因此在第六人民医院骨科诊疗中心的设计阶段,基于BIM三维可视化、参数化分析,进行优化设计,从而保证医院建筑的安全性和高效运营性。本文以洁净手术部为例,阐述“BIM+医疗工艺流程”的设计分析。

医院建设中,一级医疗流程是关于医院建筑功能区域之间联系的流程,涉及到各功能区域相对位置布局设计的合理性问题。

基于对骨科诊疗中心的功能分析与调研,应用Revit软件构建BIM模型,模拟分析各功能区域的医疗工艺流线。确定洁净手术部与其他科室(部门)之间的位置关系,合理布局诊疗中心的楼层功能,遵循的总原则是:有利于提高医疗安全系数,有利于提高工作效率,最大限度地方便患者及医务人员。基于医疗工艺流程确定洁净手术部的布局位置,从医疗流程方面分析(图2),手术部与影像科、重症监护病房、病理科、输血科、住院病房以及消毒供应中心密切相关,布局设计时考虑相关单元邻近布置。

经过BIM的多方案比选后,确定手术部设置在4F至7F,并将感染控制要求高的ICU和消毒供应中心设置在8F(图3),应用Lumion和Analogic软件参数化分析人流和物流动线,优化设计,主要达到的BIM实施效果如下:

(1)避免动线紊乱,方便患者就诊;

(2)分析垂直动线和水平动线,合理设置电梯和走廊;

(3)达到洁污分流、医患分流,避免交叉,有效控制感染风险。

二级医疗流程是关于医院建筑功能区域内部各科室之间联系的流程,涉及到功能区域内各科室相对位置布局设计的合理性问题。

骨科诊疗中心手术部的四层(4F)布置20间百级手术室,六层(6F)布置18间千级手术室,五层(5F)为手术中心共用净化机房和麻醉科办公区。构建BIM模型,应用Lumion和Analogic软件进行医疗工艺流程分析,优化手术室和各类辅助用房的相互位置关系,在功能区域内优化洁净通道的设计,达到的BIM实施效果如下:

(1)优化设计医疗工艺流程的实施路径,多方案对比后,选用“中央供应型”布置方式(图4);

(2)防止了医疗工艺流线的交叉和干扰,达到医院感染控制的目的。

三级医疗流程是关于医院科室内部联系的流程,涉及到各科室内医用家具、医疗设施、机电点位之间相对位置布局设计的合理性问题。

对于骨科诊疗中心的百级手术室和千级手术室,分别构建样板房BIM模型(图5),应用Lumion和Analogic软件模拟手术室内操作流程,优化布置手术室的设备设施、医疗家具和水电气点位的设计,主要达到的BIM实施效果如下:

(1)方便医护人员操作、规避感染风险;

(2)基于BIM提供的虚拟手术室空间,参数化计算医护人员在不同布局方案情况下,完成医疗工艺流程所移动的距离总值S和耗费时间总值T,优先选择S和T皆为最小值的设计方案作为实施方案,从而达到既安全又高效的目标。

骨科诊疗中心经过“BIM+医疗工艺流程”模拟分析,完成建筑结构布局设计后,进行各类重要设备设施的布局设计。应用BIM技术可视化和参数化的特征,借助各类专用软件进行防辐射、消防疏散、车流交通、物流输送和空调通风模拟分析。

骨科诊疗中心的影像医学中心布置在地下室B1层,属于集中式布局设计。基于Revit软件的磁力线模块模拟分析,优化布置6台MRI和4台CT设备,同时根据磁力线强度梯度,设计防辐射措施,设置医护和病患人员安全活动区域,并将易受磁力线影响的精密仪器合理布置地作用场之外,保证人员安全和仪器安全。其确定方法是:3高斯以上分布区域,对金属、电子设备产生影响;5高斯以上分布区域,不仅对金属、电子设备产生影响,而且对植物和人体有伤害。MRI磁感应强度计算公式为:

B=F/qv=Φ/S

式中,B为磁感应强度,F为洛伦兹力或者安培力,q为电荷量,v为速度,Φ为磁通量,S为面积。

构建骨科诊疗中心的影像医学中心样板房BIM模型,主要涉及防辐射铅板构造、防辐射混凝土墙体、水电管线穿墙构造等内容,放射治疗室与控制室之间必须安装监视装置和对讲设备,治疗室外醒目位置应该安装警示红灯和警示标识,保障放射诊疗工作人员、患者及陪同人员的身体健康与安全。应用BIM构建虚拟样板房,供医护人员和设计师VR体验和漫游审查,提前发现防辐射措施的疏漏,从而在施工之前完善建筑物理安全性的设计成果。

医院建筑是人流密集的场所,为了保护运营过程中人流的安全性,需在设计阶段应用BIM软件进行各种极端情况下的人流模拟分析,其中火灾情境下的消防疏散特需高度重视。

为了保障消防疏散安全,基于BIM模型,对骨科诊疗中心的整幢楼和人员密集楼层(2F和3F),应用Pathfinder软件进行消防疏散模拟分析(图6),多方案比选,优化出入口、楼梯、门洞口及通道设置,选择消防疏散时间最短的方案,并且注意降低人流密度过度集中及踩踏事件发生的风险。

骨科诊疗中心位于城市的中心区域,车流交通系统的设计质量将直接影响到医院的运营效率和运营安全性。基于BIM技术、Lumion和Vissim等软件应用,对地下室(B₁、B₂、B₃)的智能机械停车库系统进行模拟分析(图7),优化布局和参数设计,防止人流与车流交叉干扰,保证骨科诊疗中心的停车系统安全可靠,并且保证停车和车辆出入诊疗中心流线顺畅。

骨科诊疗中心主要选用的物流输送系统包括气动物流(PTS)、轨道小车(ETV)、自动导航车(AGV)、垃圾被服回收系统,对物流系统构建BIM模型如图8所示。

为了保证物流传输系统的安全可靠和高效,功能用房布置遵循“简化物流输送流程”的原则,例如采用箱式物流产品系统时,医院诊疗中心的药库、中心供应、检验科、手术室、护士站等功能用房应尽量贴近垂直井道布置,从而可以缩短水平物流动线。

基于BIM技术的模拟分析,避免物流通道与各类管线碰撞,且考虑了设备安装与维护的操作空间、穿过防火分区的消防构造等安全要素。沿物流通道合理设置配套机房和流转功能用房,并且设置消毒站,防止传染,确保传输物品的卫生安全。

在骨科诊疗中心工程中,空调通风系统不仅控制医院建筑室内的温度和湿度,涉及舒适性;而且控制建筑空间的气流方向,涉及医疗安全性。故而受到特别的重视。

为了控制因气流引起的感染,骨科诊疗中心的手术室、重症监护病房(ICU)、消毒供应中心等医院感染高危部门将空调通风系统的设计作为重中之重,基于计算流体动力学(CFD)对室内气流进行模拟分析,多方案比选送风口和回风口的布置、送风速度和回风速度等参数模拟,有效地组织空气净化系统,优化设计,主要达到的BIM实施效果如下:

(1)优化设置手术灯、送风口和回风口,消除手术台附近产生气流涡旋的影响;

(2)精确控制送风量和回风量,从而控制手术台附近的污物浓度,减少手术污物气流对医护人员健康的影响;

(3)合理组织手术室的气流,既有利于减少交叉感染,又能经济地满足洁净质量。

从初步设计阶段开始,至施工图设计阶段和机电深化设计阶段,随着机电各专业的设计不断深入,骨科诊疗中心的管线布置越来越复杂,需进行多次反复的机电管线模拟分析,然后进行管线综合设计,在此过程中,BIM的应用发挥了非常大的作用。

对于医院建筑而言,由于BIM技术的应用,改变了传统的工作流程,将医用管线和专业系统的设计前置:由施工阶段提前到设计阶段。基于BIM进行管线综合时,除了考虑常用的给排水、暖通、强弱电、消防系统,还需考虑氧气、二氧化碳、压缩空气、真空吸引等医用气体管线,并且依据诊疗中心的功能需求,进一步考虑物流系统、被服系统、垃圾系统等医用系统。

应用Naviswork软件对所有管线进行碰撞分析,包括几何位置冲突的“硬碰撞”和影响操作与维修的“软碰撞”,骨科诊疗中心设计阶段共解决了2065个比较严重的管线碰撞问题。通过消除管线碰撞,从而保证机电设备系统在建设期可施工、运营期安全、维修方便、更换废损设备可行。

作为争创“鲁班奖”工程,骨科诊疗中心机电管线及设备设施的布局设计,不仅仅满足功能需求,还应该满足布局美观效果,管线设备布局应整齐划一、均匀对称,打造精品工程。因此,基于BIM进行管线综合的同时,还应对机房和管线进行优化布局,既要保障各类管线安装、维修的可行性和便捷性,还要保障建筑净空高度和美观性。

骨科诊疗中心的机房主要设置在地下室B1和B2层,基于BIM的模拟分析(图9),优化布置水、电、暖通、消防、医用气体等各类机电设备系统的布局,保障安全操作与维护,同时考虑布局美观,对各系统的安全运营起到至关重要的作用。

在应用BIM进行水、电、气等各类系统管线综合和优化布局设计的过程中,除了关注其几何位置的合理布局,还需考虑各类系统对医疗安全的影响,基于BIM进行机电安全性分析,主要包括以下几个方面:

(1)对于给水系统进行BIM模型分析时,为防止给水输送产生回流污染,应设计空气隔断、倒流防止器、真空破坏器等措施和装置,同时注意倒流防止器和阀门应设置在清洁区,不得设在污染区和半污染区,以防止给水系统的水质劣化。

(2)对排水系统进行BIM模型分析时,应注意采用真空排水系统(包括真空坐便器、真空地漏、真空罐、真空泵等)、水封设置和优质排水管材等措施,防止排水输送的渗漏污染。

(3)对医疗污废水处理系统进行BIM模型分析时,严格区分一般污废水(门急诊、病房、治疗室等排出水)和特殊污废水(传染科、放射科、检验科等排放的有毒有害废水)两类。特殊污废水则进行针对性的预处理后,与一般污废水排入医院污水处理站。

(4)对供配电系统进行BIM模型分析时,考虑谐波治理的措施主要包括:选用K系数变压器、电容器串接调谐电抗器、进线侧串接电抗器、装设隔离变压器、装设滤波器。

(5)对供气源与汇进行BIM模型分析时,考虑的安全保障措施主要包括:医用空气供应源的动力供应需设计备用的装置以防止供应间断;主气源为氧气钢瓶汇流排的供气源需设计自动切换功能,且设计防错接装置;医用氮气、医用二氧化碳、医用氧化亚氮、医用混合气体供应源的汇流排在电力中断或控制电路出现故障的情况下,应该能够持续供气。

基于BIM技术的应用,上海市第六人民医院骨科诊疗中心工程在设计阶段进行了大量的三维可视化模拟分析,优化了医疗功能区域布局、医院科室内外布局设计,优化了设备设施系统布局设计,优化了各类机房设备设施布局和机电管线由路与点位设计,应用BIM技术辅助医院感染控制和防辐射设计,应用BIM技术模拟分析诊疗中心的人流、车流、物流和气流,保证其合理顺畅,从而保证功能复杂的诊疗中心安全运营,为建设高品质、高水平的临床诊疗中心提供良好的范例,为该项目争创“鲁班奖”打下了良好的基础。