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我国方舱医院的设计与施工

2022-11-10   作者:admin

新冠肺炎疫情给人民生活和社会经济带来了较大的影响。通过快速建设方舱医院,集中收治新冠肺炎患者,可有效缓解医疗资源不足、阻止疫情蔓延。在抗击疫情的关键时刻,方舱医院的建设为我国多次成功控制新冠肺炎疫情发挥了不可替代的作用。


一、方舱医院的起源及功能


“方舱”一词寓意诺亚方舟,而方舱医院则起源于20世纪60年代美国军用移动医疗平台。我国从20世纪90年代开始研制第一代方舱医院,至今已发展到第三代。最新一代方舱医院在2020年被提出并实施,已发展成为具有中国特色的新型公共卫生理念的大型临时医院,具备集中隔离、患者分诊、提供基本医疗、密切监测及快速转诊、保证必要生活和社会活动五大主要功能,不仅在抗击新冠肺炎疫情中发挥了极其重要的作用,而且可被用于应对其他突发的公共卫生事件。


二、方舱医院建设的难点


方舱医院往往是在疫情不断出现、确诊患者数量急剧增加、医疗资源严重不足、城市处于封控或静止状态时开始建设的,并要求以尽可能短的时间、最低的成本完成大量、大规模方舱医院的建造,为控制疫情争取更多的时间。这使方舱医院建设面临巨大的挑战,例如:用于设计、采购和施工的时间极短,材料用量大、设备需求多,封控状态下的人力、材料和设备紧缺,传统的设计和施工方法已不能满足大规模、快速建造的需求;同时,与常规传染病医院相比,方舱医院在感染控制及环保方面的要求更高,这对设计、施工和运维提出了更高的要求。 


三、方舱医院的建设模式


方舱医院的建设模式有两种:第一种是新建模式,即新建一种符合呼吸道传染病患者救治标准的临时医院;第二种是改造模式,即将会展中心、体育场馆和商业综合体等大型公共场所改造为大型临时医院。在方舱医院的建设中,采用改造模式的比例较高。

两种建设模式具有各自的优缺点:在适用范围方面,新建的方舱医院适用于集中收治轻型、普通型、重型及危重型患者,改造而成的方舱医院适用于集中收治轻型、普通型、无症状患者;在建造时机方面, 新建的方舱医院适用于患者数量接近或可能超过当地医疗系统救治能力的情况,改造的方舱医院适用于疫情日益肆虐、患者数量超过当地医疗系统救治能力的情况;在建设时间方面,相同条件下,改造项目所需的时间比新建项目短;在感染控制方面, 新建方舱医院的感染控制标准比改造而成的方舱医院高,其防感染、防污染、防扩散能力更强;在建设成本方面,新建方舱医院的单位面积成本比改造而成的方舱医院高;在床位数量方面,改造项目的总床位数通常比新建的方舱医院多;在可持续性方面,疫情结束后,改建而成的方舱医院可快速恢复原状并继续利用,新建的方舱医院若继续运营,费用较高,若拆除则浪费更多资源。


四、模块化设计


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设计宗旨及防疫设计

在设计宗旨方面,方舱医院除了满足普通医院建筑设计的要求之外,要特别重视感染防控,以确保医务人员及患者安全和环境安全,同时结构设计应满足快速安全建设的要求,且优先选择模块化、装配化、轻量化结构。

在防疫设计方面,除了满足常规传染病医院医 疗流程的要求之外,更加重视“控制传染源、切断传染链、隔离易感人群”,防止院内交叉感染、污染环境,即通过防疫设计,阻止方舱医院内可引起感染的病毒进入空气、水体和土壤中。

防疫设计涉及的内容主要包括:采用三区两通道的平面布局设计、交通组织及流线设计、空气压力梯度设计、采暖通风及空调系统设计、给水排水系统设计、电气及智能化系统设计、医用气体系统设计、污物处理系统设计等。其中:三区两通道、交通及流线、空气压力梯度是防疫设计的核心,主要用于划分不同的功能空间以实现方舱医院的五大功能;采暖通风及空调系统设计的目标是确保室内空气的清洁度,避免产生交叉感染,使排出的空气不污染环境;给水排水系统设计的目标是确保室内给水安全且排到室外的污水和废水不污染环境;电气及智能化系统设计的目标是确保供电安全可靠、运维高效;医用气体系统设计的目标是确保医用气体的安全且排放的废气不污染周围环境;污物处理系统设计的目标是确保室内污物安全和处理后不污染环境。 


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新建模式下的模块化设计

新建的方舱医院设计的核心是满足地基、基础及上部主体建筑的快速施工和防疫要求。为了满足快速施工,优先采用新型工业化建造(标准化 + 轻量化 + 模块化 + 装配化 + 集成化)的设计理念,即 在工厂工业化加工模块化建筑单元,将轻量化的模块运至现场,在现场快速进行装配化施工,以减少现场工程量、提高施工效率、减少施工周期。同时, 模块化建筑单元的设计既充分考虑了自身功能的独立,又考虑了与整体布局的融合,即设计的建筑单元具有传染病医院所需的功能,具备水、电、暖、通风和通信等设施,独立的模块化建筑单元满足装 配化施工要求,由模块化建筑单元组装而成的建筑具有三区两通道且满足交通组织、流线设计等要求。这种设计理念与传统装配式建筑不同,不仅实现了具有独立功能的模块化建筑单元的工业化生产,而且可将独立的建筑单元快速组装成具有更大空间的建筑。此外,模块化建筑单元还可进一步缩短施工时间。

新建方舱医院的基础常采用钢筋混凝土和钢结构,上部主体建筑常采用鱼骨形、长条形、H 形平面布局,模块化建筑单元常选择集装箱式(或板式)钢结构或盒式预制钢筋混凝土结构。


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改造模式下的模块化设计

改造模式下的方舱医院设计无须考虑地基、基础和上部主体建筑的设计,只须在既有建筑的基础上进行改造设计,节约了建设时间。其设计的核心是满足快速施工和防疫要求,主要通过新增隔断的模块化设计和快速连接结构设计,实现三区二通道平面布局的快速施工,以及开展符合防疫要求的采暖通风及空调和给水排水的改造设计等。与新建模式相比,改造模式的设计理念侧重于模块化、装配化的设计理念(标准化+轻量化+模块化+装配化), 未考虑集成化设计。 


04 

数字化技术的应用

为了实现方舱医院的设计理念,常采用建筑信息模型(BIM)、人工智能(AI)、数值模拟等数字化技术。借助BIM和AI技术,实现方舱医院数字孪生模型的快速建立和参数化,对平面布局、交通组织、流线等进行可视化虚拟仿真和优化设计。借助数值模拟技术评估结构的安全性和优化防疫设计方案,例如,对含有带病毒的气溶胶颗粒的空气流场进行模拟分析,优化采暖通风及空调系统,降低空气传播病毒的风险。


五、装配化施工


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施工模式及方法

为了实现方舱医院的快速装配化施工、确保施工满足建筑和防疫要求:在施工管理模式方面,优先采用三阶段一体化的模式,即“边设计、边采购、边施工”,各建设单位紧密配合,三阶段高度融合、同步进行;在施工方法方面,建议采用分区、分段、分作业班组的方法进行多专业的平行施工;此外, 应对施工现场人员进行闭环管理,确保防疫安全。 


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新建模式下的装配化施工

新建模式下主要开展地基及基础施工(含污水 防渗膜施工)、模块化建筑单元预制及运输、建筑单元安装、室内管线(暖通、水、电等)安装、室内暖通机电及医疗设备安装、室外设施(污水处理设施等)施工等工作。除了地基、基础施工外,多数施工主要开展搭积木式的快速装配工作,降低了施工难度,减少了施工时间;为了加快基础施工,钢筋 混凝土基础采用早强混凝土基础、筏板基础、条形基础等,钢结构基础采用H钢、方钢、贝雷梁等。 


03 

改造模式下的装配化施工

改造模式下的施工主要开展建筑内部拆改、隔断墙安装、床位安装、室内管线(暖通、水、电等) 改造、室内暖通机电设备改造、医疗设备安装、室外设施改造等工作。改造施工总体是搭积木式的快 速装配工作,安装简单、快捷,其中隔断墙和床位 安装时间较长。


04 

数字化施工技术

为了实现方舱医院的装配化施工,常采用数字化技术,例如:借助BIM技术对加工、安装、施工 过程进行模拟和可视化沟通,实现施工过程的协同管理,提高施工效率;借助无人机摄影技术对施工进度进行跟踪、管理和调控;借助物联网管理平台, 对集装箱式模块化建筑单元或装配构件的采购、运输和安装进行全过程追踪和管理。


六、智能化运维

方舱医院的运维过程主要是通过运维系统对医院进行全封闭管理,确保安全高效运行、零污染和零感染。运维系统主要包括:满足传染病医院医疗流程要求的信息化系统硬件和软件,保证运维的基础设施及系统(IT基础设施,有线和无线通信、综合布线、信息显示、医护对讲、视频监视及探视等系统),火灾报警及消防联动和安防系统,以及“人、机、料、法、环”管控系统。

为了解决方舱医院运维过程中医疗资源短缺、 交叉感染风险高的问题,优先考虑选用智能化、非接触、远程化设备及技术。

在人员管控方面:采用热成像仪等非接触设备测量医患人员的体温;采用二维码及人脸识别技术对院内人员信息和数量进行管理;采用自动门禁系统和电子围栏技术对人员出入进行管理;选用超宽带定位(UWB)及手机定位技术对人员位置进行定位和管理;选用 AI 图像识别技术对院内人员的面部表情(压力、沮丧、焦虑等)进行判别,对违规行为(不戴口罩、吸烟等)进行管控;选用智能可穿戴设备对患者健康状态(体温、心率、血氧等)进行监测;选用搭载语音及图形视觉的巡检机器人对患者健康状态(体温等)进行监测以及与患者进行辅助交互和会话;选用远程医疗专家系统对患者进行远程会诊、远程手术等。

在设施管控方面:通过设备监控系统对电气、通风、净化、医用等设备和排水、消毒等设施的状态进行监测和管控。

在物料管控方面:通过水质监测系统、污水处理监测系统(或化学检测)分别对供水安全、污水及废水状态进行管控;通过废气处理监测系统对废气状态进行监测;通过无害化处理系统(或视频监 控)对污物状态进行监测;选用 RFID 等技术对医疗及生活物资进行仓储管理;选用智能机器人对药品、生活用品和污物进行无人运输。

在流程管控方面:通过医疗信息化系统对医疗流程进行管理;通过安防系统对人员、设备和建筑安全进行管理。

在环境管控方面:通过通风及空调监控系统对空气压力和空气质量进行监测;通过温湿度监测系统对手术室环境温度、湿度进行监测;通过火灾报警及消防联动系统对火灾进行监控;通过视频监控技术对方舱医院周围环境进行管控;选用机器人对空气环境进行自主灭菌消毒,对环境进行自主清洁。


七、两种模式在方舱医院建设中应用


通过对上述关键技术的攻克,我国在面对新冠肺炎疫情时,各城市成功地快速建设了大量的方舱医院,有效控制了疫情。

2020年1月,武汉市新建了火神山医院和雷神山医院,用时分别为10天和12天,建筑面积分别为33 900m² 和79 900m² ,可提供床位分别为1000张和1600张;同时采用改造模式在21天内建设了16家方 舱医院,可提供床位13 000张,其中武汉国际博览中心、武汉光谷科技会展中心和武汉汉口北交通总站方舱医院建设用时分别为7天、6天和3天,可提供床位分别为6000张、3690张和 2000 张。





图1 上海市部分方舱医院分布及床位数


2022 年 2 月,香港新建了青衣方舱医院和新田方舱医院,用时分别为7天和14 天,建筑面积分别为60 000m² 和38 000m²,可提供床位分别为3900张和2800张。


2022年3月,上海市先后建设了120多家方舱医院,可提供床位约30万张,其中采用改造模式建设了国家会展中心(上海)方舱医院,用时10天, 建筑面积为600 000m²  ,可提供床位50 000张。


笔者所在的机构承担了上海市50余个方舱医院的建设工程(图 1),可提供床位84 000张(数据截至2022年4月26日),其中:采用新建模式的代表性工程为嘉定临时隔离用房和崇明临时隔离用房,用时分别为20天和30天,建筑面积分别为112 000m² 和150 000m²  ,可提供床位分别为4365张和6279张;采用改造模式的代表性工程为浦东新国际博览中心方舱医院、金山天华路方舱医院和浦东张江合庆应急隔离点,建筑面积分别为200 000m² 、50 000m² 和 50 500m²,用时分别为8天、5天和5 天, 可提供床位分别为15 000张、5030张和4800张。


2022年3月22日,国家卫生健康委提出每个省至少须要建造2~3家方舱医院。

2022年4月29 日,国务院新闻办公室指出全国已建成、正在建设的方舱医院已接近400家(截至4月25日),可提供床位56万余张,全国多个省市正在加快开展和即将开展大量方舱医院工程的建设,以备常态化疫情防控所需。


八、结束语

方舱医院的建设为我国抗击新冠肺炎疫情做出了重要贡献,也促进了建筑行业模块化、快速建造技术的发展,将为继续应对新冠肺炎疫情以及应对未来的疫情和其他突发公共卫生事件等提供有力的保障。同时,方舱医院体现了中国速度、中国建造水平以及社会主义制度的优越性。

未来可从设计、施工、运维三个方面对方舱医院的建设继续开展研究。


01 

设计方面

针对新建的方舱医院设计,有必要开展模块化、装配式基础设计以及上部建筑功能全模块化设计研究,提高回收利用率。针对采用改造模式的方舱医院设计,可开展大型公共场馆和方舱医院相结合的设计研究,实现建筑功能的快速切换。此外,应开展永久性方舱医院的设计研究,以及突显个体心理需求和交互的设计研究。 


02 

施工方面

当前主要依靠大量工人和24小时不间断的高强度施工实现在短时间内完成方舱医院的建设,有必要进一步研究适合方舱医院快速装配的新型自动化施工装置和方法(如远程塔吊、远程挖掘机、自动安装机器人、3D打印机器人等),提高施工的机械化、自动化和智能化水平。 


03 

运维方面

当前采用的智能化、非接触、远程化设备及技术大多仍处于试验阶段,尚不能大规模应用,同时 一些自动化监测装置缺乏(如尚无污水排放自动化实时监测设备),以及一些信息化软件适用性较弱, 因此有必要进一步开展智能化运维相关的硬件和软件研发工作,例如开展适合方舱医院的、基于物联网的非接触式管控机器人研究,基于云计算、大数据和AI算法的适合方舱医院的远程运维和管控平台研究等。

左自波


上海建工集团股份有限公司、上海建工集团工程研究总院

来源:《中国医院建筑与装备》2022年第10期