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        我國方艙醫院的設計與施工

        2022-11-10   作者:admin

        新冠肺炎疫情給人民生活和社會經濟帶來了較大的影響。通過快速建設方艙醫院,集中收治新冠肺炎患者,可有效緩解醫療資源不足、阻止疫情蔓延。在抗擊疫情的關鍵時刻,方艙醫院的建設為我國多次成功控制新冠肺炎疫情發揮了不可替代的作用。


        一、方艙醫院的起源及功能


        “方艙”一詞寓意諾亞方舟,而方艙醫院則起源于20世紀60年代美國軍用移動醫療平臺。我國從20世紀90年代開始研制第一代方艙醫院,至今已發展到第三代。最新一代方艙醫院在2020年被提出并實施,已發展成為具有中國特色的新型公共衛生理念的大型臨時醫院,具備集中隔離、患者分診、提供基本醫療、密切監測及快速轉診、保證必要生活和社會活動五大主要功能,不僅在抗擊新冠肺炎疫情中發揮了極其重要的作用,而且可被用于應對其他突發的公共衛生事件。


        二、方艙醫院建設的難點


        方艙醫院往往是在疫情不斷出現、確診患者數量急劇增加、醫療資源嚴重不足、城市處于封控或靜止狀態時開始建設的,并要求以盡可能短的時間、最低的成本完成大量、大規模方艙醫院的建造,為控制疫情爭取更多的時間。這使方艙醫院建設面臨巨大的挑戰,例如:用于設計、采購和施工的時間極短,材料用量大、設備需求多,封控狀態下的人力、材料和設備緊缺,傳統的設計和施工方法已不能滿足大規模、快速建造的需求;同時,與常規傳染病醫院相比,方艙醫院在感染控制及環保方面的要求更高,這對設計、施工和運維提出了更高的要求。 


        三、方艙醫院的建設模式


        方艙醫院的建設模式有兩種:第一種是新建模式,即新建一種符合呼吸道傳染病患者救治標準的臨時醫院;第二種是改造模式,即將會展中心、體育場館和商業綜合體等大型公共場所改造為大型臨時醫院。在方艙醫院的建設中,采用改造模式的比例較高。

        兩種建設模式具有各自的優缺點:在適用范圍方面,新建的方艙醫院適用于集中收治輕型、普通型、重型及危重型患者,改造而成的方艙醫院適用于集中收治輕型、普通型、無癥狀患者;在建造時機方面, 新建的方艙醫院適用于患者數量接近或可能超過當地醫療系統救治能力的情況,改造的方艙醫院適用于疫情日益肆虐、患者數量超過當地醫療系統救治能力的情況;在建設時間方面,相同條件下,改造項目所需的時間比新建項目短;在感染控制方面, 新建方艙醫院的感染控制標準比改造而成的方艙醫院高,其防感染、防污染、防擴散能力更強;在建設成本方面,新建方艙醫院的單位面積成本比改造而成的方艙醫院高;在床位數量方面,改造項目的總床位數通常比新建的方艙醫院多;在可持續性方面,疫情結束后,改建而成的方艙醫院可快速恢復原狀并繼續利用,新建的方艙醫院若繼續運營,費用較高,若拆除則浪費更多資源。


        四、模塊化設計


        01

        設計宗旨及防疫設計

        在設計宗旨方面,方艙醫院除了滿足普通醫院建筑設計的要求之外,要特別重視感染防控,以確保醫務人員及患者安全和環境安全,同時結構設計應滿足快速安全建設的要求,且優先選擇模塊化、裝配化、輕量化結構。

        在防疫設計方面,除了滿足常規傳染病醫院醫 療流程的要求之外,更加重視“控制傳染源、切斷傳染鏈、隔離易感人群”,防止院內交叉感染、污染環境,即通過防疫設計,阻止方艙醫院內可引起感染的病毒進入空氣、水體和土壤中。

        防疫設計涉及的內容主要包括:采用三區兩通道的平面布局設計、交通組織及流線設計、空氣壓力梯度設計、采暖通風及空調系統設計、給水排水系統設計、電氣及智能化系統設計、醫用氣體系統設計、污物處理系統設計等。其中:三區兩通道、交通及流線、空氣壓力梯度是防疫設計的核心,主要用于劃分不同的功能空間以實現方艙醫院的五大功能;采暖通風及空調系統設計的目標是確保室內空氣的清潔度,避免產生交叉感染,使排出的空氣不污染環境;給水排水系統設計的目標是確保室內給水安全且排到室外的污水和廢水不污染環境;電氣及智能化系統設計的目標是確保供電安全可靠、運維高效;醫用氣體系統設計的目標是確保醫用氣體的安全且排放的廢氣不污染周圍環境;污物處理系統設計的目標是確保室內污物安全和處理后不污染環境。 


        02 

        新建模式下的模塊化設計

        新建的方艙醫院設計的核心是滿足地基、基礎及上部主體建筑的快速施工和防疫要求。為了滿足快速施工,優先采用新型工業化建造(標準化 + 輕量化 + 模塊化 + 裝配化 + 集成化)的設計理念,即 在工廠工業化加工模塊化建筑單元,將輕量化的模塊運至現場,在現場快速進行裝配化施工,以減少現場工程量、提高施工效率、減少施工周期。同時, 模塊化建筑單元的設計既充分考慮了自身功能的獨立,又考慮了與整體布局的融合,即設計的建筑單元具有傳染病醫院所需的功能,具備水、電、暖、通風和通信等設施,獨立的模塊化建筑單元滿足裝 配化施工要求,由模塊化建筑單元組裝而成的建筑具有三區兩通道且滿足交通組織、流線設計等要求。這種設計理念與傳統裝配式建筑不同,不僅實現了具有獨立功能的模塊化建筑單元的工業化生產,而且可將獨立的建筑單元快速組裝成具有更大空間的建筑。此外,模塊化建筑單元還可進一步縮短施工時間。

        新建方艙醫院的基礎常采用鋼筋混凝土和鋼結構,上部主體建筑常采用魚骨形、長條形、H 形平面布局,模塊化建筑單元常選擇集裝箱式(或板式)鋼結構或盒式預制鋼筋混凝土結構。


        03 

        改造模式下的模塊化設計

        改造模式下的方艙醫院設計無須考慮地基、基礎和上部主體建筑的設計,只須在既有建筑的基礎上進行改造設計,節約了建設時間。其設計的核心是滿足快速施工和防疫要求,主要通過新增隔斷的模塊化設計和快速連接結構設計,實現三區二通道平面布局的快速施工,以及開展符合防疫要求的采暖通風及空調和給水排水的改造設計等。與新建模式相比,改造模式的設計理念側重于模塊化、裝配化的設計理念(標準化+輕量化+模塊化+裝配化), 未考慮集成化設計。 


        04 

        數字化技術的應用

        為了實現方艙醫院的設計理念,常采用建筑信息模型(BIM)、人工智能(AI)、數值模擬等數字化技術。借助BIM和AI技術,實現方艙醫院數字孿生模型的快速建立和參數化,對平面布局、交通組織、流線等進行可視化虛擬仿真和優化設計。借助數值模擬技術評估結構的安全性和優化防疫設計方案,例如,對含有帶病毒的氣溶膠顆粒的空氣流場進行模擬分析,優化采暖通風及空調系統,降低空氣傳播病毒的風險。


        五、裝配化施工


        01 

        施工模式及方法

        為了實現方艙醫院的快速裝配化施工、確保施工滿足建筑和防疫要求:在施工管理模式方面,優先采用三階段一體化的模式,即“邊設計、邊采購、邊施工”,各建設單位緊密配合,三階段高度融合、同步進行;在施工方法方面,建議采用分區、分段、分作業班組的方法進行多專業的平行施工;此外, 應對施工現場人員進行閉環管理,確保防疫安全。 


        02 

        新建模式下的裝配化施工

        新建模式下主要開展地基及基礎施工(含污水 防滲膜施工)、模塊化建筑單元預制及運輸、建筑單元安裝、室內管線(暖通、水、電等)安裝、室內暖通機電及醫療設備安裝、室外設施(污水處理設施等)施工等工作。除了地基、基礎施工外,多數施工主要開展搭積木式的快速裝配工作,降低了施工難度,減少了施工時間;為了加快基礎施工,鋼筋 混凝土基礎采用早強混凝土基礎、筏板基礎、條形基礎等,鋼結構基礎采用H鋼、方鋼、貝雷梁等。 


        03 

        改造模式下的裝配化施工

        改造模式下的施工主要開展建筑內部拆改、隔斷墻安裝、床位安裝、室內管線(暖通、水、電等) 改造、室內暖通機電設備改造、醫療設備安裝、室外設施改造等工作。改造施工總體是搭積木式的快 速裝配工作,安裝簡單、快捷,其中隔斷墻和床位 安裝時間較長。


        04 

        數字化施工技術

        為了實現方艙醫院的裝配化施工,常采用數字化技術,例如:借助BIM技術對加工、安裝、施工 過程進行模擬和可視化溝通,實現施工過程的協同管理,提高施工效率;借助無人機攝影技術對施工進度進行跟蹤、管理和調控;借助物聯網管理平臺, 對集裝箱式模塊化建筑單元或裝配構件的采購、運輸和安裝進行全過程追蹤和管理。


        六、智能化運維

        方艙醫院的運維過程主要是通過運維系統對醫院進行全封閉管理,確保安全高效運行、零污染和零感染。運維系統主要包括:滿足傳染病醫院醫療流程要求的信息化系統硬件和軟件,保證運維的基礎設施及系統(IT基礎設施,有線和無線通信、綜合布線、信息顯示、醫護對講、視頻監視及探視等系統),火災報警及消防聯動和安防系統,以及“人、機、料、法、環”管控系統。

        為了解決方艙醫院運維過程中醫療資源短缺、 交叉感染風險高的問題,優先考慮選用智能化、非接觸、遠程化設備及技術。

        在人員管控方面:采用熱成像儀等非接觸設備測量醫患人員的體溫;采用二維碼及人臉識別技術對院內人員信息和數量進行管理;采用自動門禁系統和電子圍欄技術對人員出入進行管理;選用超寬帶定位(UWB)及手機定位技術對人員位置進行定位和管理;選用 AI 圖像識別技術對院內人員的面部表情(壓力、沮喪、焦慮等)進行判別,對違規行為(不戴口罩、吸煙等)進行管控;選用智能可穿戴設備對患者健康狀態(體溫、心率、血氧等)進行監測;選用搭載語音及圖形視覺的巡檢機器人對患者健康狀態(體溫等)進行監測以及與患者進行輔助交互和會話;選用遠程醫療專家系統對患者進行遠程會診、遠程手術等。

        在設施管控方面:通過設備監控系統對電氣、通風、凈化、醫用等設備和排水、消毒等設施的狀態進行監測和管控。

        在物料管控方面:通過水質監測系統、污水處理監測系統(或化學檢測)分別對供水安全、污水及廢水狀態進行管控;通過廢氣處理監測系統對廢氣狀態進行監測;通過無害化處理系統(或視頻監 控)對污物狀態進行監測;選用 RFID 等技術對醫療及生活物資進行倉儲管理;選用智能機器人對藥品、生活用品和污物進行無人運輸。

        在流程管控方面:通過醫療信息化系統對醫療流程進行管理;通過安防系統對人員、設備和建筑安全進行管理。

        在環境管控方面:通過通風及空調監控系統對空氣壓力和空氣質量進行監測;通過溫濕度監測系統對手術室環境溫度、濕度進行監測;通過火災報警及消防聯動系統對火災進行監控;通過視頻監控技術對方艙醫院周圍環境進行管控;選用機器人對空氣環境進行自主滅菌消毒,對環境進行自主清潔。


        七、兩種模式在方艙醫院建設中應用


        通過對上述關鍵技術的攻克,我國在面對新冠肺炎疫情時,各城市成功地快速建設了大量的方艙醫院,有效控制了疫情。

        2020年1月,武漢市新建了火神山醫院和雷神山醫院,用時分別為10天和12天,建筑面積分別為33 900m2 和79 900m2 ,可提供床位分別為1000張和1600張;同時采用改造模式在21天內建設了16家方 艙醫院,可提供床位13 000張,其中武漢國際博覽中心、武漢光谷科技會展中心和武漢漢口北交通總站方艙醫院建設用時分別為7天、6天和3天,可提供床位分別為6000張、3690張和 2000 張。





        圖1 上海市部分方艙醫院分布及床位數


        2022 年 2 月,香港新建了青衣方艙醫院和新田方艙醫院,用時分別為7天和14 天,建筑面積分別為60 000m2 和38 000m2,可提供床位分別為3900張和2800張。


        2022年3月,上海市先后建設了120多家方艙醫院,可提供床位約30萬張,其中采用改造模式建設了國家會展中心(上海)方艙醫院,用時10天, 建筑面積為600 000m2  ,可提供床位50 000張。


        筆者所在的機構承擔了上海市50余個方艙醫院的建設工程(圖 1),可提供床位84 000張(數據截至2022年4月26日),其中:采用新建模式的代表性工程為嘉定臨時隔離用房和崇明臨時隔離用房,用時分別為20天和30天,建筑面積分別為112 000m2 和150 000m2  ,可提供床位分別為4365張和6279張;采用改造模式的代表性工程為浦東新國際博覽中心方艙醫院、金山天華路方艙醫院和浦東張江合慶應急隔離點,建筑面積分別為200 000m2 、50 000m2 和 50 500m2,用時分別為8天、5天和5 天, 可提供床位分別為15 000張、5030張和4800張。


        2022年3月22日,國家衛生健康委提出每個省至少須要建造2~3家方艙醫院。

        2022年4月29 日,國務院新聞辦公室指出全國已建成、正在建設的方艙醫院已接近400家(截至4月25日),可提供床位56萬余張,全國多個省市正在加快開展和即將開展大量方艙醫院工程的建設,以備常態化疫情防控所需。


        八、結束語

        方艙醫院的建設為我國抗擊新冠肺炎疫情做出了重要貢獻,也促進了建筑行業模塊化、快速建造技術的發展,將為繼續應對新冠肺炎疫情以及應對未來的疫情和其他突發公共衛生事件等提供有力的保障。同時,方艙醫院體現了中國速度、中國建造水平以及社會主義制度的優越性。

        未來可從設計、施工、運維三個方面對方艙醫院的建設繼續開展研究。


        01 

        設計方面

        針對新建的方艙醫院設計,有必要開展模塊化、裝配式基礎設計以及上部建筑功能全模塊化設計研究,提高回收利用率。針對采用改造模式的方艙醫院設計,可開展大型公共場館和方艙醫院相結合的設計研究,實現建筑功能的快速切換。此外,應開展永久性方艙醫院的設計研究,以及突顯個體心理需求和交互的設計研究。 


        02 

        施工方面

        當前主要依靠大量工人和24小時不間斷的高強度施工實現在短時間內完成方艙醫院的建設,有必要進一步研究適合方艙醫院快速裝配的新型自動化施工裝置和方法(如遠程塔吊、遠程挖掘機、自動安裝機器人、3D打印機器人等),提高施工的機械化、自動化和智能化水平。 


        03 

        運維方面

        當前采用的智能化、非接觸、遠程化設備及技術大多仍處于試驗階段,尚不能大規模應用,同時 一些自動化監測裝置缺乏(如尚無污水排放自動化實時監測設備),以及一些信息化軟件適用性較弱, 因此有必要進一步開展智能化運維相關的硬件和軟件研發工作,例如開展適合方艙醫院的、基于物聯網的非接觸式管控機器人研究,基于云計算、大數據和AI算法的適合方艙醫院的遠程運維和管控平臺研究等。

        左自波


        上海建工集團股份有限公司、上海建工集團工程研究總院

        來源:《中國醫院建筑與裝備》2022年第10期


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