兼容方艙醫(yī)院功能的高大空間照明策略

張 昕 ，洪莉淑，郝心怡

(清華大學(xué)建筑學(xué)院，北京 100084)

引言

方艙醫(yī)院由一系列具有不同醫(yī)療或技術(shù)保障功能的方艙組合而成，依附城市既有庇護(hù)性公共空間改造后的具備早期治療能力的醫(yī)院[1]。方艙醫(yī)院是應(yīng)對(duì)輕癥患者分流收治、遏制新冠肺炎疫情發(fā)展的有效手段。

隨著疫情在全球的蔓延，世界各地均有在高大空間中設(shè)立方艙醫(yī)院的案例。選擇高大空間建筑如會(huì)展中心、體育設(shè)施、購(gòu)物中心、工業(yè)廠房、交通建筑等改造為方艙醫(yī)院，除空間高、容量大以外，也因?yàn)檫@些建筑改造時(shí)間短、成本低，同時(shí)此類建筑往往具備便于疏散、與周邊建筑距離適當(dāng)、遠(yuǎn)離人口稠密區(qū)域、結(jié)構(gòu)安全性達(dá)標(biāo)等特征[2]。典型案例如表1所示。

表1 選擇高大空間改建方艙醫(yī)院的代表案例Table 1 Nightingale hospitals in large-scaled space

表1中，全開敞式空間布局指高大空間中無隔墻，醫(yī)護(hù)人員的工作區(qū)域?yàn)楣芾韻u形式；半開敞式空間布局中設(shè)置隔墻，劃分?jǐn)?shù)個(gè)單元病區(qū)；單元病房式空間布局中設(shè)置隔墻，患者以單人或雙人病房的方式被隔離(圖1)。

圖1 方艙醫(yī)院空間布局模式圖Fig.1 Layout patterns of nightingale hospitals in large-scaled space

1)建筑特點(diǎn)。分區(qū)嚴(yán)格明確，通常劃分為“三區(qū)兩通道”，即潔凈區(qū)、半污染區(qū)、污染區(qū)，以及醫(yī)務(wù)人員通道、患者通道，不同通道獨(dú)立設(shè)置[2]，利用高大空間的多個(gè)出入口實(shí)現(xiàn)醫(yī)患污分流，使用后留存較多污染物的空間(如病患衛(wèi)生間等)獨(dú)立設(shè)置在室外。同時(shí)，還可設(shè)置供病人休閑娛樂的公共區(qū)域，如閱覽區(qū)、活動(dòng)區(qū)等。方艙醫(yī)院中平行兩床的凈距不小于1.2 m，雙排床位之間的通道凈距不小于1.4 m[3]。若采用輕質(zhì)隔墻劃分護(hù)理單元，每單元設(shè)置8～20床，最多不超過42床，劃分面積約為35～180 m2。分區(qū)隔墻的高度不宜小于1.8 m，最低不低于1.2 m，分區(qū)間的消防疏散通道寬度不宜小于4 m[2，3]。

2)照明特點(diǎn)。高大空間上部的大功率照明仍可繼續(xù)利用。方艙醫(yī)院組裝施工可在維護(hù)照明模式下進(jìn)行，改建后醫(yī)患人員長(zhǎng)期處于室內(nèi)，也需要原有照明來保證室內(nèi)照度水平。部分代表案例也通過新增局部照明如臺(tái)燈、落地?zé)舻葋韺?shí)現(xiàn)近人尺度的照明需求。目前，高大空間的使用上仍存在原有照明和改建需求不匹配的問題。日間，原有照明不一定能滿足醫(yī)護(hù)人員工作和患者節(jié)律的需求。夜間，若采取熄燈模式，醫(yī)護(hù)人員巡視和患者起夜都需要手持移動(dòng)照明，醫(yī)務(wù)人員的夜間工作區(qū)域需要新增局部照明；若采取不熄燈模式，則會(huì)嚴(yán)重影響患者睡眠和節(jié)律。

1 方艙醫(yī)院與高大空間照明策略的矛盾

方艙醫(yī)院與高大空間照明標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照如表2所示。由標(biāo)準(zhǔn)解讀的照明策略矛盾匯總?cè)缦拢?/p>

表2 方艙醫(yī)院與高大空間(以會(huì)展中心為例)照明標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照Table 2 Comparison of daylight/lighting design standard between hospital and exhibition center

1)照明布局與控制方式。會(huì)展中心等高大空間實(shí)施全區(qū)均勻照明，采用智能照明控制系統(tǒng)進(jìn)行集中控制，不宜設(shè)置就地控制；醫(yī)院的合理照明方式為一般照明與局部照明，多采用分區(qū)控制和就地單燈控制。

2)照度和色溫標(biāo)準(zhǔn)。高大空間的照度標(biāo)準(zhǔn)高于病房空間和走道空間，色溫標(biāo)準(zhǔn)值高于病房空間，對(duì)于入睡時(shí)段、起夜功能等并不適用，與病患的晚間生理節(jié)律需求存在矛盾。

3)統(tǒng)一眩光值(UGR)標(biāo)準(zhǔn)。高大空間對(duì)于防眩光的要求低于方艙醫(yī)院。建議提高會(huì)展中心等高大空間的UGR標(biāo)準(zhǔn)(降低UGR值)，以滿足方艙醫(yī)院的視覺舒適性需求。

4)采光標(biāo)準(zhǔn)。雖然從數(shù)據(jù)看，滿足會(huì)展中心要求即可滿足醫(yī)院要求，但是方艙醫(yī)院各病床空間屬于二次采光，以下將結(jié)合研究模型具體分析。

2 研究模型建立

通過對(duì)實(shí)際項(xiàng)目的案例學(xué)習(xí)，參考相關(guān)規(guī)范，并結(jié)合武漢國(guó)際會(huì)展中心方艙醫(yī)院、武漢體育中心方艙醫(yī)院空間布置，遵循湖北省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳發(fā)布的《方艙醫(yī)院設(shè)計(jì)和改建的有關(guān)技術(shù)要求(修訂版)》[3]相關(guān)技術(shù)規(guī)定，建立兼容方艙醫(yī)院功能的高大空間研究模型，床位布置詳見圖2。

圖2 研究模型床位布置平面圖Fig.2 Beds arrangement in research model

研究模型中高大空間平面凈距為55.5 m×50.5 m，凈高分別為10.8 m、20.8 m及30.8 m。在平面中心布置一條走道及兩側(cè)各一個(gè)分區(qū)單元作為主要計(jì)算區(qū)，走道寬4 m，每個(gè)單元48張床位，共6排，每排8張床，單元外圍使用2.0 m高隔墻圍擋，內(nèi)部床位之間使用1.2 m低隔墻。

運(yùn)用DIALux evo 8.2軟件對(duì)研究模型進(jìn)行方艙醫(yī)院場(chǎng)景的模擬研究，模型參數(shù)如表3所示，使其滿足表2所示的照明相關(guān)要求，探索兼容方艙醫(yī)院功能的高大空間照明策略。該模型聚焦病床區(qū)(病床、走道)的照明策略，治療室、護(hù)士站等其他功能區(qū)因其空間位置、布局形式多樣，不在本文討論范圍之內(nèi)。

表3 模型參數(shù)Table 3 Model parameters

3 天然采光模擬驗(yàn)證

使用RADIANCE軟件對(duì)12 m研究模型進(jìn)行采光系數(shù)模擬，外墻面設(shè)置連續(xù)等高的高側(cè)窗，在窗上沿高(距地面10 m)保持不變的條件下，通過改變窗高，可知空間整體平均采光系數(shù)分布情況(圖3)。

圖3 采光系數(shù)分布Fig.3 Distribution of daylight factor

采光系數(shù)分布呈兩向中軸對(duì)稱，因此，僅分析空間中心的采光最不利區(qū)(共96張床位)的1/4，即24張床位(見圖4)。會(huì)展中心在側(cè)窗采光條件下的采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為3%，達(dá)標(biāo)條件下，中心最不利區(qū)的平均采光系數(shù)為1.21 %，低于2%的病房采光標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)模擬結(jié)果(見圖4)，當(dāng)最不利區(qū)的床位平均采光系數(shù)大于2%時(shí)，空間整體的平均采光系數(shù)將高達(dá)8.04%；當(dāng)最不利區(qū)每張床位的采光系數(shù)均大于2%時(shí)，空間整體的平均采光系數(shù)將高達(dá)11.61%。如綜合考慮與日光進(jìn)入相關(guān)的眩光與能耗情況，合理的高大空間采光設(shè)計(jì)將無法滿足中心不利區(qū)的病床采光達(dá)到采光標(biāo)準(zhǔn)的要求。研究模型中的床間隔板為1.2 m，如采用美國(guó)、德國(guó)等的單元病房式隔斷，采光系數(shù)值將更低。因此，應(yīng)充分考慮日間的人工光補(bǔ)光，特別是中心最不利區(qū)。

圖4 采光系數(shù)模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results of daylight factor

4 按預(yù)設(shè)方艙醫(yī)院布局設(shè)置走道照明系統(tǒng)

以研究模型為例，按走道寬度為4 m，預(yù)設(shè)走道照明燈具與回路，用于夜間使用，針對(duì)10 m、20 m、30 m凈高分別進(jìn)行模擬，結(jié)果見表4、圖5。

圖5 床頭水平照度Fig.5 Horizontal illuminance of beds

表4 方艙醫(yī)院走道照明模擬結(jié)果Table 4 Simulation results of Nightingale hospital corridor lighting

對(duì)于10 m高度，現(xiàn)有燈具產(chǎn)品能較好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。對(duì)于20 m、30 m高度，在滿足走道照度要求的條件下，為降低走道兩側(cè)床位的床頭水平照度，減少光線對(duì)患者夜間睡眠的影響，宜選用窄光束角燈具，因而燈間距縮短，走道均勻度降低，照明功率密度上升。未來截光型窄角燈具應(yīng)進(jìn)行配光曲線優(yōu)化，由“紡錘形”向“水滴形”發(fā)展；改善控光，嚴(yán)格控制光線溢散；當(dāng)功率密度仍有達(dá)標(biāo)空間時(shí)，可利用針對(duì)窄角燈的拉伸鏡片，增大燈間距，改善走道照明的均勻度。此外，空間尋址應(yīng)解決好床位與走道之間的視覺銜接，建議床區(qū)設(shè)置夜間可辨識(shí)的標(biāo)識(shí)或弱光照明，方便病人從走道空間返回床位，以及醫(yī)療人員的夜間巡查。

5 將空間照明預(yù)設(shè)為符合節(jié)律需求的照明系統(tǒng)

高大空間照明可考慮預(yù)設(shè)為符合節(jié)律需求的照明系統(tǒng)，維持患者及醫(yī)護(hù)人員的情緒穩(wěn)定和晝夜節(jié)律。

多項(xiàng)研究表明，低色溫的光照環(huán)境更符合情感需求[11]，讓病患感到溫馨、自在、放松[12,13]。病房宜選用100 lx/3 300 K[14]、200 lx(有視覺需求時(shí)400 lx)/3 000 K[15,16]的照明，復(fù)健區(qū)和過渡區(qū)等活動(dòng)區(qū)域宜選用4 000 K的照明[14]。美國(guó)WELL建筑標(biāo)準(zhǔn)v2試行版提出了“適合晝夜節(jié)律系統(tǒng)的照明”條款，要求提供維持晝夜節(jié)律健康的照明，保持與自然循環(huán)一致[17]，采用了由Lucas團(tuán)隊(duì)研究改良的視黑素等效勒克斯法(Equivalent Melanopic Lux，EML)衡量節(jié)律照明[18]：應(yīng)在1.4 m高度評(píng)估垂直照度，至少在9點(diǎn)～13點(diǎn)之間滿足目標(biāo)要求，如在入睡后至起床前兩小時(shí)開啟照明，0.76 m高度水平照明應(yīng)不超過50 EML[17]。以符合會(huì)展中心照明標(biāo)準(zhǔn)的4 000 K燈具為例，利用10 m研究模型，進(jìn)行模擬驗(yàn)證(表5)。

表5 適合晝夜節(jié)律系統(tǒng)的照度水平驗(yàn)證(以10 m模型、4 000 K燈具為例)Table 5 Illuminance simulation results of circadian lighting(10 m model,4 000 K)

根據(jù)模擬可知，對(duì)于10 m高度，如采用配光合理的可調(diào)光燈具，可實(shí)現(xiàn)符合會(huì)展中心標(biāo)準(zhǔn)的照明設(shè)計(jì)兼容WELL標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)律照明要求?？梢詭椭∪司S持晝夜節(jié)律，改善情緒、認(rèn)知和睡眠質(zhì)量，避免產(chǎn)生部分由節(jié)律紊亂導(dǎo)致的健康問題[19]。兼容方艙醫(yī)院的節(jié)律照明策略總結(jié)如下：

1)將高大空間的一般照明設(shè)置為可調(diào)光照明或混光照明。為滿足不同功能時(shí)段人群節(jié)律需求，可以基于可調(diào)光照明或混光照明設(shè)置差異化的照明策略，實(shí)現(xiàn)多種照度和色溫的模式組合。例如通過各自兩控制回路(50%、100%)的混光方式得到兼顧展覽與節(jié)律的模式組合(表6)，其中5 000 K全開實(shí)現(xiàn)300 lx，2 700 K全開實(shí)現(xiàn)100 lx。

表6 兼顧展覽與方艙醫(yī)院的混光照明(以2 700 K、5 000 K混光為例)Table 6 Mixed lighting examples balancing nightingale hospital and exhibition center(2 700 K，5 000 K)

2)設(shè)置日間高曝光區(qū)(復(fù)健區(qū)/活動(dòng)區(qū))。由于方艙醫(yī)院的收治患者多為65歲以下的輕癥病人，大多數(shù)仍可自由活動(dòng)，因此在高大空間中可設(shè)置供患者使用的復(fù)健區(qū)或活動(dòng)區(qū)。從節(jié)律和視覺功能角度，可將其設(shè)置為日間高曝光區(qū)，通過DALI等智能控制方式或增設(shè)局部照明等方式實(shí)現(xiàn)。

3)通過局部照明的方式滿足不同人群的視覺和節(jié)律需求。為滿足醫(yī)患的不同照明需求，避免相互干擾而產(chǎn)生對(duì)于節(jié)律系統(tǒng)的影響，可在一般照明的基礎(chǔ)上增加近人尺度的局部照明，如醫(yī)生使用可移動(dòng)照明進(jìn)行夜間辦公及值班巡查，患者通過充電夜燈等方式提供起夜通行照明。從方艙醫(yī)院的實(shí)踐來看，這也是最被普遍采用的照明方式。

6 與裝配式構(gòu)件結(jié)合的局部照明設(shè)計(jì)

方艙醫(yī)院的原型為醫(yī)療集裝箱體模塊組合，通過裝配式、輕型結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)快速建設(shè)。根據(jù)《方艙醫(yī)院設(shè)計(jì)和改建的有關(guān)技術(shù)要求(修訂版)》，有條件時(shí)，每個(gè)床位應(yīng)設(shè)置1～2個(gè)220 V、10 A單相插座并配置臺(tái)燈，或在周邊隔墻、地面增設(shè)一些照明燈具[3]。本文依此繪制與裝配式構(gòu)件結(jié)合的局部照明策略示意圖(圖6)。

圖6 與裝配式構(gòu)件結(jié)合的局部照明示意圖Fig.6 Diagram of local lighting assembled with modular structure

根據(jù)國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)的醫(yī)院不同區(qū)域照明標(biāo)準(zhǔn)及各國(guó)醫(yī)院照明標(biāo)準(zhǔn)[20,21]，匯總達(dá)成各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的照明策略，見表7。

表7 方艙醫(yī)院的照度參考標(biāo)準(zhǔn)與照明策略Table 7 Reference standard and lighting methods of nightingale hospital lx

1)隔墻預(yù)留插座。通過在輕質(zhì)隔墻上預(yù)留插座，實(shí)現(xiàn)患者的設(shè)備用電和醫(yī)療用電需求，在床位鋪設(shè)完畢后可靈活設(shè)置局部照明，如臺(tái)燈、夜燈(局部照明B)等，滿足患者閱讀、就餐、起夜等需求。

2)床頭線型燈具(局部照明A)。通過在床頭背板隔墻埋設(shè)線槽，可實(shí)現(xiàn)在床頭上方增設(shè)線型燈具，提供助眠、喚醒、閱讀、就餐等用光需求。該方式節(jié)省空間，便于維護(hù)管理，可實(shí)現(xiàn)多元的用光需求。

3)增設(shè)走道照明(局部照明C)。如果高大空間照明無法在不干擾患者睡眠的前提下滿足走道照明要求，可埋設(shè)線槽，在內(nèi)外隔墻的交界處引線安裝走道照明燈具，提供醫(yī)患夜間通行用光。