淺析BIM技術(shù)在潔凈空間暖通系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用

張 健，杜 莉

（中建八局第二建設(shè)有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

隨著建設(shè)技術(shù)水平的提升，醫(yī)院潔凈空間的比例在不斷上升，對空氣潔凈度級別的要求也在不斷提高。影響凈化空間空氣潔凈度的專業(yè)系統(tǒng)很多，其中暖通系統(tǒng)的權(quán)重最大，暖通系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)果直接影響潔凈空間的使用性能。在設(shè)計過程中利用BIM 技術(shù)的三維可視化、建筑信息分析等功能，對改善暖通系統(tǒng)設(shè)計有一些應(yīng)用價值。

1 工程概況

某醫(yī)院項目潔凈區(qū)域面積約25 000m2，包括DSA 手術(shù)室、PCR 實驗室、EICU（急診重癥監(jiān)護(hù)室）、NICU（新生兒重癥監(jiān)護(hù)室）、綜合內(nèi)科ICU、綜合外科ICU、神經(jīng)外科ICU、透析中心、內(nèi)鏡中心、口腔種植室、眼科手術(shù)室、消毒供應(yīng)室、生殖中心、層流病房、干細(xì)胞實驗室等多種潔凈級別的醫(yī)療科室。

本項目機(jī)電工程專業(yè)眾多，管線密集，包括凈化空調(diào)系統(tǒng)、非凈化暖通系統(tǒng)、暖通水系統(tǒng)、醫(yī)用氣體系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等。

2 醫(yī)院潔凈空間特點

按照GB 50333-2013《潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規(guī)范》中的定義，潔凈區(qū)是指凡有Ⅳ級及以上潔凈度要求的區(qū)域均為潔凈區(qū)，即在空態(tài)或靜態(tài)下，潔凈用房等級為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級的空間為潔凈空間。

基于現(xiàn)行潔凈級別標(biāo)準(zhǔn)，醫(yī)院潔凈空間對空氣潔凈度和細(xì)菌濃度有嚴(yán)格的要求，和其他區(qū)域相比，潔凈空間有如下特點。

1）醫(yī)院潔凈空間按照不同的級別和功能，需要滿足特定的技術(shù)指標(biāo)，這些技術(shù)指標(biāo)主要為工作區(qū)平均風(fēng)速、最小換氣次數(shù)、溫度、最小新風(fēng)量等。

2）潔凈空間相互之間需要有適當(dāng)壓差。不同級別的相互連通的潔凈空間，潔凈度級別高的用房應(yīng)對低的用房保持正壓；相同級別的相互連通的潔凈空間，也應(yīng)有壓差以保證要求的氣流方向。

3）潔凈手術(shù)部為潔凈要求最高的醫(yī)療用房，潔凈手術(shù)部平面必須分為潔凈區(qū)與非潔凈區(qū)，二者之間的聯(lián)絡(luò)必須設(shè)緩沖室或傳遞窗。

4）潔凈空間的溫度調(diào)節(jié)一般靠凈化空調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)，Ⅲ級以上的潔凈手術(shù)室和Ⅱ級以上的潔凈輔助用房內(nèi)不得設(shè)置采暖散熱器和地板采暖系統(tǒng)。

5）潔凈空間與污染空間應(yīng)分區(qū)域單獨設(shè)置，且污染空間需要保持一定負(fù)壓。

3 暖通系統(tǒng)設(shè)計對于潔凈空間的重要性

醫(yī)院潔凈空間的設(shè)計有兩個重點，即醫(yī)療工藝設(shè)計與潔凈暖通系統(tǒng)設(shè)計。醫(yī)療工藝設(shè)計是通過對醫(yī)院內(nèi)各個醫(yī)療功能單元之間與單元內(nèi)部流程的設(shè)計，實現(xiàn)醫(yī)療公共潔凈空間與醫(yī)療潔凈用房的功能。潔凈暖通系統(tǒng)設(shè)計是通過對采暖、通風(fēng)、空調(diào)等系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)潔凈空間的凈化要求。暖通系統(tǒng)設(shè)計對于潔凈空間的重要性主要體現(xiàn)在以下3 個方面。

3.1 調(diào)節(jié)潔凈空間的溫度

目前，醫(yī)院建筑潔凈空間的溫度調(diào)節(jié)主要采用中央空調(diào)集中冷熱源的形式。首先，潔凈空間需要獨立于普通空間和污染空間的凈化空調(diào)系統(tǒng)，以確保空氣潔凈度；其次，一定等級的潔凈手術(shù)室和潔凈輔助用房不得設(shè)置普通空間的采暖設(shè)施，一方面為了防止墻面或地面附著的空氣微粒升騰影響空氣潔凈度，另一方面空調(diào)機(jī)組的單獨調(diào)節(jié)比空調(diào)與采暖的混合調(diào)節(jié)更精準(zhǔn)、穩(wěn)定，可以更好地滿足潔凈空間嚴(yán)格的溫度要求。

3.2 保持空氣潔凈

為了滿足大型或可能影響病患生命健康的手術(shù)、細(xì)胞實驗、無菌品庫等環(huán)境控制要求，醫(yī)院會設(shè)置潔凈空間。對于潔凈空間，在空態(tài)或靜態(tài)下，產(chǎn)生微粒和細(xì)菌的頻率與濃度比正常使用狀態(tài)低，所以持續(xù)除塵和除菌是保證凈化空氣的關(guān)鍵。

潔凈空間的暖通系統(tǒng)采用阻隔式空氣凈化裝置，在保證凈化空氣的前提下，不會產(chǎn)生且不會被傳播有害物質(zhì)，防止細(xì)菌產(chǎn)生的代謝物或病毒、細(xì)菌的尸體造成過敏或二次感染。不僅如此，為了防止沉降的微粒與微生物再次揚起污染空氣，潔凈空間的氣流方向與微生物、微粒的沉降方向一致。

3.3 提供正壓環(huán)境

潔凈空間需要對相鄰無潔凈要求的普通空間或低級別的潔凈空間保持一定程度的正壓，持續(xù)提供凈化后的新風(fēng)是保持正壓的常用手段。當(dāng)人或物穿越不同潔凈要求的空間時，必然產(chǎn)生空氣流動，如果潔凈要求高的空間與外界是無壓或負(fù)壓狀態(tài)，外界的空氣會進(jìn)入潔凈空間內(nèi)造成污染，所以潔凈空間必須維持正壓環(huán)境且正壓壓強(qiáng)需要滿足規(guī)范要求。

4 潔凈空間暖通設(shè)計存在的問題

4.1 空間氣流設(shè)計不合理

4.1.1 氣流組織形式不合理

潔凈空間氣流組織形式主要有3 種：單向流、非單向流和混合流?？諝鉂崈舳燃墑e要求高的潔凈空間主要采取單向流，常規(guī)單向流形式為水平單向流和垂直單向流。潔凈手術(shù)室常用上送下回的垂直單向流，避免采用上送上回的氣流組織，防止空間內(nèi)的污染物不能及時排出造成二次污染。

4.1.2 回風(fēng)口設(shè)計不合理

1）回風(fēng)口位置設(shè)計不當(dāng) 在醫(yī)院的凈化暖通系統(tǒng)設(shè)計方面，引起潔凈空間內(nèi)氣流異常的常見原因是回風(fēng)口位置安排不合理。回風(fēng)口位置設(shè)計不當(dāng)一方面可能會導(dǎo)致潔凈室內(nèi)氣流方向不符合要求，進(jìn)而影響空氣潔凈度；另一方面可能會降低回風(fēng)效率，增加設(shè)備能耗。

2）回風(fēng)口數(shù)量或規(guī)格設(shè)計不當(dāng) 如果回風(fēng)口的數(shù)量過少或者尺寸過小，會引起室內(nèi)正壓壓強(qiáng)過大，新風(fēng)會從有縫隙的部位溢出，增加空間噪音與整體暖通系統(tǒng)能耗。

4.2 負(fù)荷設(shè)計不準(zhǔn)確

在目前節(jié)能減排的綠色設(shè)計理念下，暖通設(shè)計需要充分考慮系統(tǒng)能耗?；跐崈羰蚁嚓P(guān)的國家強(qiáng)制性規(guī)范要求，設(shè)計時為了避免技術(shù)參數(shù)不足，一般采用較高的設(shè)計系數(shù)，潔凈空間的空調(diào)設(shè)計往往存在設(shè)計負(fù)荷偏大的情況，增加了不必要的建設(shè)成本和運維成本。

4.3 設(shè)計難以落地施工

由于潔凈空間對凈化空氣要求高，所以風(fēng)管尺寸往往比較大；而且醫(yī)院尤其是手術(shù)用房區(qū)域，機(jī)電工程專業(yè)多，專業(yè)內(nèi)部管線種類和數(shù)量多。以本項目為例，暖通風(fēng)系統(tǒng)包括新風(fēng)、送風(fēng)、回風(fēng)、排風(fēng)等，暖通水系統(tǒng)包括空調(diào)熱供水、空調(diào)熱回水、空調(diào)冷供水、空調(diào)冷回水、加濕器蒸汽、空調(diào)冷媒等，此外還有電氣、給排水、醫(yī)用氣體、消防、防排煙系統(tǒng)等。在這種嚴(yán)苛的施工空間下，如果設(shè)計師未充分與掌握其他專業(yè)情況，可能造成單專業(yè)設(shè)計未統(tǒng)籌全局空間，導(dǎo)致設(shè)計圖紙難以施工的情況。

5 BIM技術(shù)的應(yīng)用

5.1 各專業(yè)協(xié)同設(shè)計

目前BIM工作模式協(xié)同設(shè)計主要有兩種模式。

1）在潔凈空間機(jī)電工程設(shè)計時，每個專業(yè)至少配備一名BIM 工程師，基于軟件的協(xié)同工作模式，所有BIM 工程師在同一模型中工作，發(fā)現(xiàn)問題及時反饋至專業(yè)設(shè)計師，專業(yè)設(shè)計師修改后再反饋至BIM 工程師進(jìn)行修改，最后由各專業(yè)設(shè)計師分別出圖。

2）機(jī)電專業(yè)設(shè)計師具備BIM 設(shè)計能力，所有設(shè)計師通過BIM 正向設(shè)計的形式，利用BIM軟件協(xié)同設(shè)計，即時溝通與修改，最后利用BIM模型分專業(yè)出圖。

這兩種工作模式各有利弊。第一種模式中，每次修改至少需要專業(yè)內(nèi)兩次溝通與反饋，相比第二種協(xié)同效率較低；第二種模式中，目前BIM軟件的出圖參數(shù)參差不齊，而且設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)不同，導(dǎo)出的圖紙與CAD 直接繪制的圖紙不同，還需要在CAD 中進(jìn)行二次修改才能達(dá)到藍(lán)圖的標(biāo)準(zhǔn)，相比第一種出圖效率與質(zhì)量較低。為了確保一次出圖，本項目采用第一種協(xié)同模式，避免了單專業(yè)相對孤立的設(shè)計，降低了圖紙在機(jī)電安裝中的落地實施難度，如圖1。

圖1 局部BIM協(xié)同模型

5.2 基于Revit計算負(fù)荷校核設(shè)計參數(shù)

在Revit 模型中，對潔凈房間放置“分析空間”，以便計算模型內(nèi)的體積，此分析空間包括房間、正壓送風(fēng)系統(tǒng)和墻槽。添加分析空間可以對計算區(qū)域進(jìn)行空間標(biāo)記，為空間指定類型，如醫(yī)院手術(shù)室等，添加體積、房間面積、圍護(hù)結(jié)構(gòu)等空間參數(shù)信息并對房間進(jìn)行命名和編碼。

根據(jù)項目實際情況對潔凈空間設(shè)置參數(shù)，為暖通系統(tǒng)模型添加流量參數(shù)，設(shè)定空間的條件參數(shù)如照明負(fù)荷密度、每小時換氣次數(shù)等，Revit 按照ASHRAE 的標(biāo)準(zhǔn)與方法，計算新風(fēng)量，也可設(shè)定人員信息如人員數(shù)量，人均面積等參數(shù)計算每人的新風(fēng)量、單位面積的新風(fēng)量，如圖2。

圖2 空間參數(shù)設(shè)置

正常情況下，室內(nèi)正壓在5～10Pa 之間即可滿足規(guī)范要求，如果正壓壓強(qiáng)過大不僅增加新風(fēng)泄露的風(fēng)險，而且會降低設(shè)備運行的經(jīng)濟(jì)性。潔凈空間新風(fēng)量的計算在醫(yī)院凈化工程中有很重要的意義。利用軟件計算的新風(fēng)量，設(shè)計人員可以作為校核計算風(fēng)量的依據(jù)，避免設(shè)計負(fù)荷過大造成浪費。

5.3 三維可視化復(fù)核設(shè)計方案

5.3.1 BIM預(yù)施工

利用BIM 軟件三維可視化的優(yōu)勢，可以進(jìn)行“BIM 預(yù)施工”提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題。首先整合全專業(yè)BIM 設(shè)計模型，通過碰撞檢查導(dǎo)出碰撞報告，提前發(fā)現(xiàn)機(jī)電各專業(yè)之間、機(jī)電與建筑結(jié)構(gòu)之間的硬碰撞，設(shè)計師可以通過修改設(shè)計提前解決。

5.3.2 豎向凈空分析

根據(jù)GB 50333-2013《醫(yī)院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規(guī)范》，潔凈手術(shù)部的凈高不宜低于2.7m。通過豎向凈空分析，確定管線密集關(guān)鍵區(qū)域的凈使用空間高度，潔凈空間的風(fēng)管一般尺寸較大、數(shù)量多，一旦凈空不滿足規(guī)范要求，可以采用降低風(fēng)管高度、改變其他專業(yè)管道走向等方法解決，如圖3。

圖3 豎向凈空調(diào)整效果

5.3.3 氣流組織形式方案對比

Autodesk CFD 與Revit 的交互建立分析模型，基于模型的風(fēng)口末端的位置與尺寸，利用某方向截面流體速度分布圖，可以直觀的看到空間內(nèi)的氣流方向。例如手術(shù)室區(qū)域，手術(shù)床一定范圍內(nèi)必須是層流才能保證手術(shù)所需的空氣潔凈度，氣流組織或者回風(fēng)口的位置不合理，可以直接反映在分布圖上，便于驗證修改。

6 結(jié)語

醫(yī)院潔凈空間區(qū)別于其他空間，對暖通系統(tǒng)設(shè)計的規(guī)范化和準(zhǔn)確性要求很高，BIM 作為輔助設(shè)計的工具，為氣流組織不合理、設(shè)計負(fù)荷不準(zhǔn)確、圖紙難以落地實施等設(shè)計問題提供了新的解決思路，在提高設(shè)計整合效率，完善設(shè)計流程、優(yōu)化設(shè)計方案的道路上開拓了新的方向。