BIM在预制装配式医院建筑中的应用研究与实践

时间：2024-05-18

蒋凤昌，周桂香，朱水勇，奚晟翔，董杰，吉盛凯

(1.泰州职业技术学院，江苏泰州 225300；2.江苏永泰建造工程有限公司，江苏泰州 225300；3.上海科瑞真诚建设项目管理有限公司，上海 200092)

1 引言

随着预制装配式混凝土结构(PC)在房屋建筑中的推广应用，医院建筑也逐步采用这种结构形式[1]。为了更好地达到绿色设计、绿色施工、提高施工进度、施工质量和安全等目标[2]，建筑信息模型(BIM)技术被应用于预制装配式混凝土结构建设全过程，可以较好地提前发现设计和施工中可能存在的隐患，从而优化设计方案和施工方案，利于医院建筑进行工程质量、安装、进度和造价的控制管理[3]。本文以上海市皮肤病医院门急诊医技病房综合楼建设为例，进行BIM+PC的技术融合研究与工程实践。

2 工程概况

上海市皮肤病医院新建门急诊医技病房综合楼(图1)，位于上海静安区保德路1278号，该项目建设总面积为48988 m2，其中地下二层，建筑面积17733 m2，地上十层，建筑面积31205 m2，建筑高度44.9 m。建筑功能用房主要包括门急诊、医技、病房等。

本项目是设计过程中调整为预制装配式混凝土结构的医院建筑，也是上海市“十三五”规划项目中第一幢采用预制装配式混凝土结构的医院建筑。在前期报建阶段均未按照装配式建筑要求进行报建，在沪建建材【2019】97号文件实施后，医院领导与设计院及时沟通协调，响应政府文件要求，对设计图纸进行变更设计，主楼采用装配整体式框架-现浇剪力墙结构混凝土，裙房采用装配整体式框架结构，同时结合项目进展的实际情况，在装配式方案评审汇报中，基于BIM的模拟分析，针对医院建筑的特色工艺要求，并综合考虑成本控制等因素，最终将预制率降低至25.01%。

3 医院建筑应用PC的难点分析

装配式建筑主要考虑大量的建筑部品在工厂加工完成，并且基于设计的标准化，实现构件标准、生产效率的显著提高，从而降低构件成本。但是，上海市皮肤病医院项目在装配式结构应用过程中，存在一些难点，亟需深入分析研究。

图1 综合楼BIM图

3.1 房间功能的多样性

综合楼的功能用房布局具有大多数医院建筑的特征：布局广、科室多、功能复杂。裙房首层功能主要为门诊大厅、药房、放射科；其余各层分布各亚专科专题治疗门诊，包括银屑病诊疗中心、过敏性皮肤病诊疗中心、光医学治疗中心、中医治疗中心、性病治疗中心、医学美容中心等功能空间。主楼二至四层为医技功能用房，医技特殊要求多，医疗设备种类多，五层以上为各亚专科住院病房。

由于医院建筑功能的多样性，使得各楼层平面布局根据各自功能及医疗工艺而定，房间分配的建筑面积及尺寸变化较多，无法像住宅用房一样做到上下对齐、成列布置。例如各种诊疗中心的诊室开间进深较小，并且每间诊室都设置洗手池。诸如此类的因素不利于批量生产的预制构件的设计与加工。

3.2 建筑立面的独特性

综合楼的外立面设计，为了体现皮肤的纹理，基于仿生学原理，建筑立面采用横向舒展的线条作为主要特征，层层退台，转角处皆采用圆弧过渡处理(图2)，以铝板和横向带形窗体展现医院建筑的简洁明快的个性。

建筑立面独特的创意设计，使得预制构件尺寸独特，标准模块重复率低，即加工制作混凝土构件的模具可重复率不高，达不到工厂规模化生产的基本要求，导致建造成本上升。

图2 建筑外立面设计

3.3 结构体系的选择性

考虑医院建筑的功能多样性、房间分布的规律性不强、全生命周期功能调整的弹性发展等因素，当采用预制装配式建筑结构形式时，装配式钢结构体系更适合医院综合楼。但是，据投资测算，通常装配式钢结构体系比装配式混凝土结构体系造价稍高，造价系数约达1.1倍左右。而由于国家发改委对新建医院建筑的投资控制管理严格，综合楼前期报建时所确定的投资估算为42592万元，不允许突破。因此，在结构体系选择时考虑采用预制装配式混凝土结构体系，并且确定适当的PC预制装配率，以满足造价指标的要求。

3.4 建设环境的受限性

由于新建综合楼位于老院区内，医院周边居民小区环绕，工程建设全过程的维稳工作是保证项目顺利推进的重要方面。新建综合楼主要出入口与市政道路之间也需穿越居民小区，施工期间，除保证工程质量问题外，施工过程中对周边居民的干扰也是项目需要重点考虑的部分。装配式运输车辆一般为13 m以上，若从医院主入口进入，极有可能影响正常道路交通和医院运营，另一侧通道为三泉公园旁与居民小区公用的公共通道，较为狭窄，运输预制构件的大型平板车通行难度大。因此采用装配式混凝土结构时，运输大型构件需考虑建设环境的受限性。

4 BIM+PC应用方案与工程实践

在预制装配式混凝土结构的医院建筑中应用BIM技术，需充分考虑医疗工艺和医疗设备布置对预制构件的影响，提前做好精细化的构件分解设计。

4.1 BIM模型构建

依据建筑工程的施工图和PC深化设计图纸，构建BIM模型，包括建筑结构模型(图3)和机电专业模型(图4)。在模型构建过程中，基于BIM的可视化、参数化和可模拟性的特点[4]，进行构件拆分多方案比选，确定单元重复率高的构件和单元模块，辅助快速确定构件拆分设计最优方案，最终确定制作402个预制构件，主要包括预制混凝土叠合板、预制混凝土梁和预制楼梯板，降低预制构件生产成本，并经过测算，控制在造价范围内。

图3 建筑结构BIM模型

图4 机电BIM模型

4.2 BIM管线综合

为了确保医院建筑的给排水、强弱电、空调、消防等机电管线和医疗气体、医用物流系统等专用系统管线的合理布局，基于BIM进行各类机电管线综合，碰撞分析，并且考虑各类医疗用房和公共部位的净空高度[5]。以此为基础，精细化地分析了PC构件的预留孔洞和预埋铁件(图5)，从而提高预制构件细部加工的准确性。

图5 管线综合助力PC预留预埋

4.3 基于BIM的医疗工艺分析

医院建筑的布局设计主要决定于医疗工艺的需求[6]。基于BIM分别针对综合楼内标准诊室、特需诊室、病房等诊疗空间进行医疗工艺深化设计分析(图6)，精细化地布局洗手池、医用家具、医疗设备等布局，据此深化设计预制装配式构件的预留孔洞和预埋铁件。

图6 医疗工艺分析助力PC预留预埋

4.4 PC构件深化设计

应用深化设计的结构专业BIM模型，进行PC构件连接端的钢筋布置进行深化设计(图7)，及时发现碰撞点，避免因钢筋碰撞问题导致后续施工困难及变更，影响造价及工期[7]。

图7 基于BIM的PC构件深化设计

4.5 PC构件运输模拟

由于施工场地位于居民小区密集范围，大型拖车运输PC构件难度较大，因此基于BIM模拟分析，对行走路径作精细化分析，保证不发生PC构件与沿途建筑、围墙、设施碰撞。尤其是车辆转弯处，应保证足够的安全间距。通过运输模拟(图8)，保证了PC构件的顺利进场、顺利安装。

图8 运输模拟

4.6 BIM-4D施工模拟

综合楼建设全过程，应用BIM-4D模拟施工工艺[8]，进行现场布置分析，控制施工进度、质量和安全。重点进行了优化场地布置及PC吊装顺序(图9)，基于BIM信息进行虚拟分析，防止碰撞，保证能够高效拼装，为现场顺利施工奠定良好基础。

4.7 云平台PC构件管理

利用IFC技术及面向对象编程技术，构建通用BIM管理平台[9]，实现预制构件的现场管理(图10)，即利用BIM平台链接实际生产进度，实现预制构件的实时定位、追踪、查询，防止丢失、错用的发生。综合楼的402个PC构件，依据不同施工阶段显示的状态包括“未生产”“已生产”“已入库”“运输中”“已到场”“已安装”和“已完成”7种状态，据此，实现对装配式建筑的动态追踪、查询，实现对质量、进度、成本的动态管理。

图9 PC吊装工艺模拟

图10 基于BIM的漫拓云平台PC管理界面