兼容方舱医院功能的高大空间照明策略

张 昕 ，洪莉淑，郝心怡

(清华大学建筑学院，北京 100084)

引言

方舱医院由一系列具有不同医疗或技术保障功能的方舱组合而成，依附城市既有庇护性公共空间改造后的具备早期治疗能力的医院[1]。方舱医院是应对轻症患者分流收治、遏制新冠肺炎疫情发展的有效手段。

随着疫情在全球的蔓延，世界各地均有在高大空间中设立方舱医院的案例。选择高大空间建筑如会展中心、体育设施、购物中心、工业厂房、交通建筑等改造为方舱医院，除空间高、容量大以外，也因为这些建筑改造时间短、成本低，同时此类建筑往往具备便于疏散、与周边建筑距离适当、远离人口稠密区域、结构安全性达标等特征[2]。典型案例如表1所示。

表1 选择高大空间改建方舱医院的代表案例Table 1 Nightingale hospitals in large-scaled space

表1中，全开敞式空间布局指高大空间中无隔墙，医护人员的工作区域为管理岛形式；半开敞式空间布局中设置隔墙，划分数个单元病区；单元病房式空间布局中设置隔墙，患者以单人或双人病房的方式被隔离(图1)。

图1 方舱医院空间布局模式图Fig.1 Layout patterns of nightingale hospitals in large-scaled space

1)建筑特点。分区严格明确，通常划分为“三区两通道”，即洁净区、半污染区、污染区，以及医务人员通道、患者通道，不同通道独立设置[2]，利用高大空间的多个出入口实现医患污分流，使用后留存较多污染物的空间(如病患卫生间等)独立设置在室外。同时，还可设置供病人休闲娱乐的公共区域，如阅览区、活动区等。方舱医院中平行两床的净距不小于1.2 m，双排床位之间的通道净距不小于1.4 m[3]。若采用轻质隔墙划分护理单元，每单元设置8～20床，最多不超过42床，划分面积约为35～180 m2。分区隔墙的高度不宜小于1.8 m，最低不低于1.2 m，分区间的消防疏散通道宽度不宜小于4 m[2，3]。

2)照明特点。高大空间上部的大功率照明仍可继续利用。方舱医院组装施工可在维护照明模式下进行，改建后医患人员长期处于室内，也需要原有照明来保证室内照度水平。部分代表案例也通过新增局部照明如台灯、落地灯等来实现近人尺度的照明需求。目前，高大空间的使用上仍存在原有照明和改建需求不匹配的问题。日间，原有照明不一定能满足医护人员工作和患者节律的需求。夜间，若采取熄灯模式，医护人员巡视和患者起夜都需要手持移动照明，医务人员的夜间工作区域需要新增局部照明；若采取不熄灯模式，则会严重影响患者睡眠和节律。

1 方舱医院与高大空间照明策略的矛盾

方舱医院与高大空间照明标准对照如表2所示。由标准解读的照明策略矛盾汇总如下：

表2 方舱医院与高大空间(以会展中心为例)照明标准对照Table 2 Comparison of daylight/lighting design standard between hospital and exhibition center

1)照明布局与控制方式。会展中心等高大空间实施全区均匀照明，采用智能照明控制系统进行集中控制，不宜设置就地控制；医院的合理照明方式为一般照明与局部照明，多采用分区控制和就地单灯控制。

2)照度和色温标准。高大空间的照度标准高于病房空间和走道空间，色温标准值高于病房空间，对于入睡时段、起夜功能等并不适用，与病患的晚间生理节律需求存在矛盾。

3)统一眩光值(UGR)标准。高大空间对于防眩光的要求低于方舱医院。建议提高会展中心等高大空间的UGR标准(降低UGR值)，以满足方舱医院的视觉舒适性需求。

4)采光标准。虽然从数据看，满足会展中心要求即可满足医院要求，但是方舱医院各病床空间属于二次采光，以下将结合研究模型具体分析。

2 研究模型建立

通过对实际项目的案例学习，参考相关规范，并结合武汉国际会展中心方舱医院、武汉体育中心方舱医院空间布置，遵循湖北省住房和城乡建设厅发布的《方舱医院设计和改建的有关技术要求(修订版)》[3]相关技术规定，建立兼容方舱医院功能的高大空间研究模型，床位布置详见图2。

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

研究模型中高大空间平面净距为55.5 m×50.5 m，净高分别为10.8 m、20.8 m及30.8 m。在平面中心布置一条走道及两侧各一个分区单元作为主要计算区，走道宽4 m，每个单元48张床位，共6排，每排8张床，单元外围使用2.0 m高隔墙围挡，内部床位之间使用1.2 m低隔墙。

运用DIALux evo 8.2软件对研究模型进行方舱医院场景的模拟研究，模型参数如表3所示，使其满足表2所示的照明相关要求，探索兼容方舱医院功能的高大空间照明策略。该模型聚焦病床区(病床、走道)的照明策略，治疗室、护士站等其他功能区因其空间位置、布局形式多样，不在本文讨论范围之内。

表3 模型参数Table 3 Model parameters

3 天然采光模拟验证

使用RADIANCE软件对12 m研究模型进行采光系数模拟，外墙面设置连续等高的高侧窗，在窗上沿高(距地面10 m)保持不变的条件下，通过改变窗高，可知空间整体平均采光系数分布情况(图3)。

图3 采光系数分布Fig.3 Distribution of daylight factor

采光系数分布呈两向中轴对称，因此，仅分析空间中心的采光最不利区(共96张床位)的1/4，即24张床位(见图4)。会展中心在侧窗采光条件下的采光系数标准为3%，达标条件下，中心最不利区的平均采光系数为1.21 %，低于2%的病房采光标准。根据模拟结果(见图4)，当最不利区的床位平均采光系数大于2%时，空间整体的平均采光系数将高达8.04%；当最不利区每张床位的采光系数均大于2%时，空间整体的平均采光系数将高达11.61%。如综合考虑与日光进入相关的眩光与能耗情况，合理的高大空间采光设计将无法满足中心不利区的病床采光达到采光标准的要求。研究模型中的床间隔板为1.2 m，如采用美国、德国等的单元病房式隔断，采光系数值将更低。因此，应充分考虑日间的人工光补光，特别是中心最不利区。

图4 采光系数模拟结果Fig.4 Simulation results of daylight factor

4 按预设方舱医院布局设置走道照明系统

以研究模型为例，按走道宽度为4 m，预设走道照明灯具与回路，用于夜间使用，针对10 m、20 m、30 m净高分别进行模拟，结果见表4、图5。

图5 床头水平照度Fig.5 Horizontal illuminance of beds

表4 方舱医院走道照明模拟结果Table 4 Simulation results of Nightingale hospital corridor lighting

对于10 m高度，现有灯具产品能较好地实现设计目标。对于20 m、30 m高度，在满足走道照度要求的条件下，为降低走道两侧床位的床头水平照度，减少光线对患者夜间睡眠的影响，宜选用窄光束角灯具，因而灯间距缩短，走道均匀度降低，照明功率密度上升。未来截光型窄角灯具应进行配光曲线优化，由“纺锤形”向“水滴形”发展；改善控光，严格控制光线溢散；当功率密度仍有达标空间时，可利用针对窄角灯的拉伸镜片，增大灯间距，改善走道照明的均匀度。此外，空间寻址应解决好床位与走道之间的视觉衔接，建议床区设置夜间可辨识的标识或弱光照明，方便病人从走道空间返回床位，以及医疗人员的夜间巡查。

5 将空间照明预设为符合节律需求的照明系统

高大空间照明可考虑预设为符合节律需求的照明系统，维持患者及医护人员的情绪稳定和昼夜节律。

多项研究表明，低色温的光照环境更符合情感需求[11]，让病患感到温馨、自在、放松[12,13]。病房宜选用100 lx/3 300 K[14]、200 lx(有视觉需求时400 lx)/3 000 K[15,16]的照明，复健区和过渡区等活动区域宜选用4 000 K的照明[14]。美国WELL建筑标准v2试行版提出了“适合昼夜节律系统的照明”条款，要求提供维持昼夜节律健康的照明，保持与自然循环一致[17]，采用了由Lucas团队研究改良的视黑素等效勒克斯法(Equivalent Melanopic Lux，EML)衡量节律照明[18]：应在1.4 m高度评估垂直照度，至少在9点～13点之间满足目标要求，如在入睡后至起床前两小时开启照明，0.76 m高度水平照明应不超过50 EML[17]。以符合会展中心照明标准的4 000 K灯具为例，利用10 m研究模型，进行模拟验证(表5)。

表5 适合昼夜节律系统的照度水平验证(以10 m模型、4 000 K灯具为例)Table 5 Illuminance simulation results of circadian lighting(10 m model,4 000 K)

根据模拟可知，对于10 m高度，如采用配光合理的可调光灯具，可实现符合会展中心标准的照明设计兼容WELL标准的节律照明要求。可以帮助病人维持昼夜节律，改善情绪、认知和睡眠质量，避免产生部分由节律紊乱导致的健康问题[19]。兼容方舱医院的节律照明策略总结如下：

1)将高大空间的一般照明设置为可调光照明或混光照明。为满足不同功能时段人群节律需求，可以基于可调光照明或混光照明设置差异化的照明策略，实现多种照度和色温的模式组合。例如通过各自两控制回路(50%、100%)的混光方式得到兼顾展览与节律的模式组合(表6)，其中5 000 K全开实现300 lx，2 700 K全开实现100 lx。

表6 兼顾展览与方舱医院的混光照明(以2 700 K、5 000 K混光为例)Table 6 Mixed lighting examples balancing nightingale hospital and exhibition center(2 700 K，5 000 K)

2)设置日间高曝光区(复健区/活动区)。由于方舱医院的收治患者多为65岁以下的轻症病人，大多数仍可自由活动，因此在高大空间中可设置供患者使用的复健区或活动区。从节律和视觉功能角度，可将其设置为日间高曝光区，通过DALI等智能控制方式或增设局部照明等方式实现。

3)通过局部照明的方式满足不同人群的视觉和节律需求。为满足医患的不同照明需求，避免相互干扰而产生对于节律系统的影响，可在一般照明的基础上增加近人尺度的局部照明，如医生使用可移动照明进行夜间办公及值班巡查，患者通过充电夜灯等方式提供起夜通行照明。从方舱医院的实践来看，这也是最被普遍采用的照明方式。

6 与装配式构件结合的局部照明设计

方舱医院的原型为医疗集装箱体模块组合，通过装配式、轻型结构来实现快速建设。根据《方舱医院设计和改建的有关技术要求(修订版)》，有条件时，每个床位应设置1～2个220 V、10 A单相插座并配置台灯，或在周边隔墙、地面增设一些照明灯具[3]。本文依此绘制与装配式构件结合的局部照明策略示意图(图6)。

图6 与装配式构件结合的局部照明示意图Fig.6 Diagram of local lighting assembled with modular structure

根据国际照明委员会(CIE)的医院不同区域照明标准及各国医院照明标准[20,21]，汇总达成各项标准的照明策略，见表7。

表7 方舱医院的照度参考标准与照明策略Table 7 Reference standard and lighting methods of nightingale hospital lx

1)隔墙预留插座。通过在轻质隔墙上预留插座，实现患者的设备用电和医疗用电需求，在床位铺设完毕后可灵活设置局部照明，如台灯、夜灯(局部照明B)等，满足患者阅读、就餐、起夜等需求。

2)床头线型灯具(局部照明A)。通过在床头背板隔墙埋设线槽，可实现在床头上方增设线型灯具，提供助眠、唤醒、阅读、就餐等用光需求。该方式节省空间，便于维护管理，可实现多元的用光需求。

3)增设走道照明(局部照明C)。如果高大空间照明无法在不干扰患者睡眠的前提下满足走道照明要求，可埋设线槽，在内外隔墙的交界处引线安装走道照明灯具，提供医患夜间通行用光。