城市疫情時期應急醫院的模數化設計的實現與優化*
——基于武漢案例的醫療空間分析

趙秀敏 胡哲榕 石堅韌

導語

建筑模數是建筑走向工業化和產業化的基礎，是建筑標準化的依據。周藤（2006）研究認為，在過去磚混結構大量應用的時代，設計師習慣于按照磚和砌塊的模數布置門窗洞口，避免大量砍磚。在構件工廠化生產中，比如鋼結構或者預制板結構的建筑，設計師習慣于進行合理排版，按照預制板的規格設計建筑的開間進深尺寸，減少板材和構件種類，來加快施工進度，實現工業化生產[1]。

1 數字時代下模數化設計背景

許牧川（2012）基于工業革命18世紀在英國的爆發，直至延續到19世紀末，工業化廣泛影響了社會的各個方面，包括建筑行業的發展和人們的城市化生活。新的動力利用和能源分配快速改變了19世紀前的城市樣貌，新的生產和裝配工藝運用，改變著當時城市建筑的構造邏輯、外形和材質。多層、大跨度建筑中鋼鐵和鋼筋混凝土的使用則增加了新型建筑出現的可能性。工業革命不僅劇烈影響著建筑新技術的不斷產生，也刺激著建筑師創造性地將新的制造工藝運用于新的建筑方式和構造，同時迫使建筑師們不斷與新的設計流程保持步調一致。其中，基于模數化的單元分割的組織法原理，非常簡單直接地將建筑方式與大規模的工業生產聯系了起來。模數化組織法號稱打破了19世紀以前的傳統的封閉的靜態空間概念，以開放、協調、高效和規律的方式來組織空間，最終帶來了城市建筑的進化、發展和變革。模數化原則因而在一定時期內被建筑師們奉為現代建筑必需的組織條理、視覺定理和變形法則，成為現代主義建筑的標志性表現之一。這一原則，在數字化時代，更是通過計算機的巨量運算功能，得以衍生發展，從而生成了更多的有機的設計[2]。

戴明（2006）認為，隨著時間的推移，計算機也逐漸成了建筑師不可缺少的設計工具，建筑師的設計方式、思維方式也在這一過程中悄然發生著變化。所以，對于信息技術條件下的建筑設計研究，不僅有助于探討信息技術在建筑設計領域的具體應用，也即作為一種設計工具和手段而存在的信息技術，同時也有助于探索在信息技術條件下的全新的建筑設計方式和設計理論，以便更好地理解，并最終在為人們提供符合新的時代要求的建筑，同時還能應對各種突發情況下的社會相關問題[3]。

BIM（建筑信息模型化）設計模式正隨著科技的進步逐漸開始實踐普及。傳統建筑業的繪圖工作以2D計算機輔助繪圖來傳達設計者的構想，雖然增加繪圖效率，但因圖紙說明常過于簡化，導致信息傳達錯誤或因猜測而產生錯誤的判斷，此外若非專業領域人員，較難理解與明白2D平面視圖真實內容與意義，因此需花費許多時間讓各工程單位相關人員完全了解大量圖紙說明內容，由于不同的團隊對于圖紙說明因個人背景與環境差異通常有不同的解讀。建筑、結構、機電這三項主要的建筑系統皆為獨立設計，當大量建筑信息傳遞給項目其他階段參與人員時，造成參與人員對信息必須重新解讀，解讀過程中信息容易產生遺漏或沖突，形成信息傳遞的逆流情形。而BIM整合建筑物，從規劃設計至運營維護階段，全生命周期的建筑物信息整合于單一模型，以數據庫形式及參數式組件的概念有別于傳統2D平面繪圖的概念及工作流程。BIM改變了現今建筑產業的普遍做法，增進了團隊之間的協同作業，更納入不同領域的信息整合。實現建工行業飛速發展，將土建、造價、裝配式等這些原有的信息孤島連接起來，可實現數據信息實時共享。但大量的信息結構被連接也會造成繁雜錯亂的問題，因此BIM設計模式通過模數化的設計手法對信息結構進行打包優化，方便統籌管理項目整體。

其次，模數化的優點常被認為是易于復制、 刪減和替代，能夠很好地處理好各形式變換的問題。但是，一個簡單的系統是不可能適應各種復雜情況的，想擁有強大適應性的意圖往往受限于系統的特定性原則。應對錯綜復雜的環境，模數不僅應該包含累積重復，還應包含不同規格模數形式的變化體。模數化的變革依賴兩方面：模數的機動性和可衍生性。模數化可通過衍生式發展的原理，像自然生長一樣，可根據環境按照一定的原理進行變化。這使得模數化的增長呈現非線性發展。在一定的生產規范上增加模數量，不僅能提高模數化設計的適應性，也很大程度上控制了生產造價、加快了施工速度，對各種突發性狀況能靈活處理，解決社會問題。

2 以火神山醫院建筑設計為例

章琮（2013）研究認為，應急建筑的歷史可以追溯到人類開始建造棚屋的行為,但是近代把應急建筑單獨劃分出來自成為一個領域，應急建筑的雛形是在一個漫長的人類歷史中逐漸形成的，并不是突然出現的一個新的建筑領域[4]。黃泓樺（2019）發現。在國內應急建筑又被稱為臨時過渡房或臨時安置房等。應急建筑在其特定功能的要求下，主要特性有短暫性和過渡性。短暫性是指使用時間較為短暫，單次使用時間和整體生命周期都比永久性建筑短；過渡性是指在過渡到永久性安置住所前，為災民提供不同階段的臨時性庇護場所如帳篷和活動板房，其時效性由重建工作的開展進度決定。在永久性住所建設完成前，應急建筑需要為災民提供遮風避雨的場所，而且還應該具備一定的舒適性，體現人性化關懷[5]。

火神山醫院建筑設計是在新型冠狀病毒突發狀況下，為緩解中心醫院壓力，為病患提供就醫環境與隔離病原體，快速建造的一種臨時性應急醫院（圖1）。

圖1 火神山醫院鳥瞰圖

王平和劉陽杰（2019）認為，用預制構件、部品、部件裝配而成的建筑就是裝配式建筑[6]。同時王佩東（2019）發現，隨著綠色工地、文明工地、智慧工地在建筑業中的地位不斷攀升,傳統施工方式已經很難適應綠色、環保發展要求，裝配式建筑作為在技術革命下誕生的產物,具有諸多優點,如質量堅固、對環境友好、能大量節省勞動成本等[7]。建筑業的轉型升級迫在眉睫,裝配式建造作為新的建造方式應運而生。

建筑模數化裝配式設計是標準化的一種表現形式，以使建筑構配件和組合件實現規模化生產，并使不同形式、不同制造方法和不同材料的建筑構配件、組合件符合一定模數與標準，可達到較大通用性和互換性的目的，最終實現加快設計速度，提高施工質量和效率，綜合降低建筑成本。火神山醫院就是非常典型的建筑模數化裝配式設計。

火神山醫院借用模數化設計高效多變的特點，設計制定了基本模數模式，并考慮材料施工等多種方面，與施工單位溝通后采用裝配式集裝箱箱體活動板房進行模塊化拼接，板房形成標準單元，且接地處采用架空的方式，從而實現最快速的建造（圖2）。在火神山醫院開工的第四天就可以安裝。

圖2 集裝箱式模數示意圖

模數化不僅分為材料模塊化，還有功能模塊化（如圖3—4）。

圖3 病房區模塊化功能示意圖

圖4 診療區模塊化功能示意圖

醫療建筑看似千頭萬緒，但實際上其功能格局具有很強的規律性。以綜合醫院為例，其建筑功能分為門診、急診、醫技、住院、后勤保障系統、行政管理和院內生活這七部分。門診、醫技、住院和后勤保障最為核心。由于門診部和住院部均與醫技部有著密切聯系，因此醫技部往往設置在門診部和住院部之間，三部分之間由一條貫通的走廊——醫療主街相互連通。后勤保障部維持整個醫院的運行，其他部分形成輔助，共同構成醫院完整的功能格局（圖5）。

圖5 醫院功能模塊關系圖

模數化設計也因其模數單位的相似性，模數變化的規律性，模數組合的衍生性，構成了一個完整嚴謹的邏輯體系。這恰恰完美契合了醫院的功能布局。火神山醫院在快速搭建的情況下又能良好地進行空間布局，最終達到質與量的統一（圖6—7）。

圖6 火神山室外流線圖

圖7 火神山平面功能分區圖

火神山醫院平面布局的基本要求是“三區兩通道”，三區是指清潔區、半污染區和污染區。建筑平面采用魚骨狀形式，在分區劃分時考慮到醫務人員要有自己的清潔工作區和對應的連續通道，平面布局上正中間的一條軸便是清潔區、通道和工作區，中軸兩側的布置都是病房單元，在清潔區與病房單元之間是半污染區，病房單元中的病房為污染區，即醫護人員和病房接觸的過渡段，醫護人員的很多工作都在半污染區里完成。病人的通道是在每個護理單元的外側，因此病人通道與醫護人員的通道是各自獨立的，由此保證醫護人員不被感染（圖8）。

圖8 病房區醫患動線分析圖

模數化設計規整有序的特點對傳染病醫院需要明確分區的設計起到了幫助，做到了區與區之間理性劃分，通過模數組合梳理出中軸通道和側軸通道，層層而下邏輯清晰，合理進行功能分區，做到潔污分流、醫患分流，避免院內感染。且矩形的模數不僅最大限度地增加病房量滿足供需，也方便了各病房的合理布局，滿足衛生、日照、采光、通風、消防等基本要求。

至于各專業之間的協同，火神山醫院采用BIM設計模式提高項目質量和效率，減少后續施工期間的返工，保障施工工期，節約項目資金。BIM的價值主要體現在5個方面：可視化、協調性、模擬性、優化性、出圖。

可視化在建筑業上作用巨大，例如，經常拿到的施工圖紙，只是各個構件的信息在圖紙上采用線條繪制表達，但是其真正的構造形式需要建筑業參與人員自行想象。BIM提供了可視化的思路，將以往線條式的構件形成一種三維的立體實物圖形展示在人們面前，使得設計師和業主等對項目需求是否得到滿足判斷更加明確、高效，使決策更為準確。

在設計上，常常由于各專業設計師之間的溝通不到位而出現各種專業之間的碰撞。BIM的協調性可以幫助處理這種問題。也就是說，BIM可在建筑物建造前期對各專業的碰撞進行協調，生成協調數據。

模擬性表現為，BIM將原本需要在真實場景中實現的建造過程與結果，在數字虛擬中預先實現，對設計上需要進行模擬的一些內容進行模擬實驗，例如：節能模擬、緊急疏散模擬、日照模擬、熱能傳導模擬等。在招投標階段和施工階段可以進行4D模擬，根據施工的組織設計模擬實際施工，從而確定合理的施工方案來指導施工。同時，還可以進行5D模擬，實現成本控制。后期運營階段可以進行緊急情況處理方式模擬，例如地震時人員逃生模擬及消防人員疏散模擬等。

在優化性方面，目前基于BIM的優化主要包括項目方案優化和特殊項目優化。項目方案優化可把項目設計和投資回報分析結合起來，設計變化對投資回報的影響可以實時計算，還可以對施工難度比較大的項目進行優化。

至于出圖，那更是BIM相比于CAD的最大優勢。操作者可隨機同步提供、閱讀BIM模型內任何專業、任何節點、任何時間段的圖紙、技術資料和文件。

在這一技術理念模式的支持下，暖通專業迅速精準配合建筑結構，包括凈化空調系統，排風系統，實現各個區域不同空氣壓力梯度，潔凈區＞半污染區＞污染區，控制院內空氣流通方向。給排水系統管材迅速而精準地配合建筑結構，選擇便于快速施工、接口牢固的管材，加快施工進度，減少運行期間維修量。而簡潔便利的建筑模數結構，能精準快速的配合給排水、暖通空調、強電、弱電（包括信息網絡設施系統）、醫療氣體（尤其是氧氣）系統的安裝、搭建。

刁卓越（2019）發現，艙體在建筑設計中的運用極為廣泛，其中集裝箱尤為出彩。無論是作為校園裝置還是商業建筑，集裝箱都發揮著獨特優勢。相較于傳統的建筑，從實用的角度來說，集裝箱的承載力較強并且方便裝運，便于移動，也可以二次使用，具有可持續性；從設計的角度來說，設計師可把集裝箱作為一個單元體，一個模數，在此基礎上對其進行設計。[8]集裝箱模數的使用也減少了主體結構的搭建，在緊急情況下交叉作業，可使多項工序并行，盡可能縮短工期的目的（圖9）。

火神山病房區采用3 m×3 m的模組，但在局部設計上仍有瑕疵，譬如單人病房間緩沖區、病床和衛生間應統一靠墻一側，使通道成一直線保障流線的貫通，減少醫護及病患因回轉問題產生的不必要的碰撞。此外，3 m模組勉強可滿足輪椅的回轉，但一旦遇到需要擔架的病患就會出現問題，因此在縮減走道模組的前提下，應適當增加病房模組的尺寸（圖10）。醫技部不應沿用病房區3 m×3 m的模組，而應改為1.8 m×1.8 m。一方面是因為沒必要與病房區模組統一；另一方面，模組減小，空間布局更靈活，可以更好地適應復雜的情況（圖11）。

圖9 集裝箱式模數化組合圖

圖10 單雙間布置及回轉問題圖

圖11 醫技部功能布置圖

且模組化設計具有易搭建易拆除的特點，與火神山醫院完成使命后的后續處理十分吻合。集裝箱模式的設計本身與基地不屬一個體系，在拆除之后對原場地的影響幾乎沒有。這也剛好避免了發生應急情況后對原有社會資源浪費和破壞的問題。

3 模組化設計應用

目前的模組化設計著重于“模組+協調”的原則方法。就是把部件規格化、通用化，使部件可適用于常規建筑，并可滿足各種需求。低層輕鋼建筑不僅能夠滿足建筑功能要求，滿足承載力要求，而且節能、節水、節材和保護環境，更好地滿足了綠色建筑的要求，真正實現對資源的高效利用和循環利用。它是綠色建筑的重要代表，在發達國家已被廣泛應用。

模組化實施最重要的就是構配件模塊的設計。杜瑋（2014）研究認為，模組化實施主要就是構配件加工工廠化，施工簡便化。在設計模組化、標準化的基礎上，構配件有一定的規律可循，并且規格較少，具備工廠化生產的條件。所謂建筑物的工廠化率，主要就是指建筑物的構配件及其組合過程有多大部分是在工廠完成的，這是衡量建筑工業化的主要指標。低層輕鋼建筑的工廠化率就非常高，它的所有建筑構、配件都可以在工廠加工完成，在現場裝配完成，這樣建造房子就像組裝家具、搭積木一樣簡單方便，符合工業化生產的要求。建筑工業化施工方法與傳統施工方式最大的區別就是現場構配件裝配施工，不需現場濕作業。由于建筑構配件均為工廠化加工，精度很高，所以現場施工的精細化程度也很高，誤差較小，施工效率高，可以大大節省工期，從而體現出較好的綜合經濟效益。低層輕鋼建筑的現場施工更是非常便利，不需要大型施工機械，通過人工即可完成[9]。

在實際案例中，模組化設計有兩種情況。

3.1 模組適應規范

在一定的生產規范下，可以適量增加模組量提高空間組合的靈活性，增加建筑對場地與需求的包容性。火神山醫院整體采用的是3 m×3 m模組，醫技區采用1.8 m×1.8 m模組，但由于3 m×3 m模組的單一性導致走道等空間過大或過小。可以增加2.4 m標準走道模組，這樣既符合規范，又能節省大量材料和空間，同時2.4 m的尺寸方便生產，并不增加過多的成本。而多了一份模組就意味著產生了多種模組組合的可能性。這大大加強了空間的合理布局和極致利用。在特殊時期物資緊張的情況下，這對人力、物力都是一種合理分配和節約。

3.2 規范適應模組

設計始終是服務于人的，設計規范大都是從空間安全、合理、美觀等人的需求角度而設立。在應急狀況下，為滿足一些必要的需求而舍棄一些次要的規范，對尺寸進行適量的調整，最終可達到模組化設計中模組組合方式的最優解。在火神山醫院的實際案例中，理想房間距為20 m，但出于滿足更多床位的應急考慮，此次醫院設計病房樓間距為15 m。同時15 m也剛好在3 m×3 m的模組組合中，可加快模組化設計的施工速度，減少整體施工成本（圖12）。

圖12 火神山醫院樓距示意圖

可見，數字時代下模組化設計應秉持模組規范協調，信息智能建造的理念。

夏海山，李敏（2019）研究認為，這一理念主要體現在兩個方面: 一是模組標準是建筑信息模型建立的數據規范性保證，以模組協調為輔助，為3D數據環境提供協同性保證; 二是減法式智能建造模式，為材料的零耗費和部件的可復用提供了技術支持，同時也提高了建造效率。[10]

4 結論

BIM的意義在于完善整個建筑行業從上游到下游的各個管理系統和工作流程間的縱、橫向溝通和多維性交流，搭建一個或多個綜合性系統平臺，向項目投資者、規劃設計者、施工建設者、監督檢查者、管理維護者、運營使用者，乃至改擴建者、拆除回收者等不同業內從業者，提供一定時間范圍內的涵蓋工程各種項目的各類信息，并使這些信息具備聯動、實時更新、動態可視化、共享、互查、互檢等特點。而建筑設計模組化是將這些巨量信息進行整合打包優化，篩選有效信息，過濾重復信息，通過模組模塊統籌整體。模組化的模塊，通過預制生產、現場裝配，將高效工作流程從設計層面延伸到施工實際層面，達到設計與現場的統一。特殊時期應急建筑的設計，借助BIM+模組化裝配式的設計手法實現了項目全生命周期的信息化管理，并使項目高效運轉迅速應對突發情況。