基于BIM的傳染病醫院施工質量控制

章 明， 董金華， 林 玲

(1. 中南建筑設計院股份有限公司，湖北 武漢 430071；2. 華中科技大學 土木與水利工程學院，湖北 武漢 430074

新型冠狀病毒肺炎是我國建國以來最嚴重的一次公共衛生事件，新冠肺炎疫情中暴露出我國傳染病醫院數量、床位嚴重不足等問題，未來仍有可能爆發超大規模疫情，因此，建設傳染病醫院是當下的重要任務。根據國家統計局統計，2020年我國醫院總數達到3.5萬個，根據我國衛生健康統計年鑒，2019年我國傳染病醫院只有171個[1]，傳染病醫院數量不足、醫院床位不足是導致疫情進一步擴散的原因之一[2]。根據《國務院辦公廳關于推動公立醫院高質量發展的意見》，我國要建立健全、分級、分層、分流的重大疫情救治體系，加快推進傳染病國家、區域等醫療中心的建立。因此，改造和新建傳染病醫院是現在的新形勢。

傳染病醫院項目具有醫療級別高、建設體量大以及質量要求高等特點，對于污染物處理、空間氣密性以及平疫結合應用等方面有更高的要求。傳染病醫院建設質量管理比傳統醫院項目質量管理更為復雜。傳染病醫院項目施工專業繁多且交叉作業導致現場施工質量控制難度大，對參與人員技能要求高，部分專業需要進行現場二次深化，導致工作任務會在時間和空間上部分重合，如果銜接不當，可能造成不利后果。

當前關于傳染病醫院施工質量控制的研究主要集中在傳染病醫院建筑設計方面。例如Lu等[3]分析了醫院病房地層通風、混合通風、向下通風和位移通風四種通風條件下各自污染物濃度分布和污染物去除效果，研究結果表明，地層通風模式下病房的污染物去除效果最好，建議醫院病房采用地層通風設計。周靜文[4]分析了傳染病醫院建設中的項目工程質量管理在項目建設各階段的控制要點，并指出在已有的醫院建筑工程中，大部分項目的質量管理仍是以施工完成后的質量驗收檢查為主，且存在工程項目質量管理水平低下、管理效率不高、工程質量管理評價體系不健全等問題。王圍倫等[5]分析了從傳染病醫院建設中的氣密性問題，總結出精準定位開孔、機電管線密封處理等施工控制措施。

已有學者提出在工程施工管理過程中運用BIM(Building Information Modeling)進行施工質量控制，盡可能減少項目施工質量問題[6,7]。通過BIM與其他技術結合，建立各種施工質量管理方法，尋求更好的質量管理方式[8,9]。Calvi和Martin提出面向虛擬設計施工的POP(Product，Organization，Process)建模方法，他們認為，POP模型與過程和組織相結合，能為虛擬設計施工提供更全面的方法。也有研究學者考慮到BIM在施工質量管理中的優勢，提出將BIM與POP數據結構相結合，以改進當前的質量管理流程，并開發基于BIM的大型項目管理平臺[10,11]。

為了提高傳染病醫院施工質量，綜合解決傳染病醫院建筑本身結構復雜、施工過程難度大、建設人員多且管理復雜等問題，本研究建立基于BIM的傳染病醫院施工質量控制體系。將BIM與POP質量數據結構相結合，明確傳染病醫院施工產品(Product)、責任人(Organization)、產品形成過程(Process)三者之間的關系，為傳染病醫院施工質量控制提供更全面、更有效的管理辦法。本研究還以武漢市某傳染病醫院為工程背景，進一步探究了該體系對傳染病醫院施工質量控制的有效性。

1 傳染病醫院施工質量控制難點分析

目前，我國已有的傳染病醫院建設規范主要有國家標準GB 50686-2011《傳染病醫院建筑施工及驗收規范》[12]、GB 50849-2014《傳染病醫院建筑設計規范》[13]和建筑標準《傳染病醫院建設標準(建標173—2016)》?，F有的傳染病醫院建設規范與標準均頒布于新冠疫情之前，經過實際使用情況檢驗，之前的建設標準不能完全滿足現在的建設要求。例如“三區兩通道”具體怎么設計，各區域該如何劃分，還有部分醫技科室的層高要求不同于一般病房，但相關規范并沒有具體的指示。

傳染病醫院的特殊功能用房建設是傳染病醫院建設的重點，比如負壓病房與醫技科室，二者在施工工藝、材料設備、室內裝修、安裝環境等都提出了特別要求，必須采取嚴格的施工質量控制措施對其進行質量保障。負壓病房要求不同污染等級房間的壓差不得小于5 Pa，并嚴格控制整體構造的密封性，房間材料需使用易清潔、耐消毒、耐腐蝕的建筑材料，每個病房的通風空調系統需獨立設置。醫技科室是醫院的技術支持系統，醫技科室的布置除了滿足整體醫院的布局外，房間內部的設計還要考慮人、物流線設計以及醫療設備更新換代對空間設計、平面尺寸與布局的要求，此外，對部分會彼此影響的設備在空間布置上還需要做特別處理，如磁共振設備、CT機不能相隔太近。具有放射性的科室需做好輻射防護措施。

傳染病醫院施工與一般醫院施工不同的質量控制難點可以主要分為建設產品、形成過程、人的因素三個方面。

(1)建設產品質量控制標準高

建設產品質量控制標準高，難度大。傳染病醫院建設涉及到超過20個專業工程[14]。眾多專業工程不僅會造成設計圖紙復雜，而且施工時會造成施工作業面交叉產生施工沖突，給管理帶來一定負擔。

區別于一般醫院，傳染病醫院項目中機電、給排水、暖通以及物流等系統施工有氣密以及防滲等特殊質量控制要求，進一步提高了設計與施工質量標準，需重新確定質量控制點，對于質量控制的重點環節和薄弱部位進行重新識別與分析，從而控制最終建設產品滿足要求的程度。

傳染病醫院建設關鍵質量控制點除了包括一些比較常規的關鍵質量控制點外，還有一些傳染病醫院建設特有的質量控制點，主要有空間功能分區、空氣流向、建筑氣密性、雨污分流處理、建筑防滲漏水等方面。例如，GB 50686-2011《傳染病醫院建筑施工及驗收規范》中規定傳染病醫院通風空調系統各類裝置應嚴密、調節靈活、操作方便?？照{凈化系統宜選用風壓變化較大時風量變化較小的風機。空調凈化系統風管加工前應進行清潔處理，施工過程中應保證風管不受污染。污染區和半污染區排風管道的正壓段不宜穿越其他房間，排風機應設置在室外排風口附近。負壓隔離病房的通風系統要求排風機與送風機連鎖，排風機先于送風機開啟，后于送風機關閉。空調機組安裝時應調平，并做減振處理。因此，為了保證建設產品質量，需將施工中的關鍵部位與薄弱環節作為重點控制對象。

(2)工作過程質量控制難度大

傳染病醫院項目中一些專業要求比較高的專業需要進行二次深化，深化過程中產生潛在的設計、施工沖突以及可能導致的大量現場協調與返工任務，將進一步造成產品質量問題。傳染病醫院的專業工程比較多，實際施工時，深化設計往往與土建施工同步進行。如果缺乏迅速有效的專業協調工作可能導致土建已經施工但不符合深化設計要求導致返工的情況。同時，由于相應的配套工程多，而且每個配套工程都需要相應的施工工作面，施工過程中經常會遇到多個專業、多個工種同時開展工作，多種材料、多種設備同時在現場運作，協調不當則會導致專業與專業之間、工種與工種之間、設備與設備之間發生沖突，影響施工的進度和質量。

對于關鍵部位除了關注產品質量，還需要在形成產品的過程中嚴密控制工序質量，將可能的質量缺陷消除在施工過程中。例如，在醫用氣體工程施工過程中，醫用氣體管道安裝是其重要組成部分。醫用氣體管道主要使用無縫銅管和無縫不銹鋼管，在管道焊接時為了防止管道內部高溫氧化產生碳渣，產生由管道內部碳化形成的顆粒物導致的醫療氣體污染，需要充入氮氣或氬氣進行管道內部保護。醫用氣體管道、閥門和儀器在安裝前需進行內部清洗并進行脫脂處理[15]。進入污染區與半污染區的氣體管道需設置套管，套管內的管材不得有焊縫與接頭，管材與套管間用不燃材料填充并密封。管道的安裝支架應做防腐處理，兩者接觸處應做絕緣處理。在這些關鍵質量控制點進行過程中需要進行嚴密的監控與檢查，明確質量責任人。

(3)參與主體專業技能要求高

參建人員權責不清會導致建設時某些地方該行使某些權力的時候不實行，出現質量問題時拒絕承擔責任，造成項目建設質量形成過程中得不到應有的保障。組織與操作人員的專業技能對施工過程的工作質量以及最終產品質量有著極大影響，因此對施工人員專業技能和職業素養提出了更高的要求。明確每項構件產品及其對應工序的實際責任主體，建立施工責任人與產品、過程的對應責任關系，能提高參與主體的可靠性，從而進一步提高項目整體的質量。

除了上述質量控制難點，傳染病醫院施工還存在施工規范、標準不全、施工人員對傳染病醫院質量要求認識不足、施工過程中質量反饋不及時等問題，這些最終都會影響傳染病醫院施工質量，迫切需要信息化手段引入，為質量管理提升效率。

2 基于BIM的傳染病醫院施工質量管理體系

目前BIM已經可以較好地解決圖紙設計與深化設計中存在的問題。POP質量模型可以將項目產品、施工過程與施工組織結合起來進行統籌管理。因此，集成BIM與POP兩者的優點，將BIM 4D進度模型與POP質量模型鏈接，形成BIM 5D質量模型，建立基于BIM的施工質量管理體系，對傳染病醫院施工質量全過程進行更優控制，并以傳染病醫院空氣流向控制涉及的門窗部分工程施工質量控制為例進行實例分析?；贐IM的傳染病醫院施工質量控制流程可以按項目施工前質量控制、施工過程中質量控制、施工后質量控制三個過程對施工全過程展開質量控制。如圖1所示，通過BIM對施工方案進行優化，對施工中的質量控制點進行重點管理。利用BIM 5D質量模型對施工過程中的質量進行動態管理。在BIM強大的數據支持下，可以實現各種施工文件的電子化，減少紙質文本造成的信息交流不便、信息不易保存等問題。

圖1 基于BIM的施工質量控制總體流程

與傳統方法相比，POP質量數據結構能夠更好地幫助施工過程中的協調、可視化和規劃。產品建模即通過圖紙等信息建立BIM模型。產品-過程建模可以理解為在三維BIM模型的基礎上，加入施工進度控制，形成BIM 4D模型。組織-過程建模是指模擬組織在產品形成過程中組織內部、組織與產品之間的交互，能夠預知組織內部協調矛盾、組織工作拖延，組織之間交流不暢等問題。

(1)施工產品模板

施工產品模板集成了面向單個建設構件產品的標準允許偏差信息，以及本項目中對應的BIM模型代表的設計參數，包含構件的尺寸、定位、材質以及力學性能等。

(2)質量組織模板

項目質量涉及到的參與主體主要有建設方、勘察設計方、施工方和監理方等，其中施工質量責任主體包括施工總承包商、專業分包商以及班組等組織單位，各方對項目質量的形成與控制承擔著不同的責任。因此，明確各項工作的責任人，明確其權利與義務，是確保施工質量的一大關鍵。

(3)施工過程質量模板

施工過程質量控制可以從質量控制點、工序質量以及工作質量入手。明確項目的質量控制點，按照施工進度，依次對控制點進行質量控制。其次，根據相應規范對施工工序質量以及工作質量進行控制，確保按規范施工。

集成施工產品、組織和過程三要素，建立基于BIM的POP質量數據結構。利用POP質量模型可以實現對施工過程中的每一道工序、每一個施工質量控制點、對應的每一個質量責任人實現明確、質量追蹤與保障。以傳染病醫院通風系統為例，POP數據結構模型如圖2所示。

圖2 POP模型數據結構

通過前文對施工組織、施工過程質量控制、施工產品三者的分析，可以發現POP質量模型可以實現施工全員、全過程的質量控制。這個模型為BIM施工質量控制提供了理論依據與方法。

2.1 BIM 5D質量控制模型

(1)基于BIM的質量控制點設置

將與傳染病醫院項目相關的法規、標準、規范、質量通病、用戶評價與反饋等數據進行歸類與分析，形成傳染病醫院項目質量控制數據庫。根據具體的項目特征及規模等影響因素，生成項目對應的質量控制點數據表，將控制點與BIM模型進行掛接，進一步明確三維設計參數與質量允許偏差，形成可視化的質量控制模型。通過應用不斷積累新的數據擴充與更新庫內部數據，使得之后給出的項目控制點結果更準確全面，圖3為質量控制點形成與庫更新交互流程。

圖3 質量控制點形成與庫更新交互流程

(2)基于BIM的5D 質量信息集成

基于BIM的5D質量信息集成是以BIM的4D進度模型為基礎，再將前文描述的POP數據結構集成在進度模型上，形成5D質量模型。BIM融入POP質量模型，賦給BIM的構件質量參數、施工過程質量控制和組織等質量控制信息。BIM環境下POP數據結構中必須明確構件的施工人員、監理人員、驗收人員等全面的人員信息，當發生質量問題時，可以通過該5D模型查找具體責任人并進行追責。

2.2 基于BIM的5D質量模型應用

(1)碰撞檢查與圖紙審查

傳染病醫院除了包含常規的公共建筑機電功能系統外，還涉及到很多醫療專項機電系統，例如醫用氣體系統，醫院常用的醫用氣體有氧氣(O2)、氧化二氮(CO2)、氬氣(Ar)、氦氣(He)和氮氣(N2)等，每一種氣體都需要專有管道。這導致醫院的管線排布錯綜復雜，難以布置。通過BIM平臺的各專業協同化設計，可以實現對管線布置風格和標高體系的統一管理，并對綜合管線布局的位置、標高進行碰撞及交叉性檢查，形成碰撞檢查報告，技術人員可以根據碰撞檢查報告準確找到碰撞點，對碰撞點進行移位或調整等操作。

傳統的施工圖紙方式主要以人工查看二維圖紙為主，一個項目的施工圖紙審查內容許多是重復的，審查速度較慢而且容易出錯?；贐IM的圖紙審查可以非常好地避免這些問題，能快速高效地提取圖紙信息并完成審核工作，給出審核意見。

(2)施工方案模擬與技術交底

施工方案可視化模擬是指將原來圖紙上的二維圖形和施工方案里面的文字通過仿真技術以三維動態的形式進行表示，對于傳染病醫院這樣的復雜工程來說，可以向施工者直觀地展示出施工部署、施工流程和施工工藝等完整的施工方案，便于施工人員理解和執行。同樣，施工方案可視化模擬也可以為施工方案優化和選擇提供輔助。

傳統技術交底主要依靠平面圖紙和文字，不易直觀形象，不便于施工人員理解和掌握。運用BIM的可視化、虛擬施工技術制成動畫視頻可以幫助施工人員更好地理解工程施工步驟和要點，尤其是復雜節點的施工要點，保障施工質量。

(3)基于BIM 5D的過程控制

現場質量管理時，使用手機、平板電腦等移動設備和測量工具完成對施工現場質量評定并上傳到BIM質量管理平臺。發現質量問題并上傳到平臺后，相關質量負責人員借助BIM模型進行問題分析并給出整改方案。項目整改后，再進行現場質量管理，檢測是否滿足要求。整個過程通過PDCA(Plan-Do-Check-Act)循環不斷地對施工過程進行檢查控制直至項目完工。施工現場質量信息管理流程如圖4所示。

圖4 施工現場質量信息管理流程

3 實證分析

湖北省武漢市某人民醫院是在建的平戰結合三甲綜合醫院。該項目總投資27.9億元，總占地面積14萬m2，總建筑面積24萬m2。該醫院設有傳染樓、住院樓、醫技科室綜合樓、科研樓、直線加速器及核醫學用房等多種功能用房。該醫院設計傳染病樓床位200張，住院樓床位1000張。住院樓床位經設計可以全部轉換成傳染病床位。本項目要求實現醫療服務系統智能化、物流傳輸系統自動化、人車分流交通系統人性化以及平戰功能快速轉換。項目建成后將大大提升公共衛生事件突發時的功能轉化，提高醫療資源利用率，提升城市整體救治能力。項目工期一年左右，需要邊設計邊施工。本項目建筑面積大，而且工期緊、任務重，質量要求高、施工工藝復雜。本項目既涉及到傳染病醫院建設也涉及到綜合醫院建設，兩種類型的醫院建設各有標準，因此對項目施工提出了更大的挑戰。

3.1 BIM 5D質量模型建立

通過BIM快速建模插件，使得BIM軟件能夠完成對BIM圖紙信息的快速提取，實現建模的參數、匹配規則的自由選取與確定，并能夠有效避免平面圖紙導進BIM軟件時信息丟失等問題，快速建立BIM三維模型。傳染樓建筑結構BIM模型如圖5所示。

圖5 傳染樓建筑結構BIM模型

根據質量數據庫中的產品模板結合本項目專有施工質量要求，確定項目的質量控制點。通過建筑標準與規范、設計要求與施工組織設計以及施工各方合同關系，建立本項目的POP質量數據結構，并將此POP質量數據結構鏈接到BIM 4D模型中，建立BIM 5D模型。

3.2 BIM 5D施工質量控制

(1)施工前質量控制

通過碰撞檢查，可以檢查出本項目設計中管線布置以及結構梁板柱布置是否出現碰撞并進行設計優化。圖紙智能審查可以快速審查出設計圖紙中的錯誤，比如通過智能審查，發現傳染樓門診大廳某處排風立管外露，精裝圖紙中缺少相關細節，如圖6所示。由于機電管綜合排布，精裝風口處上面管線較多，機電風口位置無法和精裝風口位置一致，需要進一步設計優化與調整，如圖7所示。

圖6 某處排風立管外露

圖7 機電風口點位與精裝風口點位

(2)施工中質量控制

根據項目實際情況制定施工進度計劃，并將其細化到每個BIM構件中。施工時施工人員能正確掌握每一個構件的計劃施工時間以及構件之間的先后順序，反饋每個構件的實施施工時間，模型能通過分析給出當前施工進度總體情況，有助于進度計劃調整。圖8為本項目傳染樓的4D進度模型。通過對相關國家規范、標準以及行業標準等的收集整理，明確每個構件的質量控制信息，完成BIM 5D 模型構建。例如醫用氣體管道安裝工程，其主要的質量控制信息如表1所示。在施工過程中，現場質量管理人員可以通過測量并與對應的BIM模型對比，發現施工中存在的質量問題并反饋給對應的質量責任人。

表1 醫用氣體管道工程質量控制項目

圖8 傳染樓4D進度模型

4 結 語

本文在總結傳染病醫院項目質量控制重難點的基礎上，提出了基于BIM項目的質量控制方法。為了描述項目質量數據結構，引入POP模型表達控制對象、形成過程、責任人等多維度信息。構建了以BIM模型表達可視化設計參數，以POP質量模型表達驗收規范的BIM 5D質量管理模型，支持質量控制點設置、偏差測算、現場同步驗收等工作。通過武漢市某傳染病醫院的案例進行實證分析，為保證傳染病醫院項目質量控制提供了信息化與可視化的方法。為后續類似工程提供借鑒與思考。