基于BIM的醫(yī)院建筑建造全過程管控技術研究

左 鋒

上海交通大學醫(yī)學院附屬新華醫(yī)院 上海 200092

1 研究背景

為滿足不斷提高的醫(yī)療需求，醫(yī)院建筑的空間布局越來越復雜、機電系統(tǒng)越來越繁多，并且醫(yī)院一旦建成便投入不間斷運營，建造質量和運行保障要求特別高。然而，目前醫(yī)院建設總體上還是以二維圖紙為載體的建造和監(jiān)管模式[1]，不同科室的醫(yī)療需求難以在圖紙中清晰準確地展現(xiàn)，導致竣工后改建工作量大，不利于“綠色醫(yī)院”“智慧醫(yī)院”建設。

近年來，建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）成為描述建筑全過程信息的三維數(shù)字化主導，在設計、施工等階段已經得到廣泛應用[2]。僅上海地區(qū)，已有近10個醫(yī)院新建工程應用了BIM技術[3-4]。但是由于目前我國設計施工分離、以二維圖紙作為主要信息載體等現(xiàn)狀[5]，BIM和傳統(tǒng)管理仍存在脫節(jié)等問題。另外，BIM在運維階段的研究和應用相對較少[6]， BIM的價值仍未能最大化發(fā)揮。

上海新華醫(yī)院兒科綜合樓于2016年8月開工建設，計劃于2019年底竣工，總建筑面積為57 670 m2，工期較為緊張；其主樓地上18層，裙房地上8層；下設3層地下室（圖1）。在該工程建設過程中，院方通過整合設計方、監(jiān)理方、施工總承包方以及各家施工分包，創(chuàng)建各專業(yè)BIM模型，管線綜合后運用BIM出施工圖，應用BIM平臺進行建設過程進度、質量、安全管控和成本估算，并以運維為導向完善BIM模型。目前，新華醫(yī)院正以已建成的兒外科樓為試點，探索基于BIM的醫(yī)院建筑運維管理技術，為建造中基于BIM的建設全過程管控技術奠定基礎。

圖1 兒科綜合樓BIM模型

本文旨在結合新華醫(yī)院建筑物建造過程中BIM應用實踐案例，從院方的視角，介紹基于BIM的設計、建造、運維全過程建設管理體系，分析各階段BIM應用要點和價值，以供分享與討論。

2 基于BIM的醫(yī)院建筑建造全過程管控體系

目前BIM在應用推廣過程中，最大的阻礙就在于BIM未能在設計評審、工程報驗、竣工驗收、招投標等重要環(huán)節(jié)發(fā)揮主導作用，造成BIM只能作為CAD圖紙的輔助工具，而非權威成果。BIM在建造全過程的應用需要制度和管控體系上的保障?；贐IM的醫(yī)院建筑建造全過程管控體系包括4個關鍵要素，即組織要素、過程要素、應用要素、集成要素，這4個要素相互關聯(lián)，形成管理體系框架的四面體模型[7]。

我國醫(yī)院建筑建設常見組織模式包括設計施工分離模式（施工總承包模式）、設計施工一體化模式、EPC模式等。新華醫(yī)院項目采用的是設計施工分離模式，但包括院方、代建方、設計院、工程監(jiān)理、施工總承包方，以及各施工分包等各方均愿意基于BIM進行全過程管控。醫(yī)院建筑的建設和運營主體都是醫(yī)院，這有利于從全過程角度應用BIM技術。

過程要素是指在建設過程的工作流和信息流。傳統(tǒng)的建設過程被認為是彼此分裂和順序進行的?；贐IM的全過程管控技術需要對部分傳統(tǒng)流程進行改造；譬如基于BIM對暖通空調、給排水、電氣、醫(yī)用氣體、軌道小車、氣動物流等多專業(yè)同步深化設計，最后形成各專業(yè)協(xié)調一致的BIM模型，改變了原來各專業(yè)線性設計的工作流程。

應用要素指支持BIM創(chuàng)建、分析和應用的軟件硬件系統(tǒng)，包括BIM設計軟件、碰撞檢測軟件、施工模擬軟件、BIM建造管理平臺、BIM運維管理平臺等。其中，BIM運維管理平臺是BIM從施工走向運維的關鍵，也是目前最為不成熟的應用系統(tǒng)。

集成要素是指將不同階段不同應用產生的BIM信息進行集成，形成建筑生命期大數(shù)據，為醫(yī)院建筑運維提供數(shù)據基礎。由于建筑生產過程產生的數(shù)據眾多、格式多樣，如何將這些信息有效地集成和共享，是一個難點問題。

3 基于BIM的醫(yī)院建筑建造全過程管控技術

3.1 基于BIM的設計管控技術

從院方角度出發(fā)，基于BIM的醫(yī)院建筑設計技術以滿足醫(yī)療需求和綠色節(jié)能為主要目標，包括基于BIM的設計方案和空間布局三維展現(xiàn)、管線綜合、凈高控制、停車位分析、人流分析、BIM出圖等。本文重點介紹新華醫(yī)院項目中較為重要和具有創(chuàng)新性的應用。

3.1.1 基于BIM的空間布局展現(xiàn)

宏觀層面上，展現(xiàn)各房間的使用部門信息，譬如門診、急診、醫(yī)技、住院、動力保障，分析不同樓層的空間分布合理性（圖2）。兒科綜合樓B1～B2主要是車庫和動力保障空間，F(xiàn)1～F3主要是門診用房，F(xiàn)4～F6主要是醫(yī)技用房，主樓上部是病房；該布置方案可減少就醫(yī)人員的行走路線，也可減少豎向交通壓力，較為合理。

圖2 空間布置宏觀分析

微觀層面上，基于BIM可建立門診大廳、候診大廳、手術室、診療室、設備間等復雜空間的空間布局情況，并結合VR設備展現(xiàn)高度真實感的設計方案，使醫(yī)生、護士、運維管理人員等最終用戶能夠在建造以前直觀地體驗建筑設計的視覺效果。在兒科綜合樓某候診大廳的視覺效果中（圖3），活潑可愛的裝修效果有利于緩解兒童就醫(yī)緊張感。

圖3 基于BIM的門診大廳空間布局展現(xiàn)

解決停車問題已經是現(xiàn)代化醫(yī)院建設的一個重要要求。基于精細化的BIM模型，將土建、機電、精裝模型進行擬合，通過自動分析及漫游操作，可對醫(yī)院新建建筑的車位進行全方位的檢驗，通過統(tǒng)計合格的車位數(shù)量，檢驗車位數(shù)是否達到院方的使用需求。

3.1.2 基于BIM的管線綜合與凈空控制

大廳、走廊等公共區(qū)域的標高控制對醫(yī)院建設至關重要，否則容易導致空間過于壓抑，影響就診和工作體驗?；贐IM的管線綜合技術通過建立機電管線模型，基于三維模型進行管線分析和優(yōu)化，解決各機電專業(yè)間管線碰撞、二結構留洞、裝飾裝修吊頂標高等疑難問題，可有效提高機電管線的施工操作簡易性、提升使用凈高、優(yōu)化室內空間深度。在兒科綜合樓項目中，通過BIM技術將門診大廳凈空從3.55 m提高到3.95 m（圖4）。

3.1.3 基于BIM的人流分析

醫(yī)院建筑內部存在醫(yī)護人員流程、病人就醫(yī)流程、污物運輸流程、潔物運輸流程等不同流程。醫(yī)院建筑設計應以人為本，盡量做到病人、醫(yī)護人員流程簡單，潔物分流，不出現(xiàn)人員過于聚集的地方。應用BIM模型和人流分析軟件可進行三維的人流模擬和疏散模擬，保障醫(yī)院建筑滿足醫(yī)療需求。

圖4 管線綜合和凈高優(yōu)化

3.2 基于BIM的招投標管控技術

建筑施工招投標一般采用廣聯(lián)達、魯班等算量軟件根據招標圖紙建立三維模型，然后進行工程算量。該方式建立的三維模型未能集成設計模型，也難以在施工管理中使用。而直接采用BIM軟件基于BIM模型進行算量，可實現(xiàn)設計、招投標、施工跨階段的信息集成與共享，更適用于基于BIM的全過程管控技術。

在新華醫(yī)院兒外科樓的應用探索發(fā)現(xiàn)，基于BIM的算量與傳統(tǒng)算量軟件在原理和結果上基本一致，但可節(jié)省大量建模工作量。另外，基于BIM的算量可將各個構件的工程量和清單導出為Excel文件，供建造過程的產值計報、竣工結算等使用。基于BIM的算量軟件在混凝土結構、砌體結構、鋼結構等專業(yè)較為準確，技術上已比較成熟。但是由于圖紙仍是法律規(guī)定的設計成果，基于BIM進行算量應用仍不夠廣泛，仍未被相關主管部門接受；因此基于BIM的算量結果仍是輔助性數(shù)據，僅供參考。

3.3 基于BIM的建造管控技術

基于BIM的醫(yī)院建筑建造管控技術可實現(xiàn)施工方案模擬、進度管理、質量管理、安全管理等方面的可視化、精細化、流程化管控，支持項目各方面信息的自動收集和集成。

在兒科綜合樓建造過程中，項目部應用施工總承包方自主研發(fā)的基于BIM的智慧建造平臺進行總體管控。院方、監(jiān)理、設計方、施工總包和各個分包均可基于該平臺進行管控，具體包括以下功能。

3.3.1 進度管理

基于BIM可實現(xiàn)施工進度查看、施工計劃管理、實際進度錄入和進度對比分析等。可結合錄入的實際進度和計劃進度分析各施工段的進度執(zhí)行情況，在三維視角下查看超時未開始、超時未完成的工作（圖5），從而方便業(yè)主有針對性地推進工程進度。

圖5 進度對比分析

3.3.2 質量管理

基于BIM的質量管理，支持管理人員通過手機微信發(fā)起、處理、關閉、追蹤工程質量整改單。監(jiān)理和業(yè)主使用微信拍照、輸入文字或語音描述，發(fā)起質量問題；BIM平臺通過微信自動通知相關施工單位；施工單位使用微信直接將處理后的情況通過照片和文字方式提交，實現(xiàn)在線的質量整改管理，方便業(yè)主分析項目質量通病和提高質量問題整改的及時性。在施工現(xiàn)場，管理人員也可以通過iPad查看BIM模型與現(xiàn)場的區(qū)別，發(fā)起質量問題（圖6）。

圖6 使用iPad查看BIM模型

3.3.3 安全管理

基于BIM的安全管理可將施工現(xiàn)場的視頻監(jiān)控與BIM模型集成，支持在BIM平臺中調用選定位置的視頻畫面，輔助對施工現(xiàn)場進行安全監(jiān)管。

3.4 基于BIM的運維管理技術

醫(yī)院建筑不間斷運營，管理難度大，風險高。傳統(tǒng)基于二維圖紙或示意圖的方式，對樓宇設備運行進行管控，不直觀，容易形成知識孤島，僅僅存在于個別人腦里。通過BIM與樓宇自動化系統(tǒng)、報修等運維信息系統(tǒng)數(shù)據的融合，實現(xiàn)基于BIM的三維可視化運維管理，支持結合醫(yī)院運維需求進行綜合分析、評價，達到主動式運維管理的目標，可全面提升醫(yī)院建筑精細化管理水平。核心技術包括運維BIM模型構建和基于BIM的集成運維管理。

3.4.1 運維BIM模型構建

運維BIM模型構建通過施工BIM模型向運維BIM模型的轉化，然后集成現(xiàn)有運維信息系統(tǒng)數(shù)據與BIM模型2個步驟實現(xiàn)。新華醫(yī)院兒外科樓試點研究表明，面向運維的BIM構建要求在BIM建模時考慮以下幾個方面問題：

1）建立房間或空間單元，錄入房間的功能、使用單位等信息，支持空間管理。

2）建立機電安裝設備與管線的物理連接，支持基于BIM的系統(tǒng)邏輯結構生成與展現(xiàn)，輔助運維。應用BIM，可在三維視圖中查看樓層空調箱的空氣流向、上下游閥門、下游風口、上游冷水機組等（圖7）。

圖7 基于BIM機電設備上下游分析

3）建立包括真實材質的精裝飾和機電模型，基于BIM提供高真實感的場景，輔助可視化運維管理、運維操作培訓。

4）建立樓宇自動控制系統(tǒng)各項監(jiān)測數(shù)據與BIM中相應設備的對應關系，實現(xiàn)動態(tài)運行監(jiān)測數(shù)據與靜態(tài)BIM信息的集成，達到基于BIM的機電系統(tǒng)運行監(jiān)控。譬如基于BIM的污水處理系統(tǒng)監(jiān)控情況（圖8），可在三維視圖中查看沉淀池的水位高低情況，提升泵的啟停情況，以及污水處理系統(tǒng)的水流流向。

圖8 基于BIM的污水處理系統(tǒng)運行監(jiān)控

3.4.2 基于BIM的集成化運維管理技術

基于BIM的集成運維管理技術支持護士、病人等用戶通過手機微信報修，并快速錄入報修位置和問題描述。譬如A房間空調制冷效果不佳，病人或醫(yī)護人員在微信中報修，接著后勤服務中心應用BIM運維平臺接收到報修問題，在BIM中定位到A房間，并可定位到A房間空調風口對應的上游空調箱C；然后，調取該空調箱C的BA監(jiān)測數(shù)據，查看其出風溫度、過濾網壓差等信息，分析是否有異常情況（圖9），并可以調取空調箱C附件的視頻監(jiān)控畫面了解現(xiàn)場情況。如果發(fā)現(xiàn)該空調箱C有異常情況，將報修信息、空調箱C位置、動態(tài)監(jiān)測數(shù)據和異常情況發(fā)送給維修班組管理，從而提高維修效率，減少維修班組多次往返的時間。基于BIM的集成化運維管理技術實現(xiàn)了報修服務、設備監(jiān)測、視頻監(jiān)控和BIM系統(tǒng)的集成，可逐步形成建筑全生命周期大數(shù)據，并探索基于大數(shù)據挖掘的智能運維技術。

圖9 基于BIM的機電設備運維管理

4 結語

結合上海新華醫(yī)院兒科綜合樓建設實際案例，探討了基于BIM進行醫(yī)院建筑建造全過程管控的體系架構，以及各階段基于BIM進行管控的要點和應用價值。研究和實踐表明，目前BIM技術可以初步支持基于BIM的醫(yī)院建筑建造全過程管控，包括設計階段的空間規(guī)劃分析、人流分析和管線綜合，招投標階段的算量與成本預算，建造階段的進度、質量、安全管控，以及運維階段的可視化、集成化設備運行管控和空間管理；但在應用軟件和集成平臺方面仍需要進一步完善，在管理體系和流程方面仍有不少阻礙，需要進一步改革和推動。