輕型裝配式模塊化負壓病房施工及氣密性檢測研究

黃鼎龍，李書文，黃尚克，蔡貴新，李春松

(廣西建工集團第五建筑工程有限責任公司， 柳州 545001)

0 引言

新型冠狀病毒(簡稱新冠病毒)傳播性強、傳染性高。為有效應對新冠病毒，一些地方建立臨時醫(yī)院作為隔離點。臨時醫(yī)院封閉性要求高，內部負壓呈梯隊狀，且時間緊迫，需要在極短工期內完成投付使用。輕型裝配式模塊化負壓病房因其標準化設計、工廠化生產、現場組裝、方便快捷，是首選建筑類型。

負壓病房指在特殊的裝置下，病房內的氣壓低于病房外的氣壓，空氣只能從病房外部流通至病房內，病房內被污染過的空氣通過專門的通道排放至固定地點，不會泄露到病房外部，造成外部空氣污染，減少醫(yī)護人員等被感染的建筑。負壓病房氣密性、負壓穩(wěn)定性要求高，而普通房屋則不具備這些功能。

為將新冠病毒控制在建筑內部，防止其隨氣流向外傳播，保證醫(yī)院內部氣流有組織的流動，防止交叉感染，探索一套適用于輕型裝配式模塊化負壓病房短周期施工的安裝技術，以及對負壓病房氣密性進行檢測與糾偏，是本文的研究方向和重點。

1 工程實例

廣西龍?zhí)夺t(yī)院臨時全負壓病房項目(圖1)位于柳州市魚峰區(qū)城區(qū)羊角山路，廣西龍?zhí)夺t(yī)院西側；建筑面積約為3 997m2，設有隔離病房、護理及檢測區(qū)、病人通道、醫(yī)護通道、污物處理區(qū)、辦公區(qū)、醫(yī)護住宿區(qū)等配套用房，為單層箱體拼接建筑，新增床位約100張，用于收治確診的新冠肺炎患者。生活區(qū)設醫(yī)務人員宿舍20間，可容納80人。病房區(qū)可容納100床，其中:隔離病房96床，ICU病房4床。

圖1 廣西龍?zhí)夺t(yī)院臨時全負壓病房項目俯瞰圖

2 病房結構選型

本項目有工期緊、建筑封閉氣密性要求高、恒荷載和活荷載較高等特殊要求。常用的臨時建筑即裝配式圍墻、K數型和T數型板房及裝配式一體化模塊集裝箱的功能對比見表1。

常用臨時建筑功能對比 表1

相比于裝配式圍墻吸水性強、雜質易脫落、封閉性不滿足要求，K數型和T數型板房壽命短、隔熱隔聲差、箱體持久性差等特點，裝配式一體化模塊集裝箱在安裝效率、封閉性、氣密性、壽命等方面性能優(yōu)越，可滿足負壓病房各項要求。因此，本工程選用裝配式一體化模塊集裝箱。

3 負壓病房設計

3.1 結構設計

負壓病房使用年限5年，地面活荷載2.0kN/m2，屋面活荷載0.5kN/m2，基本風壓0.6kN/m2，抗震設防烈度8度，設計基本加速度0.2g。外部尺寸為6 055mm×2 990mm×2 896mm，內部尺寸為5 095mm×2 830mm×2 500mm。

裝配式一體化模塊集裝箱下部設置800mm×800mm的格構式鋼結構龍骨支撐架，集裝箱頂部設置桁架式鋼屋架，屋架上部搭設鋼檁條，檁條上部鋪設復合型保溫屋面瓦，鋼構件材質均為Q235，屋面排水方式為有組織排水，鋼屋架及屋面暖通施工現場見圖2。

圖2 鋼屋架及屋面暖通施工現場

3.2 集裝箱結構材料和規(guī)格

地面主框架、屋面主框架和角柱采用鍍鋅冷軋型鋼，地面次梁和屋面次梁采用冷彎薄壁C型鋼。使用M12×40高強螺栓進行連接，鍍鋅結構采取高溫噴粉進行表面處理。考慮到減輕建筑自重問題，板墻采用厚60mm的彩鋼復合板和0.426mm厚鍍鋁鋅彩鋼雙面平板，渡象牙白橘皮紋，設S型咬合口，中間填充玻璃絲綿芯材；屋面為0.526mm厚鍍鋁鋅彩鋼板頂蒙皮，采用0.476mm厚壓型鍍鋁鋅彩鋼板吊頂，板材中間填充100mm厚玻璃絲棉氈；所用材料均為A1級不燃以提高防火性能。門、窗以及裝飾材料也都選用輕質耐火材料。

3.3 負壓及通風系統設計

根據“新冠病毒”通過空氣傳播的特點，病房各功能區(qū)分段分區(qū)劃分，各區(qū)域嚴格控制負壓，避免交叉感染。負壓總體要求為：病房、病人通道<緩沖間<醫(yī)護通道、醫(yī)生/護士辦公室<清潔醫(yī)生通道<室外，各主要區(qū)域負壓設計值見表2。

各主要區(qū)域負壓設計值/Pa 表2

病房、病人通道、護理及檢測區(qū)、醫(yī)護通道、辦公區(qū)和醫(yī)護住宿區(qū)分別單獨設置新風、排風系統。送風系統設置初效、中效過濾器，以保證送風潔凈。排風系統設置高效過濾器，減小排風污染環(huán)境或停機時倒灌。各房間、污物處理區(qū)及衛(wèi)生間的污濁氣體由帶止回閥的排氣扇排入排風道，消毒處理后排出室外。新風機組采用組合式全新風空氣處理機組，排風機采用低噪聲離心式風機箱，均兩臺一組，一臺使用一臺備用，便于設備故障時及時更換。各房間有組織送排風，通過定量風閥設定送排風量，維持負壓，有效控制氣流流向，保證氣流不逆灌，負壓隔離病房是傳染病醫(yī)院中最高等級的氣壓控制房[1]。

流量和壓差的計算如下：

Q1=3 600μF(Δp/ρ)1/2

(1)

式中：Q1為泄露風量，m3/h；μ為流量系數，一般取0.3～0.5；F為縫隙面積，m2；ρ為空氣密度，本文取1.2kg/m3；Δp為壓差，Pa。

換氣次數越大，房間顆粒數衰減越快[2]。根據經驗估值，壓差為5Pa時，換氣次數為1～2次/h，壓差為10Pa時，換氣次數為2～4次/h[3]。不同風量室內空氣污染物排出時間見圖3，從圖3中可看出，換氣次數較低，排除污染物所需的時間較大。

圖3 不同風量室內空氣污染物排出時間

當送風口由房間頂部中部移至房間無排風口一側時，有利于減小人體上方的渦流，通過污染源位置的氣流能更快流向排風口，有利于較快排除污染物。所以將送風口設置在醫(yī)護人員頭頂上部的位置，保證風流經醫(yī)護人員位置后再通過病床位置流出，從衛(wèi)生間或房間角落排出，可很大程度上保護未感染人員[2-3]。

4 病房安裝

4.1 病房安裝重難點

(1)工期緊。要求15d完成交付，包含設計、場地、土方、結構和裝飾一體整套服務。

(2)場地受制約。本工程東鄰結核病防治臨床中心醫(yī)院，西靠龍?zhí)豆珗@，建筑物四周無空余場地，無法進行大量材料的周轉。

(3)施工組織受制約?，F場工作面小，需土建、安裝、裝修、電氣、消防等在有限場地、有限時間內交叉配合施工。開工即搶工，管理難度大。

(4)勞動力受制約。工程建設期間，正值春節(jié)，各地區(qū)封閉管理，人員流動困難，難以組織大量勞動力，勞動力成本增加。

(5)疫情防控制約。正值疫情防治關鍵時期，保證現場施工管理人員、工人實現零感染是一重大難題。

4.2 組織安裝

針對項目重難點，結合施工場地，使用BIM技術模擬施工場地布置，并成立交通疏導隊，根據項目進度和BIM模型，精細化調配進場材料，避免堆積。分區(qū)分塊流水安裝，從場地內側向外依次施工，材料、人工不扎堆，有序進行。

負壓病房具體的施工流程為：鋼結構龍骨支撐架找平安裝→底板安裝→立柱安裝→頂框、頂板安裝→墻板安裝→門窗安裝→電路安裝→通風系統安裝→病房封閉→氣密性檢測→交付。

負壓病房的安裝除了組織規(guī)劃外，技術較為常規(guī)，值得一提的是使用特殊膠條填充相鄰板房之間縫隙，封閉的同時起到緩沖水平荷載的作用。保證病房負壓滿足使用的關鍵在于病房各個縫隙的處理、風管的連接以及負壓測試的科學性，調節(jié)送排風系統送風速率和排風速率時，考慮風阻、損失風量，保證各區(qū)域達到負壓設計要求。

另外，本工程施工中部署現場監(jiān)控，24h全范圍監(jiān)控，實現遠端和手機端隨時調取和查看項目施工過程。項目入口加設實名制管理系統和紅外線自動測溫系統，嚴格管理入場人員和疫情期間人員體溫安全監(jiān)測。病房框架安裝完成后，進行頂板吊裝(圖4(a))，吊裝落位后人工上屋面使用螺栓固定屋面板(圖4(b))。

圖4 裝配式模塊化負壓病房安裝過程

墻板與骨架的連接：病房框架帶有卡槽，安裝時，墻板頂部、下部和邊部嵌入卡槽中，卡槽對墻板起嵌固作用。依次拼裝墻板，墻板與框架緊密連接，再在各拼縫處填充膠密封，做到有縫必封。

4.3 密封處理

為有效阻斷空氣流通，保證氣流有組織有方向的流動，滿足遏制病毒傳播的目的，病房的密封是整個項目建設的重點。建筑物主體的安裝需保證完整性、密封性，特別是污染區(qū)需要做到有縫就封。墻縫封膠見圖5(a)，框架及墻板與頂板封膠效果見圖5(b)。

圖5 主體拼縫密封

(1)板房主體間的拼縫處理。拼縫處應先放膠條，然后打硅酮膠，若遇較大的拼縫則需封蓋后打硅酮膠。

(2)門的密封處理。安裝門板時，應在門把手與門的拼縫處進行密封打膠，見圖6(a)；若門無自帶膠條，需在咬合砍邊貼膠條密封，見圖6(b)。

圖6 病房門洞密封

(3)窗的密封處理。負壓病房區(qū)所有窗框均需打膠，活動窗均需封死，不得活動，活動窗封膠效果見圖7(a)；觀察窗的窗框與墻連接處也需打膠；傳遞窗因穿過墻體，先打硬邊(鋁合金絞線)，再打膠，傳遞窗封膠效果見圖7(b)。

圖7 病房窗口密封

(4)通風系統安裝封閉處理。1)風管法蘭、部件安裝。風管法蘭連接處應有膠條，膠條整圈豐滿，若發(fā)現漏風，則需重新上膠條再打膠密封。2)送排風管的安裝(圖8(a))。風管上送下排，進風口位于房間頂部，房間底部設兩個排風口，兩個排風口位于房間的兩個角落，送風管口和下部安裝高效過濾器。風管穿越房間頂板和底板時，因開孔尺寸難以控制，需要接頭開口比風管稍大1～2cm，且吊頂材料剛度小，變形大，密封時，需要先用龍骨支撐，再打膠密封。送風管頂板密封效果見圖8(b)。

圖8 管道口密封

(5)管道口密封處理。所有穿越頂板管道，接口處均先打膠再打瀝青油膏來防水。管道類別有：給排水管道(圖9(a))、醫(yī)用氣體管道(圖9(b))(氧氣管道、負壓吸痰管道、壓力管道)、弱電導管(圖9(c))、電器導管(圖9(d))。

圖9 送風管穿越房間密封

5 氣密性檢測和分析

5.1 調試和檢測

病房安裝和封閉處理及風機單機調試完成后，進行氣密性檢測(圖10)。檢測主要為“一設三區(qū)”，即空調設備和潔凈區(qū)、半污染區(qū)、污染區(qū)。

圖10 氣密性檢測路徑

檢測路徑：檢測第①處大氣與病人通道負壓差；檢測第②處病人通道與醫(yī)護通道緩沖間負壓差；檢測第③處測醫(yī)護通道緩沖間與兩邊病房負壓差；檢測第④處醫(yī)護通道與病房負壓差；檢測第⑤處病房緩沖間與病房負壓差；檢測第⑥處醫(yī)護通道與病人緩沖間負壓差；一直重復檢測第④處與第⑤處，直至醫(yī)護通道的另一側的最后一個病房；檢測第⑦處病房與醫(yī)護通道緩沖間負壓差；最后檢測第⑧處醫(yī)護通道緩沖間與醫(yī)護通道負壓差。首次對不同污染區(qū)域進行負壓差的測試，發(fā)現各區(qū)段相對負壓值較低，達不到設計值，有些區(qū)域甚至無負壓。

5.2 影響病房壓差因素分析

本負壓病房壓差由被動式的定風量系統控制，通過送風比排風少一定的量來達到所期望的壓差。在首次檢測過程中，發(fā)現負壓不滿足要求，潔凈區(qū)無正壓。

通過反復測試校核和分析，壓差不足的主要原因如下：1)新風機動力不足，風管局部阻力大。風機電機反向運轉、風閥未打開或開度不足、閥門開關方向安裝錯誤、風管密閉性不足、風機排風壓力不足。2)接縫密封問題。板體接縫、三面交叉接縫、施工工藝存留接縫、樓板開口縫隙等密封不足，有的封膠存在脫落風險，有的甚至尚未密封。

5.2.1 設備阻抗分析

設備主要有空調機、表冷器、過濾器和風口，其中表冷器的空氣壓力損失有兩種形式：一種是干冷空氣壓力損失Δpg，另外一種是濕冷空氣壓力損失Δps。二者有如下計算式：

(2)

(3)

式中：a，b，c為系數，其值根據表冷器的型號和工況確定；vy為經過表冷器的迎面風速，m/s；ξ為析濕系數。

本工程風壓對整個送排風系統有一定的影響，風壓計算公式如下：

(4)

式中：Δpf為送風系統風壓值；ρw為送風系統空氣密度；vw為送風風速；K為空氣動力系數，因建筑物的體型、構造和周邊環(huán)境等都有對K值的大小產生影響，需要根據風洞試驗確定其值，本工程因工期緊，時間不允許，取類似建筑物的平均K值進行分析，取0.65。

設備阻抗屬于機械等固有屬性，且因建筑物類型和周邊環(huán)境不可改變，所以本工程尚未有合適方式減小該方面的阻抗。

5.2.2 管道阻抗分析

氣流通過管道時，隔離病房機械通風的阻力來自于風管管道、風管局部阻力(彎頭、三通等)，風管局部阻力可采用下式計算：

(5)

式中：Δp為壓差；Q2為支路氣流流量；n為氣密特性系數，根據分支、構件的類型不同，形態(tài)多樣，只能通過試驗和經驗確定系數，本工程取n=2；S為支路的氣流流量阻抗[4]，按下式計算。

(6)

式中：λ為阻力系數；A為管道截面面積；ρ為空氣密度；de為管道直徑。

管道整體阻抗，由各局部阻抗共同疊加，風管局部阻力計算如下：

(7)

式中：ξ1為局部阻力系數，其值通過試驗確定；v為風速。

風管局部三通、四通，其阻力系數不同；管路分支夾角和幾何參數不一致，其阻力系數也不同。風管彎頭夾角越小，ξ越小；變徑管角度θ越小，ξ越小。綜上，盡可能通過減少管路分支，減小風管彎頭夾角，增大風管變徑長度(減小變徑角度)等方式，減小管道的阻抗，增進送排風流暢。

5.2.3 病房建筑縫隙阻抗分析

根據縫隙阻力特性，通常使用冪方程模型來表示氣流流量與壓差的關系[4]，如下：

Q3=CQ3(Δp)m

(8)

式中：Q3為通過縫隙的氣流流量，m3/s；CQ3為氣流流量系數(m3/s)·Pa-m；m為冪指數。

根據《潔凈廠房設計規(guī)范》(GB 50073—2013)[5]，當壓差過小時，潔凈室的壓差狀態(tài)容易受到破壞；當壓差超過50Pa時，門的開關會受到影響；本工程的壓差設計均在5～20Pa范圍內，符合要求?！稘崈魪S房設計規(guī)范》(GB 50073—2013)給出的滲漏風量見表3，根據表中數據,并結合實際縫隙類型和數量，可確定送風滲漏風量，再結合式(8)可計算通過建筑縫隙的壓力損失，以此確定排風量的大小。

6 問題和整改措施

(1)設備。本工程設計使用的設備型號、數量、功率等在理論上滿足送風流量、壓差和換氣次數的要求，調試組對測試校核過程中遇到的風機、電機反向運轉、風閥未打開或開度不足、閥門開關方向安裝錯誤、風管密閉性不足、風機排風壓力不足等問題，分別采取調換電源線、重新安裝及調整閥門開度、完善風管保溫密閉性、調整電機馬達皮帶松緊度等措施進行解決。針對高效過濾器因廠家趕工導致其運至現場為半成品且密封不好的情況，采取連夜加班重新拆裝密封的措施解決。設備啟動時，將送風機械的功率設置高于排風機械的功率，并進行微調測試。

圍護結構單位長度縫隙的滲漏風量/(m3·h·m) 表3

在進行設備調整后，發(fā)現污染區(qū)各區(qū)域負壓測試值呈現全面增長，負壓增長范圍在3～20Pa之間，但有些房間負壓值仍不滿足設計要求。因此需要對其他因素進行調整。

(2)阻抗。增加額定功率設備使用效率的有效辦法是減小管道阻抗和建筑縫隙阻抗。減小管道阻抗的措施有：取消三通/四通內部擋板或將內部擋板截短至5cm，減少管線分支，減小風管彎頭夾角，增大風管變徑長度(或減小風管變徑角度)。減小建筑縫隙阻抗的措施有：1)設置進風口和排風口的位置，減小空氣流通阻力；2)門窗等按照要求開啟或者關閉，單獨設置正壓室。

進行阻抗調整時，發(fā)現阻抗對負壓值的影響程度有限，大多在1～5Pa的范圍。但在同一房間分別進行設備阻抗、管道阻抗和建筑縫隙阻抗調整時，發(fā)現調整管道阻抗時，負壓值變化較為顯著，調整建筑縫隙阻抗時則變化較低，而設備阻抗的影響則最弱。最大限度調整后，仍有部分區(qū)域負壓達不到設計要求，因此需要針對各接縫密封進行觀察測試和整改。

(3)接縫密封。接縫密封不僅是病房各區(qū)域形成和保持梯度負壓的關鍵因素，同時也是阻隔新冠病毒在空氣中擴散，污染潔凈區(qū)域的保障措施。通過觀察和測試分析，接縫密封主要有如下問題：1)高效送風口吊裝孔漏風；2)風管共板法蘭處密封條存在缺口；3)墻板之間雙面交接或三面交接處縫隙填充不密實；4)墻體存在縫隙；5)送排風管、燈具穿過樓板的開孔密封不實，存在較大縫隙；6)管線外保護，僅靠密封膠固定，存在較大脫落風險；7)門縫窗縫部分不密實或未密閉。解決措施是：污染區(qū)密封不嚴處或未密封處均加膠密封。對于地面、走廊墻面、房間墻面三面交接處和雙開門門縫(門板與門板之間)之間存在較大漏風風險的地方，使用膠條加塞作為密封骨架，再打膠密封。在風口、風管與樓板接口處填充發(fā)泡膠后打密封膠。對打膠密封不密實存在漏風的縫隙，可使用工具削掉封膠，再均勻打膠，保證嚴絲合縫。

在進行接縫密封整改時，發(fā)現接縫的密封性對負壓測試值的影響較大，有些區(qū)域甚至達到10Pa的變化。整改完成后，整個醫(yī)院各個區(qū)域負壓值均達到設計要求，有些區(qū)域負壓值略高于設計值，但不影響使用功能。

病房投入交付使用后，檢測人員5d內對各區(qū)域進行不定期復驗，發(fā)現各區(qū)段負壓值有小波動，波動范圍在0～3Pa之間，但因投入使用時負壓值高于設計值，波動后負壓值仍滿足設計要求。

7 結論

(1)送風、排風機械受各類阻抗的影響，實際負壓值與設計負壓值有一定的偏差，但偏差值不大。

(2)在送、排風系統達到平衡后，受房門開啟關閉與人員流動的影響，排風系統的機器功率大于送風系統機器的功率，才能保持負壓穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)影響負壓穩(wěn)定的因素排序：設備>縫隙密封>阻抗。影響阻抗因素排序：管道阻抗>建筑縫隙阻抗>設備阻抗。對于影響縫隙密封因素排序，因縫隙類型較多，未能詳細分析，故尚未有明確結論。

(4)交付前最終測試結果為，各梯段、各部位的實際負壓值均一定程度上大于該位置的設計負壓值，但滿足最小負壓差的要求，滿足使用功能。

(5)壓差越大，換氣次數越高，病房內排除污染物所需的時間越短，越有利于減少室內病毒的含量。

(6)負壓滿足要求后，分時段、不定期進行復驗，結果顯示壓差波動范圍不大。