重離子醫(yī)學(xué)中心大樓建筑設(shè)計(jì)與思考

□ 黃銘 HUANG Ming 吳榮 WU Rong 傅敏俊 FU Min-jun 朱亮 ZHU Liang

惡性腫瘤是嚴(yán)重威脅人類生命健康、制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一類重大疾病，具有復(fù)雜性、多樣化、易轉(zhuǎn)移等難以完全克服的特點(diǎn)，已經(jīng)成為致死的重要?dú)⑹?。根?jù)國(guó)際抗癌聯(lián)盟（UICC）統(tǒng)計(jì)，約有70%的腫瘤患者需要通過放射治療達(dá)到根治或姑息治療的目的，或配合術(shù)前、術(shù)中或手術(shù)后進(jìn)行放療[1-2]。隨著粒子加速器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)重離子具有倒轉(zhuǎn)深度劑量分布、拓展布拉格峰后沿劑量急劇下降、高傳能線密度(LET) 、高相對(duì)生物效應(yīng)(RBE) 、較小的氧增比、可實(shí)時(shí)劑量驗(yàn)證、對(duì)腫瘤靶區(qū)進(jìn)行準(zhǔn)確投射等顯著優(yōu)勢(shì)。這些特征使重離子放射治療相較于傳統(tǒng)放療，有巨大的治療優(yōu)勢(shì)，它不僅能夠更為準(zhǔn)確地向腫瘤細(xì)胞發(fā)起進(jìn)攻，對(duì)DNA致死性更加復(fù)雜，對(duì)腫瘤的殺傷力和殺傷效果更優(yōu)[3]。

隨著加速器建造技術(shù)的發(fā)展，重離子治療裝置也可以配備旋轉(zhuǎn)機(jī)架，結(jié)合重離子在物理學(xué)及生物學(xué)上的優(yōu)勢(shì)，若采用旋轉(zhuǎn)重離子調(diào)強(qiáng)放射治療技術(shù)，將有望進(jìn)一步降低周圍正常組織的輻射劑量，提高腫瘤靶區(qū)劑量。從而使得采用重離子的超低分割放射治療成為可能，進(jìn)而使得腫瘤患者無需住院治療。由于重離子束的以上優(yōu)點(diǎn)，重離子治療作為一種新型的腫瘤放療治療技術(shù)，在療效方面、安全性方面、治療周期方面與傳統(tǒng)的放療技術(shù)相比，均展現(xiàn)出較強(qiáng)的優(yōu)越性[4]，是目前世界腫瘤放療領(lǐng)域最先進(jìn)和有效的腫瘤治療方法。

項(xiàng)目的意義

中國(guó)是繼美國(guó)、德國(guó)、日本之后，掌握重離子治療腫瘤技術(shù)的國(guó)家之一，已經(jīng)具備重離子臨床治療能力和治療專用裝置生產(chǎn)能力。中國(guó)科學(xué)院大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院（浙江省腫瘤醫(yī)院）引進(jìn)國(guó)產(chǎn)第二代重離子治療裝置，并為其配套建設(shè)重離子醫(yī)學(xué)中心大樓，開啟了對(duì)重離子醫(yī)學(xué)中心大樓建筑設(shè)計(jì)的探索與思考。據(jù)測(cè)算，重離子治療裝置建成后，平均每年治療患者約800例。對(duì)于常規(guī)放射敏感的腫瘤，重離子治療可明顯減少正常組織損傷，提高患者生活質(zhì)量。對(duì)于常規(guī)放射抗拒的腫瘤，重離子治療可顯著提高療效50%以上。除了為患者提供優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療治療服務(wù)外，關(guān)于重離子治療裝置的探索與研究工作還包括重離子治療新技術(shù)的研發(fā)、重離子治療與免疫治療聯(lián)合等。

項(xiàng)目選址條件

本項(xiàng)目位于醫(yī)院內(nèi)部東南側(cè)，現(xiàn)狀為醫(yī)院的臨時(shí)地面停車場(chǎng)。該地塊西側(cè)緊鄰醫(yī)院門診大樓和中心公園，北側(cè)緊鄰放射治療樓（直線加速器樓），東側(cè)為醫(yī)院圍墻和杭州半山國(guó)家森林公園的道路，總用地面積為5800平方米。見圖1。

圖1 重離子醫(yī)學(xué)中心大樓總平面圖

因?yàn)橹仉x子治療設(shè)備運(yùn)行的條件極其復(fù)雜，對(duì)承重、傾斜度、光潔度、沉降、四周凈空、設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)、屏蔽安全、管線安裝及預(yù)埋等均有嚴(yán)格的要求，考慮到重離子醫(yī)學(xué)中心大樓不僅需要滿足輻射安全的防護(hù)要求，也要為重離子治療設(shè)備運(yùn)行提供必備的工藝條件，為此項(xiàng)目在前期的選址過程中，邀請(qǐng)重離子治療設(shè)備生產(chǎn)廠家及專業(yè)的地質(zhì)勘察單位，對(duì)項(xiàng)目的地質(zhì)情況進(jìn)行勘探并出具詳勘分析報(bào)告，對(duì)擬選址場(chǎng)地的重離子裝置區(qū)、工藝設(shè)備區(qū)、治療區(qū)等布置情況進(jìn)行初步規(guī)劃，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘和專家論證反饋意見，邀請(qǐng)專業(yè)的設(shè)計(jì)單位對(duì)選址場(chǎng)地進(jìn)行二次復(fù)驗(yàn)，確保項(xiàng)目選址條件的科學(xué)合理且具有可行性。根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果，工程場(chǎng)地內(nèi)無斷裂帶通過，場(chǎng)地屬于區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定的地段，地下土體的穩(wěn)定性較好，場(chǎng)地20米勘探深度場(chǎng)地內(nèi)不存在飽和粉土、粉砂，各土層均為非液化土，因此本場(chǎng)地為不液化場(chǎng)地。同時(shí)，工程場(chǎng)區(qū)無軟土層，擬建場(chǎng)地屬對(duì)建筑抗震有利地段，經(jīng)論證選址可行。見圖2。

圖2 工程地質(zhì)剖面圖

設(shè)計(jì)的原則

經(jīng)專項(xiàng)設(shè)計(jì)，重離子醫(yī)學(xué)中心大樓的總建筑面積為14000平方米，其中地上建筑面積7600平方米，地下6400平方米。主要建設(shè)內(nèi)容包括有重離子醫(yī)學(xué)中心大樓主體建筑（主要功能包括含一個(gè)加速器大廳及其工藝配套、4個(gè)治療室和其他醫(yī)護(hù)及后勤的相關(guān)配套用房）、拆除工程、公用工程、室外工程等。作為國(guó)際先進(jìn)、國(guó)內(nèi)稀缺的重離子項(xiàng)目，項(xiàng)目在建筑設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮國(guó)際視野和前瞻性，在滿足醫(yī)院整體規(guī)劃經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)下，兼顧經(jīng)濟(jì)合理、功能適用、滿足醫(yī)療使用要求，在建筑的理念、技術(shù)、建筑風(fēng)格上進(jìn)行創(chuàng)新，充分考慮建筑智能化、創(chuàng)新化、綠色化等設(shè)計(jì)構(gòu)思，并與老院區(qū)的現(xiàn)狀建筑風(fēng)格、室外綠地景觀有機(jī)融合。

設(shè)計(jì)也應(yīng)遵守國(guó)家和地方有關(guān)城市規(guī)劃與建設(shè)的法律法規(guī)要求，合理采用新技術(shù)和新材料，合理選擇外立面的顏色、材料，做到“技術(shù)先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)合理，安全適用，確保質(zhì)量”。以后續(xù)施工的實(shí)際出發(fā)，充分考慮當(dāng)?shù)氐乃嗌皾{、混凝土、鋼材等建筑材料的供應(yīng)條件，充分衡量施工隊(duì)伍的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率，合理選用主要材料、施工方案、結(jié)構(gòu)措施等，充分考慮建筑物、構(gòu)筑物及其它設(shè)施之間的布局，按工藝用房、設(shè)備用房、輔助用房等用房之間的功能關(guān)系、使用要求、性質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行布置，使項(xiàng)目的整體用房功能即緊湊合理、聯(lián)系方便，又能確保工藝部分的流線暢通，滿足治療、工藝的使用功能要求，同時(shí)符合重離子裝置特殊的防火、防輻射、環(huán)保等要求。

設(shè)計(jì)的思考

1.應(yīng)充分考慮關(guān)鍵結(jié)構(gòu)技術(shù)設(shè)計(jì)。由于本項(xiàng)目的重離子裝置區(qū)、工藝區(qū)和治療區(qū)均位于地下，應(yīng)充分考慮超長(zhǎng)地下室結(jié)構(gòu)抗裂設(shè)計(jì)措施。建議在超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)板的選型時(shí)，考慮采用雙層雙向通長(zhǎng)抗裂鋼筋，兼做受力，受力不足處另加筋；在地下室混凝土澆筑時(shí)，考慮對(duì)防水的特殊要求，不設(shè)后澆帶，而采用膨脹加強(qiáng)帶，減少滲水薄弱風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)；地下室底板（含承臺(tái)）、外墻和頂板采用補(bǔ)償收縮混凝土無縫設(shè)計(jì)，普通位置摻10%高性能膨脹抗裂外加劑，加強(qiáng)帶摻量可提高到12%，減少砼的收縮變形對(duì)砼結(jié)構(gòu)開裂造成的不利影響。

同時(shí)，由于本項(xiàng)目重離子裝置的特殊工藝設(shè)計(jì)要求，治療裝置區(qū)對(duì)沉降要求極高（整體沉降量控制值＜15毫米），并且由于有防輻射要求，結(jié)構(gòu)構(gòu)件厚度大，自重大，墻體單位面積重量約20噸至50噸。為此，裝置區(qū)部分可采用筏板基礎(chǔ)，以壓縮模量大（大于 50MPa）的穩(wěn)定中風(fēng)化巖為持力層，消除工后沉降。在主體結(jié)構(gòu)施工完成后，建議對(duì)治療區(qū)內(nèi)裝置采用預(yù)埋板二次回填調(diào)平的方式，以保證裝置底座安裝精度。對(duì)于大跨度的加速器大廳，廳中局部抗浮采用抗拔樁或者抗拔錨桿，確保底板的上浮變形在允許范圍內(nèi)。見圖3。

圖3 重離子治療中心剖切效果圖

2.應(yīng)充分關(guān)注建筑的輻射防護(hù)專項(xiàng)設(shè)計(jì)。根據(jù)國(guó)家相關(guān)法律法規(guī)，“新建、改建、擴(kuò)建放射性工作場(chǎng)所的輻射防護(hù)設(shè)施，應(yīng)當(dāng)與主體工程同步設(shè)計(jì)、同步施工、同步投入使用[5]。輻射防護(hù)設(shè)施應(yīng)與主體工程同時(shí)驗(yàn)收；驗(yàn)收合格后，主體工程方可投入生產(chǎn)或者使用”。粒子加速器輻射防護(hù)系統(tǒng)遵從以下三原則：實(shí)踐的正當(dāng)性、防護(hù)的最優(yōu)化及個(gè)人劑量限值。輻射防護(hù)的設(shè)計(jì)應(yīng)依據(jù)國(guó)家各項(xiàng)有關(guān)的規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)，以及國(guó)際輻射防護(hù)委員會(huì)（ICRP）和國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）等組織的建議書來進(jìn)行。根據(jù)《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》，劑量率限值應(yīng)滿足：土壤中 5mSv/h，監(jiān)督區(qū) 2.5μSv/h，公眾區(qū)域0.25μSv/h。

為此，在設(shè)計(jì)時(shí)，充分參考國(guó)內(nèi)外大型加速器輻射防護(hù)系統(tǒng)的實(shí)例，結(jié)合中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所多年的加速器建設(shè)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，除了考慮裝置區(qū)和治療區(qū)的主體結(jié)構(gòu)采用重晶石混凝土自防護(hù)外，還在工作場(chǎng)所布置了輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)、出入口控制系統(tǒng)、束流閘、中子監(jiān)測(cè)器等，確保輻射防護(hù)墻體及頂板等相關(guān)輻射區(qū)域滿足輻射防護(hù)規(guī)范要求。見圖4、圖5。

圖4 加速器大廳墻體厚度示意圖

圖5 加速器大廳劑量率分布圖

3.應(yīng)充分關(guān)注建筑的消防專項(xiàng)設(shè)計(jì)。重離子裝置區(qū)的設(shè)備均為不燃、難燃或阻燃材料，這些區(qū)域運(yùn)行時(shí)雖有輻射，但與其它部分用鋼筋混凝土墻進(jìn)行分隔，墻體最小設(shè)計(jì)厚度不應(yīng)小于800毫米，防護(hù)門均應(yīng)采用耐火甲級(jí)輻射防護(hù)聯(lián)鎖電動(dòng)門。由于治療裝置區(qū)域?yàn)闈M足工藝要求，空間連續(xù)連通且無法分割（分區(qū)面積大），空間內(nèi)部距離迷宮出口較遠(yuǎn)（疏散口距離較大），治療裝置區(qū)域空間只能根據(jù)防輻射計(jì)算設(shè)置迷宮出口，且出口數(shù)量和位置受到嚴(yán)格的限制，為此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮特殊消防設(shè)計(jì)部分的專項(xiàng)分析和論證。

建議建設(shè)單位在開展特殊消防設(shè)計(jì)之前，提前完成大樓的總平面圖、建筑平面剖面及防火分區(qū)圖、防火分區(qū)消防疏散計(jì)算表、消防給水系統(tǒng)圖、防排煙暖通圖、重離子裝置工藝說明以及醫(yī)院內(nèi)的火災(zāi)疏散逃生應(yīng)急預(yù)案等圖紙及資料編制工作，并委托一家具備為建筑物的火災(zāi)防護(hù)和消防安全保衛(wèi)系統(tǒng)提供專業(yè)的消防技術(shù)咨詢的服務(wù)機(jī)構(gòu)開展特殊消防設(shè)計(jì)評(píng)估報(bào)告的編制，重點(diǎn)開展重離子裝置區(qū)域的火災(zāi)危險(xiǎn)性分析、火災(zāi)及煙氣的發(fā)展及蔓延CFD模擬分析、樓宇人員疏散模擬分析及類似項(xiàng)目的消防設(shè)計(jì)總結(jié)，針對(duì)特殊消防設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)提出合理的解決方案，為后續(xù)消防專項(xiàng)評(píng)審、項(xiàng)目竣工消防驗(yàn)收提供科學(xué)依據(jù)和指導(dǎo)建議。

4.應(yīng)充分關(guān)注建筑內(nèi)部交通組織設(shè)計(jì)。建議將主要的治療空間和公共等候空間布置在地下一層，在建筑中部設(shè)置垂直運(yùn)輸（兼無障礙電梯），使患者可便捷地到達(dá)負(fù)一層。醫(yī)用電梯只到達(dá)治療空間和公共等候空間，實(shí)現(xiàn)醫(yī)護(hù)流線和患者流線互相獨(dú)立，互不干擾。將患者流線、醫(yī)護(hù)流線和設(shè)備及后勤流線獨(dú)立區(qū)分：

患者就診流線：建議從問診及檢查明確病情（明確病情，初步判斷是否具有重離子治療指征）→多學(xué)科綜合診療（判斷患者是否應(yīng)該接受重離子治療）→放療計(jì)劃制定（CT模擬定位，根據(jù)勾畫范圍設(shè)定劑量，設(shè)計(jì)完成治療計(jì)劃）→質(zhì)量控制（對(duì)假人模型進(jìn)行實(shí)際照射，測(cè)量/ 驗(yàn)證實(shí)際照射的劑量）→重離子治療

醫(yī)護(hù)流線：建議從醫(yī)護(hù)專用出入口進(jìn)入建筑，通過醫(yī)護(hù)走廊進(jìn)入功能用房，并由醫(yī)護(hù)專用電梯進(jìn)入各層醫(yī)護(hù)區(qū)域及辦公區(qū)域，與患者流線分開，相對(duì)獨(dú)立，互不干擾。

設(shè)備及后勤流線：建議從場(chǎng)地設(shè)備專用預(yù)留進(jìn)出口進(jìn)入，出入口位置應(yīng)盡量設(shè)置在樓宇內(nèi)相對(duì)隱蔽的區(qū)域。

5.應(yīng)充分應(yīng)用建筑信息模型（building information modeling，BIM）專項(xiàng)設(shè)計(jì)。在項(xiàng)目中使用BIM技術(shù)，可以有效地解決復(fù)雜的加速器等各種特種設(shè)備的碰撞問題，為參建各方在設(shè)計(jì)和施工過程中提供可視化交流、設(shè)計(jì)成果優(yōu)化、技術(shù)交底與會(huì)審等相關(guān)服務(wù)。重離子項(xiàng)目作為特殊的建筑，為工藝復(fù)雜、技術(shù)特殊的大型科學(xué)醫(yī)療裝置提供配套用房，確保主機(jī)及配套高壓配電系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)等裝置維持正常運(yùn)行。由于本項(xiàng)目包含給排水、消防、電力、智能化、暖通等通用系統(tǒng)與重離子設(shè)備裝置系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計(jì)，采用BIM平臺(tái)可以有效實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)各方的碰撞檢查、設(shè)計(jì)檢驗(yàn)、無障溝通等，對(duì)于項(xiàng)目后續(xù)實(shí)施十分有益。同時(shí)，由于加速器設(shè)備位于地下加速器隧道內(nèi)，屏蔽墻根據(jù)束流傳輸線布置，不同于一般規(guī)則廠房，而且本項(xiàng)目各系統(tǒng)中的部件和設(shè)備數(shù)量較多，安裝要求很高，且貴重易碎，其中有些元部件的體積或重量較大。加速器是本項(xiàng)目的重要精密設(shè)備，通過BIM技術(shù)手段，讓磁鐵加速器布置在BIM模型中，并且通過BIM進(jìn)行三維建模，讓輻射屏蔽措施變得可視化，有效對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)。