醫(yī)療建筑全生命周期的數(shù)字化拓建及運維

趙海鵬

同濟大學附屬同濟醫(yī)院 上海 200065

1 醫(yī)療建筑拓建現(xiàn)狀及難點分析

隨著城市化進程的加快和城市人口比重的上升，原先較為老舊的醫(yī)療建筑設施、功能等已經(jīng)難以滿足需求，因此對于醫(yī)療建筑的更新、拓展、改造、升級就更顯得越來越重要。據(jù)統(tǒng)計，到2020年我國每千常住人口醫(yī)療衛(wèi)生機構(gòu)床位數(shù)達到6張。以上海為例，《上海市醫(yī)療機構(gòu)設置規(guī)劃（2021—2025年）》明確到2025年底全市新增床位約4萬張，配置水平達到每千人口約7.5張。鑒于此，醫(yī)療建筑的擴充、擴容就顯得十分迫切。然而醫(yī)療建筑改擴建不同于其他公共建筑，由于關乎人民的“生命財產(chǎn)”安全，醫(yī)療建筑的拓展專業(yè)性更強，對于設計、施工、后期運維的相關單位的要求更加嚴格。在緊張的時間與復雜的建設之間就存在著傳統(tǒng)手段難以彌合的問題。

1.1 醫(yī)療建筑拓建前期策劃階段難點分析

城市醫(yī)療體系綜合醫(yī)院的設計要點繁雜，其中包括交通流線組織、建筑布局、功能區(qū)設置、保障性功能、院區(qū)智能化等多方面需要在前期進行有效的協(xié)調(diào)溝通[1-3]。其中前期主要遇到的問題如下。

1.1.1 醫(yī)療建筑科室多，溝通時間長

綜合性醫(yī)院的新建及拓建往往牽涉臨床各科室、醫(yī)技部門、門診部等眾多部門。由于醫(yī)療科室內(nèi)的醫(yī)護人員對建筑設計圖紙的理解存在偏差，常規(guī)平面圖及效果圖很難快速反饋意見，這也造成了設計方和使用方需要大量時間進行溝通，嚴重拖慢設計進度，以及后期大量的修改。

1.1.2 醫(yī)療建筑管線復雜，整合難度大

醫(yī)療建筑設備及管線系統(tǒng)復雜，一般情況下各專業(yè)設計人員獨自設計，在之后的管線綜合布局中，往往存在著整合難度大、管線碰撞難以發(fā)現(xiàn)的問題，這就會導致后期實際施工過程中才發(fā)現(xiàn)碰撞和問題，產(chǎn)生的設計變更和返工拖慢施工進度，無法及時找出最優(yōu)化的實施方案。

1.1.3 功能用房不適用，流程不合理

醫(yī)療流程通常較為復雜，若設計策劃階段對醫(yī)療流程梳理不夠明確、完整，將導致功能用房布局出現(xiàn)功能缺失、交叉污染等問題，嚴重影響醫(yī)院的正常運行。

1.2 醫(yī)療體系建設階段難點分析

1.2.1 醫(yī)療建筑拓建施工擾動控制要求高

拓展既有醫(yī)院醫(yī)療資源的首要途徑是空間的拓建。然而，醫(yī)院內(nèi)部改擴建工程所產(chǎn)生的噪聲、揚塵、光源等污染將對醫(yī)院環(huán)境、患者健康造成不良影響。同時，拓建造成的周邊醫(yī)療建筑和管線的無預警變形、沉降，都會對既有醫(yī)療建筑功能安全造成影響。

1.2.2 醫(yī)療建筑拓建質(zhì)量管控要求高

醫(yī)療建筑關系民生，在質(zhì)量的把控上應更加嚴格，傳統(tǒng)質(zhì)量檢測手段，存在質(zhì)量檢查精度差、效率低，過于依賴檢驗人員專業(yè)素養(yǎng)，人為因素影響大等缺點。

1.2.3 醫(yī)療建筑拓建應急響應要求高

醫(yī)院內(nèi)部人員密集，疏散應急響應困難，在此情況下，對于重大危險源的監(jiān)測設備必須具備精確度高、人為干擾少、盡早預警等特點。

1.3 醫(yī)療建筑運維階段難點分析

1.3.1 醫(yī)療建筑難點

醫(yī)院投入運營后，醫(yī)療建筑還存在醫(yī)護移動護理查房不便，醫(yī)療信息實時互通性不足，病區(qū)患者治療及護理數(shù)據(jù)無法實現(xiàn)醫(yī)院信息管理系統(tǒng)、實驗室信息管理系統(tǒng)等核心系統(tǒng)的互聯(lián)互通等問題。

1.3.2 服務體系難點

服務體系方面，通常存在床旁服務不夠便捷、功能簡單，病房環(huán)境配置單一、缺少智能化設備，病房內(nèi)設備與裝修環(huán)境割裂等缺陷。

1.3.3 管理體系難點

醫(yī)療管理方面，醫(yī)院的應急管理預案通常停留在紙面，突發(fā)情況的應急管理能力薄弱，并且缺乏系統(tǒng)完善的管理制度指導病房醫(yī)療、護理、后勤、運行等保障工作。

綜上可知，傳統(tǒng)方法對復雜問題的處理效率低下、人為干擾多，已無法滿足現(xiàn)代醫(yī)療建筑建設需求。同時，傳統(tǒng)醫(yī)療建筑的落后功能現(xiàn)狀已不能滿足醫(yī)患使用需求。因此，在醫(yī)療建筑拓建全生命周期中引入數(shù)字化技術，推進智慧病房的建設，已成為解決上述問題的有效途徑之一。

2 醫(yī)療建筑拓建的數(shù)字化技術

2.1 智慧工地大腦在醫(yī)療工程中的綜合運用

醫(yī)療建筑功能多、科室多，流程復雜。為更有效地整合醫(yī)療建筑前期設計、過程施工、后期運維三方面，智慧工地大腦平臺的建立顯得尤為重要。作為系統(tǒng)化的集成平臺，智慧工地大腦平臺的搭建及發(fā)展能有效整合前期設計資源，提升管理人員對醫(yī)療建筑在建項目的材料、進度、質(zhì)量、安全等內(nèi)容監(jiān)控管理效率，為后期運維的進一步?jīng)Q策打下堅實基礎，助力實現(xiàn)醫(yī)療建筑全生命周期管理。

2.2 BIM技術在醫(yī)療工程中的綜合運用

BIM技術作為現(xiàn)在較為成熟的技術，針對醫(yī)療建筑拓建工程涉及的“管線復雜龐大，施工難度大”“功能多，流程復雜”等難點，BIM技術的運用可極大提升前期策劃效率，優(yōu)化MEP（機械、電氣、管道）系統(tǒng)布局、施工流程和場地布置。

2.3 數(shù)值模擬技術在醫(yī)療工程中的運用

醫(yī)療建筑的建設，特別是醫(yī)療建筑更新領域，往往存在著周邊環(huán)境復雜、病患多且敏感的特點，從結(jié)構(gòu)施工安全到文明施工的合理性布置等各個方面，相對普通建筑有著更加嚴格的要求。在設計之初采用ANSYS、ABAQUS、MSC等數(shù)值模擬軟件對醫(yī)療建筑建設過程中的周邊環(huán)境變形、噪聲影響等問題進行預先模擬，并根據(jù)模擬結(jié)果對施工方案進行針對性改進，從而確保項目的實施效果。

2.4 醫(yī)療工程中數(shù)字化裝備的革新

醫(yī)療建筑在拓建過程中對于質(zhì)量、安全、應急響應等有著更高的要求。然而，傳統(tǒng)建筑行業(yè)一直呈現(xiàn)較為粗放的管理模式，建筑器材、工具等仍存在精度不高、較為依賴施工人員經(jīng)驗的弊端，近年來隨著施工裝備軟硬件的蓬勃發(fā)展，越來越多的建筑施工裝備通過數(shù)字化的迭代更新呈現(xiàn)更加精細化、標準化、智能化的趨勢。

目前，數(shù)字化裝備已在醫(yī)療工程安全、質(zhì)量、管理等領域進行了全方位的運用，為醫(yī)療體系建筑拓建的管理人員提供了更加精確、高效的管理手段。

3 醫(yī)療建筑運維數(shù)字化技術

智慧醫(yī)療建筑的建設運維以“提供高質(zhì)量的醫(yī)療服務”為首要目標，堅持安全、高效、強韌性、以人為本四項基本原則。

3.1 數(shù)字孿生

運用數(shù)字孿生技術貫穿醫(yī)療建筑策劃、實施、運維的全生命周期，實現(xiàn)建筑全過程、全方位虛擬仿真；實現(xiàn)整個病區(qū)內(nèi)重大事件以數(shù)字孿生方式呈現(xiàn)，更加直觀立體。

3.2 系統(tǒng)集成

智慧醫(yī)療建筑內(nèi)多系統(tǒng)設備的集成，包括軟件、硬件的集成化管理，實現(xiàn)病區(qū)內(nèi)多源數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。

基于色彩學和建筑設計理論的醫(yī)院建筑裝修與多樣信息系統(tǒng)的高度集成，實現(xiàn)醫(yī)院日常的高效高質(zhì)量運營。

3.3 態(tài)勢感知

實現(xiàn)實時感知醫(yī)院消防、安防等各種緊急情況，并通過標準的流程進行處理。

確保突發(fā)情況應急管理的實際落地，為形成基于全院的智慧感知平臺奠定理論和實踐基礎。

3.4 人工智能運用

醫(yī)療建筑內(nèi)配置的宣教機器人、送藥機器人、醫(yī)廢機器人能夠幫助醫(yī)護提高工作效率。消毒機器人的使用能夠定時定量進行病區(qū)標準化消毒，降低院感發(fā)生的概率。

4 醫(yī)療建筑拓建中的數(shù)字化實踐

4.1 工程簡介

上海市同濟醫(yī)院內(nèi)科醫(yī)技樓工程位于上海市同濟醫(yī)院內(nèi)，緊貼原有外科醫(yī)療樓東側(cè)新建內(nèi)科醫(yī)技綜合樓。新建內(nèi)科醫(yī)技樓地下2層，地上16層，建筑高度63.45 m，總建筑面積32 560 m2，其中地上27 280 m2、地下5 280 m2。

4.2 主要數(shù)字化技術運用

4.2.1 BIM綜合技術運用

項目共采用BIM技術應用點45個，其中：醫(yī)院特有應用點8個，分別為院內(nèi)外交通模擬、特殊場所疏散模擬、醫(yī)療工藝流程仿真一級、醫(yī)療工藝流程仿真二級、醫(yī)療工藝流程仿真三級、醫(yī)療樣板間BIM模型構(gòu)建、大型醫(yī)療設備運輸模擬分析、疏散模擬分析；項目特有應用點5個，分別為云平臺攝像頭安裝與對接、室外管網(wǎng)改建協(xié)調(diào)方案、編制BIM應用計劃、物流系統(tǒng)模擬、建筑設備選型分析。

1）BIM＋管綜碰撞分析。采用BIM技術搭建了建筑結(jié)構(gòu)及機電各專業(yè)模型，進行碰撞模擬分析，累計發(fā)現(xiàn)共6大類9 918處碰撞問題。通過BIM＋管綜碰撞分析，最大程度減少空間沖突和碰撞，避免將設計錯誤傳遞到施工階段。

2）BIM＋醫(yī)療工藝流線模擬分析。項目新建內(nèi)科樓緊貼原外科醫(yī)技樓，各功能模塊和空間的銜接處理困難。利用BIM技術中的模型分析、平面分析、功能布局分析等相關功能，進行醫(yī)療流線模擬分析，輔助醫(yī)療工藝設計策劃，提升了醫(yī)護使用體驗，同時提高了醫(yī)院工作效率。

3）BIM＋4D施工階段模擬。為減少施工過程中因場地、材料、設備運行、交通組織等問題對施工進度和施工質(zhì)量造成的影響，在施工準備階段對施工場地進行規(guī)劃模擬，提前發(fā)現(xiàn)施工階段可能存在的風險，提前采取針對性的措施，保證項目順利建設。

4.2.2 數(shù)字化模擬分析技術運用

1）噪聲分析模擬技術。在施工前為有效辨識隔聲屏障對于周邊住院部的影響，在隔聲屏障施工前采用Cadna/A室外噪聲預測軟件進行模擬。通過實際測試，噪聲滿足小于70 dB的要求，同時在實施之后得到病人的理解及肯定。

2）零距離沉降數(shù)字化模擬技術。由于項目新建建筑與老建筑零距離連接，為保證現(xiàn)有新老建筑銜接平穩(wěn)，沉降在可控范圍內(nèi)，采用巖土工程專業(yè)有限元軟件PLAXIS 2D建立二維計算模型。計算結(jié)果顯示：內(nèi)科大樓施工完成后，外科樓與內(nèi)科樓之間相鄰結(jié)構(gòu)柱柱底沉降為4.188 mm；施工完成210 d后，外科樓與內(nèi)科樓之間相鄰結(jié)構(gòu)柱柱底沉降為4.378 mm。滿足規(guī)范及未來使用要求。

4.2.3 主要數(shù)字化裝備運用

1）雙聯(lián)式建筑用高精度傾角傳感器的運用，使得項目鋼立柱垂直度全部達到1/500的要求。

2）高精度檢驗傳感尺、隱蔽工程檢驗儀的運用使得項目各項質(zhì)量得到顯著提高，獲得上海市優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)工程榮譽。

3）用工實名制管理巡檢儀的運用加強了現(xiàn)場的實名制管理制度，有效地排除了因用工管理的缺失造成的隱患。

4.2.4 智慧化病房系統(tǒng)的建設與運維

1）智慧病房建設內(nèi)容。智慧病房的建設主要依托3大系統(tǒng)：智慧病房服務系統(tǒng)、智慧醫(yī)療護理系統(tǒng)、智慧運行管理系統(tǒng)。其中智慧病房服務系統(tǒng)以智能硬件為基礎提升病房環(huán)境管理，使病患能在住院階段享受智慧化的信息查詢、預約、娛樂等功能，提升入院的舒適感。智慧醫(yī)療護理系統(tǒng)的建立能有效加強醫(yī)療護理能力，遠程診斷能力幫助醫(yī)護人員更好地為病患服務。智慧運行管理系統(tǒng)通過引入針對醫(yī)院后勤安全管理、物流管理、醫(yī)療廢棄物管理等，使用智能設備管理系統(tǒng)來增強后勤管理精細化水平。

2）智慧病房系統(tǒng)運用的效果如下。

① 醫(yī)患滿意度上升。智慧病房的建設實現(xiàn)了病區(qū)從傳統(tǒng)醫(yī)療模式向智慧醫(yī)療模式的轉(zhuǎn)變，從開始運營至2021年4月共收治362名患者，通過對362名患者進行問卷調(diào)研，出院病人的滿意度高達99%，其中，住院病人滿意度從97%提高至99.8%，醫(yī)護人員滿意度從95.78%提升至99.2%。

② 服務效率更高、服務質(zhì)量更好。智慧護理白板、護理文書系統(tǒng)及手持PDA的引入，大大提高醫(yī)護工作效率，使其有更多的時間服務于患者。護士活動的軌跡明顯更加有規(guī)律，運輸機器人、宣教機器人、醫(yī)廢機器人、消毒機器人的使用解放了醫(yī)護及保潔人員的雙手。

③ 更節(jié)能、更舒適。智慧病房配備有先進的紅外感應設備，可判斷房間內(nèi)人員情況，聯(lián)動環(huán)境控制系統(tǒng)和空氣凈化聯(lián)動系統(tǒng)將自動識別室內(nèi)PM設定值，聯(lián)動自動開啟空氣凈化設備，加強空調(diào)循環(huán)速率，降低能耗的同時提升人員舒適度。

5 思考與展望

1）網(wǎng)絡技術的進一步發(fā)展。更快及更加穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，使得依托網(wǎng)絡技術發(fā)展各類型的醫(yī)療建設工程中的無人設備、遠程設備的運用將成為可能。

2）數(shù)字化裝備的進一步迭代升級。在人工智能還遠不能達到取代人腦的大前提下，為方便施工人員判斷，進一步發(fā)展數(shù)字化裝備是提升醫(yī)療工程現(xiàn)場質(zhì)量、安全、進度的方向之一。

3）全生命周期的進一步建設。通過智慧化建造大腦平臺的發(fā)展，將設計、施工、運維3個階段的實施內(nèi)容融入進一個系統(tǒng)中，打通、融合醫(yī)療體系建設各個階段，為后期建設迭代更新打下基礎。