基于太阳光紫外线和风环境模拟的武汉雷神山医院防疫工作规划分析响应

孙强，边昕

(1.成都理工大学 旅游与城乡规划学院，四川 成都 610059；2.汉嘉设计集团股份有限公司，山东 济南 250014；3.山东女子学院 艺术设计学院，山东 济南 250300)

2019年12月，武汉市出现多例不明原因肺炎病例，甚至有的患者发展为重症或死亡[1]。2020年1月31日，世界卫生组织宣布将新型冠状病毒肺炎疫情列为国际关注的突发公共卫生事件[2]。为有效应对新型冠状病毒肺炎疫情，集中收治确诊患者，武汉市防疫指挥部决定参照2003年“非典”期间北京小汤山医院模式，继武汉火神山医院后再建设一座雷神山医院。已有的文献表明[3],紫外线照射可有效杀灭导致“非典”的冠状病毒，紫外线强度为4 μW/cm2～5 μW/cm2，3 h可杀灭室外冠状病毒。郑路照[4]提出紫外线可破坏微生物DNA结构，使之失去繁殖和自我复制功能,从而达到杀菌消毒目的。 2019新型冠状病毒是“非典”冠状病毒的近亲[5-7]。2020年2月8日国家卫生健康委办公厅和国家中医药管理局办公室联合印发《新型冠状病毒肺炎诊疗方案(试行第五版 修正版)》，文中明确病毒对紫外线敏感，即紫外线可杀灭病毒[8]。与此同时，何剑锋等[9]提出增加室内有效空气流通对预防新型冠状病毒肺炎等呼吸道传染病具有重要作用。钟南山曾在“2018聚焦健康人居室内环境与健康高峰论坛”指出，室内空气污染52%是通风不足造成的[10]。既有研究也表明[11-13],武汉市年平均风速较小，静风频率高，易导致室外空气污染物浓度升高。

良好的室外太阳光紫外线日照和风速大小以及室内有效自然通风，对杀灭或消散新型冠状病毒、预防呼吸道传染病具有重要作用，本文以太阳光紫外线和风环境模拟作为切入点，同时参考病毒传播途径研究[14-15]进行了叠加分析。本研究对于指导开展该医院室外病毒检测和监控，隔绝和阻断病毒传播途径，建立防控预警机制具有重要意义。本文研究目的：(1)通过太阳光紫外线模拟，明确雷神山医院室外地面日照小时数分布情况，为开展日常消毒防疫工作和其他同类医院设计建设提供技术性参考；(2)通过风环境模拟，明确该医院室外人行高度处风环境和建筑室内自然通风情况，为日常或事故等特殊状况下明确污染物自然消散能力，识别重点防疫区域提供新的视角和素材；(3)通过对上述模拟结果叠加分析，考虑室外人员流动聚集程度，对分等级设置室外病毒检验采样点提供选点布局建议，为有效建立防控预警机制奠定基础。

1 研究区域

本研究区域位于武汉市江夏区黄家湖东南岸，军运村住区北侧，黄家湖大道西侧，规划建设用地面积约22 hm2，总建筑面积约8×104m2。

雷神山医院设计方是中南建筑设计院股份有限公司，整体按照传染病医院标准设计，采用模块化设计，主要包括用地东部隔离医疗区(含接诊、医技、ICU、病区、调度中心等)、偏中部医护生活区、西部综合后勤区，呈东西向展开布局。隔离病区及相关配套建筑面积为5.25×104m2，临时一层建筑，呈“鱼骨状”形式，隔离普通病房总床位数建设目标为1500张，ICU为60张；医护生活区和综合后勤区位于隔离医疗区西侧，建筑面积2.75×104m2，可容纳医护人员约2300人(含医护、武警、后勤)[16]。

同时，考虑该医院东北角消防站和其南侧相邻军运村高层住区对太阳光紫外线和风环境模拟的影响，故将其一并纳入本研究区域，见图1。

图1 研究区域功能分布图Fig. 1 Functional distribution map of the study area

2 雷神山医院太阳光紫外线模拟

人类很早就有利用太阳光中的紫外光进行杀菌消毒的传统[4]，但目前，紫外线模拟技术主要应用于建设工程领域中生活居住类建筑的方案设计，本文将其尝试性应用于计算该医院室外地面所能获得日照小时数情况，从而表征太阳光紫外线杀菌消毒能力强弱分布及对防疫工作的积极影响，具有一定的示范性。

2.1 评价标准

参考既有研究[3]，根据冬至日至夏至日，中国所处北半球白昼时间呈增长趋势，即理论上日照时间增加，故选取2020年2月9日为计算标准日，按照此日连续日照时间大于等于3 h作为参考评价标准。

2.2 模拟设置

2.2.1 模拟方法

通过获取网络开放数据，采用Auto CAD 2008建立研究区域内建筑三维模型，保存为.dwg格式，再采用众智日照分析7.5，仿真模拟分析该医院室外地面高度处太阳光紫外线日照情况，参考评价标准，对室外地面是否有利或不利于太阳光紫外线杀菌消毒进行空间识别。

2.2.2 模型设置

本模型按照众智日照分析7.5模拟软件表述的参数进行设置。

(1)依据GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[17]确定武汉城市经纬度为东经114°08′、北纬30°37′。

(2)阳历日期：2020年2月9日星期日。

(4)日照时间图面表示：连续；最小连续时间1 min。

(5)日照分析时间间隔：1 min。

(6)采样点间隔：2 m。

(7)受影面高度：室外地面高度处。

(8)分析方法：多点区域分析。

2.3 太阳光紫外线模拟结果分析

图2为太阳光紫外线日照模拟结果，分析可知：(1)该医院整体室外地面高度处太阳光紫外线日照环境较好，大部分区域满足标准日连续日照3 h及以上，对紫外线利用尽可能充分，实现较好的自然做功，为日常消毒防疫工作奠定了基础。(2)用地南侧区域受相邻军运村高层住宅遮挡较大，形成其住宅北侧、隔离医疗区(B6、B8、B10、B12、B14、B16)西南侧围合区域大面积出现标准日连续日照小于3 h情况，且此区域是医护等人员往来隔离医疗区和医护生活区主要道路(强军路)，与此同时，隔离医疗区的B6、B8、B10、B12、B14、B16病房东侧、西侧、南侧日照时间为0～3 h，局部区域全天无连续日照或仅为几十分钟，未有效利用太阳光紫外线杀菌消毒作用，不利于为医护人员或患者等营造充满阳光的物理和心理工作治疗环境。为此建议：一是此区域日常需做好重点消毒防疫工作；二是B6、B8、B10、B12、B14、B16病房凹槽处少植乔木或分支点高的灌木，以免进一步对病房产生日照遮挡；三是优先安排患者在日照条件相对较好病房治疗；四是关注B6、B8、B10、B12、B14、B16病房患者的心理健康水平。(3)两栋隔离医疗区建筑北侧和其凹槽处6 m范围内、调度中心北建筑北侧8 m范围内、医护生活区和综合后勤区建筑北侧6 m范围内受建筑自身遮挡连续日照<3 h，部分为全天无连续日照，日常需做好重点消毒防疫工作。(4)消防站建筑北侧20 m范围内受建筑自身遮挡连续日照<3 h，且其为消防救援人员和车辆进出主要通道，日常需做好重点消毒防疫工作。

图2 太阳光紫外线日照模拟图Fig. 2 Simulation diagram of ultraviolet sunshine

3 雷神山医院风环境模拟

风环境是指所处地理位置的风气候，诸如风向、风速、风压等，其与规划布局，即建筑物空间组合密切相关。为此，参考GB/T 50378—2019《绿色建筑评价标准》[18]，本着快速及时为该医院掌握自身风环境情况的原则，故仅选取冬季、春季工况下进行风环境模拟分析。

3.1 气象条件

武汉市地处中国华中地区，江汉平原东部、长江及其最大支流汉江在城中交汇，市区江河纵横，水域面积占全市总用地面积约四分之一，属于北亚热带季风性(湿润)气候。主要气候特征是：常年雨量丰沛、热量充足、雨热同季、冬冷夏热、四季分明，年平均温度15.8～17.5 ℃[19]。

为使计算结果具有一定的代表性，选择武汉市的典型风向和典型风平均风速作为室外风环境模拟输入参数。依据GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[17]和当地气象数据，确定武汉市冬季室外风环境参数为：典型风向西北风、典型风平均风速3.0 m/s、静风频率28%；春季室外风环境参数为：典型风向西南风、典型风平均风速2.45 m/s。

3.2 评价标准

结合研究目的并参考GB/T 50378—2019《绿色建筑评价标准》[18]第8.2.8条的要求，具体为冬季工况下：(1)典型风速和风向条件下，建筑物周围人行高度1.5 m处风速小于5 m/s且室外风速放大系数小于2，同时风速大于等于1.6 m/s，是不影响人们正常室外行走的基本要求且不至于尘土扬起产生空气污染，又有利于污染物自然消散；(2)除迎风面第一排建筑外，建筑迎风面与背风面表面风压差小于等于5 Pa，可减少冷风向室内渗透，减少患呼吸道疾病风险，同时表面风压差大于等于0.5 Pa，有利于建筑的自然通风。春季工况下：(1)场地内人行高度1.5 m处不出现涡旋或无风区且风速大于等于1.6 m/s；(2)建筑迎风面与背风面表面风压差大于等于0.5 Pa。

3.3 模拟设置

3.3.1 模拟方法

通过获取网络开放数据，采用Auto CAD 2008建立研究区域内适当合理简化后的建筑三维模型，成组设置后导出.stl格式文件并导入计算流体力学PHOENICS 2011，仿真模拟分析建筑室外风速场、建筑迎风面与背风面表面风压。

3.3.2 模型设置

建立研究区域建筑群几何模型如图3所示，风环境参数按照下述进行设置。具体的边界条件和基本设置符合以下条件：

(1)计算区域：建筑迎风截面堵塞比(模型面积/迎风面计算区域截面积)小于4%；以目标建筑(高度H)为中心，半径5H范围内为水平计算域。在来流方向，建筑前方距离计算区域边界要2H，建筑后方距离计算区域边界6H。

图3 研究区域建筑群几何模型图Fig. 3 Geometric model diagram of buildings in the study area

(2)模型再现区域：目标建筑边界H范围内以最大建筑细节予以再现。

(3)网格划分：建筑的每一边人行高度处1.5 m划分10个网格；重点观测区域要在地面以上第3个网格内。

(4)入口边界条件：入口风速的分布符合梯度风规律。

(5)地面边界条件：对于未考虑粗糙度的情况，采用指数关系式修正粗糙度带来的影响。

(6)湍流模型：选择标准κ-ε模型。

(7)差分格式：迎风格式。

3.4 风环境中风速场模拟结果分析

3.4.1 隔离医疗区冬季和春季风速场

图4和图5冬季工况下，隔离医疗区室外人行高度1.5 m处整体风速小于1.5 m/s，属浦式风级1级软风，不利于污染物自然消散。具体为：(1)除隔离医疗区最北侧病房凹槽处风速为2～2.5 m/s，利于污染物自然消散外，其余病房凹槽处风速均小于1.5 m/s。(2)B1和B15东西间距虽较大(达到30 m，其他病房凹槽处东西间距为12 m)，但风速也仅为1.6～1.8 m/s，属浦式风级2级轻风；B2和B12东西间距同上，但出现了无风区，污染物易聚集。(3)B14和B16病房凹槽处出现无风区，污染物易聚集。(4)两栋隔离医疗区建筑之间和其最南侧的两条东西道路是往来医护生活区的主要道路，风速平均为1.5 m/s，可有利于污染物自然消散但消散能力有限。(5)调度中心建筑出入口所在长边的东西两侧风速为1.8～2.5 m/s，利于污染物自然消散。(6)消防站西南侧和医技、ICU北侧围合区域，风速小于1.5 m/s，污染物易聚集。(7)接诊区域风速为1.8～2.5 m/s，有利于污染物消散，但该区域是医护人员和患者主要进出区域，需提高防护等级。综上所述，隔离医护区室外风速较小区域和接诊区域，需做好日常重点清洁消毒工作，事故等特殊状况下作为重点防疫区域，见表1。

表1 冬季风速场模拟日常或事故等特殊状况下各区域处置情况Table 1 Disposal of each area under special conditions such asdaily or accident simulation of winter wind speed field

图4 研究区域冬季工况风速云图Fig. 4 Wind speed cloud picture of the study area during winters

图5 隔离医疗区冬季风速三维分析图Fig. 5 3D analysis chart of winter wind speed in the isolated medical area

隔离医疗区冬季风速放大系数均小于2，见图6所示。虽更有利于冬季大风天气室外步行活动，但对于医院疫地充分利用自然风环境消散污染物不利，佐证了冬季隔离医疗区人行高度处整体风环境欠佳。

图6 研究区域冬季工况风速放大系数图Fig. 6 Amplification coefficient diagram of wind speedduring winters in the study area

图7和图8春季工况下，隔离医疗区室外人行高度1.5 m处整体风速小于1.5 m/s，属浦式风级1级软风，不利于污染物自然消散。具体为：(1)隔离医疗区所有建筑凹槽处风速小于1.5 m/s，B6和B8、B8和B10、B10和B12、B12和B14病房凹槽处出现无风区，污染物易聚集。(2)往来隔离医疗区和医护生活区的两条主要道路，其中两栋隔离医疗区建筑之间的东西道路，其风速平均为1.5 m/s，可有利于污染物自然消散但消散能力有限；而用地最南侧的东西道路，其平均风速为1.8～2.5 m/s，有利于污染物自然消散。(3)调度中心建筑出入口所在东西长边两侧风速为1.5 m/s, 可有利于污染物自然消散但消散能力有限，东侧离开建筑10 m处风速增大至1.8～2.0 m/s。(4)消防站西侧区域风速小于1.5 m/s，邻近建筑出现无风区，其余方向风速为1.6～2.5 m/s，西侧区域作为消防人员训练活动场地，同时考虑其职业特殊性，需提高防护等级。(5)医技、ICU区域，风速为1.6～2.0 m/s，有利于污染物自然消散。(6)接诊区域风速为1.6～2.0 m/s，有利于污染物自然消散，但仍需提高防护等级。综上所述，隔离医护区室外人行高度处风速较小区域、消防站区域和接诊区域，需做好日常重点清洁消毒工作，事故等特殊状况下作为重点防疫区域，见表2。

表2 春季风速场模拟日常或事故等特殊状况下各区域处置情况Table 2 Disposal situation of each area under special conditions such as daily or accident simulation of spring wind speed field

图7 研究区域春季工况风速云图Fig. 7 Wind speed cloud picture of the study area during springs

图8 隔离医疗区春季风速三维分析图Fig. 8 3D analysis chart of spring wind speed in the isolated medical area

3.4.2 医护生活区和综合后勤区冬季和春季风速场

图9冬季工况下，医护生活区和综合后勤区室外人行高度1.5 m处整体风速为1.8～2.8 m/s,属浦式风级2级轻风，有利于污染物自然消散。但医护生活区东部的南北两栋建筑之间平均风速为1.5 m/s，如作为医护人员通行主要道路或建筑主要出入口，需做好日常重点清洁消毒工作，确保医护人员生活环境安全。

医护生活区和综合后勤区冬季风速放大系数均小于2，见图6所示。偏东侧医护生活区风速放大系数平均为1.0，偏西侧综合后勤区风速放大系数平均为1.3，不仅适合在冬季室外步行活动，更有利于医院疫地污染物自然消散，佐证了冬季医护生活区和综合后勤区人行高度处整体风环境较好。

图10所示，春季工况下，医护生活区和综合后勤区室外人行高度1.5 m处整体风速为1.5 m/s, 属浦式风级1级软风，可有利于污染物自然消散但消散能力有限，特别是在医护生活区东南侧局部风速减小至0.6 m/s，污染物易聚集，需做好日常重点清洁消毒工作。

图9 医疗生活区和综合后勤区冬季风速三维分析图Fig.9 3D analysis chart of winter wind speed in medical living area and comprehensive logistics area

图10 医疗生活区和综合后勤区春季风速三维分析图Fig. 10 3D analysis chart of spring wind speed in medical living area and comprehensive logistics area

3.5 风环境中压力场模拟结果分析

3.5.1 隔离医疗区冬季和春季压力场模拟结果分析

因隔离医疗区均为负压病房，平时不进行开窗通风，故对此区域冬季压力场简述为：(1)因隔离医疗区病房呈东西向“鱼骨状”布局，近似于平行盛行风方向，故北侧隔离医疗区病房两侧风压基本一致；南侧病房风压受军运村高层住宅影响较大，病房两侧风压差大于等于0.5 Pa，同时建筑部分屋面风压大于5 Pa，虽会造成能耗增加，但也更加保证了病房内污染空气与室外空气接触难度。(2)调度中心建筑出入口所在长边两侧表面风压差趋于0，室内基本无法自然通风，可利用空调、空气净化器等设施辅助进行机械通风，保证空气流通。(3)消防站主要朝向迎风面和背风面建筑表面风压差小于5 Pa且大于等于0.5 Pa,有利于室内自然通风，见图11～12。

图11 冬季工况隔离医疗区建筑背风面三维分析图Fig.11 3D analysis chart of building leeward surface inisolated medical area during winters

图12 冬季工况隔离医疗区建筑迎风面三维分析图Fig. 12 3D analysis chart of windward surface of buildings in isolated medical area during winters

春季压力场简述为：(1)两栋隔离医疗区东西病房两侧压力差整体趋于0。(2)调度中心建筑出入口所在长边两侧压力差，偏中南部压力差大于等于0.5 Pa,偏北部趋于0，故偏北部房间需采取机械通风措施，保证室内空气流通。(3)消防站迎风面和背风面建筑表面压力差趋于0，需采取机械通风措施，保证室内空气流通，见图13～14。

图13 春季工况隔离医疗区建筑背风面三维分析图Fig.13 3D analysis chart of building leeward surface inisolated medical area during springs

图14 春季工况隔离医疗区建筑迎风面三维分析图Fig.14 3D analysis of the windward side of the building in the isolated medical area during springs

3.5.2 医护生活区和综合后勤区冬季和春季压力场模拟

冬季工况下，医护生活区和综合后勤区迎风面和背风面建筑表面南北两侧和东西两侧风压差均小于5 Pa且大于等于0.5 Pa，有利于室内自然通风，营造医护人员安全的生活环境，见图15～16。

图15 冬季工况医疗生活区和综合后勤区建筑背风面三维分析图Fig. 15 3D analysis of the leeward side of buildings in the medical living area and integrated logistics area during winters

图16 冬季工况医疗生活区和综合后勤区建筑迎风面三维分析图Fig.16 3D analysis of the windward side of buildingsin the medical living area and integratedlogistics area during winters

春季工况下，医护生活区和综合后勤区迎风面和背风面建筑表面南北两侧和东西两侧风压差均小于5 Pa且大于等于0.5 Pa，有利于室内自然通风,减少室内空气污染，见图17～18。

图17 春季工况医疗生活区和综合后勤区建筑背风面三维分析图Fig. 17 3D analysis of the leeward side of buildings in the medical living area and integrated logistics areaduring springs

图18 春季工况医疗生活区和综合后勤区建筑迎风面三维分析图Fig.18 3D analysis of the windward side of buildings in the medical living area and integrated logistics area during springs

4 雷神山医院太阳光紫外线和风环境模拟叠加分析

综合上述模拟结果进行叠加分析，尝试性提出该医院检测采样点设置标准和优先等级。具体为：(1)太阳光紫外线连续照射时间小于3 h、室外无风区或风速小于等于1.5 m/s、隔离医疗区内医护人员或其他工作人员主要途径道路或建筑主要出入口处，对其叠加分析，重合区域内选点布局作为1级重要采样点；(2)太阳光紫外线照射时间大于3 h、当季盛行风的下风向或院区四至边界区域、隔离医疗区内医护人员或其他工作人员主要途径道路或建筑主要出入口处，作为2级次要采样点；(3)太阳光紫外线照射时间大于3 h、风速小于等于1.5 m/s或大于1.5 m/s、隔离医疗区内建筑主要出入口处或病房排气口下风向5 m处随机采样[14]，作为3级普通采样点。需要指出的是，上述检测采样点设置标准和优先等级是基于对该医院太阳光紫外线和风环境模拟结果上，并涵盖人员相对集中区域，可供其他同类医院设置检测采样点时参考，但更多的是对不同医院的不同模拟结果精准施策，因地制宜制定标准。

通过模拟结果叠加分析，可以看出：

(1)冬季工况下，1级重要采样点应设置于隔离医疗区内南侧B6、B8、B10、B12、B14和军运村高层住区之间的院区附属道路和强军路区域、用地东北角消防站北侧建筑出入口区域；2级次要采样点应设置于接诊区域、隔离医疗区内南侧附属道路和强军路除1级重要采样点以外区域、调度中心北侧和西侧附属道路区域；3级普通采样点应设置于调度中线和接诊区域之间东西向附属道路区域(图19)。

(2)春季工况下，1级重要采样点应设置于隔离医疗区B6和医护生活区主要建筑之间所对应的南北道路区域；2级次要采样点应设置于接诊区域，调度中心西侧和北侧区域，隔离医疗区内A1、A3、A5、A7、A9、A11、A13、医技、ICU北侧附属道路区域，消防站北侧主要出入口区域；3级普通采样点设置于调度中线和接诊区域之间东西向附属道路区域(图20)。

图19 冬季工况病毒检测采样点分等级示意图Fig. 19 Schematic diagram of sampling points forvirus detection during winters

图20 春季工况病毒检测采样点分等级示意图Fig.20 Schematic diagram of sampling points for virus detection during springs

5 结论

通过对雷神山医院隔离医疗区、医护生活区和综合后勤区进行太阳光紫外线模拟，认为其整体较好，但也存在部分被相邻高层建筑遮挡，日照小时数达不到标准日连续3 h情况。风环境模拟，从人行高度处室外风环境和建筑室内风环境两个维度，风速、风速放大系数、风压三个测度指标对防疫工作进行了详细阐述，其整体存在局部通风不畅、污染物易聚集区域。同时，将上述两种模拟结果进行叠加分析，并考虑人员流动聚集程度，对分等级设置室外病毒检验采样点提供选点布局建议。

从理论上来说，将一般应用于建设工程领域的日照和风环境模拟技术有效结合于防疫工作之中，实现了基于环境模拟技术的城乡规划学与防疫工作从属的预防医学两学科融合式研究，为未来学科融合发展起到抛砖引玉的作用。从实践层面来说，本文给出雷神山医院应用案例研究，展示了具体模拟标准、参数设置、结果分析以及对防疫工作提出合理化建议，为其他同类医院建设提供了技术性参考。

本研究方法仍具有一定局限性，例如，使用网络开放数据的准确性需进一步验证，风环境模拟计算方法考虑问题的全面性需进一步补充，故本文仅作参考性成果使用，后续可通过获取更为准确的数据和全面地设置风环境模拟计算参数进一步优化完善。

致谢：向全国所有抗击新型冠状病毒肺炎的医护工作者、各行业从业者致以崇高的敬意！