轻型装配式模块化负压病房施工及气密性检测研究

2021-03-26黄鼎龙李书文黄尚克蔡贵新李春松

建筑结构 2021年5期

黄鼎龙，李书文，黄尚克，蔡贵新，李春松

(广西建工集团第五建筑工程有限责任公司，柳州 545001)

0 引言

新型冠状病毒(简称新冠病毒)传播性强、传染性高。为有效应对新冠病毒，一些地方建立临时医院作为隔离点。临时医院封闭性要求高，内部负压呈梯队状，且时间紧迫，需要在极短工期内完成投付使用。轻型装配式模块化负压病房因其标准化设计、工厂化生产、现场组装、方便快捷，是首选建筑类型。

负压病房指在特殊的装置下，病房内的气压低于病房外的气压，空气只能从病房外部流通至病房内，病房内被污染过的空气通过专门的通道排放至固定地点，不会泄露到病房外部，造成外部空气污染，减少医护人员等被感染的建筑。负压病房气密性、负压稳定性要求高，而普通房屋则不具备这些功能。

为将新冠病毒控制在建筑内部，防止其随气流向外传播，保证医院内部气流有组织的流动，防止交叉感染，探索一套适用于轻型装配式模块化负压病房短周期施工的安装技术，以及对负压病房气密性进行检测与纠偏，是本文的研究方向和重点。

1 工程实例

广西龙潭医院临时全负压病房项目(图1)位于柳州市鱼峰区城区羊角山路，广西龙潭医院西侧；建筑面积约为3 997m2，设有隔离病房、护理及检测区、病人通道、医护通道、污物处理区、办公区、医护住宿区等配套用房，为单层箱体拼接建筑，新增床位约100张，用于收治确诊的新冠肺炎患者。生活区设医务人员宿舍20间，可容纳80人。病房区可容纳100床，其中:隔离病房96床，ICU病房4床。

图1 广西龙潭医院临时全负压病房项目俯瞰图

2 病房结构选型

本项目有工期紧、建筑封闭气密性要求高、恒荷载和活荷载较高等特殊要求。常用的临时建筑即装配式围墙、K数型和T数型板房及装配式一体化模块集装箱的功能对比见表1。

常用临时建筑功能对比表1

相比于装配式围墙吸水性强、杂质易脱落、封闭性不满足要求，K数型和T数型板房寿命短、隔热隔声差、箱体持久性差等特点，装配式一体化模块集装箱在安装效率、封闭性、气密性、寿命等方面性能优越，可满足负压病房各项要求。因此，本工程选用装配式一体化模块集装箱。

3 负压病房设计

3.1 结构设计

负压病房使用年限5年，地面活荷载2.0kN/m2，屋面活荷载0.5kN/m2，基本风压0.6kN/m2，抗震设防烈度8度，设计基本加速度0.2g。外部尺寸为6 055mm×2 990mm×2 896mm，内部尺寸为5 095mm×2 830mm×2 500mm。

装配式一体化模块集装箱下部设置800mm×800mm的格构式钢结构龙骨支撑架，集装箱顶部设置桁架式钢屋架，屋架上部搭设钢檩条，檩条上部铺设复合型保温屋面瓦，钢构件材质均为Q235，屋面排水方式为有组织排水，钢屋架及屋面暖通施工现场见图2。

图2 钢屋架及屋面暖通施工现场

3.2 集装箱结构材料和规格

地面主框架、屋面主框架和角柱采用镀锌冷轧型钢，地面次梁和屋面次梁采用冷弯薄壁C型钢。使用M12×40高强螺栓进行连接，镀锌结构采取高温喷粉进行表面处理。考虑到减轻建筑自重问题，板墙采用厚60mm的彩钢复合板和0.426mm厚镀铝锌彩钢双面平板，渡象牙白橘皮纹，设S型咬合口，中间填充玻璃丝绵芯材；屋面为0.526mm厚镀铝锌彩钢板顶蒙皮，采用0.476mm厚压型镀铝锌彩钢板吊顶，板材中间填充100mm厚玻璃丝棉毡；所用材料均为A1级不燃以提高防火性能。门、窗以及装饰材料也都选用轻质耐火材料。

3.3 负压及通风系统设计

根据“新冠病毒”通过空气传播的特点，病房各功能区分段分区划分，各区域严格控制负压，避免交叉感染。负压总体要求为：病房、病人通道<缓冲间<医护通道、医生/护士办公室<清洁医生通道<室外，各主要区域负压设计值见表2。

各主要区域负压设计值/Pa 表2

病房、病人通道、护理及检测区、医护通道、办公区和医护住宿区分别单独设置新风、排风系统。送风系统设置初效、中效过滤器，以保证送风洁净。排风系统设置高效过滤器，减小排风污染环境或停机时倒灌。各房间、污物处理区及卫生间的污浊气体由带止回阀的排气扇排入排风道，消毒处理后排出室外。新风机组采用组合式全新风空气处理机组，排风机采用低噪声离心式风机箱，均两台一组，一台使用一台备用，便于设备故障时及时更换。各房间有组织送排风，通过定量风阀设定送排风量，维持负压，有效控制气流流向，保证气流不逆灌，负压隔离病房是传染病医院中最高等级的气压控制房[1]。

流量和压差的计算如下：

Q1=3 600μF(Δp/ρ)1/2

(1)

式中：Q1为泄露风量，m3/h；μ为流量系数，一般取0.3～0.5；F为缝隙面积，m2；ρ为空气密度，本文取1.2kg/m3；Δp为压差，Pa。

换气次数越大，房间颗粒数衰减越快[2]。根据经验估值，压差为5Pa时，换气次数为1～2次/h，压差为10Pa时，换气次数为2～4次/h[3]。不同风量室内空气污染物排出时间见图3，从图3中可看出，换气次数较低，排除污染物所需的时间较大。

图3 不同风量室内空气污染物排出时间

当送风口由房间顶部中部移至房间无排风口一侧时，有利于减小人体上方的涡流，通过污染源位置的气流能更快流向排风口，有利于较快排除污染物。所以将送风口设置在医护人员头顶上部的位置，保证风流经医护人员位置后再通过病床位置流出，从卫生间或房间角落排出，可很大程度上保护未感染人员[2-3]。

4 病房安装

4.1 病房安装重难点

(1)工期紧。要求15d完成交付，包含设计、场地、土方、结构和装饰一体整套服务。

(2)场地受制约。本工程东邻结核病防治临床中心医院，西靠龙潭公园，建筑物四周无空余场地，无法进行大量材料的周转。

(3)施工组织受制约。现场工作面小，需土建、安装、装修、电气、消防等在有限场地、有限时间内交叉配合施工。开工即抢工，管理难度大。

(4)劳动力受制约。工程建设期间，正值春节，各地区封闭管理，人员流动困难，难以组织大量劳动力，劳动力成本增加。

(5)疫情防控制约。正值疫情防治关键时期，保证现场施工管理人员、工人实现零感染是一重大难题。

4.2 组织安装

针对项目重难点，结合施工场地，使用BIM技术模拟施工场地布置，并成立交通疏导队，根据项目进度和BIM模型，精细化调配进场材料，避免堆积。分区分块流水安装，从场地内侧向外依次施工，材料、人工不扎堆，有序进行。

负压病房具体的施工流程为：钢结构龙骨支撑架找平安装→底板安装→立柱安装→顶框、顶板安装→墙板安装→门窗安装→电路安装→通风系统安装→病房封闭→气密性检测→交付。

负压病房的安装除了组织规划外，技术较为常规，值得一提的是使用特殊胶条填充相邻板房之间缝隙，封闭的同时起到缓冲水平荷载的作用。保证病房负压满足使用的关键在于病房各个缝隙的处理、风管的连接以及负压测试的科学性，调节送排风系统送风速率和排风速率时，考虑风阻、损失风量，保证各区域达到负压设计要求。

另外，本工程施工中部署现场监控，24h全范围监控，实现远端和手机端随时调取和查看项目施工过程。项目入口加设实名制管理系统和红外线自动测温系统，严格管理入场人员和疫情期间人员体温安全监测。病房框架安装完成后，进行顶板吊装(图4(a))，吊装落位后人工上屋面使用螺栓固定屋面板(图4(b))。

图4 装配式模块化负压病房安装过程

墙板与骨架的连接：病房框架带有卡槽，安装时，墙板顶部、下部和边部嵌入卡槽中，卡槽对墙板起嵌固作用。依次拼装墙板，墙板与框架紧密连接，再在各拼缝处填充胶密封，做到有缝必封。

4.3 密封处理

为有效阻断空气流通，保证气流有组织有方向的流动，满足遏制病毒传播的目的，病房的密封是整个项目建设的重点。建筑物主体的安装需保证完整性、密封性，特别是污染区需要做到有缝就封。墙缝封胶见图5(a)，框架及墙板与顶板封胶效果见图5(b)。

图5 主体拼缝密封

(1)板房主体间的拼缝处理。拼缝处应先放胶条，然后打硅酮胶，若遇较大的拼缝则需封盖后打硅酮胶。

(2)门的密封处理。安装门板时，应在门把手与门的拼缝处进行密封打胶，见图6(a)；若门无自带胶条，需在咬合砍边贴胶条密封，见图6(b)。

图6 病房门洞密封

(3)窗的密封处理。负压病房区所有窗框均需打胶，活动窗均需封死，不得活动，活动窗封胶效果见图7(a)；观察窗的窗框与墙连接处也需打胶；传递窗因穿过墙体，先打硬边(铝合金绞线)，再打胶，传递窗封胶效果见图7(b)。

图7 病房窗口密封

(4)通风系统安装封闭处理。1)风管法兰、部件安装。风管法兰连接处应有胶条，胶条整圈丰满，若发现漏风，则需重新上胶条再打胶密封。2)送排风管的安装(图8(a))。风管上送下排，进风口位于房间顶部，房间底部设两个排风口，两个排风口位于房间的两个角落，送风管口和下部安装高效过滤器。风管穿越房间顶板和底板时，因开孔尺寸难以控制，需要接头开口比风管稍大1～2cm，且吊顶材料刚度小，变形大，密封时，需要先用龙骨支撑，再打胶密封。送风管顶板密封效果见图8(b)。

图8 管道口密封

(5)管道口密封处理。所有穿越顶板管道，接口处均先打胶再打沥青油膏来防水。管道类别有：给排水管道(图9(a))、医用气体管道(图9(b))(氧气管道、负压吸痰管道、压力管道)、弱电导管(图9(c))、电器导管(图9(d))。

图9 送风管穿越房间密封

5 气密性检测和分析

5.1 调试和检测

病房安装和封闭处理及风机单机调试完成后，进行气密性检测(图10)。检测主要为“一设三区”，即空调设备和洁净区、半污染区、污染区。

图10 气密性检测路径

检测路径：检测第①处大气与病人通道负压差；检测第②处病人通道与医护通道缓冲间负压差；检测第③处测医护通道缓冲间与两边病房负压差；检测第④处医护通道与病房负压差；检测第⑤处病房缓冲间与病房负压差；检测第⑥处医护通道与病人缓冲间负压差；一直重复检测第④处与第⑤处，直至医护通道的另一侧的最后一个病房；检测第⑦处病房与医护通道缓冲间负压差；最后检测第⑧处医护通道缓冲间与医护通道负压差。首次对不同污染区域进行负压差的测试，发现各区段相对负压值较低，达不到设计值，有些区域甚至无负压。

5.2 影响病房压差因素分析

本负压病房压差由被动式的定风量系统控制，通过送风比排风少一定的量来达到所期望的压差。在首次检测过程中，发现负压不满足要求，洁净区无正压。

通过反复测试校核和分析，压差不足的主要原因如下：1)新风机动力不足，风管局部阻力大。风机电机反向运转、风阀未打开或开度不足、阀门开关方向安装错误、风管密闭性不足、风机排风压力不足。2)接缝密封问题。板体接缝、三面交叉接缝、施工工艺存留接缝、楼板开口缝隙等密封不足，有的封胶存在脱落风险，有的甚至尚未密封。

5.2.1 设备阻抗分析

设备主要有空调机、表冷器、过滤器和风口，其中表冷器的空气压力损失有两种形式：一种是干冷空气压力损失Δpg，另外一种是湿冷空气压力损失Δps。二者有如下计算式：

(2)

(3)

式中：a，b，c为系数，其值根据表冷器的型号和工况确定；vy为经过表冷器的迎面风速，m/s；ξ为析湿系数。

本工程风压对整个送排风系统有一定的影响，风压计算公式如下：

(4)

式中：Δpf为送风系统风压值；ρw为送风系统空气密度；vw为送风风速；K为空气动力系数，因建筑物的体型、构造和周边环境等都有对K值的大小产生影响，需要根据风洞试验确定其值，本工程因工期紧，时间不允许，取类似建筑物的平均K值进行分析，取0.65。

设备阻抗属于机械等固有属性，且因建筑物类型和周边环境不可改变，所以本工程尚未有合适方式减小该方面的阻抗。

5.2.2 管道阻抗分析

气流通过管道时，隔离病房机械通风的阻力来自于风管管道、风管局部阻力(弯头、三通等)，风管局部阻力可采用下式计算：

(5)

式中：Δp为压差；Q2为支路气流流量；n为气密特性系数，根据分支、构件的类型不同，形态多样，只能通过试验和经验确定系数，本工程取n=2；S为支路的气流流量阻抗[4]，按下式计算。

(6)

式中：λ为阻力系数；A为管道截面面积；ρ为空气密度；de为管道直径。

管道整体阻抗，由各局部阻抗共同叠加，风管局部阻力计算如下：

(7)

式中：ξ1为局部阻力系数，其值通过试验确定；v为风速。

风管局部三通、四通，其阻力系数不同；管路分支夹角和几何参数不一致，其阻力系数也不同。风管弯头夹角越小，ξ越小；变径管角度θ越小，ξ越小。综上，尽可能通过减少管路分支，减小风管弯头夹角，增大风管变径长度(减小变径角度)等方式，减小管道的阻抗，增进送排风流畅。

5.2.3 病房建筑缝隙阻抗分析

根据缝隙阻力特性，通常使用幂方程模型来表示气流流量与压差的关系[4]，如下：

Q3=CQ3(Δp)m

(8)

式中：Q3为通过缝隙的气流流量，m3/s；CQ3为气流流量系数(m3/s)·Pa-m；m为幂指数。

根据《洁净厂房设计规范》(GB 50073—2013)[5]，当压差过小时，洁净室的压差状态容易受到破坏；当压差超过50Pa时，门的开关会受到影响；本工程的压差设计均在5～20Pa范围内，符合要求。《洁净厂房设计规范》(GB 50073—2013)给出的渗漏风量见表3，根据表中数据,并结合实际缝隙类型和数量，可确定送风渗漏风量，再结合式(8)可计算通过建筑缝隙的压力损失，以此确定排风量的大小。

6 问题和整改措施

(1)设备。本工程设计使用的设备型号、数量、功率等在理论上满足送风流量、压差和换气次数的要求，调试组对测试校核过程中遇到的风机、电机反向运转、风阀未打开或开度不足、阀门开关方向安装错误、风管密闭性不足、风机排风压力不足等问题，分别采取调换电源线、重新安装及调整阀门开度、完善风管保温密闭性、调整电机马达皮带松紧度等措施进行解决。针对高效过滤器因厂家赶工导致其运至现场为半成品且密封不好的情况，采取连夜加班重新拆装密封的措施解决。设备启动时，将送风机械的功率设置高于排风机械的功率，并进行微调测试。

围护结构单位长度缝隙的渗漏风量/(m3·h·m) 表3

在进行设备调整后，发现污染区各区域负压测试值呈现全面增长，负压增长范围在3～20Pa之间，但有些房间负压值仍不满足设计要求。因此需要对其他因素进行调整。

(2)阻抗。增加额定功率设备使用效率的有效办法是减小管道阻抗和建筑缝隙阻抗。减小管道阻抗的措施有：取消三通/四通内部挡板或将内部挡板截短至5cm，减少管线分支，减小风管弯头夹角，增大风管变径长度(或减小风管变径角度)。减小建筑缝隙阻抗的措施有：1)设置进风口和排风口的位置，减小空气流通阻力；2)门窗等按照要求开启或者关闭，单独设置正压室。

进行阻抗调整时，发现阻抗对负压值的影响程度有限，大多在1～5Pa的范围。但在同一房间分别进行设备阻抗、管道阻抗和建筑缝隙阻抗调整时，发现调整管道阻抗时，负压值变化较为显著，调整建筑缝隙阻抗时则变化较低，而设备阻抗的影响则最弱。最大限度调整后，仍有部分区域负压达不到设计要求，因此需要针对各接缝密封进行观察测试和整改。

(3)接缝密封。接缝密封不仅是病房各区域形成和保持梯度负压的关键因素，同时也是阻隔新冠病毒在空气中扩散，污染洁净区域的保障措施。通过观察和测试分析，接缝密封主要有如下问题：1)高效送风口吊装孔漏风；2)风管共板法兰处密封条存在缺口；3)墙板之间双面交接或三面交接处缝隙填充不密实；4)墙体存在缝隙；5)送排风管、灯具穿过楼板的开孔密封不实，存在较大缝隙；6)管线外保护，仅靠密封胶固定，存在较大脱落风险；7)门缝窗缝部分不密实或未密闭。解决措施是：污染区密封不严处或未密封处均加胶密封。对于地面、走廊墙面、房间墙面三面交接处和双开门门缝(门板与门板之间)之间存在较大漏风风险的地方，使用胶条加塞作为密封骨架，再打胶密封。在风口、风管与楼板接口处填充发泡胶后打密封胶。对打胶密封不密实存在漏风的缝隙，可使用工具削掉封胶，再均匀打胶，保证严丝合缝。

在进行接缝密封整改时，发现接缝的密封性对负压测试值的影响较大，有些区域甚至达到10Pa的变化。整改完成后，整个医院各个区域负压值均达到设计要求，有些区域负压值略高于设计值，但不影响使用功能。

病房投入交付使用后，检测人员5d内对各区域进行不定期复验，发现各区段负压值有小波动，波动范围在0～3Pa之间，但因投入使用时负压值高于设计值，波动后负压值仍满足设计要求。