重离子医学中心大楼建筑设计与思考

□ 黄铭 HUANG Ming 吴荣 WU Rong 傅敏俊 FU Min-jun 朱亮 ZHU Liang

恶性肿瘤是严重威胁人类生命健康、制约社会经济发展的一类重大疾病，具有复杂性、多样化、易转移等难以完全克服的特点，已经成为致死的重要杀手。根据国际抗癌联盟（UICC）统计，约有70%的肿瘤患者需要通过放射治疗达到根治或姑息治疗的目的，或配合术前、术中或手术后进行放疗[1-2]。随着粒子加速器等相关技术的发展，人们发现重离子具有倒转深度剂量分布、拓展布拉格峰后沿剂量急剧下降、高传能线密度(LET) 、高相对生物效应(RBE) 、较小的氧增比、可实时剂量验证、对肿瘤靶区进行准确投射等显著优势。这些特征使重离子放射治疗相较于传统放疗，有巨大的治疗优势，它不仅能够更为准确地向肿瘤细胞发起进攻，对DNA致死性更加复杂，对肿瘤的杀伤力和杀伤效果更优[3]。

随着加速器建造技术的发展，重离子治疗装置也可以配备旋转机架，结合重离子在物理学及生物学上的优势，若采用旋转重离子调强放射治疗技术，将有望进一步降低周围正常组织的辐射剂量，提高肿瘤靶区剂量。从而使得采用重离子的超低分割放射治疗成为可能，进而使得肿瘤患者无需住院治疗。由于重离子束的以上优点，重离子治疗作为一种新型的肿瘤放疗治疗技术，在疗效方面、安全性方面、治疗周期方面与传统的放疗技术相比，均展现出较强的优越性[4]，是目前世界肿瘤放疗领域最先进和有效的肿瘤治疗方法。

项目的意义

中国是继美国、德国、日本之后，掌握重离子治疗肿瘤技术的国家之一，已经具备重离子临床治疗能力和治疗专用装置生产能力。中国科学院大学附属肿瘤医院（浙江省肿瘤医院）引进国产第二代重离子治疗装置，并为其配套建设重离子医学中心大楼，开启了对重离子医学中心大楼建筑设计的探索与思考。据测算，重离子治疗装置建成后，平均每年治疗患者约800例。对于常规放射敏感的肿瘤，重离子治疗可明显减少正常组织损伤，提高患者生活质量。对于常规放射抗拒的肿瘤，重离子治疗可显著提高疗效50%以上。除了为患者提供优质的医疗治疗服务外，关于重离子治疗装置的探索与研究工作还包括重离子治疗新技术的研发、重离子治疗与免疫治疗联合等。

项目选址条件

本项目位于医院内部东南侧，现状为医院的临时地面停车场。该地块西侧紧邻医院门诊大楼和中心公园，北侧紧邻放射治疗楼（直线加速器楼），东侧为医院围墙和杭州半山国家森林公园的道路，总用地面积为5800平方米。见图1。

图1 重离子医学中心大楼总平面图

因为重离子治疗设备运行的条件极其复杂，对承重、倾斜度、光洁度、沉降、四周净空、设备转运、屏蔽安全、管线安装及预埋等均有严格的要求，考虑到重离子医学中心大楼不仅需要满足辐射安全的防护要求，也要为重离子治疗设备运行提供必备的工艺条件，为此项目在前期的选址过程中，邀请重离子治疗设备生产厂家及专业的地质勘察单位，对项目的地质情况进行勘探并出具详勘分析报告，对拟选址场地的重离子装置区、工艺设备区、治疗区等布置情况进行初步规划，结合现场踏勘和专家论证反馈意见，邀请专业的设计单位对选址场地进行二次复验，确保项目选址条件的科学合理且具有可行性。根据地质勘察结果，工程场地内无断裂带通过，场地属于区域构造稳定的地段，地下土体的稳定性较好，场地20米勘探深度场地内不存在饱和粉土、粉砂，各土层均为非液化土，因此本场地为不液化场地。同时，工程场区无软土层，拟建场地属对建筑抗震有利地段，经论证选址可行。见图2。

图2 工程地质剖面图

设计的原则

经专项设计，重离子医学中心大楼的总建筑面积为14000平方米，其中地上建筑面积7600平方米，地下6400平方米。主要建设内容包括有重离子医学中心大楼主体建筑（主要功能包括含一个加速器大厅及其工艺配套、4个治疗室和其他医护及后勤的相关配套用房）、拆除工程、公用工程、室外工程等。作为国际先进、国内稀缺的重离子项目，项目在建筑设计时，应充分考虑国际视野和前瞻性，在满足医院整体规划经济技术指标下，兼顾经济合理、功能适用、满足医疗使用要求，在建筑的理念、技术、建筑风格上进行创新，充分考虑建筑智能化、创新化、绿色化等设计构思，并与老院区的现状建筑风格、室外绿地景观有机融合。

设计也应遵守国家和地方有关城市规划与建设的法律法规要求，合理采用新技术和新材料，合理选择外立面的颜色、材料，做到“技术先进，经济合理，安全适用，确保质量”。以后续施工的实际出发，充分考虑当地的水泥砂浆、混凝土、钢材等建筑材料的供应条件，充分衡量施工队伍的生产能力和生产效率，合理选用主要材料、施工方案、结构措施等，充分考虑建筑物、构筑物及其它设施之间的布局，按工艺用房、设备用房、辅助用房等用房之间的功能关系、使用要求、性质特点进行布置，使项目的整体用房功能即紧凑合理、联系方便，又能确保工艺部分的流线畅通，满足治疗、工艺的使用功能要求，同时符合重离子装置特殊的防火、防辐射、环保等要求。

设计的思考

1.应充分考虑关键结构技术设计。由于本项目的重离子装置区、工艺区和治疗区均位于地下，应充分考虑超长地下室结构抗裂设计措施。建议在超长结构板的选型时，考虑采用双层双向通长抗裂钢筋，兼做受力，受力不足处另加筋；在地下室混凝土浇筑时，考虑对防水的特殊要求，不设后浇带，而采用膨胀加强带，减少渗水薄弱风险点；地下室底板（含承台）、外墙和顶板采用补偿收缩混凝土无缝设计，普通位置掺10%高性能膨胀抗裂外加剂，加强带掺量可提高到12%，减少砼的收缩变形对砼结构开裂造成的不利影响。

同时，由于本项目重离子装置的特殊工艺设计要求，治疗装置区对沉降要求极高（整体沉降量控制值＜15毫米），并且由于有防辐射要求，结构构件厚度大，自重大，墙体单位面积重量约20吨至50吨。为此，装置区部分可采用筏板基础，以压缩模量大（大于 50MPa）的稳定中风化岩为持力层，消除工后沉降。在主体结构施工完成后，建议对治疗区内装置采用预埋板二次回填调平的方式，以保证装置底座安装精度。对于大跨度的加速器大厅，厅中局部抗浮采用抗拔桩或者抗拔锚杆，确保底板的上浮变形在允许范围内。见图3。

图3 重离子治疗中心剖切效果图

2.应充分关注建筑的辐射防护专项设计。根据国家相关法律法规，“新建、改建、扩建放射性工作场所的辐射防护设施，应当与主体工程同步设计、同步施工、同步投入使用[5]。辐射防护设施应与主体工程同时验收；验收合格后，主体工程方可投入生产或者使用”。粒子加速器辐射防护系统遵从以下三原则：实践的正当性、防护的最优化及个人剂量限值。辐射防护的设计应依据国家各项有关的规定和标准，以及国际辐射防护委员会（ICRP）和国际原子能机构（IAEA）等组织的建议书来进行。根据《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》，剂量率限值应满足：土壤中 5mSv/h，监督区 2.5μSv/h，公众区域0.25μSv/h。

为此，在设计时，充分参考国内外大型加速器辐射防护系统的实例，结合中国科学院近代物理研究所多年的加速器建设及运行经验，除了考虑装置区和治疗区的主体结构采用重晶石混凝土自防护外，还在工作场所布置了辐射监测系统、人身安全联锁系统、出入口控制系统、束流闸、中子监测器等，确保辐射防护墙体及顶板等相关辐射区域满足辐射防护规范要求。见图4、图5。

图4 加速器大厅墙体厚度示意图

图5 加速器大厅剂量率分布图

3.应充分关注建筑的消防专项设计。重离子装置区的设备均为不燃、难燃或阻燃材料，这些区域运行时虽有辐射，但与其它部分用钢筋混凝土墙进行分隔，墙体最小设计厚度不应小于800毫米，防护门均应采用耐火甲级辐射防护联锁电动门。由于治疗装置区域为满足工艺要求，空间连续连通且无法分割（分区面积大），空间内部距离迷宫出口较远（疏散口距离较大），治疗装置区域空间只能根据防辐射计算设置迷宫出口，且出口数量和位置受到严格的限制，为此在设计时应充分考虑特殊消防设计部分的专项分析和论证。

建议建设单位在开展特殊消防设计之前，提前完成大楼的总平面图、建筑平面剖面及防火分区图、防火分区消防疏散计算表、消防给水系统图、防排烟暖通图、重离子装置工艺说明以及医院内的火灾疏散逃生应急预案等图纸及资料编制工作，并委托一家具备为建筑物的火灾防护和消防安全保卫系统提供专业的消防技术咨询的服务机构开展特殊消防设计评估报告的编制，重点开展重离子装置区域的火灾危险性分析、火灾及烟气的发展及蔓延CFD模拟分析、楼宇人员疏散模拟分析及类似项目的消防设计总结，针对特殊消防设计的重难点提出合理的解决方案，为后续消防专项评审、项目竣工消防验收提供科学依据和指导建议。

4.应充分关注建筑内部交通组织设计。建议将主要的治疗空间和公共等候空间布置在地下一层，在建筑中部设置垂直运输（兼无障碍电梯），使患者可便捷地到达负一层。医用电梯只到达治疗空间和公共等候空间，实现医护流线和患者流线互相独立，互不干扰。将患者流线、医护流线和设备及后勤流线独立区分：

患者就诊流线：建议从问诊及检查明确病情（明确病情，初步判断是否具有重离子治疗指征）→多学科综合诊疗（判断患者是否应该接受重离子治疗）→放疗计划制定（CT模拟定位，根据勾画范围设定剂量，设计完成治疗计划）→质量控制（对假人模型进行实际照射，测量/ 验证实际照射的剂量）→重离子治疗

医护流线：建议从医护专用出入口进入建筑，通过医护走廊进入功能用房，并由医护专用电梯进入各层医护区域及办公区域，与患者流线分开，相对独立，互不干扰。

设备及后勤流线：建议从场地设备专用预留进出口进入，出入口位置应尽量设置在楼宇内相对隐蔽的区域。

5.应充分应用建筑信息模型（building information modeling，BIM）专项设计。在项目中使用BIM技术，可以有效地解决复杂的加速器等各种特种设备的碰撞问题，为参建各方在设计和施工过程中提供可视化交流、设计成果优化、技术交底与会审等相关服务。重离子项目作为特殊的建筑，为工艺复杂、技术特殊的大型科学医疗装置提供配套用房，确保主机及配套高压配电系统、水冷系统、净化系统等装置维持正常运行。由于本项目包含给排水、消防、电力、智能化、暖通等通用系统与重离子设备装置系统的协同设计，采用BIM平台可以有效实现设计各方的碰撞检查、设计检验、无障沟通等，对于项目后续实施十分有益。同时，由于加速器设备位于地下加速器隧道内，屏蔽墙根据束流传输线布置，不同于一般规则厂房，而且本项目各系统中的部件和设备数量较多，安装要求很高，且贵重易碎，其中有些元部件的体积或重量较大。加速器是本项目的重要精密设备，通过BIM技术手段，让磁铁加速器布置在BIM模型中，并且通过BIM进行三维建模，让辐射屏蔽措施变得可视化，有效对设计进行检验。