武汉雷神山医院项目施工阶段BIM应用

文|李文建 彭飞

一、项目概况

1.项目简介

武汉雷神山医院是武汉市防疫指挥部针对在2020年春节期间爆发的新冠肺炎疫情，批准在湖北省武汉市江夏区强军路建设的武汉“小汤山医院”。

武汉雷神山医院由中建三局第一建设工程有限责任公司（以下简称中建三局）负责承建，医院建设用地面积达22 万m2，总建筑面积为7.9 万m2，总床位数1500 张，可容纳医护人员2300 人，开设32 个病区，是一个专为收治新冠病毒肺炎重症患者建造的抗疫应急医院，是疫情期间全国投资建设的最大抗疫项目。整个医疗隔离区呈鱼骨状分布，病房采用箱型板房形式，医技楼为钢结构形式。

图1 雷神山医院鸟瞰图

2.项目创新性

雷神山医院建设初始，国内疫情肆虐，留给设计人员、施工人员及管理人员的时间极短，如何利用数据流高效的办公，减少设计变更，减少设计错误，降低施工难度，提高施工速度，是建造过程中的重难点，因此，利用BIM 技术进行正向设计、深化设计，过程中进行流线模拟，气流模拟，医疗可视化模拟等，极大的提高了设计效率与沟通效率。

3.项目难点

雷神山医院的设计重难点主要有四个：一是传染病医院系统复杂；二是要能快速建成投入使用；三是要防止对环境造成污染；四是要避免医护人员感染。BIM 技术的应用也应围绕上述四个项目难点展开。

4.应用目标

本次雷神山医院的建造面对施工现场工作面协调压力大、人员管理难度大、物资协调难度大、机械协调管理难度大、安全防疫压力大、工期异常紧张等一系列困难。其中利用BIM 技术来提速设计、提速施工、管理现场、简化流程是本项目的重中之重。

5.应用内容

一是设计阶段需要施工方提前介入，利用BIM 技术搭接设计端与装配式箱式房供应商，减少后期的设计变更。二是减轻施工现场的工作面管理压力、降低现场的施工难度。三是提速设计，简化流程，形成设计与施工的垂直信息传输。

二、BIM 整体方案

1.组织架构与分工

武汉雷神山医院项目BIM 组织架构图如图2所示。

图2 组织架构图

2.软硬件配置

（1）硬件配置

?

（2）软件配置

?

3.标准保障

雷神山医院作为突发事件的应急项目，中南院和中建三局迅速组建BIM 团队，助力其快速建设。双方各自依据企业BIM 实施标准，统一项目BIM应用标准。

三、BIM 实践过程

1.人员技术培训

在雷神山医院的建造过程中，为辅助设计，串联设计图纸与施工现场，在施工现场培养了一大批能看、会用BIM 的管理人员，为后续提高现场的管理效率，缩短建造时间，缓解资源压力提供有力技术支撑。

2.技术应用过程

（1）BIM 助力装配式设计、施工

疫情就是生命、防控就是责任。雷神山医院要求10 天建成使用，如何快速有效的建成满足具备治疗传染性呼吸疾病的高防护级别医院，是整个项目的重难点。一方面，要站在设计的角度考虑其结构性满足相应的规范要求；另一方面，要站在施工的角度考虑其快速建造及工作面的展开。而BIM 技术正是连接设计和施工的桥梁，充分考虑多方因素，平衡各方意见，达到BIM 设计指导施工建造的目的。

在对隔离医疗区进行功能区划分的过程中，设计人员将其分为护理单元和医技区两种典型区域。其中护理单元均由尺寸规格一致的隔离病区与医护办公区组成，具有典型的标准化模块的特征。考虑到疫情期间的材料供应问题，以及施工环境和施工机械的制约，最大限度的提高建造速度，设计方与施工方一致决定护理单元采用装配式设计和施工，选择轻型模块化钢结构组合房屋（箱式房）结构体系。通过A、B 两种型号的箱式房进行组合排布，形成具备3 个基础功能的区域模块，并通过对三个基础功能区域模块的合理拼装，构成一个完整的护理单元模块。

图3 装配式设计与模块化组装

图4 负压ICU 名渲染图

图5 负压检验室渲染图

图6 手术室模型渲染图

图7 复苏室模型渲染图

由于现场对箱式房的需求较大，已有库存不足，需要进行箱式房批量化加工生产，设计人员根据市场供应能力分析，确认相关尺寸型号，固定模块化户型，固定项目整体布置，使得工厂预加工，预装配速度上升新台阶。

由于雷神山医院项目的特殊性，对其防污染水系统、电力系统、通风系统都有极高的要求。因此，在给水端为隔离医疗区病区和非病区分别设置两路独立给水管网；在排水端，将清洁区、半污染区、污染区排水严格划分，防止医患之间的交叉感染。

在电气系统设置方面，采用4 路10KV 高压电源供电。采用模块化设计，利用建筑鱼骨式的模块化设计理念，每四个病区的护理单元为一个固定模块，一共分为八个模块。每两台变压器和一台柴油发动机组成一个供电模块，保证了供电的高可靠性的同时，也满足了“快速设计、方便施工”的要求。

对于空调通风系统，送风系统均设置粗、中、高三级过滤，其中负压检验、负压ICU、负压手术室设高效过滤风口。所有区域排风经高效过滤器处理后高空排放，负压ICU、负压手术室、治疗室、复苏室等房间设下排风口。

（2）基于BIM 的施工优化

BIM 辅助现场集装箱模块化组装方案。为实现箱房工业化生产，加快现场施工进度，项目根据市场供应能力分析、确定箱式房的型号，并将箱体标准化，建立模块化单元，实现模块化设计，固定模块化户型，固定项目整体布置。通过BIM 模拟现场集装箱模块化组装过程。模块单元组成包含钢结构冷弯薄壁型材骨架和彩钢复合板墙体。

BIM 辅助施工总平面布置优化。策划阶段，根据工程施工部署，采用BIM 技术模拟箱体汽车吊布置情况。通过模拟，得出最优施工方案：各区平行施工吊装，集装箱堆场临时征用军运路及黄家湖大道部分道路。配备10 台25m 臂长吊车。平板车经大门进入场内，自西向东将集装箱式活动房运至各汽车吊处进行吊装，完成后经M4、M5、M6大门驶出，返回集装箱临时堆场继续转运。

图8 保障供电可靠性的设备模型

图9 常规箱型房规格

图10 标准箱房构成模块

图11 箱体汽车吊三维场地布置

场内吊装阶段，布置16 台30M 臂长汽车吊，7 台25m 臂长汽车吊，10 台40m 臂长汽车吊，4台52m 臂吊车。吊装时，以H 型集装箱群为一个单元，从H 型腰部向首尾方向进行安装。

室外管网跳仓法施工。雷神山医院原设计室外管网布置在每个护理单元之间均有雨、污、废管线，如此施工将造成场内大面积开挖，对于厢房吊装影响极大，严重影响现场进度。因此采用BIM 技术进行设计优化，合并多余管道，将管道优化为“隔一设一”，进行室外管网跳仓法施工，减少现场管道开挖、预埋施工工作量，为吊装场地提供充足的保障工作。

原计划进场50 台挖掘机、40 台推土机、250辆渣土车，经过深化后工程量大大减少，实际进场33 台挖掘机、26 台推土机、168 辆渣土车，机械投入减少1/3。

H 型钢基础优化。在施工基础阶段，对结构基础进行优化。通过BIM 技术优化基础形式，设计出一种砼条基+钢结构组合式基础，将原全砼基础深化为外部采用全砼基础、内部采用梅花形布置型钢基础，大大简化施工工艺、加快了施工速度，仅此一项就减少混凝土条基22576 米（共计3387m³混凝土），减少管道穿孔1036 个，减少劳动力投入约200 人。

在施工医护休息区阶段，对医护休息改建区底部采用贝雷架+工字钢基础进行BIM 深化设计，提供了一种呼吸类临时传染病医院装配式建筑体系基础结构。相较普通基础而言，大幅缩短工期的同时提高基础承载力，同时能快速高效的用于后期穿管施工，大大缩短施工周期，可以在非常短的时间内高效完成大体量医院的建造。

钢管彩钢瓦屋面施工技术。项目原设计采用钢结构屋顶，但钢结构屋顶需定制加工、施工周期长、自重大、工艺复杂，在临时工程中应变性较差，通过BIM 深化设计了一种钢管彩钢瓦组合式屋面，并采用PKPM 软件核算该支撑体系的安全性。采用钢管作为主支撑架体、槽钢作为檩条、彩钢瓦作为屋面板、四周采用防雨布或彩钢瓦封闭、满拉揽风绳加固，五者结合，既能满足屋面的使用功能，达到快速施工的效果，同时减小了结构安全风险。

集成式整体卫浴。通过BIM 建模深化设计将原设计下沉式卫生间深化为集成式整体卫浴，大大简化卫浴施工工艺。按照深化设计图纸施工后，进行对比分析结果表明，取材更加简单，大大加快了应急工程施工速度、缩短移交周期，具有较好的社会效益。

图12 医护休息改建区贝雷架基础整体效果图

图13 医护休息改建区贝雷架基础施工实物图

（3）BIM 创新亮点应用

基于图纸的交互式BIM 快速建模。自主开发基于图纸的交互式BIM 快速建模插件，打通CAD图纸和BIM 软件的数据壁垒，提供交互式界面完成图纸信息的快速提取、建模参数的自由选取、匹配规则的自主确定，实现了翻模过程的可视可控化，避免了CAD 图纸导入BIM 软件卡顿、信息丢失等问题，大幅提高了建模效率。

图14 BIM 在线建模

BIM 在线建模、云渲染。病房样板间装修设计采用BIM 在线建模技术，模型直接保存在云端，可多人协作的在线建模，打开网页就能查看和编辑，云端实时保存；可多人实时修改模型，安全可控。

基于BIM 的智能化管理平台。项目应用自主研发的“BIM-QR 系统”，在原料采购、构件生产、构件运输和质量验收全过程实现钢结构信息化管理，提升管理精细度，实现高效建造，钢结构施工仅用6 天完成。

项目基于在施工过程中大型机械设备的受力研究，利用有限元软件计算分析，应用自主研发的“轮式及履带式起重机行走及起重荷载计算系统”，仅用1 天时间计算出31 台汽车吊、15 台履带吊的行走和吊装作业时的地基承载力。

项目针对雷神山医院集装箱安装自主研发了“基于BIM 的智能化物流管理系统”：将BIM 技术、集装箱调度与管理深度融合，综合应用物联网技术、移动通讯，通过将集装箱房基本信息录入、查询管理、入库检查、审核、现场安装调度等，实现数据自动采集、信息交互、智能分析，对集装箱房从深化设计、下单管理、工厂生产、物流运输、入场跟踪、质量验收及安装管理全过程的信息跟踪管理。实现了雷神山医院在10 天内完成3700 多个集装箱安装施工目标，为雷神山医院顺利移交提供了保障。

为保证工期及各专业的穿插，自主研发了应急工程基于BIM 的计划管理软件平台，可实现建设各方及各专业计划管理协同，提升管理精细度，实现高效建造。自主研发了应急工程基于BIM 的维保软件平台，不仅解决了维保管理流程繁杂的问题，又能保证维保任务及时处理无遗漏，大大提高维保效率。

图15 BIM-QR 系统结构图

以上的5 个平台都获得了软件著作权，体现了BIM 技术对于创新建造、智慧建造、信息化施工的驱动力。

四、BIM 实践总结

1.应用效果总结

经济效益：时间就是金钱。“这是救命工程，早一分钟建成医院，就能早一分钟挽救生命”，雷神山医院快速建成投入使用，拯救数以千计的生命。其中加快设计进程，推进施工进度，进行施工推演，BIM 技术功不可没。

社会效益：雷神山医院设计为用于收治已确诊的新型冠状病毒感染肺炎患者的医院。于1月27日正式开工建设，2月6日正式竣工，高峰期投入2500 余名管理人员、22000 余名作业人员、2000余台大型机械设备车辆。从2月8日开始收治转院病人，到2月18日首批两名新冠肺炎患者出院，至4月14日最后4 名重症患者转至中南医院，患者清零，累计运维67 天。

管理效益：上千名管理人员，上万名作业人员，近千台大型机械设备与车辆，数百家供应商，其管理难度可想而知。而BIM 技术正是利用数据手段进行多方协同管理，简化流程、加速生产，减轻管理压力。

2.应用方法总结

在面对快速设计、快速建造的场景，BIM 技术有着极大的优势，可以超前完成需求响应，打造数字孪生模型，最高效的反映设计成果，及时调整设计文件，使设计高效化。

在装配式建筑的场景中，BIM 技术可以打通设计、生产、施工装配这一整条产业链，形成所见即所得的设计模式，其过程中产生的对接问题，生产误差问题可以得到极大的改善。

3.创新点总结

在疫情常态化的今天，负压病房的气流组织和污染物扩散问题是在每一个医疗设施建设过程中都需要考虑的，利用BIM+流体仿真技术进行布置方案模拟，能最大限度的降低交叉感染风险。

医院不仅要做好自身的防护体系，同时需要考虑周边区域建筑及室外管网的防护情况，因此进行区域级、城市级建造模拟，考虑建筑对周边环境的影响也是必然的。

快速建造体系离不开BIM 技术的支持，施工提前介入设计并进行BIM 设计优化是提速设计、提速建造的最佳方式，因此设计施工一体化BIM应用技术将会成为后续发展方向。

五、下一步规划

一是利用BIM 进行防疫工程医疗设施功能和建筑结构布局研发。在“鱼骨状”建筑布局之外，利用BIM 技术从医疗设施功能、医患防护要求、建造便利等多角度，研究更为合理的建筑结构布局。

二是利用BIM 进行防疫工程室内气流仿真模拟研究。持续开展气流仿真模拟等理论研究,研究特定室内布局、进排风设计及负压设置下,室内气流压力梯度分布，为产品结构体系设计提供理论支撑。

三是利用BIM 及实景建模技术开展应急防疫工程安全非接触建造管理系统研究。开发工程安全管理及远程安全检查系统、远程安全监控系统、非接触智能通行管控系统、场地地形自动测绘设备与技术，实现建造人员非接触管理，减少出入口等人员集中危险部位的触碰，降低传染风险，实现快速、自动化的三维精细建模及土方量计算。

四是利用BIM 技术开展医疗建筑标准化研究。根据医疗建筑功能的特点，用BIM 技术将医疗建筑中的功能模块进行拆分和标准化设计，将设计转化为成熟的产品，有利于提升设计质量和效率。如病房区的病房模块、缓冲区模块，医技区的手术室模块、ICU 模块、CT 室模块等。将大模块拆分成重复率高的小模块，建筑、结构、机电、装修、设备等全专业精细化参数化建模，添加材质、尺寸、设备参数等构件信息，方便同类型医疗建筑的设计提取和复用。