浅析BIM技术在洁净空间暖通系统设计中的应用

张 健，杜 莉

（中建八局第二建设有限公司，山东 济南 250000）

随着建设技术水平的提升，医院洁净空间的比例在不断上升，对空气洁净度级别的要求也在不断提高。影响净化空间空气洁净度的专业系统很多，其中暖通系统的权重最大，暖通系统的设计结果直接影响洁净空间的使用性能。在设计过程中利用BIM 技术的三维可视化、建筑信息分析等功能，对改善暖通系统设计有一些应用价值。

1 工程概况

某医院项目洁净区域面积约25 000m2，包括DSA 手术室、PCR 实验室、EICU（急诊重症监护室）、NICU（新生儿重症监护室）、综合内科ICU、综合外科ICU、神经外科ICU、透析中心、内镜中心、口腔种植室、眼科手术室、消毒供应室、生殖中心、层流病房、干细胞实验室等多种洁净级别的医疗科室。

本项目机电工程专业众多，管线密集，包括净化空调系统、非净化暖通系统、暖通水系统、医用气体系统、给排水系统、电气系统等。

2 医院洁净空间特点

按照GB 50333-2013《洁净手术部建筑技术规范》中的定义，洁净区是指凡有Ⅳ级及以上洁净度要求的区域均为洁净区，即在空态或静态下，洁净用房等级为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级的空间为洁净空间。

基于现行洁净级别标准，医院洁净空间对空气洁净度和细菌浓度有严格的要求，和其他区域相比，洁净空间有如下特点。

1）医院洁净空间按照不同的级别和功能，需要满足特定的技术指标，这些技术指标主要为工作区平均风速、最小换气次数、温度、最小新风量等。

2）洁净空间相互之间需要有适当压差。不同级别的相互连通的洁净空间，洁净度级别高的用房应对低的用房保持正压；相同级别的相互连通的洁净空间，也应有压差以保证要求的气流方向。

3）洁净手术部为洁净要求最高的医疗用房，洁净手术部平面必须分为洁净区与非洁净区，二者之间的联络必须设缓冲室或传递窗。

4）洁净空间的温度调节一般靠净化空调系统实现，Ⅲ级以上的洁净手术室和Ⅱ级以上的洁净辅助用房内不得设置采暖散热器和地板采暖系统。

5）洁净空间与污染空间应分区域单独设置，且污染空间需要保持一定负压。

3 暖通系统设计对于洁净空间的重要性

医院洁净空间的设计有两个重点，即医疗工艺设计与洁净暖通系统设计。医疗工艺设计是通过对医院内各个医疗功能单元之间与单元内部流程的设计，实现医疗公共洁净空间与医疗洁净用房的功能。洁净暖通系统设计是通过对采暖、通风、空调等系统的设计，实现洁净空间的净化要求。暖通系统设计对于洁净空间的重要性主要体现在以下3 个方面。

3.1 调节洁净空间的温度

目前，医院建筑洁净空间的温度调节主要采用中央空调集中冷热源的形式。首先，洁净空间需要独立于普通空间和污染空间的净化空调系统，以确保空气洁净度；其次，一定等级的洁净手术室和洁净辅助用房不得设置普通空间的采暖设施，一方面为了防止墙面或地面附着的空气微粒升腾影响空气洁净度，另一方面空调机组的单独调节比空调与采暖的混合调节更精准、稳定，可以更好地满足洁净空间严格的温度要求。

3.2 保持空气洁净

为了满足大型或可能影响病患生命健康的手术、细胞实验、无菌品库等环境控制要求，医院会设置洁净空间。对于洁净空间，在空态或静态下，产生微粒和细菌的频率与浓度比正常使用状态低，所以持续除尘和除菌是保证净化空气的关键。

洁净空间的暖通系统采用阻隔式空气净化装置，在保证净化空气的前提下，不会产生且不会被传播有害物质，防止细菌产生的代谢物或病毒、细菌的尸体造成过敏或二次感染。不仅如此，为了防止沉降的微粒与微生物再次扬起污染空气，洁净空间的气流方向与微生物、微粒的沉降方向一致。

3.3 提供正压环境

洁净空间需要对相邻无洁净要求的普通空间或低级别的洁净空间保持一定程度的正压，持续提供净化后的新风是保持正压的常用手段。当人或物穿越不同洁净要求的空间时，必然产生空气流动，如果洁净要求高的空间与外界是无压或负压状态，外界的空气会进入洁净空间内造成污染，所以洁净空间必须维持正压环境且正压压强需要满足规范要求。

4 洁净空间暖通设计存在的问题

4.1 空间气流设计不合理

4.1.1 气流组织形式不合理

洁净空间气流组织形式主要有3 种：单向流、非单向流和混合流。空气洁净度级别要求高的洁净空间主要采取单向流，常规单向流形式为水平单向流和垂直单向流。洁净手术室常用上送下回的垂直单向流，避免采用上送上回的气流组织，防止空间内的污染物不能及时排出造成二次污染。

4.1.2 回风口设计不合理

1）回风口位置设计不当 在医院的净化暖通系统设计方面，引起洁净空间内气流异常的常见原因是回风口位置安排不合理。回风口位置设计不当一方面可能会导致洁净室内气流方向不符合要求，进而影响空气洁净度；另一方面可能会降低回风效率，增加设备能耗。

2）回风口数量或规格设计不当 如果回风口的数量过少或者尺寸过小，会引起室内正压压强过大，新风会从有缝隙的部位溢出，增加空间噪音与整体暖通系统能耗。

4.2 负荷设计不准确

在目前节能减排的绿色设计理念下，暖通设计需要充分考虑系统能耗。基于洁净室相关的国家强制性规范要求，设计时为了避免技术参数不足，一般采用较高的设计系数，洁净空间的空调设计往往存在设计负荷偏大的情况，增加了不必要的建设成本和运维成本。

4.3 设计难以落地施工

由于洁净空间对净化空气要求高，所以风管尺寸往往比较大；而且医院尤其是手术用房区域，机电工程专业多，专业内部管线种类和数量多。以本项目为例，暖通风系统包括新风、送风、回风、排风等，暖通水系统包括空调热供水、空调热回水、空调冷供水、空调冷回水、加湿器蒸汽、空调冷媒等，此外还有电气、给排水、医用气体、消防、防排烟系统等。在这种严苛的施工空间下，如果设计师未充分与掌握其他专业情况，可能造成单专业设计未统筹全局空间，导致设计图纸难以施工的情况。

5 BIM技术的应用

5.1 各专业协同设计

目前BIM工作模式协同设计主要有两种模式。

1）在洁净空间机电工程设计时，每个专业至少配备一名BIM 工程师，基于软件的协同工作模式，所有BIM 工程师在同一模型中工作，发现问题及时反馈至专业设计师，专业设计师修改后再反馈至BIM 工程师进行修改，最后由各专业设计师分别出图。

2）机电专业设计师具备BIM 设计能力，所有设计师通过BIM 正向设计的形式，利用BIM软件协同设计，即时沟通与修改，最后利用BIM模型分专业出图。

这两种工作模式各有利弊。第一种模式中，每次修改至少需要专业内两次沟通与反馈，相比第二种协同效率较低；第二种模式中，目前BIM软件的出图参数参差不齐，而且设置标准不同，导出的图纸与CAD 直接绘制的图纸不同，还需要在CAD 中进行二次修改才能达到蓝图的标准，相比第一种出图效率与质量较低。为了确保一次出图，本项目采用第一种协同模式，避免了单专业相对孤立的设计，降低了图纸在机电安装中的落地实施难度，如图1。

图1 局部BIM协同模型

5.2 基于Revit计算负荷校核设计参数

在Revit 模型中，对洁净房间放置“分析空间”，以便计算模型内的体积，此分析空间包括房间、正压送风系统和墙槽。添加分析空间可以对计算区域进行空间标记，为空间指定类型，如医院手术室等，添加体积、房间面积、围护结构等空间参数信息并对房间进行命名和编码。

根据项目实际情况对洁净空间设置参数，为暖通系统模型添加流量参数，设定空间的条件参数如照明负荷密度、每小时换气次数等，Revit 按照ASHRAE 的标准与方法，计算新风量，也可设定人员信息如人员数量，人均面积等参数计算每人的新风量、单位面积的新风量，如图2。

图2 空间参数设置

正常情况下，室内正压在5～10Pa 之间即可满足规范要求，如果正压压强过大不仅增加新风泄露的风险，而且会降低设备运行的经济性。洁净空间新风量的计算在医院净化工程中有很重要的意义。利用软件计算的新风量，设计人员可以作为校核计算风量的依据，避免设计负荷过大造成浪费。

5.3 三维可视化复核设计方案

5.3.1 BIM预施工

利用BIM 软件三维可视化的优势，可以进行“BIM 预施工”提前发现设计问题。首先整合全专业BIM 设计模型，通过碰撞检查导出碰撞报告，提前发现机电各专业之间、机电与建筑结构之间的硬碰撞，设计师可以通过修改设计提前解决。

5.3.2 竖向净空分析

根据GB 50333-2013《医院洁净手术部建筑技术规范》，洁净手术部的净高不宜低于2.7m。通过竖向净空分析，确定管线密集关键区域的净使用空间高度，洁净空间的风管一般尺寸较大、数量多，一旦净空不满足规范要求，可以采用降低风管高度、改变其他专业管道走向等方法解决，如图3。

图3 竖向净空调整效果

5.3.3 气流组织形式方案对比

Autodesk CFD 与Revit 的交互建立分析模型，基于模型的风口末端的位置与尺寸，利用某方向截面流体速度分布图，可以直观的看到空间内的气流方向。例如手术室区域，手术床一定范围内必须是层流才能保证手术所需的空气洁净度，气流组织或者回风口的位置不合理，可以直接反映在分布图上，便于验证修改。

6 结语

医院洁净空间区别于其他空间，对暖通系统设计的规范化和准确性要求很高，BIM 作为辅助设计的工具，为气流组织不合理、设计负荷不准确、图纸难以落地实施等设计问题提供了新的解决思路，在提高设计整合效率，完善设计流程、优化设计方案的道路上开拓了新的方向。