医疗建筑特殊防护用房
——直线加速器设计与施工
2023-12-05黄俊
黄 俊
（广东省城乡规划设计研究院有限责任公司 广州 510290）
关键字：医用直线加速器；辐射屏蔽设计；建筑结构设计；大体积混凝土
0 引言
在我国当前治疗肿瘤的治疗设备为医用直线加速器，如今我国的各大医院已经开始逐渐使用该设备。因为医用直线加速器的工作原理比较复杂，而且所产生的射线能量较高，属于结构极其复杂的一种大型医疗设备，所以其对工作条件以及环境条件具有较高的要求，针对直线加速器用房［1-2］荷载大、辐射强等特点，需要进行特殊的结构设计和施工组织［3-5］。加速器用房主要由加速器机房、控制室组成，而加速器机房由治疗室、迷道和防护门组成，如图1～图2 所示。本文以某医院直线加速器为例进行分析，直线加速器的技术参数如表1所示。
表1 直线加速器的技术参数Tab.1 Technical Parameters of Linear Accelerator
图1 医用直线加速器Fig.1 The Medical Linear Accelerator
图2 直线加速器安装示意Fig.2 Linear Accelerator Fixing Sketch
1 结构设计
本医院项目由多个单体和一层地下室组成，总建筑面积约46.9万m2。综合建筑功能及结构体系考虑，医用直线加速器放置在地下室一层。本项目加速器机房（治疗室）与控制室均分离；机房（治疗室）均设置“L”型迷道，迷道口设有防护门，各个加速器机房布局符合《放射治疗机房的辐射屏蔽规范第1 部分：一般原则：GBZ/T 201.1—2007》中“治疗装置控制室应与治疗机房分离”的规定。直线加速器平面及剖面如图3所示。
图3 直线加速器平面及剖面Fig.3 The Medical Linear Accelerator Plan and Sectional
1.1 基础及工作场所布局设计
机房采用1 000 mm厚筏板基础。需注意，直线加速器在主体装修后安装，因此需提前预留安装条件。根据厂家提资：机房位于地下室，需预留设备吊装口4 m×3 m，运输通道尺寸不应小于2.2 m（高）×2.0 m（宽）；底座承重不小于13 t，设备运输通道地面必须满足点承重600 kg，地坑及机架基础部分混凝土密度不小于2.35 t/m3。
1.2 辐射屏蔽设计选型
根据设备参数和《电子直线加速器放射治疗放射防护要求：GBZ 126—2011》等相关要求［6-7］，配备医用直线加速器的治疗室需采取可靠的放射防护措施。通过对比4 种防护墙工艺［7］，如表2 所示，采取综合技术经济效果最佳的防辐射防护材料-钢筋混凝土进行射线防护。
表2 4种防护隔墙工艺对比Tab.2 Comparison of Four Protective Partition Wall Processes
1.3 辐射屏蔽中结构设计
本项目直线加速器机房辐射防护屏蔽设计技术参数，如表3所示。
表3 直线加速器机房辐射屏蔽设计技术参数Tab.3 Technical Parameters for Radiation Shielding Design of Linear Accelerator Room
1.3.1 有用线束主屏蔽区宽度核算
根据《放射治疗机房的辐射屏蔽规范第1 部分：一般原则：GBZ/T 201.1—2007》4.3.3 中有关公式计算有用线束主屏蔽区的宽度，机房主屏蔽墙体宽度核算结果如表4所示。
表4 主屏蔽墙体的宽度核算Tab.4 Width Calculation of the Main Shielding Wall
式中：YP为机房有用射线束主屏蔽区宽度（m）；SAD 为源轴距（m），对于医用电子直线加速器，取SAD=1 m；a为等中心至墙的距离（m）；θ为治疗束的最大张角（相对束中的轴线），θ取14°；
1.3.2 加速器治疗室外关注点的导出剂量率参考控制水平
本项目直线加速器的工作负荷：投入使用后，预计每台加速器放射治疗患者最多为80 人次/d，平均每名患者治疗照射最大时间为6 min，每周工作5 d，则直线加速器周照射时间为40 h，年照射时间为2 000 h。直线加速器机房关注点分布如图4⒜所示，立面关注点分布如图4⒝所示。根据《放射治疗机房的辐射屏蔽规范第2 部分：电子直线加速器放射治疗机房：GBZ/T 201.2—2011》的要求，在加速器治疗室外设定关注点。各关注点辐射剂量率参考控制水平如表5所示。
表5 各关注点辐射剂量率参考控制水平Tab.5 Reference Control Level of Radiation Exposure Rate at Each Point of Concern
图4 直加机房关注点分布Fig.4 Distribution of Attention Points in the Linear Accelerator Room
由《放射治疗机房的辐射屏蔽规范第2 部分：电子直线加速器放射治疗机房》附录A.2，单一有用线束在关注点的导出剂量率控制水平为：
单一泄漏辐射在关注点的导出剂量率控制水平为：
1.3.3 主次屏蔽区所需屏蔽厚度计算及合理性分析
参考《放射治疗机房的辐射屏蔽规范第2 部分：电子直线加速器放射治疗机房GBZ/T 201.2—2011》中的计算方法，估算不同关注点达到剂量率参考控制水平时所需的屏蔽厚度，机房辐射屏蔽厚度核算分析如表6所示，相关的计算公式如下：
表6 机房辐射屏蔽厚度核算分析Tab.6 Calculation and Analysis of Radiation Shielding Thickness in Rooms
⑴ 有用线束和泄露辐射的屏蔽估算
① 关注点达到剂量率参考控制水平时，设计的屏蔽所需要的屏蔽透射因子：
② 估算所需要的有效屏蔽厚度Xe，再计算得屏蔽厚度Xcm：
式中：TVL1和TVL 分别为辐射在屏蔽物质中的第一个什值层厚度和平衡什值层厚度（cm）。当未指明TVL1时，TVL1=TVL。
⑵患者一次散射辐射的屏蔽估算
关注点达到剂量率参考控制水平时，设计的屏蔽所需要的屏蔽透射因子
1.4 设备洞口设计
本项目物理测试预留管道采用45°斜插穿过机房与控制室之间的防护墙，物理测试管设计图如图5 所示。为增加泄漏射线的散射次数和衰减，电缆均通过地下电缆沟走线，从安装加速器的地坑出线后沿着屏蔽墙内侧走线，在出口穿墙处采用“〕”型路径设计，下沉后穿越屏蔽墙到达机房外，从而保证不减弱屏蔽墙体的屏蔽效果。电缆沟穿过屏蔽墙如图6所示。
图5 物理测试管设计Fig.5 Design of Physical Test Tube
图6 电缆沟穿过屏蔽墙Fig.6 Plan of Cable Trench Passing Through Shielding Wall（mm）
直线加速器机房中通风管道采用45°穿墙设计穿过机房迷道外屏蔽墙，增加通风管道中泄漏射线的散射次数和衰减，从而减小泄漏射线的辐射影响。通风管道穿过屏蔽墙如图7所示。
图7 通风管道穿过屏蔽墙Fig.7 Ventilation Duct Passing Through Shielding Wall
2 混凝土施工技术
大体积混凝土施工应符合《大体积混凝土施工规范：GB 50496—2009》及《混凝土结构工程施工规范：GB 50666—2011》［8-11］等相关规范要求。特别需要注意高支模专项的安全性和大体积混凝土浇筑过程降温问题［12-13］。
2.1 施工难点
⑴顶板处次主屏蔽墙厚度1.8 m，主屏蔽墙厚度达3.0 m，现浇钢筋混凝土自重和施工荷载大至78 kN/m2，因此，需采用高支模。而如何保证顶板模板支撑体系的稳定性和安全性，是施工的重难点。
⑵墙体支模难度大，直线加速器机房有2道存在倒角为0.5 m的墙，传统的模板韧性差，支模难度大。
⑶施工缝的设置难度大。传统的水平施工缝，易产生结构裂缝，降低结构的防辐射性能。因此，应采用凸凹水平施工缝，施工缝凸凹槽处有密集钢筋穿插，普通模板难以安装。
2.2 施工工艺流程及操作要点
施工准备→底板绑扎钢筋→墙体钢筋插筋→浇筑底板混凝土→顶板高支模支撑架搭设→墙体钢筋绑扎→墙体和顶板模板搭设→墙体分层浇筑混凝土→顶板钢筋分层绑扎→顶板分层浇筑混凝土→墙板混凝土温度监控与养护。
2.3 大体积混凝土施工措施建议
大体积混凝土施工质量控制贯穿混凝土生产、运输、浇筑、养护整个过程，整体思路如下：
⑴优化混凝土配合比，确保混凝土的耐久性、抗渗能力，合理控制混凝土初凝、终凝时间及坍落度，控制水化热减少收缩；
⑵混凝土浇筑应连续进行，杜绝出现施工冷缝，墙体分段浇筑的水平施工缝要求采用凹凸状企口，且严禁出现施工冷缝，施工缝处应增加竖向插筋加强（不小于φ16@150×150，三级钢），凹凸状企口施工缝如图8所示；
图8 凹凸状企口施工缝Fig.8 Concave and Convex Groove Construction Joint（mm）
⑶应重点注意大体积混凝土温度监控，建议采用自动化温度监测、控制系统，实时监控大体积混凝土温度，并采用外蓄内散的综合养护措施加强对混凝土的养护。
3 结论
⑴对于某些医疗建筑特殊防护用房荷载大、辐射强等特点，建筑结构应根据国家规范等进行设计，预留足够的冗余度，并应进行专项的辐射防护设计。
⑵现浇钢筋混凝土具有施工便捷、造价低、质量易于保证、防辐射性能好等优点，采用现浇钢筋混凝土作为医用直线加速器的防护墙既保证了防护效果又控制了施工成本，满足医疗防护结构安全性要求。
⑶直线加速器结构施工前，应充分考虑支模体系、混凝土自重、施工荷载等各项因素，对整个机房模板体系进行高支模设计验算并组织专项论证；施工过程，应对模板搭设及混凝土浇筑做好监控。
