装配式建筑在武汉雷神山医院的应用

1 概 述

一场突如其来的新型冠状病毒感染的肺炎疫情在武汉市迅速蔓延，越来越多的感染者急需救治，时间就是生命，武汉抗疫防控指挥部迅速决定，在武汉蔡甸火神山医院之外，再建一所“小汤山医院”——武汉雷神山医院，新增床位1500张，总建筑面积7.9万m2，必须在12天时间内完成，这道非同寻常的抗疫军令下到了中南建筑设计院设计股份有限公司。

临危受命的中南建筑设计院勇担国企使命，当晚，公司党委书记、董事长李霆、党委副书记、总经理杨剑华迅速召集40余名精兵强将（涵盖建筑、结构、给排水、电气、暖通、造价等专业），火速组建设计团队，并与项目各相关参与方紧急讨论，进行技术策划，迅速制定了采用装配式钢结构建筑设计建造方案，不到一天时间，施工队伍进场，争分抢秒，按期保质完成了一项不可能完成的巨大工程建设。

装配式建筑具有标准化设计，工业化生产，装配化施工，一体化装修和信息化管理等特征，它具有“四节一环保”的优势，是当前国家绿色建筑的主要抓手。中南建筑设计院较早开始装配式建筑设计和科研工作，2015年便联合国内许多知名企业，在装配式混凝土建筑、装配式钢结构建筑等领域开展广泛合作。先后主编、参编了多部国家、省市装配式建筑的相关标准，是中国工程建设标准化协会《模块化装配整体式建筑设计规程》、《模块化装配整体式建筑隔震减震技术标准》、《模块化装配整体式建筑施工及验收标准》等技术标准的主要编制单位。公司成立了工业化建筑工程技术研究中心，对装配式建筑工程应用的许多课题进行研究。几年来，先后承接了数十项装配式建筑设计项目，在装配式建筑领域获得了丰富的设计、科研成果。此次武汉雷神山医院的火线设计正是在这样的技术储备基础上进行的。

武汉雷神山医院，采用装配式钢结构建筑设计建造。医院主要包括医疗用房区、医护保障区、医疗辅助区等几个功能区，整体按照传染病医院标准设计。 在极短时间内，设计团队充分利用装配式建筑的独特优势，在优化总体平面布局后，在装配式建筑的结构系统、外围护系统、设备管线系统和内装系统上，按照工业化快速建造的要求进行模块一体化集成设计，利用BIM信息化管理技术，在各个参建方的共同努力下，顺利完成了这样一个全球关注的特殊工程项目建设。

表1 项目特征分析

表2 项目难点分析、对策及措施

2 技术策划

装配式建筑项目能否顺利实施？在最初的设计阶段，与项目的主要参与方共同进行技术策划是关键，对武汉雷神山医院这样的特殊项目更是如此。公司设计团队特别重视特殊条件下技术策划工作，凭借自身装配式建筑设计经验和模块化装配式建筑技术实力，迅速召集项目各参与方全面分析该项目的特点、难点及关键点，通过细致分析各种相关影响因素，寻找合适的项目技术策略（表1）。

通过分析上述特点，剖析项目实施的难点，寻找相关对策和措施（表2）。

通过连夜奋战，一张清晰的武汉雷神山医院建造的战疫蓝图呈现在大家的面前，按照这个技术策划方案，各专业各部门立即开始了紧张的设计施工工作。

模块式钢结构和轻钢结构建筑，工业化程度高，方便快速施工，是典型的装配式钢结构建筑。

3 装配式建筑技术集成

3.1 建筑设计（图1～2）

按照前面的技术策划，整个工程要在极短的时间内完成，需要围绕整体项目进行功能分区设计。建筑功能包括隔离医疗区、医护生活区、综合后勤区三大分区，其中隔离医疗区又分为病房、接诊室、ICU、医技房、正负压站、液氧站、污水处理站、垃圾焚烧站、污染品暂存库等功能分区。按照模块装配式建筑设计理念，这些细分功能区中的主要部分可以进行标准单元模块化分解，然后进行整合归并，按相同模块进行组合拼装。整个隔离医疗区呈鱼骨状单层分布。医护生活区包含10栋建筑，均按标准化设计，统一开间和进深，生活区后侧设有1栋专家楼、2栋后勤保障楼。隔离医疗区和医护生活区做到了相对独立，并规划了严格的医护、病患、物流、污物排放的布局，做到医患分流、洁污分流、互不交叉，满足高传染性医院的相关要求。

隔离医疗区设为单层建筑，既可以大面积铺开同步施工，又可以避免电梯的安装，节省工期。该区设有卫生通道单元、病区护理单元、医技单元、接诊区。按照功能区对净高不同的要求，分别采用不同的装配式建筑模式，护理单元为模块装配式集成设计单元；结合市场库存情况，可采购的主要尺寸为3.0m×6.0m，2.0m×6.0m的两种箱型模块，建筑平面根据此条件采用标准化设计，全部单元可以分解为两种基本单元，单元平面尺寸3000mm×6000mm及2000mm×6000mm，进行排列组合，模块单元的高度为2900mm，模块由主体结构、楼板、墙板、吊顶、设备管线、内装部品组合而成，模块构成功能集成的三维空间体，满足各项建筑功能要求和吊装运输要求。标准模块化设计是确保雷神山医院在极短时间内高质量建造的关键技术，具有以下优势：

①标准模块化通过模块组合，完全能够满足传染病医院复杂的功能要求；②标准模块化设计，是装配式建筑四大系统的集成，满足规范要求的各种要求，适应经济快捷；③标准模块化便于工业化大生产，在极短工期内，模块由十几家工厂同时提供，满足现场安装要求；④标准模块的连接构造，便于工厂统一制作，现场安装施工快捷；⑤标准模块的架空层设计，便于基础施工简便、设备管线安装便捷。

医技区为普通装配式钢结构建筑。 医护生活区包括宿舍区、办公区、餐饮区及清洁用品库。宿舍区10栋宿舍楼，均为标准化设计的1～2层装配式钢结构建筑，建筑高度为7.5m；1栋1层专家宿舍楼，建筑高度为4.5m。宿舍区总建筑面积为14000m2，建筑平面布置以墙板宽度1820mm为模数，标准房间单元平面尺寸为3640mm×5460mm。该分区的大部分建筑位于原来军运会的场馆内，由标准化的轻钢装配式建筑建造，快捷，技术成熟。

图1 项目整体鸟瞰图

3.2 结构系统（图3～4）

模块装配式钢结构建筑是技术高度集成的装配式建筑，工业化程度远高于其他类型，可以大幅度提升装配率指标，国内外都获得广泛的应用。中集集团开发利用集装箱建成单层或多层模块装配式建筑；上海、南京、雄安和深圳都有模块装配式钢结构建筑展示。在技术标准研究方面，天津大学、同济大学、广州大学及中南建筑设计院股份有限公司等单位分别主编了模块装配式建筑的国家或者行业标准。国内众多的钢结构制作企业开发研究了模块箱式房屋的加工制作技术。中南建筑设计院利用模块装配式建筑技术先后进行了武汉市洪山区交通岗亭、中南工程设计集团可拆卸式停车塔、某住宅区可拆卸式售楼部等工程设计的实践。正是在这些技术研究应用的基础上，迅速开展了武汉雷神山医院的模块装配式建筑设计应用。

图2 项目功能模块分区图

图3 隔离医疗区病房模块单元组合

武汉雷神山医院工程设计中，针对隔离医疗区、医护生活区不同的建筑功能和空间特点，分别采取了模块装配式钢结构和普通装配式钢结构两种形式。

（1）模块装配式钢结构

隔离医疗区的病区护理单元具有典型的标准模块化的特征，故采用模块装配式钢结构建筑体系。

这种模块箱式单元采用钢结构骨架和彩钢复合板墙体，结构整体性强、承载力高、抗风抗震、安全适用。模块箱式单元可单独使用，能根据使用需求进行多元化组合，自由拼接，通过水平及竖直方向的不同组合拓展形成宽敞的使用空间，垂直方向还可以叠层，形成多层模块装配式建筑系统。本项目仅使用单层模块组合，使用的总模块数达到3190余个。

模块装配式箱体为钢框架结构，主框架梁柱均为冷弯型钢焊接组成，6个面内均焊接有间距500～1200mm冷弯型钢，确保墙板、顶板和底板的的强度和稳定。其典型构造参看图5～7。

图4 隔离医疗区病房模块单元组合

图5 典型模块标准箱顶结构布置图

图6 典型模块标准箱底结构布置图

图7 病区护理单元模块箱式房现场安装

图8 隔离医疗区医技区局部平面

图9 医技区结构形式示意（Midas分析模型）

（2）普通装配式钢结构（图8～10）

a 隔离医疗区的医技区域层高为4.3m，平面柱网不统一且局部跨度达到18m，采用前面所述的模块装配式钢结构建筑不能满足要求，故选择采用普通装配式钢结构建筑，采用钢框架结构体系。

b 医护生活区为两层，根据建筑平面和空间要求，采用了普通装配式钢结建筑体系，俗称轻钢活动板房体系，其主体结构单元为轻钢结构框架，为了保证结构抗水平力，框架间设有交叉拉索。形成了以框架-支撑双重抗侧力体系，增加了结构的抗侧刚度和结构的安全性能。框架-支撑体系的交叉拉索在建筑围护墙的外侧，不影响建筑立面设计、门窗布置。框架结构平面布置灵活多样，无需承重墙，为建筑提供较大的室内空间。

楼面支承体系采用轻型钢桁架或H型钢梁，其上铺设结构板；屋盖及墙体围护采用夹心彩钢板。活动板房技术体系成熟，采用标准化模数化生产，安装和拆卸非常方便及快速，作为临时应急建筑具有明显优势，能保证建筑的各项功能性需求（图11～12）。

3.3 外围护体系

武汉雷神山医院采用了两种类型装配式建筑。对于模块装配式钢结构建筑，外围护体系是与模块箱体房屋建筑、结构、设备和装修等功能一体化集成设计的，并由工厂一体化制作。尽管这些制作工厂多达十几家，各家的箱体制作工艺及构造也不完全相同，但基本的功能都是按照国家标准规定参数设计制作的。采用的围护材料大都是彩钢板饰面，内含玻璃丝保温棉等填充材料，构成复合的墙板、顶板和底板，箱体屋面带有防水保温系统， 在四角暗置了排水系统。

图10 隔离医疗区医技区现场安装实景图

武汉雷神山传染病医院，除了遵循一般外围护系统的标准要求外，还有严格的气密性要求，防止对周边环境的污染。单个模块式箱体在工厂按标准制作，其外围护墙体的气密性能够满足要求，但在箱体拼接成更大的开间时，要跨越箱体外墙板接缝，这个时候，对接缝的处理就特别重要，箱体间的缝隙用泡沫胶填充密实，墙板上开孔与拼接的缝隙，先用密封胶封闭，再覆盖铝箔，确保气密性的要求。

这种箱体围护墙材，为标准化部件，与主框架梁柱有灵活的连接方式，这些墙板可以在工厂一体化组装，运输到现场，也可以在现场临时组装，方便拆卸，便于施工（图13）。

普通装配式钢结构建筑，首先，在工地现场将轻钢框架安装好，再安装围护体系，外围护结构为岩棉复合板，型材尺寸：1820x950x100（长、宽、厚）。岩棉复合板是选用两层高品质的彩色涂层钢板或其他精密压型的金属板材做面板，成型后的板材具有优良的防火、保温、环保等特点。

门窗是保证建筑保温隔热、采光通风的重要外围护构件之一，门窗外围护结构设计中，其外门设置减震构造，增设减震橡胶条，两侧壁板对称设计，从而减少门窗变形，增强建筑结构安全。

3.4 设备管线系统

图12 医护生活区施工现场

装配式建筑对设备各专业的设计要求体现在标准化设计、设备及管线一体化模块集成及管线分离等方面。而传染病医院区别于一般医院的关键是对给排水系统和通风系统有严格控制，避免对医护人员的二次污染。武汉雷神山医院遵循设备与管线一体化集成理念，结合BIM技术的应用，实现给排水、暖通和电气机电专业装配式建筑全过程标准化、模块化设计，为极短时间内大量的设备及管线安装提供方便。

（1）标准化设计

本项目机电设备及管线采用标准化设计，设备管线、部件、接口尺寸实现标准化、系列化，确保采购便利、部品部件通用性强、互换性强，安装快捷。

a 给排水设计和安装采用标准化，为保证各功能区域正常运行，防止医患之间的交叉感染，病区与非病区的室内外给水、排水（包括排水通气）管必须独立设置，不得混接错接，隔离病房区卫生间和隔离间设计成一个标准的卫生单元（图4，图11），医护宿舍内卫生间采用淋浴房，专家楼采用整体卫浴等多种形式的集成式卫生间，这些集成式卫生间采用干式工法装配施工，由工厂生产的楼地面、墙面（板）吊顶和洁具设备及管线等进行集成设计，在其吊顶和架空地板内铺设排水管道，吊顶空间内安装电气管线、设备及风道。每个模块单元雨水单独标准化收集，在模块箱体屋面4个角分别设DN50雨水排水管排至箱体地面以下的架空层。

b 本工程工期短，而暖通专业风管安装工程量非常大。设计上80%以上的通风空调风管选用标准化成品PE管道，采用的管道规格根据系统的划分计算确定，干管不做变径。现场仅需与支管简单的电熔连接，安装便捷，大幅缩短风管的采购及施工周期（图14～15）。

负压隔离病房通风设备采用成品箱式离心风机，设备出厂前已将风机、电机及减震器集成至一个箱体内，现场可快速与风管连接。新风系统过滤采用的粗效、中效及高效过滤器也在生产工厂内集成为一台高效过滤单元，无需现场各部件逐一拼装。

（2）模块化集成设计

借助BIM技术，机电设备及管线采用模块化集成设计，其优点是可实现工厂化生产，装配化安装，提高建造效率。同时，大幅度减少施工垃圾和噪音、粉尘、甲醛等毒害气体，主要体现在以下几个方面：

图11 医护生活区典型单元

图13 典型模块单元围护构造示意图

图14 屋顶干管与病房连接管线实景图

图15 隔离病房BIM设计效果图

a 给水蓄水箱采用装配式水箱，模块化设计，全部采用断流水箱供水。给排水设备与管线与主体结构相分离，方便维修更换，且在维修更换时应不影响主体结构。

b 标准负压隔离病房采用模块化设计。暖通专业根据负压隔离病房的要求，结合送风、排风系统气流组织的技术特点，进行了CFD模拟（图16）。根据模拟结果，精确定位室内送风口与高效排风口的位置。同时，预埋预留分体空调室内机、室外机支架和所有外接的穿墙、板套管。隔离病房内采用设备带集成氧气、负压吸引、压缩空气医用气体终端以及开关、电源插座、呼叫等终端（图17）。采用模块化设计，病房内通风装置、医用气体终端自成模块，实现工厂预制安装，现场只需要与大系统干管对接，以及分体空调的室内、外机快速连接。

c 负压手术室自成单元模块。手术室的净化空调系统、通风空调系统风口、医用气体设置结合手术室其他设施、设备，采用机电一体化集成设计，手术室自成模块（图18）。其中，过滤及通风部件采用装配式构造，高效过滤送风单元集成至吊顶内，空调回风口及过滤器集成至装配式墙面内，空调采用成品单元式空调机组，手术室实现整体模块现场拼装。

d 采用箱式变电站及箱式静音柴油发电机组，相比室内机房而言，由工厂提前加工预制，更方便施工和快速就位，检修也方便安全。雷神山医院共设计有28台室外箱式变电站（合计17720kVA）及11台室外箱式柴油发电站（合计6870kVA）。箱式变电站及箱式发电机组的单台容量为400～800 kVA。

（3）管线分离设计

本项目采用管线分离设计，给排水、通风空调和电气设备管道与主体结构分离，干法施工。其中，医院负压隔离病房通风空调干管设置在箱式房屋面，医技用房干管设置在公共区吊顶内。风机及空调设备设置在屋面或清洁区机房内。病房内医用气体管道与墙体分离，安装在设备带内（图19）。管线分离是装配式建筑重要的设计内容，合理的管线分离设计，便于维护和检修，不影响主体结构安全。

室内电气设备安装，由于本项目的墙体为夹芯钢板，不适合设备的嵌入式安装，同时，为节省工期，房屋结构都是先于电气开始安装，电气设备也来不及预装，所以雷神山医院的的电气设备及器件均为明装。电气管线也是在房建之后采用明敷设方式，施工快速，也便于检修。线槽及穿线管均采用不燃型材料，开口处及穿墙的墙缝均应严密封堵，防止交叉感染。医技区等有吊顶的场所，灯具均采用吊顶嵌装，顶板管线也在吊顶内敷设。

图16 隔离病房通风环境流动轨迹CFD模拟

图17 隔离病房设备安装实景图

图18 手术室高效送风单元及回风口集成图片

3.5 内装系统

按照国标《装配式建筑评价标准》的要求，装配式建筑首先要求全装修，避免建筑材料浪费和产生大量建筑垃圾和扬尘，体现绿色、“四节一环保”的理念。武汉雷神山医院的建设仅用了12天的时间从设计到施工到装饰装修全部完成，及时交验给医疗单位一座绿色、可以立即投入使用的现代化传染病医院，正是装配式建筑的工业化内装系统技术发挥重要作用。

装配式建筑的内装设计遵循建筑、装饰、部品一体化设计原则，采用工业化生产的内装部品，实现集成化的成套供应。通过优化参数、公差配合和接口技术，提高部品构件互换性和通用性。装修部品具有可变性和适应性，便于施工安装、使用维护和改造等要求。雷神山医院正是本着这样的设计理念，模块装配式箱式房屋，从建筑、结构、装饰、部品一体化设计到工厂一体化建造，现场直接安装，局部适当调整即可交付使用，为医院的及时完成起到关键作用；医技区和生活区的普通装配式钢结构建筑的围护板材也都是工业化生产的保温装饰一体板，安装连接方便；医院各个区域的卫生间按工业化部品安装，淋浴房大都采用整体淋浴房；大多数机电设备实现集成化的成套供应；这些部品、构件在工地安装方便，为极短工期完成7.9万m2的装配式建筑创造了条件（图20～21）。

图19 隔离病房设备带终端集成图

3.6 信息化管理与制作安装

利用数字化模拟建造的方式进行装配式建筑设计和施工，可提升装配式建筑的设计和生产效率。采用BIM技术将建筑和结构构件、机电设备进行集成和归类，直接指导工厂制作。同时利用BIM技术的可模拟性对现场施工进行模拟，寻找最佳拼装施工方案，可大大提高现场的拼装效率，加快施工速度。对雷神山医院这样“时间就是生命”的项目，信息化管理尤为重要。

图20 A区隔离病房内景

BIM技术在建筑工程的应用发展很快，如设计全专业三维建模出图；建筑工程量统计，实现可视化交底，4D施工模拟过程；建立建筑构件、部品标准族库，建立的标准族库方便后续项目的使用，提高效率。随着资源资料的积累和设计人员对BIM技术的认知和熟练掌握程度，会快速推动建筑工程应用数字化的发展。装配式建筑与BIM结合，为设计到施工和运维管理提供了很好的模式。雷神山医院设计施工时间太短，来不及BIM全模型正向设计，但在医技区装配式钢结构的主体结构设计时，设计与钢结构制作单位紧密配合，通过先进的设计软件，直接将设计模型与工厂生产的数据对接，施工图即为加工详图，直接导入车间生产，节省了大量宝贵的时间。

在时间紧、任务重的紧急条件下，设计、施工、制作与安装高度协调与配合。设计遵循标准化、模数化与集成化原则，尽可能的地利用成熟工业化产品体系。充分考虑现场施工条件，工期、加工运输、人力设备、材料供应、现场施工，确保实施可行性。装配式形式的选用上取长补短，针对建筑功能和施工条件，选择了集成箱式、活动板式和钢结构结合的多种装配式体系。因地制宜灵活利用场地条件，采用快速硬化地坪的方式，并利用钢支墩、条基与筏板等多种基础形式，解决制约装配式施工进度的关键问题。施工过程配合中，随机应变采用诸多变通方法，如采用贝雷梁替换原架空层结构，并针对柱脚安装等问题进行了处理。在此过程中，也积极采用先进的信息化管理（BIM技术）解决本项目千军万马交叉作业的矛盾。

图21 隔离医疗区病房外廊道

雷神山医院能够顺利完成得益于中建三局的施工总承包单位卓越的统筹管理能力；得益于来自全国的装配式钢结构制作单位、模块装配式钢结构建筑的许多厂家强大的专业生产能力，高效组织，运输能力和合格的产品质量保障。

结语

①在极短工期内顺利完成武汉雷神山传染病医院的建造，设计采用了模块装配式钢结构建筑模式，通过高度技术集成，实现建筑、结构、设备及内装一体化建造，优质、快捷、高效。武汉雷神山医院多种创新技术的成功应用充分说明模块装配式建筑体系强大的应用价值和未来巨大的发展空间；②结构与基础形式的多种灵活选择，为整个工程的顺利实施赢得了宝贵的时间；③装配式建筑设备管线系统的标准化、模块化和管线分离设计，在雷神上医院获得了成功的应用，效果良好；④装配式建筑设计、施工、制作与安装高度协调与配合的一体化建造模式，正是中国建筑业转型与升级的发展方向，设计与施工联合的工程总承包（EPC）模式能使工程项目实施全过程高效运作，武汉雷神山医院的设计与施工一体化，充分显示出这种模式的强大生命力；⑤建筑业的发展必须适应市场的需要，武汉雷神山医院的建造，是挽救生命的抗疫需要，英雄的建设者们奉献出了非凡的创造力。通过本项目的总结、优化与提高，可以获得更好的应用。比如，针对不同分类的应急医院，可以选择不同的模块装配式建筑箱体单元，适应普通医院、传染病医院不同的要求。对方舱医院，也可以依据是否传染性配置不同类型的箱体，确保方舱医院的运行安全。在未来更加广阔的应用领域，如战时医院、地震棚、临建工棚、新农村建筑、文化街等许多不同类型建筑领域，装配式建筑将会用它独有的技术优势发挥更加巨大的作用。