BIM技术在综合医院医疗气体专项深化设计建模排布中的应用

鲁璐 孔阳 刘全军 肖世沪 杨小忠
（中国建筑第五工程局有限公司 江西九江 332599）
摘要：本文通过建立综合医院的三维模型，利用BIM软件进行设计建模，可以有效优化医疗气体系统的设计和排布，提高施工效率和设备运行安全性。

详细介绍了BIM技术在医疗气体系统设计中的应用流程和关键要素，包括气体管道网络走向确定、设备选型与安装以及管道连接方式的确定等，可为综合医院医疗气体系统的设计提供科学、高效的方法和技术支持。

关键词：BIM技术 综合医院 医疗气体 专项深化设计 建模排布
中图分类号：TP231 文献标识码：B 文章编号：1002-3607（2023）12-0055-04
BIM技术在综合医院医疗气体专项深化设计建模排布中的应用
在综合医院的设计和建设中，医疗气体系统的规划和排布是至关重要的环节[1]。

医疗气体系统涉及到各种关键气体（如氧气、笑气等），对医院的正常运行和患者的治疗起着至关重要的作用[2]。

为了确保医疗气体系统的高效运行和安全可靠，传统的设计方法和手段已经不能满足日益复杂的医疗设施的需求[3]。

BIM技术作为一种基于数字化建模的集成化设计和管理方法，能够将建筑设计、施工和运营过程中的各种数据和信息集成到一个统一的模型中。

在医疗气体系统的设计中，BIM技术能够帮助设计团队更好地理解和分析医疗气体系统的需求和约束，优化设计方案，提高设计效率和准确性[4]。

通过建立综合医院的三维模型，BIM 技术将建筑结构、楼层布局、气体需求量等数据整合到模型中，并通过模拟和分析功能进行系统的优化和评估。

在设备的选型和安装中，BIM技术可确定设备的最佳位置和连接方式，确保操作和维护的便利性和安全性；在设计过程中，BIM软件提供的碰撞检测功能能够帮助设计团队及时发现并解决管道和设备之间的冲突问题，提高设计的一致性和协调性。

因此，引入BIM技术成为一种创新的解决方案，为综合医院医疗气体专项深化设计建模排布提供了新的思路和方法。

1 工程概况
该项目是一家三乙综合型医院，计划进行医疗气体系统的专项深化设计建模排布项目。

该项目旨在确保医院的医疗气体系统满足安全、高效和可持续的要求，以支持医疗服务的顺利进行。

建筑总面积为106,777.68m2，其中住院楼为地下一层和地上十一层，共12层。

地下一层用作医疗气体储藏区和管线布置，地上十一层包括手术室、重症监护室、病房和其他医疗区域。

建筑材料设计要求使用C45~C30级别的混凝土，HRB400级别的钢筋。

手术室需要每小时10m3的氧气供应和8m3的氧化亚氮供应。

从气体储藏区到病房楼的管道长度为200m，不同类型病房之间的管道长度为30m。

2 综合医院医疗气体专项深化设计建模排布的关键要素
综合医院医疗气体专项深化设计建模排布涉及多个关键要素，其中的部分要素如下：
（1）医疗气体需求。

确定医院各个功能区域对氧气、氧化亚氮、压缩空气等医疗气体的需求量和压力要求。

这涉及到了各个病房、手术室、重症监护室等区域的气体使用情况的评估和规划[5]。

（2）管道布局与管线设计。

根据医疗气体需求数据，设计合适的管道布局，确保医疗气体可以安全、高效地输送到各个功能区域，包括管道的路径规划、管径选择、管线长度计算等。

（3）设备选择与布置。

根据医疗气体需求和管道布
局，选择合适的气体发生器、压缩机、净化设备等设备，并进行合理的布置，涉及到设备的型号、规格、功率等参数的评估和选择[6]。

（4）安全与规范要求。

确保医疗气体系统的设计符合相关的安全和规范要求，如医院气体系统安全规程、防火安全要求等，包括设计合适的安全阀、漏气报警系统、防火阀等安全措施。

（5）环境要求。

考虑医疗气体系统所处的环境要求，如温度、湿度、通风等因素，确保系统能够在适宜的环境条件下正常运行。

（6）结构工程。

医疗气体系统的布局需要考虑到建筑的结构工程因素，如柱、梁、板的位置和尺寸，地
基和基础的设计要求，以确保系统的稳定性和可靠性。

（7）消防系统整合。

医疗气体系统的设计要与消防系统进行整合，确保在火灾发生时能够安全地停止气体供应，并提供合适的灭火措施。

以上关键要素是综合医院医疗气体专项深化设计建模排布中需要考虑的重要方面，其具体实施和细节应根据项目的具体要求、法规和标准进行详细的研究和设计。

3 BIM技术的重点应用
在众多综合医院医疗气体专项深化设计建模排布的关键要素中，BIM技术被重点应用在管道布局与管线设计中，因此重点介绍确定气体管道网络走向、气体设备的选择及安装以及明确管道连接方式三个部分。

3.1 确定气体管道网络走向
使用BIM技术可以辅助确定气体管道网络走向。

首先收集医院的建筑平面图、立面图和相关工程数据，包括房间布局、气体需求量和压力要求、建筑结构、设备位置等。

其次使用BIM软件创建三维模型，在平面图的基础上创建医院的三维模型，确保模型准确地表示建筑物的几何形状、楼层分布和房间布局，具体三维模型见图1。

根据图1可知，使用BIM软件参数化建模功能定义墙体、柱、楼板等长度、高度和厚度等参数，并设置允许的数值范围，定义建筑元素材料属性。

在模型中添加和编辑楼层，定义截面形状和曲线路径，确保模型能够准确反映医院建筑元素之间的关系。

BIM模型中在每个房间或区域上定义气体需求，包括氧气、氧化亚氮和压缩空气的需求量和压力要求。

根据GB 50751-2012《医用气体工程技术规范》需求和相关规范，使用公式计算每个房间的气体需求量，气体需求量计算公式如式（1）所示：
Q C A
=× （1）式中：Q—气体需求量，L；C—需求系数；A—每单位面积需求量，L。

根据气体需求和建筑结构，使用BIM 软件确定气体管道的走向，具体步骤为：
（1）确定气体源点。

确定气体储藏区的位置，该区域将是气体管道网络的起点。

（2）确定气体传输路径。

根据气体需求和建筑布局，确定气体传输的路径，考虑到最短路径、避免冲突和最小化管道长度等因素。

（3）考虑建筑结构。

在确定管道走向时，要考虑建筑结构的限制，确保管道可以穿过墙壁、地板和天花板，并避免与其他管道、电气系统和设备冲突。

（4）优化管道布局。

使用优化算法或模拟软件进行管道布局的优化，考虑到气体流量、压力损失和管道尺寸等因素，以获得最佳的管道网络设计。

该工程中，使用无缝钢管作为气体管道材料，管道直径为25mm，管道流量为80m3/h，压力损失P的计算公式如式（2）所示：
2
2
L V
D
Pξρ
∆=×××
（2）式中：ξ—管道摩擦系数；L—管道长度，m；D—管道直径，m；ρ—气体密度，kg/m3；V—气体流速，L/h。

根据计算数据进行BIM建模优化，对气体管道网络进行模拟，以评估气体在管道中的流动情况，帮助检测潜在的
图1 医院三维模型示意图
问题，如压力降、速度异常等，并优化管道设计，确定气体管道网络走向。

3.2 气体设备的选择及安装
设备选型和规格的确定是综合医院医疗气体专项深化设计建模排布中的重要步骤。

根据医院的需求和功能区域，确定所需的气体设备类型和数量，本工程中，根据医院的规模和床位数量需要10台吸氧设备、5台氧气发生器和3台氧化亚氮发生器。

考虑每个设备的气体产量、压力要求、纯度要求以设备的需求等，气体设备选择见表1。

安全需求；根据评估结果，调整设备的位置和朝向，改善维护和操作的便利性。

基于评估结果，进行必要的优化和调整，可能需要多次模拟和调整，直至找到最佳的设备放置方案。

考虑设备之间的相互影响和冲突，确保设备的布局和空间使用最优化。

3.3 明确管道连接方式3.3.1 BIM中三维模拟仿真
在综合医院医疗气体专项深化设计建模排布中，明确管道连接方式是确保气体管道系统正常运行的重要环节。

根据医院的需求和相关规范，确定气体供应点（如氧气发生器、氮气发生器）和气体需求点（如手术室、病房）的位置和数量。

使用BIM软件，在医院的三维模型中进行管道连接设计。

将管道与供应点和需求点进行连接，并确保连接点的准确性和可靠性。

根据医院的平面布局和建筑结构，确定气体管道的布局，考虑管道的走向、长度、高度差等因素确定管道的连接方式，该项目选择环路连接。

使用BIM软件的碰撞检测功能，检查管道连接是否与其他构件发生碰撞。

如有碰撞，进行调整以解决冲突，具体的碰撞监测流程如下：
（1）在BIM软件中创建包含气体管道连接和其他建筑构件（如墙壁、地板、设备等）的完整三维模型。

（2）在BIM软件中，设置碰撞检测的最小间隔距离、碰撞容差参数。

最小间隔距离是指管道连接与其他构件之间要求保留的最小距离，本工程中该距离应大于管道
图2 BIM软件气体医疗设备安装位置模拟
表1 气体设备选择
设备类型数量/套气体产量/（m³·h -1）
纯度要求
备用设备需求/台
吸氧设备10≥0.32氧气发生器520≥99%1氧化亚氮发生器
3
10
≥98%1
研究市场上可靠的气体设备供应商和厂家，并了解其产品线和技术性能，考虑供应商的声誉、产品质量、售后服务等因素。

对于每个设备类型，比较不同厂家的产品，并考虑其技术性能和可靠性。

对设备的气体产量、压力控制精度、能源效率等因素进行控制，确定合适的设备选型和规格，确保设备选型和规格符合综合医院医疗气体专项深化设计建模排布的要求。

确定设备后，使用BIM软件在医院的三维模型中确定每个气体设备的最佳位置，确保设备维护、操作的便利性和安全间距要求等。

在BIM模型中考虑气体设备的维护和操作要求，将设备放置在易于访问和维护的位置，确保维护人员能够轻松进入并操作设备。

使用BIM软件中的模拟功能，模拟设备维护和操作过程，以评估设备放置的可行性和便利性，具体的流程见图2。

首先确定设备的维护周期，如每月、每季度或每年进行维护；定义设备的维护内容，如清洁、润滑、更换零部件等；确定操作要求，如操作面板的位置、按钮和开关的高度要求等。

在BIM软件中创建设备的三维模型，包括设备本身和周围的空间。

根据设备维护和操作要求，将设备放置在合适的位置，并确保维护人员可以方便地进入设备空间；使用BIM软件中的模拟功能，模拟维护人员进入设备空间、操作面板和执行维护任务的过程。

通过模拟，评估维护人员进入设备空间的便捷性。

使用人体工程学原理（如人体尺寸和可达范围），来确定操作面板的高度和位置要求。

考虑设备放置位置的环境条件（如光照、温度和通风情况），确保环境条件符合维护人员的舒适和
直径的两倍，具体计算公式如式（3）所示：
Z min =Z ×G d （3）
式中，Z min —最小间隔距离，mm；G d —管道直径，mm。

医院医疗氧气管道的容差系数在0.5~1，参数根据项目需求进行调整。

（3）使用BIM软件的碰撞检测功能，运行碰撞检测。

软件将自动检测气体管道连接与其他构件之间的碰撞情况。

（4）根据碰撞检测的结果，识别出存在碰撞的区域和构件。

通过调整管道连接的位置、高度或大小等参数，解决碰撞问题，碰撞点监测见图3。

（5）在BIM软件中重新运行碰撞检测，确保解决方案有效，且不存在新的碰撞问题。

的合理性和监测的方便性。

例如，可以安置传感器设备以监测管道中的流量、温度和压力等参数。

通过合理选择传感器的位置和数量，实现对整个管道系统的实时监测和数据采集，从而提高系统的安全性和效率。

通过模拟分析和优化算法的迭代过程，评估不同排布方案的性能和效果。

包括管道系统的稳定性、流体动力学特性、设备维护和维修的便捷性等方面。

基于评估结果，可以选择最优的设备排布方案，并提供详细的设计建议和工程图纸。

通过以上的设备排布及特定房间系统的管道与设备连接模型优化，可以实现更合理和安全的管道布局，确保设备之间的充分空间和操作便利性，并提供方便的监测和维护手段。

有助于提高特定房间系统的整体性能和效率，为医疗机构和患者提供更安全和舒适的环境。

4 结语
通过利用BIM技术，在设计阶段对医疗气体系统进行全面的分析和优化，降低了后期施工和运行的风险和成本。

BIM技术不仅可以提高设计效率和准确性，还能够帮助设计团队和施工团队之间的协作和沟通，减少误解和冲突。

在BIM模型中确定气体设备的最佳位置、管道连接方式和碰撞检测，避免了后续施工中的问题和延误。

参考文献：
[1] 邱智铖.BIM技术在管线综合中的应用研究——以洛阳地铁1号线为例[J].中国新通信，2023，25（5）：67-69.
[2] 李晓宇.基于地下室管线装配施工的BIM建模优化设计技术[J].有色金属设计，2022，49（4）：48-52.
[3] 黄鑫.浅析BIM技术在公共建筑中机电深化设计[J].建筑技术开发，2022（S1）：144-151.
[4] 卢山.BIM技术在机电深化设计中的应用——以上海某综合体为例[J].居舍，2022（18）：87-89.
[5] 齐成龙.考虑预埋槽道的盾构隧道参数化BIM设计研究[J].铁道建筑，2022， 62（6）：120-124.
[6] 梁鹏.BIM技术在综合管线冲突中的应用[J].住宅与房地产，2021（24）： 189-190.
图3 碰撞点监测
3.3.2 优化走线布局
通过模拟分析，为特定房间（如手术室或病房）的管道与设备连接设计提供优化方案，旨在实现合理的设备排布和管道布局，并确保系统的安全性和可行性。

在优化过程中，不仅考虑设备之间的碰撞问题，还需要综合考虑整体排布的合理性以及监测和维护的方便性。

首先，利用计算机辅助设计（CAD）软件建立特定房间的模型，包括房间的尺寸、墙壁、门窗等要素。

然后，根据相关规范和设计要求，确定各种设备的安装位置和管道布局。

这包括确定管道的走向、连接点、弯头、接口等。

在模型中考虑设备之间的物理空间限制，以避免设备之间的碰撞。

通过模拟分析和优化算法，自动调整设备的位置和管道的路径，以确保设备之间有足够的间距，并避免任何冲突或交叉。

除了设备之间的碰撞，考虑整体排布。