病房改造工程物理環境優化設計探析
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摘要：2020年北京市衛生健康委員會批準了示范性研究型病房項目，北京大學第一醫院對位于第三住院部的7層和1層進行改造，建成研究型病房（Ⅰ期）和臨床試驗機構辦公室。為了給予研究和試藥更好的體驗，在改造過程中采用Ecotect軟件對第三住院部氣候條件進行分析，得到了每年極端氣象的最值；通過焓濕圖確定了每個季節不同的節能方案；根據建筑朝向確定了建筑的布局；根據自然采光分析，優化照明方案，并確定優化后的采光系數。經過Ecotect軟件的分析為病房的改造設計提供了重要的決策支持。
關鍵詞：研究型病房；物理環境模擬；Ecotect軟件；優化設計
0引言
北京大學第一醫院是北京市衛生健康委員會批準的示范性研究型病房之一。為建設研究型病房（Ⅰ期）和臨床試驗機構辦公室，擬在第三住院部1層及7層進行改建，1層主要由藥物臨床試驗機構辦公室和受試者篩選區組成。篩選區分為2個房間并配備護士站，男女受試者分開進行心電圖、體格檢查等涉及到隱私的操作，受試者生命體征、血樣采集等操作可以同時在該區域內完成。篩選區同時滿足受試者門診隨訪的需要。7層為醫療區，主要進行藥理基地的信息化及團隊的建設，開展Ⅰ期臨床試驗技術研究。隨著我國建筑行業的快速發展，在設計階段引入新興的軟件，在建筑方案設計階段對光、熱等物理環境進行分析，可以輔助功能區布置和節能方案選擇。研究型病房是為人體進行藥物的系統性研究而建，北京大學第一醫院研究型病房改造項目，地點位于北京大學第一醫院第三住院部，地址為北京市東城區安內大街車輦店胡同15號。東經116．4°，北緯39．9°，建筑坐北朝南。
1建設基本情況
研究型病房改造項目位于第三住院部的1層和7層，涉及總改造面積為1700m2。根據使用需求和改造范圍，確定了初步基本使用需求，見表1。研究型病房設計工作主要需要滿足以下5個方面的需求：1）實現臨床研究與病房相結合的平面布局；2）提供舒適的試藥環境；3）滿足臨床研究的試驗使用需求；4）建設智能信息化的研究平臺；5）對受試者進行獨立管理。為了滿足研究型病房的設計工作，需要對研究型病房的物理環境進行分析。
2北京地區氣候分析
建筑空間的改造過程中需對場地的地域熱分析、風分析和日照分析。基于研究型病房的設計理念和使用需求，整合所處西區的氣候資源，進而設計出更加合適的室內布局，滿足使用需求。根據北京的氣象數據基本資料，通過Ecotect軟件進行分析［1－3］，得到北京大學第一醫院第三住院部建筑所在地的氣象分析，根據所在地每小時的氣溫、相對濕度、絕對濕度、露點溫度、濕球溫度、風速、風向、水平輻射量、擴散輻射量、直接輻射量、云量和雨量，經過軟件分析得到追月、追日氣象數據。得到全年的氣象數據見表2。風向分析如下。1）25～30km／h風速在全年內出現的時間均小于32h。2）風速大于40km／h的時間小于32h。3）主要的風向為東南風。
3利用焓濕圖進行節能分析
焓濕圖可以確定空氣的狀態，可根據4個基本參數：溫度、含濕量、大氣壓力和水蒸氣分壓力與熱環境的關系分析空氣的狀況，進而更加直觀地確定室內外的環境和舒適區的偏離程度［4－9］。以干球溫度作為自變量，絕熱溫度作為因變量。選取3種方案，利用焓濕圖中舒適區域的百分數對比節能情況。3種方案見表3。根據圖1可知，在自然條件下，在12月到次年2月和7—8月期間，舒適百分比較小。因此需要采用主動式的供暖和制冷方式調節舒適性。在過根據北京的氣象數據基本資料，通過Ecotect軟件進行分析［1－3］，得到北京大學第一醫院第三住院部建筑所在地的氣象分析，根據所在地每小時的氣溫、相對濕度、絕對濕度、露點溫度、濕球溫度、風速、風向、水平輻射量、擴散輻射量、直接輻射量、云量和雨量，經過軟件分析得到追月、追日氣象數據。得到全年的氣象數據見表2。渡季節，采取自然通風對于增加焓濕圖中的舒適區域效果非常明顯。因此在后期使用過程中在12—2月和7—8月期間給予充分的能源供應，在過渡季節增加自然通風。在外墻中設置保溫材料，對舒適區域百分比的變化不大。
4朝向分析
建筑的朝向分析主要是通過熱輻射信息進行綜合分析。Ecotect朝向分析的理論基礎是根據熱輻射［10－13］，其認為在過冷的時間內得到的輻射量較多，在過熱的時間內得到的輻射量較小就是最佳朝向，反之是最差朝向。首先對建筑所在的朝向進行分析，結果如圖2所示。經過最佳朝向分析可知，最佳朝向為南偏東17．5°，最差朝向是東偏北17．5°。右下方的顏色越深代表朝向越佳，左上方顏色越深代表朝向越差。第二步是結合最佳朝向分析圖，進行平面布置。根據病房管理需求，將受試者病房放置在最佳朝向的區域，能夠提升受試者的舒適程度，進而對整個研究起到積極的作用，將其他類用房按照核心程度進行劃分，除病房外核心區域是采血區，采血區是受試者在進入7層后需要停留的第一站，可以給予受試者最好的第一印象。從使用角度來看，使用頻次較低的用房———試驗藥房、樣品處理間和會議室等對朝向要求不高，因此可圍繞在最差朝向放置。按照同樣的思路對1層的建筑進行布置，由于在1層的改造過程，最佳朝向的部分沒有進行改造，考慮圍繞最不利朝向進行布置，將會議室和督查辦公室放置在最不利區域。
5采光模擬
根據醫院建筑以往數據分析得到，醫院建筑中照明用電占據某單一樓體的18％左右。為了更加節約照明成本，對1層和7層分別進行了采光模擬。根據1層的自然采光分析，結合改造中窗戶的布置，可很好地滿足藥房中藥片避光儲存的需求，因此將藥房放置在此區域。根據采光分析后，布置燈具的位置，采用最佳的布置方案后，1層的采光得到很大的改善。采光系數的范圍在54％～74％左右，大多數區域的采光系數在62％以上。可以滿足使用需求。7層自然采光系數在0～20％之間，由于7層是在原有的樓層進行加蓋，因受建筑布局的局限，改造時采光條件較差，在窗邊的采光約為6％～12％。相比較1層而言，7層需要更多的照明裝置。采取照明方案后，7層采光系數增加到了54％～74％之間，是原來的3倍左右，滿足了規范要求中各個功能用房的采光需求。通過模擬建筑單層立面的日照分析時長，對后期房間的窗簾材質選擇提供了基礎數據。
6結語
采用Ecotect軟件對現有氣象數據進行剖析，對焓濕圖和建筑的朝向、采光進行模擬，在不改變原有建筑外立面和空間結構的情況下，基于研究型病房建設的設計實際需求，更加合理地進行了房屋的布置，為研究型病房的研究者和受試者提供了一個更加舒適的環境。
作者:李思童 陳鵬 鹿澎 劉驍 張雨霏 單位:北京大學第一醫院 首都醫科大學附屬北京友誼醫院