如此复杂的质子医院,如何确保高质量施工?

11:15 - 08/12/2021 | 来自:中国医疗建筑设计师联盟

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广州泰和肿瘤医院质子区,如何基于BIM和三维扫描技术进行高质量施工?

/曹盈 余芳强 仇春华 陈家伟

 

质子治疗技术是国际上先进的癌症治疗技术之一,通过将放射剂量高度集中在肿瘤靶区,从而减少放射治疗对肿瘤前方和后方正常组织与器官的损坏[1]。根据质子放疗设备的防辐射要求,医疗工艺、电气、通风、给排水等专业管线应全部预埋在防辐射混凝土中,且点位精度必须高;普通的机电管线预埋施工技术和质量管控方法已不能满足质子区防辐射混凝土工程建造要求。

针对该问题,目前质子医院在建设过程中可以应用以下两种技术。第一种是建筑信息模型(BIM)技术。利用该技术可以通过三维可视化方式对建筑结构、机电管线进行深化设计[2],可以有效提升深化设计水平,目前该技术在医院建设中应用广泛[3-4]。但如何保证施工单位按照深化设计模型进行施工[4],如何对比分析已完成建筑实体与BIM模型的误差,仍缺乏有效手段[5-6]。第二种是三维激光扫描技术。该技术是通过激光扫描的方法,大面积、高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据,为快速建立物体的三维模型提供了一种全新的技术手段[7]。该技术具有不接触、快速、高精度、自动化等特性,在数字测绘领域应用广泛;但由于数字测绘设备价格高、点云数据处理工作量大、检测分析周期长等原因,三维激光扫描技术在建设工程质量检测中应用的并不普遍[8]

 

一、工程概况

 

    广州泰和肿瘤医院是由泰和诚控股与中山大学肿瘤防治中心合作成立并在美国MD安德森癌症中心指导下建设的、以质子治疗为特色的三级肿瘤专科医院[9],总建筑面积为43037m2,地下建筑(含质子区)面积为20009m2(图1)。

1 广州泰和医院效果图

质子区是质子治疗设备安装及运行的区域,为癌症患者提供质子治疗,是泰和医院的核心部分。质子区包含三个部分:加速区、粒子传输隧道及治疗舱。治疗粒子加速并被磁场引出后经过粒子传输隧道到达四个治疗舱(图2)。泰和医院质子区采用的ProBeam系统[10]全部使用笔形束扫描技术进行质子放疗,具有极高的肿瘤照射适形性,极大降低了对肿瘤周围正常组织的照射剂量[10]。该设备包括能量选择系统、束流传输系统和250MeV超导回旋加速器。加速器的直径仅3.2m,与同类多室质子治疗系统相比,具有占地面积小的特点[10]。这些精密设备对工程施工提出了很高的质量要求,大大增加了施工难度。

 

2 广州泰和医院质子区

二、基于BIM和三维扫描的施工工艺

第一,为了能准确安装精密的质子治疗设备,设备厂商限定了管线接口位置,预埋管线的精度必须在5cm以内,部分管线必须在1cm以内。

第二,质子治疗区内多个专业系统的各类管线数量较多,包括大量医用专业管线、电缆沟及上百个设备接口,尤其是粒子传输隧道周围的混凝土内埋设了400多根管道。

第三,设计方案采用防辐射混凝土,混凝土墙板的厚度最小为1.6m,最大为4.5m。将几百根管线穿越钢筋网架进行高精度预埋,施工难度大。常规的施工工艺无法确保管线预埋的精度。

针对以上问题,本文引入BIM进行深化设计,引入三维扫描进行管线施工质量监测,在封闭模板前对预埋管线进行多轮纠偏调整,以保证施工质量(图3)。

3 基于BIM及三维扫描的解决方案

 

三、基于三维扫描的施工质量检测应用实践

(一)基于BIM的结构和机电深化协调

针对管线在钢筋中精确预埋的难点,利用BIM技术在整个质子区结构模型中对管线和钢筋进行了深化设计,包括造型特殊的质子区异型柱(图45)。另外,在模型里面深化了代表现场标靶点的箭头,通过标靶点辅助BIM模型与现场点云数据的配准重合。在机电管线的深化上,考虑到与空间尺寸有关的所有因素,增加了管道保温层厚度(图6)。广泛布置的支吊架也会影响管线预埋,因此本文按照参数化方式对全区域支架进行布置(图7)。

 

4    全区域钢筋布置                        5 异形柱钢筋布置

 

6    综合支架设计、布置                         7 参数化机电支架

在钢筋和管线深化模型的基础上,利用整合模型确定预埋管线与支架是否与钢筋碰撞,及时调整管线走向或者钢筋(图8)。碰撞协调中遇到的主要问题是管线与主筋碰撞(图9)。由于调整主筋位置会影响结构受力性能,所以设计师要确认主筋、角筋的内收或移位。

 

8    钢筋及管线整合模型                          9 综合协调管线和钢筋关系

(二)三维扫描准备工作

在三维扫描作业前,要做好分析质子治疗设备的安装精度、选择合适的扫描设备、分析扫描系统自身误差、制定扫描路径、试扫描等准备工作。

根据精度要求,本文采用的三维扫描设备为FAROFocusS 350激光扫描仪,其技术参数如表 1 所示,配套软件为JRC3D

1  三维扫描设备技术参数

型号

设备用途

主要参数内容

FARO FocusS 350

现场扫描

工作方式为相位式;最大扫描距离为350m,扫描视场角为360度,扫描速度为976.000/;精度1mm

在系统误差方面,首先分析各项工作的误差(表2),然后通过对同一个区域进行多次扫描所获得的数据偏差进行验证。实践表明,现场未经过调整的管道得两次扫描结果的偏差在8mm以内,满足精度要求。

2 三维扫描误差分析表

因素

数值

允许误差

±50mm

配准点误差

±1mm

全站仪系统误差

±1mm

点云拼接(平均配准误差)

±3mm

手工选取点偏差

±5mm

为了提高扫描效率,扫描前应提前规划每个片区的扫描顺序,对管道统一编号,设计测站位置(图10);并通过4D-BIM进度模拟软件编制扫描计划,在施工前,对施工方案进行模拟、分析与优化,从而发现扫描和施工配合中可能出现的问题。


10 扫描测区规划、管组分类标记、扫描计划

(三)现场三维扫描实施

首先在扫描区域布置三维扫描标靶点,标靶点数量一般为3~5个,且不能全在一个水平面上。采用高精度全站仪测量各个标靶点的三维坐标,并在BIM模型中标示出标靶点位置。该步骤必须精确,否则会导致过大的测量误差。另外,为了降低施工环境对测量精度造成的影响,一般安排在深夜或者凌晨等无施工作业的时段,在钢筋上架设木板并放置标靶点,从而避免施工振动影响标靶点的稳定。为克服杂乱的现场环境影响,利用结构固定点设置扫描标靶点,同时复核标靶点坐标抖动情况并用草图记录现场测站的位置(图11)。

其次是固定扫描仪。为适应不同工序,建立了两套方案在混凝土地坪上或钢筋上固定扫描仪,并针对钢筋遮挡及脚手架遮挡进行方案细化(图12)。

最后,进行三维扫描并采集数据。每次扫描时间约为1小时,有密集脚手架的复杂区域则需要2~3小时。

11 标靶点布置                          12 钢筋、混凝土地坪测站布置、固定

(四)三维扫描数据处理

将三维扫描数据导出为.fls格式文件,将管道BIM模型导出为.dxf格式;然后导入JRC3D软件进行匹配和分析(图13)。两个模型通过配准点进行坐标匹配。JRC3D软件计算出平均配准误差,并生成包括水平误差和垂直误差的扫描报告。数据分析和报告生成一般需半个工作日。

13精确配准

14和图15为治疗舱的典型立面,扫描完成后将BIM模型与现场点云进行叠合,然后截取每个管口剖面的测量偏差。偏差报告包括扫描区域、管线编号、偏差值描述和图例等信息,方便工人直观地了解管线偏差,并根据报告进行整改(图16)。

 


 

14典型治疗舱立面叠合                 15治疗舱现场管线立面

16 质子区管线预埋偏差精度报告

现场扫描报告生成后,机电分包单位根据报告进行调整,调整后申请再次扫描复核。复核后,对依然不达标的管道继续调整和扫描检测,直到所有管道满足要求,才能封闭模板,进行混凝土浇筑。

 

四、效果与讨论

在试扫描阶段,由于对现场环境不熟悉,三维扫描的内业和外业处理需要两周时间,这大大增加了施工协作难度,会延误施工进度。因此,通过充分的事前准备和试扫描来缩短作业时间是十分有必要的,否则可能导致扫描的结果只是反映偏差,而来不及进行现场纠偏。只有将现场扫描和数据处理的时间进行压缩,才能把三维扫描纳入施工工序中。

这给扫描作业团队提出了更高的要求。钢筋绑扎、三维扫描和模块安装等工序交错进行,为避免相互影响工期,要求三维扫描人员驻场待命,一个区域的管线完工后即刻进行扫描。在现场扫描时,为了降低施工环境造成的影响、提高数据采集的精度,尽量在深夜或者凌晨等施工作业间歇期间扫描。

通过大量磨合,将三维扫描的时间控制在了3个小时内,处理点云数据的时间缩短到了4个小时;最终每次扫描(从通知扫描到出报告)都在7个小时内完成,一个区域从扫描到整改完成后再次复核能够在一天内完成。整个质子区的三维扫描应用取得了良好的效果,管线精度均控制在5cm内,满足了设备供应商的需求,提高了管线预埋施工质量(图17)。该项目中累计扫描了124次,设置了410个测站,扫描了761个管道出口位置。原始扫描点云数据为59.9G,扫描点云处理后的数据为690G,共出具105份扫描报告。

17 应用效果

偏差调节是防辐射混凝土高精度施工工艺的一个难点,虽然三维扫描技术可以精确定位偏差,但偏差调节仍依赖人工手动调节。对于较重的管道,将其准确搬动指定的距离(尤其是竖直方向上)的难度很大。另外,由于管线穿过钢筋,密集的钢筋对调整位置有限制。并且管线定位一般通过焊接在钢筋上的固定件,而绑扎好的钢筋网架本身具有一定弹性,钢筋的变形也会影响管线的空间定位精度。

 

原文作者:

曹盈 余芳强 仇春华 陈家伟

上海建工四建集团有限公司

基金项目:上海市科技计划项目(20dz1202005);上海市科技计划项目(20dz1201901)

 

 


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