0 引言

随着世界各国癌症治疗技术的快速发展，质子治疗肿瘤技术以精度高、疗效好、疗程短和副作用小等优势，已成为目前最先进有效的体外放疗技术之一^[1]。质子治疗装置作为当前国际肿瘤放射治疗的主流设备，国际离子治疗联合会统计数据表明，截止到2021年4月，全球共有98家已投入运营的质子治疗中心，而国内仅有8家质子医疗中心获批，已投入运营的仅有3家，后续有意向或计划筹建的仍有40余家，这些新型防辐射医疗建筑也对工程设计和施工技术提出了新要求^[2]。国内发布的《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》要远远高于国际标准，在同等环境中，国外对于工作人员的职业照射和公众照射的剂量限值标准值是国内辐射标准剂量限值的100倍，导致国外质子医院的建设要求和施工技术毫无可复制性，对于国内质子医院的工程建设也是一个全新的挑战。

质子治疗过程中所产生的核辐射场对人类健康和环境污染带来了极大的威胁，因此，针对这种具有特殊防护要求的辐射屏蔽场所结构和混凝土材料也提出了极高的要求^[3-4]。防辐射厚重混凝土作为一种能够有效防护对人体有害辐射的新型混凝土，是采用磁铁矿石、褐铁矿石或者重晶石作混凝土骨料，并引入充分数量的结晶水和含硼、锂等轻元素的复合材料^[5]。为有效防护射线辐射，防辐射厚重混凝土不仅要有较大的表观密度，还应提高水泥石的密实性，降低混凝土内部孔隙率，从而提高防辐射厚重混凝土的耐久性，保证其防辐射能力的有效性和长期稳定性^[6]。

厚重混凝土内部管线预埋设计和施工是质子医疗工程建设的重难点之一，也是区别质子医疗中心与常规医院项目的技术依据。质子区墙体内部有钢筋、管线支撑、水管、气体管线、控制管线套管等大量预埋工作，管线综合时需要花费大量的时间进行校核及碰撞检查，整个过程不但耗时耗力，而且一旦出现问题遗漏或者安装偏差都将会造成工期延误甚至影响质子设备后期的正常运行。在以往的国内外质子医疗工程案例中，由于项目参建方对质子中心建筑的复杂性、特殊性等没有给予足够的了解与重视，导致后期出现大量施工缺陷和返工的工程事件比比皆是，造成了巨大的财力损失和资源浪费。

综上所述，质子区结构内部预埋管线错综复杂，采用传统预留预埋方式无法满足工程建设需求。因此，为解决上述问题，本文将BIM正向设计引入质子区机电综合管线设计领域，BIM技术具有高纬度、可视化和数据集成等优势，在工程建设领域得到了广泛应用^[7-9]。基于武汉协和医院质子中心的工程建设实际情况，针对质子系统安装和运行时的高精度要求，提出质子医疗结构超厚超高墙板管线高精度预埋及激光3D校准技术，通过采用全过程BIM正向设计、管道精准定位防偏技术及3D扫描复测技术，以实现质子医疗工程的快速精确建造。

1 工程概况

华中科技大学同济医学院附属协和医院质子医疗中心建设工程项目位于国家级开发区武汉临空港经济技术开发区（东西湖区）中心位置，奥林路以北，环湖七路以东，整体效果如图1所示^[10-11]。质子医疗中心建设工程项目规划建设总建筑面积25 500m²，其中地上总建筑面积18 000m²，地下总建筑面积7 500m²，结构类型为框架剪力墙结构，设计使用年限为50年。地上建设质子医疗中心综合楼17 910m²，地上3层，建筑高度15.6m；废弃物暂存间90m²，地上1层，建筑高度4.8m。地下建设质子医疗中心地下室1层，建筑面积7 450m²，结构板面高度-5.700m；污水处理站地下1层，建筑面积50m²。地上部分为质子治疗区、直线加速器治疗区、影像科、门诊、研究室、多功能室等功能用房，内含1套质子治疗系统（Ⅰ类射线装置）、2台电子直线加速器（Ⅱ类射线装置）和2台CT机（Ⅲ类射线装置）。质子区主要结构部位的混凝土材料性能参数如表1所示。

图1 质子中心整体效果

Fig.1 Effect of proton center

2 管线预埋要求

本项目拟在质子区使用1套瓦里安公司生产Probeam360质子治疗系统，因瓦里安质子治疗设备需要，屏蔽结构采用密度重达3 900kg/m³防辐射混凝土，墙体中管线排布错综复杂，各类电气、医气管线多达10余种，总长度达20 000余m，管线为S，U，L形，每根管线至少2道弯头，交叉多；各类钢板预埋件多达100余块，单块钢板最重达到1t。根据质子设备技术文件，要求施工过程中各预埋板水平精度为±10mm，垂直精度为±5mm，最大倾斜度为2mm。采用常规预留预埋方式无法满足工程建设需要，故提出基于BIM正向设计的厚重防辐射混凝土内管道精确定位及激光3D精准复测技术，实现质子区机电综合管线正向设计、精准定位和复测校准一体化。

3 BIM正向精准设计

3.1 管综设计一次成型

防辐射厚重混凝土作为质子治疗区的关键结构，承担防护和抑制质子区辐射泄漏的重要作用，对其自身抗裂性能有着高要求。从防辐射要求和施工可行性角度考虑，一旦混凝土浇筑完成后，便再无可能在墙体或楼板上开设洞口和补装管道。而质子医疗工程是新兴建设模式，基于质子医疗设备要求的关键结构部位对机电综合管线的布置需求尚无清晰和统一的行业标准，容易导致业主在对机电专业设计师提出需求时可能会有遗漏，进而对工程的后续推进造成影响。因此，质子治疗区的机电连接管线综合系统设计必须一次成型，同时满足质子设备的相关需求。尤其是在BIM正向设计的初期阶段，需要机电专业设计师与业主和质子设备厂商等项目参与者进行充分沟通，明确相关质子设备对机电管线系统的需求，如管道材质、管道种类、管道位置、管道数量和管线路径等关键输入参数。

然后，根据一次成型的质子区结构设计图纸，对质子治疗区的土建、机电和设备构件进行全专业、多维度BIM建模，在建模过程中将质子治疗设备和质子区结构间的相对关系考虑在内，体现质子区空间布局的合理性。此外，基于质子设备厂家对机电支持系统的具体要求，对质子治疗区内部的机电设备和管线综合等进行全局建模，深度优化质子区厚重混凝土墙内预埋管线路径及其相关附件，在模型内精准铺设墙内预留钢板，完成质子区全专业模型搭建深化，进一步模拟在正常使用过程中各结构和设备部位的运行状态，检查并处理同专业和各专业间的碰撞问题。

3.2 管线与钢筋零碰撞设计

质子区防辐射厚重混凝土墙体内部错综复杂的预埋线管与分布密集的钢筋间碰撞是导致质子医疗工程施工滞陷的重要因素。因此，需要借助以BIM核心建模软件为载体的正向设计理念，通过在设计阶段搭建整个质子区钢筋碰撞模型来解决此类隐患。然而，由于目前市场上仍未出现能够自动生成各类钢筋模型的应用插件，所有墙体和楼板等部位钢筋模型都需要通过建模方式进行手动搭设，钢筋长度、钢筋直径、锚固和弯钩长度等输入参数的准确性是钢筋系统建模过程中的关键因素。此外，根据设计确定的导管路径，建立管道支架模型。以尽量简化支架结构和支架共用为原则，结合现场安装需求设计支架体系，以减少后期质子区管综优化的工作量，提高工作效率。

完成各专业模型搭建后，综合考虑现场施工顺序和各专业要求，基于BIM正向设计理念先后建立机电管线、支架模型和钢筋系统。首先进行质子设备的机电支撑管线正向设计，质子设备配管具有很强的专业性，合理和精确的安装是保证质子设备顺利运行的关键所在。值得注意的是，设备厂商提供的相关配管信息一般局限于配管在墙体的出口和入口位置，但也难以表示如何在墙内内部进行二维平面布置，机电设计人员往往要结合厂商提供的配管尺寸、转弯半径和翻弯角度等尺寸参数来设计导管路径和建立导管模型，实现质子设备配管的正向设计。其次是开展支架体系的正向设计，根据已完成的质子设备配管路由，设计专用支架体系模型，现场根据模型设计定位精准安装支架，再将质子设备配管安装到支架上。最后是钢筋正向设计。通过建立钢筋模型进行钢筋与钢筋之间、钢筋与管线之间、钢筋与预埋件之间以及钢筋与支架之间的碰撞检查，以此来准确判断钢筋与其他专业之间的碰撞关系，以便于在三维设计模型中修改钢筋与各专业之间的相对布置关系，然后出图到二维平面上形成图纸，结合三维模型以多维度可视化方式同步指导现场施工，优化和提升整体设计质量。

3.3 质子设备精准定位设计

质子区内部的旋转机架是保证质子治疗束流从不同角度精准照射到患者待治疗部位的关键设备，也是整个质子治疗体系中对安装精度要求最高的部分。为实现旋转机架的高精度安装，需要在旋转机架所在舱室的地面和墙壁上安装有校准管和固定设备用的钢板。其中，校准管又称机架对齐管，是旋转机架安装及运行过程中检测视线通道，具体由三根预埋在厚重混凝土墙体内部的钢管组成，三根校准管在三维空间中呈现放射性关系，且轴线交汇于空间一点，如图2所示。在质子设备安装及运行过程中，检测视线通过校准管投射至旋转机架舱室的墙面和地面上，辅助设备的初装定位和设备运行过程中的方位检测。因此，为满足检测视线的通过，校准管的设计角度和定位必须精确无误。在校准管精准定位设计过程中，基于质子设备厂家提供的检测视线交叉点和落脚点方位，使用Revit建模软件在三维模型空间内确定检测视线路径，并根据视线与舱室墙壁的交叉点确定校准管的空间位置，建立三维可视化模型，再导出校准管的三视图，如图3所示，在各视图内进行标注，注明校准管的长度和角度等参数，用于指导后续施工，提高校准管安装精度。

图2 校准管空间位置关系

Fig.2 Position relationship of tubes

图3 校准管三视图

Fig.3 Three views of calibration tubes

4 混凝土内部综合管线精准定位

4.1 综合管线独立支撑体系设计

旋转机架与束流通道之间存在机电综合管线数量繁多和错综复杂的特点，按照传统的管线绑扎固定在钢筋上的安装方式，不但容易导致在钢筋铺设完成后留给机电综合管线的操作空间狭小，进而增大施工难度，而且管线安装要等钢筋施工完成后才能开始流水作业，也延长了整体施工周期。因此，使用综合管线独立支撑技术对设备管道进行固定，既能有效避免依附于结构钢筋，也能为机电综合管线的穿插施工创造有利条件，保证在混凝土浇筑过程中，机电综合管线能够固定牢靠，不产生因钢筋偏位带来的二次位移。综合管线独立支撑技术主要是采用独立综合支架对混凝土内安装的机电综合管线进行支撑固定，如图4，5所示，通过BIM正向精准设计，确定独立综合支架的型式、尺寸和安装位置，待支架在厂内预制好后，整体吊运至现场进行安装，在保证安装精度的同时，提高现场作业效率。

图4 独立综合支架三维示意图

Fig.4 3D schematic diagram of independent comprehensive support

图5 独立综合支架三视图

Fig.5 Three views of independent comprehensive support

4.2 场景模拟定向复刻

现场施工环境的复杂性是造成校准管空间角度定位困难、施工周期长和安装精度差的重要因素。校准管通常采用场外预制和场内吊装的方式进行施工，为保证校准管的制作精度，采用模拟墙板定位预制技术来复刻校准管安装的真实环境，以实现校准管安装位置角度的精准预制。基于BIM三维可视化和空间建模技术来模拟校准管的成型图样，然后使用放样软件进行展开图制作并等比例打印在二维图纸上。将展开图覆盖在管道上标记切割控制线，沿着切割线进行管道切割。管道切割完成后，在模拟墙板处进行校准管模拟安装，将切割、焊接好的B、C号校准管伸入模拟墙板洞口内，与端口与完成面进行对口重合，然后将A号校准管按照相同步骤调整到位后，制作临时支架进行加固，角度调整完毕后将B、C号校准管交接部位进行焊接固定。选用角钢作为校准管独立支架，将角钢支架与校准管连接成一个整体，再次校核校准管角度无误后，将校准管整体吊落于平整地面，对独立支架进行强度测试，保证支架坚固且无扭曲变形。校准管独立支架焊接完成后，运输至现场吊装区域。按照图纸定位和标高将校准管整体进行安装固定，对校准管各管道角度进行重新校核，确保无角度变化。

4.3 界面管口精准定位

机电综合管线中的电缆导管和工艺水管在施工过程中需要伸出墙体，以便于后期与质子设备进行接驳。为了避免在混凝土浇筑过程中由于机电综合管线发生移位从而超出质子设备的要求精度，可在机电综合管线端口处采用管口精准定位技术加以固定，确保机电综合管线管口处的定位精度满足工艺设备需求。故而，在管道端口伸出墙面处，需制作定位辅助板进行二次加固，用于机电管线端口的精确定位。采用BIM正向设计辅助板开孔处的位置及间距，根据导出图纸在工厂内采用冷加工技术进行预制。随后，将辅助板安装在靠近结构完成面的机电管线端口处，采用独立支架进行固定，各机电管线从辅助板的孔洞中穿过，从而实现机电管线管口的精确定位。

5 3D扫描复测校准

5.1 3D扫描复测

在施工过程中，采用激光3D扫描复测技术进行机电管线安装成品的复核测量。激光3D扫描复测技术原理是通过距离与角度来计算出实体上各点在空间的三维坐标，通过激光在空气中传播的速度与时间来计算设备到目标物的距离，同时记录发射光与返回光的干涉条纹，以此来确定数据点与数据点之间的角度，利用距离与角度便可以得到一个空间点的三维坐标，再以可视化方式在数据分析软件Geomagic中展示出来^[11]。基于点云数据形成机电管线的三维模型，通过数据分析软件将扫描得到的三维模型与BIM设计模型进行比对，通过图形与数据来判断管线端口位置的安装偏差，指导作业人员进行管线端口位置微调，实现机电综合管线的高精度安装施工。

5.2 管道端口复测校准

为保证机电综合管线的预留预埋精度，在管道安装完成、管口二次加固完成和钢筋施工完成等三个时间节点处采用激光3D扫描复测技术进行管线定位检查。选择先进的扫描设备进行三维激光扫描操作，为确保扫描精准，在待扫描部位附近从建筑物基准点引入三个三维点位作为激光扫描基点并予以标记。在整个过程中，选定6到8个扫描点，对施工区段进行整体扫描。将现场扫描获取的点云数据进行导入数据分析软件进行可视化处理，并创建三维可视化模型。再将扫描数据与BIM正向设计模型进行分析比较，利用软件公差评估功能自动标记出施工现场偏离设计的位置，以便于后期进行管综优化。公差评估后生成可阅读模式的完整报告，在报告中将管段的偏差方向和偏差距离突出显示，如图6所示。根据按点位对比图及偏差数据表进行管线调整后，再次进行扫描复测，待偏差控制符合要求后方可进行工序交接。

图6 校准点位偏差

Fig.6 Calibration point deviation

6 结语

本文基于BIM正向设计理念，将厚重混凝土内部机电综合管线预埋定位技术引入质子医疗工程建设领域，研究了BIM正向精准设计在混凝土内部管线综合排列上的实际应用，分析了混凝土内部管线精准定位技术在质子医疗工程建设中的应用潜力，探索了3D扫描技术在管线定位复测校准中的应用前景。研究结果可归纳为以下几点。

1）基于BIM正向设计理念建立全专业BIM模型，厘清质子区厚重混凝土结构与其内部机电综合管线之间的空间位置关系，为管线与钢筋之间的零碰撞设计和质子设备精准定位设计提供支撑，实现了厚重混凝土内部机电综合管线和钢筋系统设计的一次成型。

2）研究了机电综合管线独立支撑设计体系，能够有效保障厚重混凝土内部机电综合管线的定位精度，提出了场景模拟定向复刻定位技术和界面管口精准定位模式，还原了由工厂预制到现场安装的全过程设计，有利于工程质量和经济效益的稳步提升。

3）引入3D扫描复测校准技术，通过对质子区厚重混凝土结构内部管线进行3D扫描，形成可视化的点云数据，用于管线定位复核，复核结果有助于管线空间定位的二次优化，形成数据集成，为后期质子设备连接安装提供支撑。