顧棟煉，張銀安，劉華斌，馬友才，曹曉慶，呂中一，解琳琳，許 鎮(zhèn)，徐永嘉，鄭 哲，楊參天，陸新征

(1.清華大學(xué)土木工程系，土木工程安全與耐久教育部重點試驗室，北京100084；2. 中南建筑設(shè)計院股份有限公司，武漢430071；3.北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，北京100044；4.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京100083)

2019 年末新型冠狀病毒引起的肺炎疫情嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計，截至2020年2 月9日，確診病例達(dá)37287例，疑似病例達(dá)28942例，死亡病例達(dá)813例。大量病人對現(xiàn)有醫(yī)療系統(tǒng)造成了巨大壓力。

為應(yīng)對現(xiàn)有醫(yī)療救治條件不足的問題，中國各地隨即開始建設(shè)新型冠狀病毒肺炎患者的集中治療臨時醫(yī)院。譬如，武漢新建火神山和雷神山兩座臨時醫(yī)院專門收治新型冠狀病毒確診患者；北京改造曾用于SARS治療的小湯山醫(yī)院專門收治新型冠狀病毒患者。這些醫(yī)院為了防止病毒擴(kuò)散引起感染，在室內(nèi)暖通設(shè)計時采取了負(fù)壓病房空氣系統(tǒng)，利用專門的排風(fēng)系統(tǒng)向室外高空排出病房內(nèi)受污染的空氣，以免向醫(yī)院內(nèi)其他未污染區(qū)域擴(kuò)散。雖然排風(fēng)系統(tǒng)針對含病毒空氣采取了很好的過濾措施，但是其通過排風(fēng)口排放仍然存在一定傳染風(fēng)險。有研究表明，當(dāng)含SARS病毒的空氣被稀釋到10000 倍以上時，就不再具有傳染性[1]。很多學(xué)者和設(shè)計單位建議了室外排風(fēng)的設(shè)計要求[2?4]。在以上成果的基礎(chǔ)上，如果進(jìn)一步結(jié)合具體醫(yī)院的實際情況，模擬室外含病毒空氣的擴(kuò)散機(jī)制，則可以定量評估臨時醫(yī)院排放出的含病毒空氣的污染風(fēng)險，為排放物的二次污染防控提供更加定量具體的參考和依據(jù)。值得注意的是，由于臨時醫(yī)院的設(shè)計和建造周期只有6 d～10 d，留給排風(fēng)的環(huán)境影響分析時間一般只有幾個小時。因此，對分析方法的準(zhǔn)確性和高效性都提出了很高的要求。

目前，可以采用4種方法研究建筑物周圍的污染物擴(kuò)散現(xiàn)象，包括實地測量、物理試驗、半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?、?shù)值模擬。實地測量只適用于記錄已建成區(qū)域的污染物濃度，無法為臨時醫(yī)院的設(shè)計提供參考。物理試驗需要制作所關(guān)注建筑或區(qū)域的縮尺模型和進(jìn)行風(fēng)洞試驗，并且需要滿足相似性準(zhǔn)則，需要大量的時間[5]，無法滿足防疫應(yīng)急需要。因此，物理試驗方法難以滿足臨時醫(yī)院快速分析的需求。

常用的半經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀懈咚鼓Ｐ秃虯SHRAE 模型[6?7]。這類模型假設(shè)穩(wěn)態(tài)情形下漂浮污染物的含量在水平和垂直方向上呈高斯分布[8?9]，在實際分析中通常需要依據(jù)觀測得到一些經(jīng)驗或半經(jīng)驗參數(shù)，以此來實現(xiàn)分析問題的簡化[10]。雖然半經(jīng)驗?zāi)Ｐ湍軌驖M足快速分析需求，但目前的半經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛢H適用于平坦的空曠地帶，而難以考慮建筑甚至建筑群對污染物擴(kuò)散機(jī)制的影響[11]。

近年，計算流體力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)技術(shù)逐步在建筑物周圍的污染物擴(kuò)散研究方面得到應(yīng)用。依據(jù)研究對象的尺度，這類研究大致可以分為獨棟建筑、單個街道及復(fù)雜建筑群3 個層次。在獨棟建筑物周圍污染物擴(kuò)散研究方面，由于計算尺度較小，除了雷諾平均N-S方程 (RANS) 方法[12?15]，大渦模擬 (LES)方法[16?17]和直接數(shù)值模擬(DNS)方法[18]也得到了一定的應(yīng)用。而在單個街道層次，研究主要采用RANS方法[19? 21]和LES方法[22?24]。在復(fù)雜建筑群層次，相關(guān)研究大多采用RANS方法[25?27]，LES方法得到少量應(yīng)用[28]。

雖然目前已經(jīng)有很多比較成熟的污染物擴(kuò)散模擬方法，但將上述半經(jīng)驗?zāi)Ｐ突蛘邤?shù)值模擬方法應(yīng)用到本研究時，有以下2點困難需要克服：1)由于臨時醫(yī)院建筑群平面布置多樣，簡化的半經(jīng)驗?zāi)Ｐ碗y以適用；2)一些商用流體動力學(xué)計算平臺雖然可以提供較好的分析功能和前后處理功能，但是考慮到中國多地臨時醫(yī)院的緊急建設(shè)需求，購買商用流體計算平臺無論是時間上還是費用上都無法滿足應(yīng)急階段的需要。且Fluent 等一些常用流體力學(xué)軟件計算資源消耗較大且計算時間較長。因此，有必要在本研究中引入計算效率高、代碼開源、操作簡便的CFD計算軟件，以滿足臨時醫(yī)院的緊急分析需求。

FDS(fire dynamic simulator)是美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院開發(fā)的一款開源流體動力學(xué)計算軟件。該軟件最初是為了火災(zāi)模擬而開發(fā)，隨著其功能的逐步豐富，目前也在空氣污染模擬領(lǐng)域得到了應(yīng)用[29?30]。FDS軟件具有以下優(yōu)點：1)FDS為開源軟件，便于廣泛推廣；2)采用LES模擬污染物擴(kuò)散過程，能夠捕捉流場和污染物的瞬態(tài)特征，更好模擬不同污染物的傳染機(jī)理；3)與一般的商用軟件相比，F(xiàn)DS軟件能快速實現(xiàn)流域的網(wǎng)格劃分，操作簡便，便于工程師快速對設(shè)計方案進(jìn)行評估。

基于上述優(yōu)點，本研究以FDS為軟件基礎(chǔ)，針對臨時醫(yī)院的快速分析需求，研發(fā)有害氣體對環(huán)境影響的快速模擬方法，為臨時醫(yī)院設(shè)計服務(wù)。

1 方法框架

為滿足工程需求，本文提出的臨時醫(yī)院排風(fēng)的環(huán)境影響快速模擬方法由以下3個模塊組成：

1)臨時醫(yī)院建筑的快速建模模塊；

2)基于云計算平臺的CFD模擬和參數(shù)分析模塊；

3)有害氣體流動監(jiān)測及結(jié)果可視化模塊。

其中，模塊1)需要完成流場域、臨時醫(yī)院建筑、排風(fēng)口、整體風(fēng)環(huán)境以及有害氣體監(jiān)測點等的建模。模塊2)需要完成不同風(fēng)向、不同風(fēng)速、不同設(shè)計方案下的影響分析。模塊3)需要對計算結(jié)果進(jìn)行處理，并生成直觀的可視化效果，滿足工程建設(shè)決策需要。為滿足臨時醫(yī)院建設(shè)的急迫時間需求，本文提出了以下高效建模和分析方法。

2 臨時醫(yī)院建筑的快速建模

FDS中流場模擬和污染擴(kuò)散分析需要輸入以下信息：1)流場計算域網(wǎng)格；2)建筑物模型；3)風(fēng)環(huán)境模型；4)排氣口模型；5)有害氣體監(jiān)測點。具體介紹如下。

2.1 流場計算域網(wǎng)格

合理的網(wǎng)格是CFD計算精度和效率的重要保障，與常規(guī)CFD軟件的網(wǎng)格劃分方式不同，F(xiàn)DS采用矩形網(wǎng)格對計算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并能實現(xiàn)對壓力的快速求解。因而保證了計算的高效，可以在數(shù)十分鐘內(nèi)得到復(fù)雜環(huán)境的大渦模擬結(jié)果。對臨時醫(yī)院建筑進(jìn)行分析時，計算域的尺寸和邊界條件應(yīng)參考COST 732[31]和AIJ[32]等最佳實踐指南(Best Practice Guidelines)的要求。FDS允許不同計算域采用不同的網(wǎng)格密度。因此，對于醫(yī)院建筑附近的計算域，推薦采用0.5 m～1 m 的網(wǎng)格，以提升精度。由于臨時醫(yī)院一般高度不超過3層，因此對排風(fēng)口以上10 m 范圍以外，推薦采用2 m 的網(wǎng)格，保證計算效率和精度的平衡。

2.2 建筑物模型

由于臨時醫(yī)院建筑大多采用標(biāo)準(zhǔn)模塊的箱式建筑，平面布置以“王”字形或“主”字形為主，如圖1所示。臨時醫(yī)院中間建筑為醫(yī)護(hù)用房，兩側(cè)指廊為病房或醫(yī)技用房。

圖1 建設(shè)中的火神山、雷神山臨時醫(yī)院[33]Fig.1 Huoshenshan hospital and Leishenshan hospital under construction[33]

因此，可以根據(jù)建筑的平面布置和屋面標(biāo)高，將建筑物劃分成若干個長方體組成的模塊，用FDS的命令流功能直接建模。命令流為：&OBST XB=X-MIN,X-MAX,Y-MIN,Y-MAX,Z-MIN,Z-MAX/

其中，“&OBST XB=”為FDS的關(guān)鍵字，表示建立一個實體。X-MIN, X-MAX, Y-MIN, Y-MAX,Z-MIN,Z-MAX 分別是建筑物在x、y、z這3個方向的邊界。由于FDS采用了矩形流體網(wǎng)格，因此實體建模也只能建立矩形實體。對于外形復(fù)雜的建筑，F(xiàn)DS只能采用大量矩形實體近似其外形。但是對于臨時醫(yī)院而言，由于其外形本來就是規(guī)則的矩形(圖1)，因此反而充分符合了FDS的特點。

值得一提的是，如果分析對象建筑已經(jīng)有了Sketchup模型、BIM模型、CAD模型等三維模型，則可以通過Pyrosim 軟件[34]，將其轉(zhuǎn)換成FDS的模型，建模效率可以進(jìn)一步提高。

2.3 風(fēng)環(huán)境模型

在FDS中，輸入風(fēng)荷載的剖面分布依據(jù)Monin-Obukhov 相似理論得到，如式(1)所示。

2.4 排氣口模型

排氣口建模包括以下3個內(nèi)容。

1)排氣口的空間位置

排氣口的空間位置同樣采用FDS的實體建模命令“&OBST”和表面建模命令“&SURF”完成?！?OBST”命令建立一個實體作為排氣口?！?SURF”命令指定排氣口實體上的某個面為排風(fēng)面。

2)排氣口的排風(fēng)量

根據(jù)FDS提供的功能，“&SURF”命令可以設(shè)定排氣口的排氣量(采用“VOLUME_FLOW”參數(shù)，單位m3/s)，這個數(shù)據(jù)可以根據(jù)排風(fēng)口聯(lián)通的空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計通風(fēng)量確定。本次肺炎疫情臨時醫(yī)院每個病房的設(shè)計排風(fēng)量VR大概是600 m3/h～750 m3/h。一般N個病房共用一個排風(fēng)口，則可以計算得到排風(fēng)口的排風(fēng)量為VR?N。

3)排氣口有害氣體的追蹤

為了跟蹤排風(fēng)口排出的有害氣體在空氣中的擴(kuò)散，需要設(shè)定示蹤氣體(tracer gas)，而后，可以通過追蹤示蹤氣體的體積比或質(zhì)量比，來追蹤有害氣體的分布。本次肺炎疫情臨時醫(yī)院一般一個病房安排2位病人，根據(jù)文獻(xiàn)[1]的研究，每位病人呼出的有害氣體VP約為0.3 m3/h。則共用一個排風(fēng)口的N個病房，病人呼出的有害氣體的總量為2VP?N。根據(jù)相關(guān)設(shè)計要求[3?4]，排風(fēng)口都會安裝高效過濾裝置。因此，排風(fēng)口排出的空氣中，有害氣體的體積比例：

式中：β 為反映排風(fēng)口過濾裝置對病毒過濾能力的系數(shù)；R可以通過FDS的“&SURF”命令中“MASS_FRACTION”參數(shù)設(shè)定。

2.5 有害氣體監(jiān)測點

最后，為了定量獲取指定位置的有害氣體濃度，可以采用FDS的“&DEVC”指令，創(chuàng)建有害氣體監(jiān)測點。具體參數(shù)包括：1)用“QUANTITY”參數(shù)，指定監(jiān)測內(nèi)容為示蹤氣體的比例；2)用“XYZ=”命令，指定監(jiān)測點在模型中的坐標(biāo)。另外，也可以通過剖面、等值面等方式獲取有害氣體在空間的宏觀分布。

3 基于云計算平臺的CFD模擬和參數(shù)分析

工程中需要考慮的分析參數(shù)一般包括不同風(fēng)向、風(fēng)速、不同的建筑平面布置，還需要考慮不同的排風(fēng)口、新風(fēng)口平面位置、高度、朝向等參數(shù)。雖然FDS具有很高的計算效率，但是，考慮到需要完成不同風(fēng)向、不同風(fēng)速、不同設(shè)計方案下的計算，眾多分析工況仍給計算效率帶來了很大的挑戰(zhàn)。由于FDS是免費開源軟件，可以在任意多臺電腦上安裝，因此可以利用云計算硬件資源，滿足短時間爆發(fā)的多工況計算情景的需求。

具體操作為：可以通過在華為云平臺(也可采用其他云計算平臺)購買64核的云計算虛擬機(jī)(每臺虛擬機(jī)的費用大概13元/h～18元/h)，并安裝FDS軟件。FDS具有很好的并行計算功能，可以充分利用虛擬機(jī)上的并行計算資源，支持MPI、OpenMP等多種并行機(jī)制，可運(yùn)行于Windows或Linux 等多種操作系統(tǒng)。這樣有多少個工況就可以購買多少臺云計算虛擬機(jī)開展分布式計算，從而以較低的成本滿足突發(fā)的計算資源需求。

4 有害空氣流動監(jiān)測及結(jié)果可視化

FDS計算完成后，可以通過以下2種途徑考察有害氣體的分布情況。1)有害氣體監(jiān)測點結(jié)果

2.5 節(jié)指定的有害氣體監(jiān)測點可以輸出“devc.cvs”文件，提供了每個監(jiān)測點各時間點的精確有害氣體濃度，對“devc.cvs”文件處理，則可以用曲線方式給出各監(jiān)測點結(jié)果。

2)示蹤粒子、等值面動畫等

FDS 可以通過“Tracer”功能和“&ISOF”命令，生成有害氣體在空中運(yùn)動的示蹤粒子軌跡和濃度等值面，如圖2 所示，便于用戶直觀考察有害氣體在空氣中的分布規(guī)律。圖2 中，黑色粒子即為有害氣體的示蹤粒子；紅色曲面為有害氣體的濃度等值面。

圖2有害氣體軌跡及濃度等值面(西南風(fēng)，1.9m/s)Fig.2Traceandconcentrationisosurfaceofharmfulair(southwestwind,1.9m/s)

5 案例分析

以武漢市雷神山醫(yī)院為例介紹本文提出的快速模擬方法的具體實施情況。

雷神山醫(yī)院是武漢市為應(yīng)對肺炎疫情而建設(shè)的一座典型臨時醫(yī)院，位于武漢市江夏區(qū)軍運(yùn)村，設(shè)計床位數(shù)為1600 張。每個病房每小時換氣12 次，設(shè)計新風(fēng)量為500m3/h～550m3/h，排風(fēng)量為650m3/h～700m3/h。采用上述建模方法，建立雷神山醫(yī)院的三維FDS 模型如圖3 所示。

圖3雷神山醫(yī)院三維FDS 模型Fig.3Three-dimensionalFDSmodelof Leishenshanhospital

采用華為云計算平臺，租用IntelCascadeLake 3.0GHz64 核服務(wù)器，完成一個工況計算需要約45min(采用64 核并行)，計算占用內(nèi)存約40G。圖4 所示為模擬得到的不同排風(fēng)口高度下1.5m 高程處的有害氣體相對濃度?？梢妼⑴棚L(fēng)口高度提高后，有害氣體的相對濃度有了顯著降低。

根據(jù)設(shè)定的8 個新風(fēng)口附近的監(jiān)測點，可以定量對比不同設(shè)計方案新風(fēng)口的有害氣體相對濃度(以排氣口的有害氣體相對濃度為100%)，如圖5所示。其結(jié)果可為工程設(shè)計參考。

整個分析過程從拿到設(shè)計圖紙到完成計算報告，一共用時約6 個多小時。其中大約3 個多小時用于建模，2 個多小時用于計算和結(jié)果分析。其他時間用于報告的整理和寫作。滿足了應(yīng)急醫(yī)院建設(shè)的工程周期需要。

圖4不同排風(fēng)口高度下有害氣體相對濃度分布圖Fig.4Distributionsofrelativeconcentrationsofharmfulairincaseswithdifferentventheights

圖5 有害氣體在監(jiān)測點的相對濃度對比Fig.5 Comparison of relative concentrations of harmful air at monitoring points

6 結(jié)論

新型冠狀病毒肺炎集中治療臨時醫(yī)院排風(fēng)的環(huán)境影響分析需要高效、低成本的分析方法。本研究以開源流體力學(xué)計算軟件FDS為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了臨時醫(yī)院建筑的快速建模、基于云計算平臺的高效計算、以及有害氣體流動的監(jiān)測和可視化，并以武漢雷神山醫(yī)院為案例，說明了本方法在此次肺炎疫情防疫工作中的應(yīng)用價值。主要結(jié)論如下：

(1)本文提出的分析方法，可以定量提供排風(fēng)點有害氣體在整個醫(yī)院環(huán)境中的空間分布情況，為醫(yī)院排風(fēng)設(shè)計和總體規(guī)劃提供參考。

(2)FDS 基于矩形網(wǎng)格進(jìn)行建模和流體分析，非常適合臨時醫(yī)院建筑分析的需求，且可以極大提升計算效率。通過云計算平臺以及FDS的開源免費特點，可以滿足臨時醫(yī)院設(shè)計的迫切時間需求。

由于本次新冠肺炎疫情非常緊迫，因此在分析中采取了很多簡化假定。隨著對新冠病毒傳播機(jī)制研究的深入，可以引入更加合理的流體計算參數(shù)，使得模擬結(jié)果更符合實際情況。