本文为《城市与减灾》“公共卫生危机与治理”专刊特约文章，作者：顾栋炼、陈焰华、雷建平、许镇、解琳琳、李军、张再鹏、薛巧蕊、陈越、徐永嘉、廖文杰和陆新征，来自清华大学土木工程系、中信建筑设计研究总院、北京科技大学土木与资源工程学院和北京建筑大学土木与交通工程学院。
专刊由《城市与减灾》编辑部与中国人民大学危机管理研究中心合作共同策划，特邀唐钧主任为执行主编，将于2020年3月25日出版。为回应广大网友和读者的呼声，现提前微推送，其它文章也将连续推出，感谢您的支持和关注。
2019年末新型冠状病毒引起的肺炎疫情严重。据统计，截至2020年2月17日，累计确诊病例已达70641例，现存疑似病例有7264例，死亡病例已达1772例。大量病人的就医需求对现有医疗系统造成了巨大压力。2003年非典时期，为了解决大量非典病人的收治问题，约4000名工人用7个昼夜建成了位于北京市昌平区小汤山疗养院北部的非典定点病房 。
建设中的小汤山临时医院（图片源自财新网）
这所占地2.5万平方米的临时医院，收治了全国七分之一的非典病人，为抗击非典疫情起到了至关重要的作用。如今面对新型冠状病毒肺炎疫情，为了应对现有医疗救治条件不足的问题，中国各地参照小汤山临时医院的宝贵经验，开始建设新型冠状病毒肺炎患者的集中治疗临时医院。
火神山医院是武汉市为应对新冠肺炎疫情而建设的第一座典型临时呼吸类传染病医院。为了快速应对新冠肺炎疫情，武汉市城乡建设局于2020年1月23日紧急召集中建三局、中信建筑设计研究总院有限公司等单位举行火神山医院专题会议；2020年1月24日，武汉火神山医院相关设计方案由中信总院完成；2020年1月29日，武汉火神山医院建设已进入病房安装攻坚期；2020年2月2日上午，武汉火神山医院正式交付。从方案设计到建成交付仅用时10天。
火神山医院位于湖北省武汉市蔡甸区武汉职工疗养院旁，总建筑面积3.39万平方米，设计床位1000张。火神山医院共设有两座病房楼：一号病房楼采用“王”字形的平面布置，中间长廊为医护用房，两侧指廊为病房；一号楼与二号楼之间为医技楼及手术室和ICU中心；二号病房楼采用“E”字形的平面布置，中间长廊为医护用房，一侧指廊为病房。
建设中的火神山医院（图片源自新华网）
由于新冠病毒传染性强，火神山医院为了防止病毒扩散引起工作人员感染，设计了清洁区、半污染区和污染区。在通风空调设计中采用有序的压力梯度控制措施，通过控制不同区域的室内气压梯度，保证气流从清洁区→半污染区→污染区方向流动。
具体手段包括：相邻相通不同污染等级房间的压差（负压）不小于5Pa，负压程度由高到低依次为病房卫生间、病房房间、缓冲间与半污染走廊；清洁区的相对气压最高。控制负压隔离病房、负压检验室室内负压值，保证室内空气不会从病房区流入医护人员工作的清洁区；并利用专门的排风系统向室外高空排出病房内受污染的空气。
虽然排风系统针对含病毒空气采取了很好的过滤措施，但是过滤后的排放气体依然含有部分新冠病毒，可能对布置于室外的新风口附近新鲜空气造成污染。针对上述病房有害气体排放需求，有很多学者和设计单位建议了此类临时医院室外排风的设计要求。有研究表明，当含SARS的病毒空气被稀释到10000倍以上时，即污染空气浓度低于100×10-6，就不再具有传染性。在以上成果的基础上，如果可以进一步依据医院的实际情况建立有害空气扩散分析模型，模拟室外含病毒空气的扩散机制，则可以定量评估火神山医院排放出的含病毒空气的污染风险，为排放物的二次污染防控提供更加定量具体的参考和依据。
值得注意的是，由于火神山医院的设计和建造周期只有一周左右时间，留给排风的环境影响分析时间一般只有几个小时。因此，如何快速模拟此类临时医院室外含病毒空气的扩散机制是设计过程中需要攻克的难点问题。
有害气体排放的快速模拟方法和精度验证
目前已经有比较成熟的污染物扩散模拟方法，包括各种半经验模型和基于不同湍流模型的计算流体力学 (Computational Fluid Dynamics, CFD) 模拟。但是，半经验模型由于难以考虑医院内复杂建筑环境的影响，而商用流体力学计算平台费用高、运算时间长、计算资源消耗大，都无法满足火神山医院建设的应急需求。因此，有必要研发计算效率高、操作简便的有害气体排放快速模拟方法。
FDS (Fire Dynamic Simulator) 是美国国家标准技术研究院开发的一款开源流体动力学计算软件。该软件最初是为了火灾模拟而开发，随着其功能的逐步丰富，目前也在空气污染模拟领域得到了应用。
FDS软件具有以下优点：(1) FDS为开源软件，安装便捷，节省了软件购买和安装时间，便于广泛推广；
(2) 采用大涡模拟 (Large eddy simulation, LES) 模拟污染物扩散过程，能够捕捉流场和污染物的瞬态特征，更好模拟污染物的扩散机理；
(3) 与一般的商用软件相比，FDS软件能快速实现流域的网格划分，操作简便，满足临时医院设计阶段的快速分析需求。
基于上述优点，本研究以FDS为软件基础，研发病房排放的有害气体对环境影响的快速模拟方法，为临时医院设计提供技术支持。
1. 快速模拟方法
为满足工程需求，本文提出的临时医院排风的环境影响快速模拟方法由以下三个模块组成：
(1) 临时医院建筑的快速建模模块；
(2) 基于云计算平台的CFD模拟和参数分析模块；
(3) 有害气体流动监测及结果可视化模块。
模块 (1) 需要完成流场域、临时医院建筑、排风口、整体风环境以及有害气体监测点等的建模。
模块 (2) 需要完成不同风速、风向、不同设计方案下的影响分析。
模块 (3) 需要对计算结果进行处理，并生成直观的可视化效果，满足工程建设决策需要。
快速建模模块
针对临时医院污染物扩散模拟，FDS模型中需要输入以下信息：(1) 流场计算域网格；(2) 建筑物模型；(3) 风环境模型；(4) 排气口模型；(5) 有害气体监测点。
考虑到应急期间设计人员难以在短短数小时内熟练掌握专用建模软件，本研究基于FDS命令流功能，开发了一个操作简便的FDSGenerator程序，以方便设计人员快速建立分析模型。
FDSGenerator的程序界面
此程序的界面共包含三大区域，分别为 (1) 模型信息输入区域、(2) 模型展示区域、(3) 对象删除区域。
在模型信息输入区域，用户可以输入风荷载、建筑几何形状、排气口、有害气体监测点等信息，实现快速建立分析模型；
在模型展示区域，用户可以实时看到依据输入信息建立的FDS模型，包括建筑形状（以xB命名，如0B）、排风口位置（以xV命名，如0V）、监测点位置（以xD命名，如0D）等；
在对象删除区域，用户可以通过输入对象名称的方式删除已建立的模型对象。使用此程序，设计人员可以在短短几分钟内轻松完成FDS模型的建立，满足了火神山等应急医院的快速分析需求。
基于云计算平台的CFD模拟和参数分析模块
工程中需要考虑的分析参数一般包括不同风向、风速、不同的建筑平面布置，还需要考虑不同的排风口、新风口平面位置、高度、朝向等参数。虽然FDS具有很高的计算效率，但考虑到众多分析工况仍给计算效率带来了很大的挑战。由于FDS是免费开源软件，可以在任意多台电脑上安装，因此可以利用云计算硬件资源，满足短时间爆发的多工况计算情景的需求。这样有多少个工况就可以购买多少台云计算虚拟机开展分布式计算，从而以较低的成本满足突发的计算资源需求。
有害气体流动监测及结果可视化模块
可以通过以下2种途径考察有害气体的分布情况：(1) 有害气体监测点结果；
(2) 示踪粒子、等值面动画等。有害气体监测点结果存储于计算文件夹下的“devc.cvs”文件中。
此外，FDS可以通过“Tracer”功能和“&ISOF”命令，生成有害气体在空中运动的示踪粒子轨迹和浓度等值面，便于用户直观考察有害气体在空气中的分布规律。
有害气体轨迹及浓度等值面（东风，1.9 m/s）
图中，黑色粒子即为有害气体的示踪粒子；粉色曲面为有害气体的浓度等值面。
2. 精度验证
基于污染物扩散试验，本文对所提快速模拟方法的准确性进行了验证。在尺寸为1 m × 0.5 m × 0.5 m 的风洞中，采用边长为0.05 m 的立方体来模拟建筑；立方体顶面中心位置为污染物排风口，污染物释放速率为12.5 cm3/s；监测点布置在建筑顶面沿着x轴的中线和建筑背风面沿着z轴的中线。
文献中的污染物扩散试验示意图
风洞试验采用指数式风剖面，而FDS采用的是对数式风剖面。为了使验证模型的风荷载输入与风洞试验保持一致，本研究先确定FDS对数式风剖面函数的其他参数，然后通过函数拟合方式确定地面粗糙度高度和摩擦速度。验证模型的风荷载输入与风洞试验的对比如下图所示。
风洞试验和FDS验证模型的风剖面对比
采用无量纲浓度系数K来表征监测点的污染物浓度，K可采用下列公式进行计算。
其中，C为监测点的污染物浓度，Uref为建筑顶部风速，Hb为建筑迎风面宽度，Q为污染物释放速率。本研究模拟结果与风洞试验结果对比如下图所示。文献[16]采用商用流体力学软件Fluent 6.1，对上述风洞试验也进行了模拟。模拟结果与本研究基于FDS的模拟结果对比如下图所示。可以看出，本研究基于FDS的模拟结果与风洞试验结果吻合良好。与文献中模拟结果相比，本研究在建筑背风面污染物浓度的模拟精度有了显著提高。
数值模拟与风洞试验结果的对比
1. 初始排风口高度案例分析
火神山医院每个病房每小时换气12次，设计新风量为500～550 m3/h，排风量为650～700 m3/h。其初始设计的排风口标高为6.5 m。采用本研究提出的快速模拟方法，建立火神山医院的三维FDS模型，
在火神山医院新风口附近设置了13个有害气体浓度监测点，用于评估病房排放的有害气体是否会对新风口附近区域造成污染。
有害气体浓度监测点的平面位置
考虑到本研究开展期间（1月24~28日），对新冠病毒传播机制认识还比较有限，排风口对病房排放的有害气体过滤效果难以量化，本研究中暂时偏保守地忽视排风口的过滤作用。根据SARS病毒传染性的统计结果，当有害气体浓度低于100×10-6时，不再具有传染性。
依据武汉市气象数据，武汉市冬季平均风速为1.9 m/s。采用华为云计算平台，租用Intel Cascade Lake 3.0GHz 64核服务器，完成一个工况计算需要约40分钟。不同风向的有害气体最大浓度分布如下图所示。
不同方向的有害气体最大浓度 （风速1.9 m/s）
可以看出，火神山医院的最不利风向为西风。在西风工况下，新风口附近的有害气体最大浓度接近50×10-6。虽然低于100×10-6的浓度限值要求，但考虑到当前阶段对新冠病毒传染机理认识不足，应当在条件允许的情况下设法进一步降低新风口附近有害气体浓度。
2. 提升排风口高度案例分析
提升排风口高度可以在一定程度上降低新风口附近的有害气体浓度。在大量参数分析后，将火神山临时医院的排风口高度从初始设计的6.5 m提升到9.0 m，并对优化方案的最不利工况（西风工况）进一步模拟分析。下图展示了模拟得到的不同排风口高度下1.5 m高程处的有害气体浓度。可见将排风口高度提高后，有害气体浓度有了显著降低。
不同排风口高度下有害气体浓度分布图 （西风，1.9 m/s）
根据设定的13个新风口附近的监测点，可以定量对比不同设计方案新风口的有害气体浓度，图中可以看出，将排风口高度提升至9 m后，优化方案新风口附近的有害气体浓度较初始方案有了显著降低。因此，抬升排风口高度是控制有害气体对新风口污染的有效方法。
不同排风口高度下监测点的有害气体浓度 （西风，1.9 m/s）
基于上述分析结果，设计单位中信建筑设计研究总院有限公司进一步对新风口、排风口的位置和高度进行了优化，最后将1.9 m/s西风下的新风口附近的有害气体浓度控制在25×10-6。且在其他各风向、风速下，都可以保证新风口及院区外的有害气体浓度显著低于100×10-6的限值要求。有效保障了火神山医院和周围环境的安全性，降低了二次污染风险。由于本模拟研究未考虑排风口的过滤作用，在设置排风过滤器的情况下，其环境安全性会得到更进一步的提升。
最终设计方案不同风向下有害气体扩散模拟结果
由于本方法具有很高的建模、计算效率和准确性，因此很好的满足了火神山医院建设阶段工期的紧迫要求。
结论和建议
新型冠状病毒肺炎集中治疗临时医院排风的环境影响分析需要高效、准确、低成本的分析方法。本研究以开源流体力学计算软件FDS为基础，实现了临时医院建筑的快速建模、基于云计算平台的高效计算、以及有害气体流动的监测和可视化，并验证了模拟方法的准确性，成功应用于火神山医院的室外有害气体污染控制设计。由于国内多个城市还在建设此类新冠肺炎救治医院，因此，通过本文方法快速准确评估排风口有害气体对室外空气的污染影响，可以为防范医院新风口和周围环境二次污染风险提供高效、准确、开源的技术手段。
致谢
感谢 北京科技大学张芙蓉、齐明珠、杨雅钧，清华大学郑哲、赵鹏举、陈星雨等同学提供的帮助。本文研究得到国家自然科学基金 (U1709212) 和腾讯基金会科学探索奖的支持。
閱讀更多 地震三點通 的文章
