本文為《城市與減災》“公共衛生危機與治理”專刊特約文章，作者：顧棟煉、陳焰華、雷建平、許鎮、解琳琳、李軍、張再鵬、薛巧蕊、陳越、徐永嘉、廖文傑和陸新徵，來自清華大學土木工程系、中信建築設計研究總院、北京科技大學土木與資源工程學院和北京建築大學土木與交通工程學院。
專刊由《城市與減災》編輯部與中國人民大學危機管理研究中心合作共同策劃，特邀唐鈞主任為執行主編，將於2020年3月25日出版。為回應廣大網友和讀者的呼聲，現提前微推送，其它文章也將連續推出，感謝您的支持和關注。
2019年末新型冠狀病毒引起的肺炎疫情嚴重。據統計，截至2020年2月17日，累計確診病例已達70641例，現存疑似病例有7264例，死亡病例已達1772例。大量病人的就醫需求對現有醫療系統造成了巨大壓力。2003年非典時期，為了解決大量非典病人的收治問題，約4000名工人用7個晝夜建成了位於北京市昌平區小湯山療養院北部的非典定點病房 。
建設中的小湯山臨時醫院（圖片源自財新網）
這所佔地2.5萬平方米的臨時醫院，收治了全國七分之一的非典病人，為抗擊非典疫情起到了至關重要的作用。如今面對新型冠狀病毒肺炎疫情，為了應對現有醫療救治條件不足的問題，中國各地參照小湯山臨時醫院的寶貴經驗，開始建設新型冠狀病毒肺炎患者的集中治療臨時醫院。
火神山醫院是武漢市為應對新冠肺炎疫情而建設的第一座典型臨時呼吸類傳染病醫院。為了快速應對新冠肺炎疫情，武漢市城鄉建設局於2020年1月23日緊急召集中建三局、中信建築設計研究總院有限公司等單位舉行火神山醫院專題會議；2020年1月24日，武漢火神山醫院相關設計方案由中信總院完成；2020年1月29日，武漢火神山醫院建設已進入病房安裝攻堅期；2020年2月2日上午，武漢火神山醫院正式交付。從方案設計到建成交付僅用時10天。
火神山醫院位於湖北省武漢市蔡甸區武漢職工療養院旁，總建築面積3.39萬平方米，設計床位1000張。火神山醫院共設有兩座病房樓：一號病房樓採用“王”字形的平面佈置，中間長廊為醫護用房，兩側指廊為病房；一號樓與二號樓之間為醫技樓及手術室和ICU中心；二號病房樓採用“E”字形的平面佈置，中間長廊為醫護用房，一側指廊為病房。
建設中的火神山醫院（圖片源自新華網）
由於新冠病毒傳染性強，火神山醫院為了防止病毒擴散引起工作人員感染，設計了清潔區、半汙染區和汙染區。在通風空調設計中採用有序的壓力梯度控制措施，通過控制不同區域的室內氣壓梯度，保證氣流從清潔區→半汙染區→汙染區方向流動。
具體手段包括：相鄰相通不同汙染等級房間的壓差（負壓）不小於5Pa，負壓程度由高到低依次為病房衛生間、病房房間、緩衝間與半汙染走廊；清潔區的相對氣壓最高。控制負壓隔離病房、負壓檢驗室室內負壓值，保證室內空氣不會從病房區流入醫護人員工作的清潔區；並利用專門的排風系統向室外高空排出病房內受汙染的空氣。
雖然排風系統針對含病毒空氣採取了很好的過濾措施，但是過濾後的排放氣體依然含有部分新冠病毒，可能對佈置於室外的新風口附近新鮮空氣造成汙染。針對上述病房有害氣體排放需求，有很多學者和設計單位建議了此類臨時醫院室外排風的設計要求。有研究表明，當含SARS的病毒空氣被稀釋到10000倍以上時，即汙染空氣濃度低於100×10-6，就不再具有傳染性。在以上成果的基礎上，如果可以進一步依據醫院的實際情況建立有害空氣擴散分析模型，模擬室外含病毒空氣的擴散機制，則可以定量評估火神山醫院排放出的含病毒空氣的汙染風險，為排放物的二次汙染防控提供更加定量具體的參考和依據。
值得注意的是，由於火神山醫院的設計和建造週期只有一週左右時間，留給排風的環境影響分析時間一般只有幾個小時。因此，如何快速模擬此類臨時醫院室外含病毒空氣的擴散機制是設計過程中需要攻克的難點問題。
有害氣體排放的快速模擬方法和精度驗證
目前已經有比較成熟的汙染物擴散模擬方法，包括各種半經驗模型和基於不同湍流模型的計算流體力學 (Computational Fluid Dynamics, CFD) 模擬。但是，半經驗模型由於難以考慮醫院內複雜建築環境的影響，而商用流體力學計算平臺費用高、運算時間長、計算資源消耗大，都無法滿足火神山醫院建設的應急需求。因此，有必要研發計算效率高、操作簡便的有害氣體排放快速模擬方法。
FDS (Fire Dynamic Simulator) 是美國國家標準技術研究院開發的一款開源流體動力學計算軟件。該軟件最初是為了火災模擬而開發，隨著其功能的逐步豐富，目前也在空氣汙染模擬領域得到了應用。
FDS軟件具有以下優點：(1) FDS為開源軟件，安裝便捷，節省了軟件購買和安裝時間，便於廣泛推廣；
(2) 採用大渦模擬 (Large eddy simulation, LES) 模擬汙染物擴散過程，能夠捕捉流場和汙染物的瞬態特徵，更好模擬汙染物的擴散機理；
(3) 與一般的商用軟件相比，FDS軟件能快速實現流域的網格劃分，操作簡便，滿足臨時醫院設計階段的快速分析需求。
基於上述優點，本研究以FDS為軟件基礎，研發病房排放的有害氣體對環境影響的快速模擬方法，為臨時醫院設計提供技術支持。
1. 快速模擬方法
為滿足工程需求，本文提出的臨時醫院排風的環境影響快速模擬方法由以下三個模塊組成：
(1) 臨時醫院建築的快速建模模塊；
(2) 基於雲計算平臺的CFD模擬和參數分析模塊；
(3) 有害氣體流動監測及結果可視化模塊。
模塊 (1) 需要完成流場域、臨時醫院建築、排風口、整體風環境以及有害氣體監測點等的建模。
模塊 (2) 需要完成不同風速、風向、不同設計方案下的影響分析。
模塊 (3) 需要對計算結果進行處理，並生成直觀的可視化效果，滿足工程建設決策需要。
快速建模模塊
針對臨時醫院汙染物擴散模擬，FDS模型中需要輸入以下信息：(1) 流場計算域網格；(2) 建築物模型；(3) 風環境模型；(4) 排氣口模型；(5) 有害氣體監測點。
考慮到應急期間設計人員難以在短短數小時內熟練掌握專用建模軟件，本研究基於FDS命令流功能，開發了一個操作簡便的FDSGenerator程序，以方便設計人員快速建立分析模型。
FDSGenerator的程序界面
此程序的界面共包含三大區域，分別為 (1) 模型信息輸入區域、(2) 模型展示區域、(3) 對象刪除區域。
在模型信息輸入區域，用戶可以輸入風荷載、建築幾何形狀、排氣口、有害氣體監測點等信息，實現快速建立分析模型；
在模型展示區域，用戶可以實時看到依據輸入信息建立的FDS模型，包括建築形狀（以xB命名，如0B）、排風口位置（以xV命名，如0V）、監測點位置（以xD命名，如0D）等；
在對象刪除區域，用戶可以通過輸入對象名稱的方式刪除已建立的模型對象。使用此程序，設計人員可以在短短几分鐘內輕鬆完成FDS模型的建立，滿足了火神山等應急醫院的快速分析需求。
基於雲計算平臺的CFD模擬和參數分析模塊
工程中需要考慮的分析參數一般包括不同風向、風速、不同的建築平面佈置，還需要考慮不同的排風口、新風口平面位置、高度、朝向等參數。雖然FDS具有很高的計算效率，但考慮到眾多分析工況仍給計算效率帶來了很大的挑戰。由於FDS是免費開源軟件，可以在任意多臺電腦上安裝，因此可以利用雲計算硬件資源，滿足短時間爆發的多工況計算情景的需求。這樣有多少個工況就可以購買多少臺雲計算虛擬機開展分佈式計算，從而以較低的成本滿足突發的計算資源需求。
有害氣體流動監測及結果可視化模塊
可以通過以下2種途徑考察有害氣體的分佈情況：(1) 有害氣體監測點結果；
(2) 示蹤粒子、等值面動畫等。有害氣體監測點結果存儲於計算文件夾下的“devc.cvs”文件中。
此外，FDS可以通過“Tracer”功能和“&ISOF”命令，生成有害氣體在空中運動的示蹤粒子軌跡和濃度等值面，便於用戶直觀考察有害氣體在空氣中的分佈規律。
有害氣體軌跡及濃度等值面（東風，1.9 m/s）
圖中，黑色粒子即為有害氣體的示蹤粒子；粉色曲面為有害氣體的濃度等值面。
2. 精度驗證
基於汙染物擴散試驗，本文對所提快速模擬方法的準確性進行了驗證。在尺寸為1 m × 0.5 m × 0.5 m 的風洞中，採用邊長為0.05 m 的立方體來模擬建築；立方體頂面中心位置為汙染物排風口，汙染物釋放速率為12.5 cm3/s；監測點佈置在建築頂面沿著x軸的中線和建築背風面沿著z軸的中線。
文獻中的汙染物擴散試驗示意圖
風洞試驗採用指數式風剖面，而FDS採用的是對數式風剖面。為了使驗證模型的風荷載輸入與風洞試驗保持一致，本研究先確定FDS對數式風剖面函數的其他參數，然後通過函數擬合方式確定地面粗糙度高度和摩擦速度。驗證模型的風荷載輸入與風洞試驗的對比如下圖所示。
風洞試驗和FDS驗證模型的風剖面對比
採用無量綱濃度係數K來表徵監測點的汙染物濃度，K可採用下列公式進行計算。
其中，C為監測點的汙染物濃度，Uref為建築頂部風速，Hb為建築迎風面寬度，Q為汙染物釋放速率。本研究模擬結果與風洞試驗結果對比如下圖所示。文獻[16]採用商用流體力學軟件Fluent 6.1，對上述風洞試驗也進行了模擬。模擬結果與本研究基於FDS的模擬結果對比如下圖所示。可以看出，本研究基於FDS的模擬結果與風洞試驗結果吻合良好。與文獻中模擬結果相比，本研究在建築背風面汙染物濃度的模擬精度有了顯著提高。
數值模擬與風洞試驗結果的對比
1. 初始排風口高度案例分析
火神山醫院每個病房每小時換氣12次，設計新風量為500～550 m3/h，排風量為650～700 m3/h。其初始設計的排風口標高為6.5 m。採用本研究提出的快速模擬方法，建立火神山醫院的三維FDS模型，
在火神山醫院新風口附近設置了13個有害氣體濃度監測點，用於評估病房排放的有害氣體是否會對新風口附近區域造成汙染。
有害氣體濃度監測點的平面位置
考慮到本研究開展期間（1月24~28日），對新冠病毒傳播機制認識還比較有限，排風口對病房排放的有害氣體過濾效果難以量化，本研究中暫時偏保守地忽視排風口的過濾作用。根據SARS病毒傳染性的統計結果，當有害氣體濃度低於100×10-6時，不再具有傳染性。
依據武漢市氣象數據，武漢市冬季平均風速為1.9 m/s。採用華為雲計算平臺，租用Intel Cascade Lake 3.0GHz 64核服務器，完成一個工況計算需要約40分鐘。不同風向的有害氣體最大濃度分佈如下圖所示。
不同方向的有害氣體最大濃度 （風速1.9 m/s）
可以看出，火神山醫院的最不利風向為西風。在西風工況下，新風口附近的有害氣體最大濃度接近50×10-6。雖然低於100×10-6的濃度限值要求，但考慮到當前階段對新冠病毒傳染機理認識不足，應當在條件允許的情況下設法進一步降低新風口附近有害氣體濃度。
2. 提升排風口高度案例分析
提升排風口高度可以在一定程度上降低新風口附近的有害氣體濃度。在大量參數分析後，將火神山臨時醫院的排風口高度從初始設計的6.5 m提升到9.0 m，並對優化方案的最不利工況（西風工況）進一步模擬分析。下圖展示了模擬得到的不同排風口高度下1.5 m高程處的有害氣體濃度。可見將排風口高度提高後，有害氣體濃度有了顯著降低。
不同排風口高度下有害氣體濃度分佈圖 （西風，1.9 m/s）
根據設定的13個新風口附近的監測點，可以定量對比不同設計方案新風口的有害氣體濃度，圖中可以看出，將排風口高度提升至9 m後，優化方案新風口附近的有害氣體濃度較初始方案有了顯著降低。因此，抬升排風口高度是控制有害氣體對新風口汙染的有效方法。
不同排風口高度下監測點的有害氣體濃度 （西風，1.9 m/s）
基於上述分析結果，設計單位中信建築設計研究總院有限公司進一步對新風口、排風口的位置和高度進行了優化，最後將1.9 m/s西風下的新風口附近的有害氣體濃度控制在25×10-6。且在其他各風向、風速下，都可以保證新風口及院區外的有害氣體濃度顯著低於100×10-6的限值要求。有效保障了火神山醫院和周圍環境的安全性，降低了二次汙染風險。由於本模擬研究未考慮排風口的過濾作用，在設置排風過濾器的情況下，其環境安全性會得到更進一步的提升。
最終設計方案不同風向下有害氣體擴散模擬結果
由於本方法具有很高的建模、計算效率和準確性，因此很好的滿足了火神山醫院建設階段工期的緊迫要求。
結論和建議
新型冠狀病毒肺炎集中治療臨時醫院排風的環境影響分析需要高效、準確、低成本的分析方法。本研究以開源流體力學計算軟件FDS為基礎，實現了臨時醫院建築的快速建模、基於雲計算平臺的高效計算、以及有害氣體流動的監測和可視化，並驗證了模擬方法的準確性，成功應用於火神山醫院的室外有害氣體汙染控制設計。由於國內多個城市還在建設此類新冠肺炎救治醫院，因此，通過本文方法快速準確評估排風口有害氣體對室外空氣的汙染影響，可以為防範醫院新風口和周圍環境二次汙染風險提供高效、準確、開源的技術手段。
致謝
感謝 北京科技大學張芙蓉、齊明珠、楊雅鈞，清華大學鄭哲、趙鵬舉、陳星雨等同學提供的幫助。本文研究得到國家自然科學基金 (U1709212) 和騰訊基金會科學探索獎的支持。
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