CN111519954B - 一种基于拓扑优化的3d打印负压医疗舱的建造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于拓扑优化的3D打印负压医疗舱的建造方法：根据医疗要求和使用工况，使用计算机拓扑优化技术进行空间优化设计，确定最优空间外型；根据治疗设备和治疗常规方法设计预留仪器舱窗口和医疗舱窗口；根据医疗设备储备和运输标准、使用周期和工作条件选取打印建筑材料；设计打印路径和加工步骤；确定建筑材料的厚度、吊装点；采用3D打印技术根据预设结构空间造型分层打印，一体化打印或者分段打印担任负压医疗舱。该建造方法可以形成空间受力合理，结构造型异型的连续密闭医疗空间，具有建造速度快，使用性能好，机械化程度高，便于运输，可拼装可组合，满足传染性呼吸道疫情下的防疫治疗需求。

Description

一种基于拓扑优化的3D打印负压医疗舱的建造方法

技术领域

本发明属于建筑材料、建筑结构、建筑施工和建筑设计等技术领域，特别涉及一种基于拓扑优化的3D打印负压医疗舱的建造方法。

背景技术

流感病毒、冠状病毒在自然界普遍存在，与人类社会长期共存，具有变异性强，季节性强，传染性快，传播范围广等特点，随着经济发展，近年来该类病毒诱发大规模呼吸性传染疫情导致全球事件频繁发生。呼吸疫情中危重病人的治疗环境和医疗资源快速配置成为此类疫情最为关键的技术环节，全方位对现代医疗科学，建造技术和管理效率提出了高度挑战。传染医疗建筑根据传染源种类不同分设不同病区，相对独立。传播系数高的气源性传染病的防御要求标准最高，必须具有气/水独立循环的负压医疗病房(Negativepressure isolation ward)，才能有效治疗并控制传播。

首先，高传播呼吸道传染病大范围爆发呈现时间不连续性和空间随机分布特征，给有效战略防御和物资储备带来技术难度。此外，同此疫情对负压医疗舱的需求也随着疫情发展呈现时变特征。在爆发期和快速传播期，负压医疗舱的数量和质量直接关系着救治效率，间接影响疫情扩散速率和死亡率。

随着全球化经济运行模式的建立和发展，人类的活动和交流范围越来越大，接触、感染和传播新型未知病毒的风险始终存在，考虑到疫情发生传播速度和影响后果，快速高效的负压医疗舱建造方式，是保障呼吸道传染疫情中人民生命安全的关键技术。现有常见的预制装配式钢结构病房，建造速度快，但气/水密封性能较差，保温隔热隔声性能不佳，且无法长期使用，很难提前储备。2011年，田丰等发明公开了一种实施现场救治传染病患者的充气式移动隔离间 CN102225032，虽然可以在传染疫情期间快速形成临时救治空间，但气密性和结构安全性、稳定性、耐久性均有待提升。2019年梁慧薇提出了一种传染病负压隔离病房CN109424220A，该病房独立建造，隔声效果好，但建造速度慢，气/水密闭性差，难于在疫情爆发期及时就位，在疫情黏着期长期有效服役。

自20世纪以来，新兴的数字科技逐渐开始应用于传统实业中，通过更便捷高效的方式进行传播和制作。3D打印技术采用增材制造理念，利用空间建模创建数字模型，指导逐层打印建立实体结构，被称为“具有工业革命意义的制造技术”，广泛应用于多个领域。本课题组提出一种3D打印编织混凝土结构的建造方法CN109227875A，把柔性的绳/线材通过射钉定位一体化编织建造增强混凝土结构，实现了连续增强打印混凝土结构。为了更经济地应对此类密集爆发传染病，更迅速高效地形成充足有效的负压救治舱，同时便于疫情解除后解体储运，长期作为国民战略储备，减少材料浪费和能量消耗，本发明针对呼吸道高传染疫情特点，结合数字设计和3D打印一体化建造技术，探索3D打印在装配式负压医疗舱建造中的应用可行性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于拓扑优化的3D打印负压医疗舱的建造方法，可根据医疗需求和使用条件采用计算机拓扑优化设计空间造型，基于数字模型和 3D打印技术一体化快速整体成型，形成气/水密闭性能良好，隔热隔声效果好的整体空间结构，便于运输，可独立使用也可拼装组合，可作为防疫物资长期战略储备，应对时间空间不定性的高传染性呼吸道爆发疫情。

本发明提供如下技术方案：

一种基于拓扑优化的3D打印负压医疗舱的建造方法，所述3D打印负压医疗舱通过计算机拓扑优化完成空间造型，所述负压医疗舱包括负压病房本体、舱门，负压病房本体上设有仪器舱窗口和医疗舱窗口，负压病房本体内安装医疗设施和生活设施，所述负压医疗舱的建造方法包括以下步骤：

(1)根据传染疫情医疗要求，考虑医学治疗和负压环境要求进行空间体型拓扑优化，完成整体式单人病舱建筑设计，保障功能分区；

(2)根据治疗设备和治疗常规方法确认使用工况和具体荷载，设计预留仪器舱窗口和医疗舱窗口；

(3)根据传染疫情的战略储备标准和运输、使用周期和使用条件选取打印建筑材料；或/和根据保温隔热隔声要求选用打印过程中的组分增强材料；

(4)针对3D打印工艺和负压舱密闭性要求设计打印路径和加工步骤；

(5)对使用阶段结构受力分析，根据结构构件承载力极限状态下应力分布和大小确定建筑材料的厚度、吊装点和是否打印同时局部编/置入增强材料；

(6)一体化打印或者分段打印后采用层叠成型，或/和编入增强材料的方式一体化打印，得到负压病房本体；

(7)安装医疗设施和生活设施，得到负压医疗舱。

在步骤(1)中，具体为：

(1-1)根据具体医疗需求确定负压取值，依据人体工学进行空间尺寸布局，利用数值模拟考虑医疗荷载，病人荷载和设备荷载与工作负压荷载组合工况下的空间受力；

(1-2)通过应力分布、应力集度和平均应力确定舍弃阈值进行空间结构拓扑优化，选择负压医疗舱的最优空间外型，所述最优空间外型的外形圆滑；

(1-3)考虑功能需求对负压医疗舱进行功能分区并细化实现。

负压医疗舱的结构采用拓扑优化空间造型，受力合理，外形圆滑，采用数字模型完善设计细节，根据仪器设备、医疗需求定制舱窗口，采用3D打印技术一体化建造，严格保障负压医疗环境气密性和安全性。

在步骤(2)中，舱窗口以耐高温、透明、可变形、可耐压、气密性、耐久性和安全性良好的硅胶预制而成。

在常见医疗需求和使用工况下，所述最优空间外型可为但不局限于为蜂巢型、气泡型、胶囊型或六面体型等空间结构。

在步骤(3)中，所述建筑材料选自水泥基材料、石膏材料、尼龙材料、纤维复合材料、塑料复合材料、硅胶材料、金属材料、合金或纳米材料中的一种或者或至少两种的组合。

在步骤(3)中，通过正常使用阶段变形限位、人体振动舒适度和民用建筑需求选择3D打印建筑材料。

在步骤(3)中，所述增强组分选自各类纤维及其聚合物、膨化微珠、中空微粒或纳米材料中的一种或至少两种的组合。

根据使用要求进行组分增强，通过打印基体挤压和水化硬化，形成协同受力，一致变形的空间强韧结构，提升受力性能，降低结构自重，增加保温隔热性能，加强防水防潮性能，满足结构功能需要。

在步骤(5)中，所述编/置入增强材料为：在3D打印建造工程中在打印材料初凝前植入筋材、网片型材或编入绳/线材，形成空间增强网格。7、

所述筋材、网片型材和绳/线材的材质选自钢丝、钢绞线、纤维复合线材或纳米线材中的一种或者或至少两种的组合。

在步骤(6)中，在打印前预埋医疗舱窗口、仪器舱窗口、舱门、滑轮、吊钩或电磁环。

在打印前预埋医疗舱窗口、仪器舱窗口、移门、滑轮、吊钩或电磁环等辅助设施，一体化成型，保障施工机械化程度，高效率，高精度和高气密性，高耐久性。

本发明提供的负压医疗舱可根据预埋的带有锚栓孔的滑轮可实现舱体移动/ 上下互锁，可以独立使用，也可以通过但不局限于吊钩或电磁环等技术手段进行空间拼装组合。

本发明提供的负压医疗舱可适应医疗负压病房的隔离建筑封闭空间布局，既可独成一体，也可拼装组合；通过考虑结构受力通过拓扑优化进行空间选型，采用3D打印技术一体化建造成型，所有缝隙和贯穿处的接缝都可靠密封，线型平整光滑，无应力集中，且便于清洁消毒，利于长期使用；负压医疗舱为全封闭围护结构，设有预制医疗舱口便于医用治疗，仪器舱口方便医疗设施进出，另外备有密闭舱门，各舱口形状尺寸位置可根据医疗设备定制，适应总体空间造型和打印制作流程；可提供精准有效负压环境，实现防疫需求，避免传染性。可有效进行室内通风循环，负压隔离病房污染区和潜在污染区的换气次数可选用但不局限于为10次/h～15次/h，人均新风量不应少于40m/h，被污染过的空气通过专门的管道收集到消毒处理设备后无毒排放；3D打印材料建造的负压医疗舱可提供防火防水，保温隔热，吸音防潮，连接圆滑，便于消毒，气密性良好、新风循环的长期耐久安全的负压医疗环境。

本发明提供的基于拓扑优化的3D打印负压医疗舱的建造方法，根据医学要求采用空间拓扑优化确定医疗舱体外型，采用数字设计空间一体化打印成型，适用于各种建筑材料，可加入各种增强组分改善结构的使用性能，负压医疗舱建造效率高，连续整体性强，舱体可拼装组合形成专业医疗环境。

本发明由于采用以上技术方案，使其具有以下有益效果：

1、采用3D打印技术替代传统预制装配结构，采用增强打印基体替代钢结构，采用空间定位成型技术代替传统建筑结构工艺，形成整体空间结构，不仅减少了建筑施工程序，降低了劳动强度，优化了结构空间造型，而且提升了结构整体性和密闭性，提升了舱体的保温隔声性能，保障了医疗负压环境的长期有效性和病患医疗环境的宜居性。

2、3D打印负压医疗舱可根据医疗需要和病患需求人性化设计，外形曲线圆滑，一体性强，受力合理，消毒方便，使用效率高，使3D打印建筑物的优势全面凸显。

3、采用结构体型拓扑优化方法进行医疗舱空间设计，合理选择结构型式，采用空间定位一体化成型，形成强韧空间结构，使建筑物各个部位既能达到结构力学的不同要求，又可以在安全可靠的基础上可达到经济美观，造型艺术。

4、对于大型负压治疗病区，可以分区域单独打印局部，再组装成为整体，采用拼装组合方式形成治疗区域，具有灵活多变的兼容性和普适性。

5、生产加工组装均高度机械化智能化，可在呼吸道疫情期间远程控制建造组装，快速就位。

附图说明

图1为实施例中的3D打印负压医疗舱结构示意图；

图2为实施例中3D打印负压医疗舱一体化建造方法示意图；

图3为实施例中多个3D打印负压医疗舱组合拼装的结构示意图。

具体实施方式：

具体实施方式结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为实施例中的3D打印负压医疗舱结构示意图。3D打印可以实现多种复杂造型的负压医疗舱建造，根据医疗负压、结构自重，设备荷载和病人荷载等组合工况下的拓扑优化分析，本实施例优选环形胶囊舱型式的医疗负压舱，但是不限于这种形式。这种形式的医疗舱具有受力合理，空间圆滑，易于消毒，无应力集中，不易开裂的优势。

如图1所示，一种传染病负压隔离病房，包括：负压病房本体1；水循环系统2；空气循环系统3；厕所及缓冲区4；舱门5；病床6；3D打印外壳7；淋浴设施8；吊钩(上下拼装装置)9；仪器舱窗口10；滑轮11；洗漱台12；马桶13；混凝土板和预埋电磁环/左右拼装装置14；医疗舱窗口15。

负压病房本体由3D打印机打印组装而成，舱门5、仪器舱窗口10以及医疗舱窗口15由铝合金/碳纤维或者其他合金、复合纤维材料预制框架。打印过程中预埋吊钩9以及滑轮11。外观整体打印完成并满足强度条件后组装水循环系统2 和空气循环系统3。最后放入病床6、淋浴设施8、洗漱台12和马桶13。

图2为实施例中3D打印负压医疗舱一体化建造方法示意图；

本发明的工作原理及使用流程：

1.根据具体医疗需求确定负压取值，依据人体工学进行空间尺寸布局，利用数值模拟考虑医疗荷载，病人荷载和设备荷载与工作负压荷载组合工况下的空间受力；

2.通过应力分布、应力集度和平均应力确定舍弃阈值进行空间结构拓扑优化，选择医疗舱的最优空间外型，如蜂巢型，气泡型，胶囊型和六面体型等；本实施例采用胶囊型；

3.通过正常使用阶段变形限位、人体振动舒适度和民用建筑需求选择3D打印建筑材料；

4.在打印前底板预埋环形电磁装置14用于左右医疗舱的拼合/分离控制；

5.打印机校准后，沿挤出方向16进行打印，沿层叠方向17，由3D打印机 18进行叠制成型；

6.打印层叠制造，叠制至舱门5、吊钩9、仪器舱窗口10、滑轮11、医疗舱窗口15处将预制件定位放入；

7.主体打印完成并且强度达到一定要求时横置；

8.在舱体内安装2空气循环、3水循环所需管道和设备；

9.安装马桶13、洗漱台12、淋浴设施8、病床6等生活必须设施并与水循环系统2和空气循环系统3进行对接；

10.完成基本医疗舱的一体化建造和安装。

如图3所示，为实施例中多个3D打印负压医疗舱组合拼装的结构示意图；

每个单体舱室均具有独立移动运输能力，若受限于占地面积，胶囊舱还可以通过吊装进行叠合。

左半舱19和右半舱20可通过预埋电磁装置21控制混凝土隔板14实现左右舱拼装和分离。电磁左右拼装装置详图见图3中的D、E和F。

上舱22的滑轮11和下舱23的吊钩9可以通过插销24和固定螺栓25拼装，形成上下联合舱体26。通过吊钩进行上下拼装装置详见图3中的G、H和I。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例，并不用于限制本发明的 3D打印整体成型负压医疗舱的空间造型，打印基体和拼接方式。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于拓扑优化的3D打印负压医疗舱的建造方法，其特征在于，所述3D打印负压医疗舱通过计算机拓扑优化完成空间造型，包括负压病房本体、舱门，负压病房本体上设有仪器舱窗口和医疗舱窗口，负压病房本体内安装医疗设施和生活设施，所述负压医疗舱的建造方法包括以下步骤：

(1)根据传染疫情医疗要求，考虑医学治疗和负压环境要求进行空间体型拓扑优化，完成整体式单人病舱建筑设计，保障功能分区；

(2)根据治疗设备和治疗常规方法确认使用工况和具体荷载，设计预留仪器舱窗口和医疗舱窗口；

(3)根据传染疫情的战略储备标准和运输、使用周期和使用条件选取打印建筑材料；或/和根据保温隔热隔声要求选用打印过程中的组分增强材料；

(4)针对3D打印工艺和负压舱密闭性要求设计打印路径和加工步骤；

(5)对使用阶段结构受力分析，根据结构构件承载力极限状态下应力分布和大小确定建筑材料的厚度、吊装点和是否打印同时局部编/置入增强材料；

(6)采用层叠成型工艺一体化打印，或采用层叠成型工艺分段打印，或采用层叠成型工艺一体化打印并编/置入增强材料，或采用层叠成型工艺分段打印并编/置入增强材料，得到负压病房本体；

(7)安装医疗设施和生活设施，得到负压医疗舱。

2.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的3D打印负压医疗舱的建造方法，其特征在于，在步骤(1)中，具体为：

(1-1)根据具体医疗需求确定负压取值，依据人体工学进行空间尺寸布局，利用数值模拟考虑医疗荷载，病人荷载和设备荷载与工作负压荷载组合工况下的空间受力；

(1-2)通过应力分布、应力集度和平均应力确定舍弃阈值进行空间结构拓扑优化，选择负压医疗舱的最优空间外型，所述最优空间外型的外形圆滑；

(1-3)考虑功能需求对负压医疗舱进行功能分区并细化实现。

3.根据权利要求2所述的基于拓扑优化的3D打印负压医疗舱的建造方法，其特征在于，所述最优空间外型为蜂巢型、气泡型、胶囊型或六面体型。

4.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的3D打印负压医疗舱的建造方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述建筑材料选自水泥基材料、石膏材料、尼龙材料、纤维复合材料、塑料复合材料、硅胶材料、金属材料或纳米材料中的一种或者至少两种的组合。

5.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的3D打印负压医疗舱的建造方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述组分增强材料选自各类纤维及其聚合物、膨化微珠、中空微粒或纳米材料中的一种或至少两种的组合。

6.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的3D打印负压医疗舱的建造方法，其特征在于，在步骤(5)中，所述编/置入增强材料为：在3D打印建造工程中在打印材料初凝前植入筋材、网片型材或编入绳/线材，形成空间增强网格。

7.根据权利要求6所述的基于拓扑优化的3D打印负压医疗舱的建造方法，其特征在于，所述筋材、网片型材和绳/线材的材质选自钢丝、钢绞线、纤维复合线材或纳米线材中的一种或者至少两种的组合。

8.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的3D打印负压医疗舱的建造方法，其特征在于，在步骤(6)中，在打印前预埋医疗舱窗口、仪器舱窗口、舱门、滑轮、吊钩或电磁环。

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