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La costruzione di un ospedale a rete zero

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Il design sostenibile del Weed Army Community Hospital va al di là del dovere

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Nel cuore del deserto del Mojave, nella remota comunità di Fort Irwin, nella California del sud, i soldati si preparano per il dispiegamento presso il principale centro di addestramento al combattimento dell'esercito. Ogni anno, l'impianto ha la missione di ricevere e addestrare le rotazioni in visita di unità di livello di battaglione e di brigata, che vanno da 4.000 a 6.000 soldati.

Durante una rotazione, questa popolazione transitoria può quasi raddoppiare le dimensioni della comunità del forte. L'ambiente di addestramento è noto per la sua capacità di utilizzare sistemi tattici e munizioni, invece che simulazioni, creando un ambiente altamente complesso, veloce e pericolosamente realistico.

Qui, un team di progettazione ha avuto il compito di progettare un ospedale mission-critical di 216.338 piedi quadrati che potesse supportare meglio le esigenze sanitarie di oltre 10.000 soldati e delle loro famiglie rispetto alla struttura di 50 anni fa che ha sostituito.

Il team ha lavorato ad un ritmo accelerato attraverso i requisiti di diverse agenzie di stakeholder per immaginare e creare il Weed Army Community Hospital - il primo ospedale del Dipartimento della Difesa (DOD) ad ottenere la certificazione LEED Platinum e uno che è sulla buona strada per le prestazioni energetiche a impatto zero netto e a zero emissioni di carbonio neutro.

Altamente efficiente

A circa 40 miglia dalla città più vicina, con il sole caldo che batte verso il basso, la struttura dovrebbe essere altamente efficiente e resiliente con servizi affidabili per sopravvivere alle dure condizioni e alla posizione isolata.

Gli obiettivi primari della progettazione includevano la fornitura di un'assistenza sanitaria moderna, fatta su misura per sostenere la comunità militare remota e l'ambiente di addestramento; la conservazione delle risorse con sistemi efficienti e affidabili; e la fornitura di un'assistenza sanitaria autosufficiente con il minimo impatto ambientale per la comunità.

Per fornire al meglio una gamma completa di servizi sanitari di alta qualità, sono state valutate le esigenze attuali e future della comunità per arrivare ad un programma complementare che comprendeva ambulatori per le cure primarie, la salute delle donne, la salute comportamentale, la chirurgia, l'optometria e la salute sul lavoro. Le aree diagnostiche e terapeutiche di supporto comprendono i reparti di emergenza, radiologia e farmacia.

Le funzioni ospedaliere comprendono un reparto medico-chirurgico con 10 camere singole e un reparto maternità con cinque camere singole per il parto, il parto, il ricovero e il post parto, una suite per la sezione cesareo e un asilo nido.

Il pronto soccorso (ED) dispone di più sale operatorie per il trattamento di diversi tipi di pazienti e condizioni, nonché di una sala traumi. Adiacente all'ingresso ED c'è un'elisuperficie costruita per ricevere i velivoli di evacuazione medica militare e civile. Con il centro traumatologico più vicino, a più di 110 miglia da Fort Irwin, le capacità chirurgiche urgenti e di emergenza erano imperative.

Quando il programma ha preso vita, il team di progettazione ha seguito le direttive militari di livello mondiale, incorporando principi di progettazione basati sull'evidenza per migliorare la salute, il benessere e la sicurezza del personale e dei pazienti. Gli spazi comprendono aree di riposo del personale, sistemazioni per i familiari, controlli dei pazienti, ampia illuminazione diurna e distanze di viaggio limitate. Inoltre, il team di progettazione ha incorporato i principi per promuovere un ambiente interno caldo e collegare i pazienti all'esterno.

Le camere dei pazienti, gli spazi di lavoro e le aree per gli ospiti godono di un'abbondante luce naturale e di una vista panoramica sulle montagne e sul terreno circostante. Un'area pranzo all'aperto con vista sulla sommità e un giardino curativo erano considerazioni progettuali per ridurre lo stress.

Valutazione delle opzioni energetiche

Per soddisfare le aspettative del DOD e la tempistica accelerata del progetto, una fase iniziale critica del processo di progettazione è stata quella di fornire concetti per la valutazione preliminare in modo che i militari potessero visualizzare le opzioni di progettazione, prendere in considerazione i rispettivi dati comparativi e approvare le decisioni. Utilizzando un efficiente processo di charrette e una piattaforma parametrica basata su BIM (Building Information Modeling), il team ha messo alla prova i tradizionali flussi di lavoro lineari di una pianificazione tipica, completando la progettazione nel 40% del tempo solitamente assegnato per un progetto DOD complesso di queste dimensioni.

La tecnologia BIM ha facilitato l'integrazione di più team di progetto, creando un ambiente in tempo reale in cui i membri del team potevano lavorare in tandem per generare un risultato unificato. La capacità di effettuare controlli di qualità e convalida dei programmi, unita ad un approccio innovativo alla programmazione, ha contribuito a snellire il processo di progettazione.

All'inizio del concept design, il team ha ristretto una dozzina di configurazioni diverse a quattro opzioni distinte, che hanno tutte supportato il programma medico. I modelli energetici di ciascuna opzione sono stati valutati in base al grado di realizzazione degli obiettivi di risparmio energetico del progetto. Senza questo rapido processo decisionale, i preziosi risultati in termini di progettazione e sostenibilità sarebbero andati perduti.

Il primo compito della progettazione concettuale è stato quello di creare un modello energetico di base che rispondesse a standard minimi di efficienza per valutare i potenziali risparmi energetici delle varie strategie e misure di conservazione considerate nella progettazione.

Durante la progettazione di sistemi architettonici e meccanici, sono state utilizzate procedure di modellazione energetica e di analisi dei costi del ciclo di vita (LCCA) per garantire una struttura sana, ecologica ed economica. Il modello energetico è stato utilizzato per definire i modelli di consumo energetico per dare priorità agli sforzi di riduzione nella progettazione. LCCA è stato utilizzato per confrontare i risparmi derivanti da una strategia di progettazione o da una misura di conservazione proposta con eventuali costi aggiuntivi, come la manutenzione. L'uso combinato della modellazione energetica e delle decisioni convalidate LCCA adottate nella progettazione, tra cui HVAC efficiente, materiale riflettente per coperture, illuminazione naturale, finestre e cancelleria per fornire illuminazione diurna, dispositivi di ombreggiamento per ridurre al minimo la radiazione solare, pavimentazione colorata per ridurre l'effetto isola di calore, orientamento ottimale dell'edificio per la radiazione solare e un primo piano parzialmente interrato.

Misure di efficienza energetica

Il modello energetico è stato utilizzato dal team per analizzare le iniziative preliminari che bilanciano i risparmi futuri con i costi iniziali. Il team ha adottato le seguenti importanti misure di efficienza energetica, che hanno aggiunto meno del 2% al costo complessivo del progetto e hanno avuto un ritorno economico inferiore a 10 anni:

Caldaie a condensazione e controlli. L'utilizzo di caldaie a condensazione con basse temperature dell'acqua di ritorno massimizza l'efficienza della caldaia catturando efficacemente il calore latente dei gas di scarico. Le caldaie a condensazione hanno un costo iniziale più elevato, ma un costo del ciclo di vita inferiore se si considera la riduzione del consumo energetico. Questa misura comprende anche l'aggiunta di motori ad alta efficienza.

Impianto di refrigerazione. I refrigeratori raffreddati ad acqua con torri di raffreddamento sono risultati essere il ciclo di vita più economico, anche considerando il consumo di acqua aggiunto e la manutenzione.

Unità trattamento aria. I ventilatori con carter di grandi dimensioni e basse velocità di flusso sono progettati per ridurre la potenza. Inoltre, su tutti i ventilatori di mandata e ritorno sono specificati motori ad alta efficienza con azionamenti a frequenza variabile.

Progetto illuminotecnico. L'utilizzo di un raffinato criterio di progettazione con la massima efficacia delle sorgenti luminose e dei controlli riduce significativamente il consumo energetico. I controlli di occupazione vengono utilizzati per spegnere le luci nelle aree non occupate. Inoltre, i livelli di doppia illuminazione sono un'opzione in molti spazi.

Finestrazione. Per ottimizzare il risparmio energetico per il clima di Fort Irwin è stata scelta una vetrata isolante ad alte prestazioni. Il coefficiente di guadagno termico solare era pari alle raccomandazioni dello standard ASHRAE, ma il tasso di assemblaggio delle perdite di calore era doppio rispetto allo standard ASHRAE con un valore U di 0,28. La percentuale di finestratura è stata ridotta con finestre forate e con tamponamenti e pannelli metallici sulla facciata continua.

Isolamento. Il payout per i migliori valori di isolamento è più lungo dei 25 anni LCCA, ma è entro la durata di vita dell'edificio, e il costo aggiuntivo può essere giustificato. A R-38 per i tetti, R-22 per le pareti e R-19 per i pavimenti, l'edificio ha soddisfatto o superato gli standard ASHRAE per il clima di Fort Irwin.

Conservazione dell'acqua. La conservazione dell'acqua è stata forse la misura più importante per l'efficienza energetica, considerando l'ambiente desertico di Fort Irwin. L'installazione di apparecchi a bassa portata ha ridotto il consumo di acqua di circa il 30%, ovvero circa 1,6 milioni di galloni all'anno, il che ridurrà il consumo di acqua calda e farà risparmiare circa 4.314 terme all'anno.

Le strategie di progettazione passiva hanno influenzato le principali scelte progettuali architettoniche relative alla volumetria, all'orientamento e all'ubicazione degli edifici. Le decisioni di massa degli ospedali sono state prese in anticipo e riflettono il programma clinico delle zone di ricovero, ambulatoriali, diagnostiche e di trattamento. I modelli di consumo energetico differiscono tra queste tre zone, mentre ciascuna di esse contribuisce al modello di utilizzo totale.

Con l'obiettivo del DOD di ridurre la dipendenza dai combustibili fossili, il team di progettazione ha colto l'opportunità di utilizzare i fondi stanziati per le energie rinnovabili per spingere oltre i minimi definiti, con conseguente aumento degli obiettivi di sostenibilità. Il team di progetto ha fatto ogni sforzo per incarnare l'enfasi dell'esercito sull'uso responsabile delle risorse fiscali e ambientali e raggiungere operazioni ad alta efficienza energetica ben al di sotto della media ospedaliera mediana nazionale.

Per sfruttare al meglio le risorse naturali del sito e avere un impatto positivo sulla vita dell'ospedale, la produzione di energia solare e le misure di efficienza idrica sono state le prime considerazioni progettuali. In definitiva, sono stati inclusi un sistema solare termico per il riscaldamento dell'acqua calda sanitaria e un impianto fotovoltaico solare a terra, consentendo l'autosufficienza energetica e mirando a sconti di incentivazione fino a 1,5 milioni di dollari.

Le strategie passive e le misure di conservazione dovrebbero ridurre l'uso di energia del 33,2% al di sotto di un codice minimo di progettazione standard. Queste misure di conservazione dovrebbero avere un impatto ambientale positivo, riducendo le emissioni di gas serra di oltre 4.656 tonnellate all'anno al di sotto della linea di base conforme al codice di riferimento e facendo risparmiare oltre 300.000 dollari all'anno in costi energetici. Le spese aggiuntive per queste misure ammontano a meno dell'1% del budget complessivo del progetto e si prevede che, grazie al risparmio energetico, si prevede un semplice ritorno dell'investimento in meno di cinque anni.

Fino alla fase di progettazione, ci sono stati diversi cambiamenti nel modo in cui i militari vedevano la sostenibilità energetica nell'edilizia, passando dalla certificazione della propria progettazione e costruzione, e passando a un modello LEED di valutazione della sostenibilità di terzi.

Oltre ad ottenere lo status LEED Platinum dal Green Building Council degli Stati Uniti, il Weed Army Community Hospital sarà il primo ospedale militare del paese a generare l'intero fabbisogno energetico da fonti di energia pulita e sistemi di energia rinnovabile. La ricerca ha suggerito strategie per come gli ospedali potrebbero ridurre significativamente le spese energetiche, ma pochi devono ancora raggiungere il livello di risparmio energetico che Fort Irwin realizzerà. Come tale, questo ospedale fungerà da modello per le future strutture sanitarie militari.

Test e verifiche

Nella fase di progettazione è stato avviato un approccio di Total Building Commissioning per verificare e documentare che le prestazioni dell'ospedale e dei suoi sistemi rispondano alle intenzioni e ai requisiti di progettazione del cliente. Ciò ha comportato il tempestivo coinvolgimento di un'autorità committente nelle fasi di pre-progettazione, progettazione, costruzione, occupazione e garanzia. Mentre il Total Building Commissioning è un lavoro di squadra, la continuità di un'autorità committente dall'inizio alla fine si è dimostrata vantaggiosa.

I sistemi e le attrezzature da mettere in servizio sono stati determinati durante lo sviluppo del progetto, insieme ai ruoli e alle responsabilità del team di commissioning. I sistemi commissionati comprendono sistemi meccanici, elettrici, idraulici, sistemi di energia rinnovabile, sistemi di protezione antincendio e sistemi di allarme antincendio (insieme alla loro interoperabilità con i sistemi meccanici, elettrici e di sicurezza), sistemi di telecomunicazione/distribuzione dati, sistemi di sicurezza integrati e alcuni aspetti dell'involucro dell'edificio, compresi il tetto e la facciata continua.

Due revisioni della messa in servizio dei documenti di costruzione sono state completate prima della presentazione delle offerte e sono state fornite le specifiche di messa in servizio da includere nel manuale del progetto. Durante la fase di costruzione, l'esame delle candidature da parte dell'autorità committente ha contribuito a identificare le informazioni mancanti relative ai requisiti di avvio e di collaudo. Le checklist pre-funzionali sono state completate e distribuite al team durante le revisioni delle candidature. I test di performance funzionali sono stati finalizzati durante la validazione dell'impianto e distribuiti agli operatori per la loro revisione e commento prima dell'esecuzione del test.

Le riunioni settimanali di messa in servizio dei progressi hanno contribuito a mantenere il coordinamento tra tutti i membri del team e hanno contribuito a identificare e monitorare i problemi che potrebbero influire sulla funzionalità del sistema e sulla pianificazione del progetto. Durante le ultime fasi dell'installazione degli impianti è stata effettuata una verifica sul campo delle checklist pre-funzionali completate.

Quando il team è entrato nel periodo di test funzionale di sei-sette mesi, i sistemi sono stati testati prima a livello di componenti, poi a livello di sistema e, infine, a livello di interoperabilità dei sistemi. Lo sforzo di test è culminato in un test finale dei sistemi integrati, in cui il normale servizio di alimentazione è stato scollegato dal fornitore di servizi e il team ha cercato perdite involontarie di funzionalità nei sistemi dell'edificio.

All'ingresso del team nel periodo di collaudo funzionale, l'appaltatore generale, con la supervisione esercitata dall'autorità committente, ha finalizzato il programma di formazione del gruppo operativo ospedaliero, i relativi programmi e ordini del giorno e le risorse del personale addetto alla formazione. Hanno comunicato i risultati al team di progetto e al gruppo operativo dell'ospedale per la loro revisione.

Nei tre mesi precedenti l'occupazione, sono state effettuate ampie sessioni di formazione sui sistemi dell'edificio e sono stati rivisti i manuali d'uso e manutenzione per confermare il materiale di riferimento a supporto del corretto funzionamento e manutenzione (O&M) dell'impianto.

Un mese prima dell'occupazione, sono stati completati i test approfonditi dei sistemi di sicurezza sulla vita e la loro interoperabilità con i sistemi meccanici, elettrici, di illuminazione e di sicurezza. L'interoperabilità del sistema di protezione dei neonati con i sistemi di allarme antincendio e di sicurezza è stata testata più volte durante le ultime due settimane del progetto.

La squadra ha ottenuto la prova di ripetibilità, un passo necessario per il Comando Medico dell'Esercito per ottenere l'occupazione dell'edificio. Dopo l'occupazione, sono stati completati ulteriori test relativi all'impianto fotovoltaico e all'impianto di riscaldamento a caldaia. Infine, l'autorità committente ha lavorato a stretto contatto con il gruppo operativo dell'ospedale per garantire che i requisiti O&M della struttura fossero ben compresi. Questo sostegno al gruppo operativo dell'ospedale continua ancora oggi.

Nel corso del primo anno di attività, l'autorità committente è tornata due volte all'ospedale per valutare la funzionalità durante l'occupazione ed eseguire test di follow-up. Sono rimasti in contatto con il gruppo di strutture, monitorando i suoi progressi nell'apprendimento della struttura e fornendo assistenza, ove possibile.

Il Weed Army Community Hospital ha recentemente superato la prima valutazione completa della Joint Commission con punteggi eccezionali, un risultato elevato per una struttura così complessa situata in un ambiente estremo.

Un tale ambiente richiede una costante vigilanza operativa per proteggere l'impianto dagli effetti dell'instabilità dell'energia elettrica, così come gli impatti negativi della qualità dell'acqua e il suo potenziale di impatto su sistemi meccanici complessi. I servizi pubblici degli edifici devono funzionare correttamente ed essere in sintonia tra loro.

Man mano che le strutture diventano sempre più complesse, aumenta il ricorso a complicati sistemi di controllo automatizzati, che richiedono sia l'integrazione per la condivisione delle informazioni che l'interoperabilità per il corretto funzionamento. L'onere di una corretta integrazione ricade pesantemente sui gestori delle strutture.

La validazione dell'intento progettuale e le esigenze del cliente hanno dato gli ultimi ritocchi a questo incredibile viaggio per portare l'assistenza sanitaria di livello mondiale alla comunità di Fort Irwin e ha contribuito a rendere l'Weed Army Community Hospital un luogo molto popolare nell'installazione.

Esperienze positive

Dall'apertura, si è registrato un aumento delle esperienze positive di trattamento sanitario, con i pazienti che hanno espresso il loro apprezzamento per la natura grandiosa dell'edificio, gli spazi confortevoli, l'attenzione al personale e al benessere dei pazienti.

Ad oggi, il Weed Army Community Hospital ha ricevuto numerosi premi locali e nazionali, tra cui il Chief of Engineer's Honor Award for Conceptual Design per aver dimostrato un'eccezionale innovazione nella progettazione di strutture mediche militari.

L'anno scorso l'ospedale ha ricevuto l'American Institute of Architects (AIA) Orlando (Fla.) Award of Merit per l'esemplare "architettura costruita" e, ancora una volta, nel 2018, ha vinto un AIA Award of Merit per la sostenibilità. L'ospedale è stato inoltre riconosciuto dall'U.S. Green Building Council, Los Angeles Chapter, come Progetto Municipale dell'Anno e per la sua certificazione LEED Platinum durante la Conferenza ed Expo del 2019 sul Green Building Municipal Green Building