基于數(shù)據(jù)分析的大型綜合醫(yī)院建筑凈高控制研究

嚴尚言

(深圳大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，廣東 深圳 518000)

BIM技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，目前已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在工程領(lǐng)域，盡管BIM的三維可視化能力已經(jīng)得到大量應(yīng)用，且在提高設(shè)計質(zhì)量方面發(fā)揮作用，但是BIM在建筑信息管理和數(shù)據(jù)邏輯方面的優(yōu)勢在建筑設(shè)計的凈高控制中還沒有進行深入的研究和應(yīng)用。過往的醫(yī)院建筑設(shè)計對于凈高的把控通常是提出凈高目標，各專業(yè)進行協(xié)同設(shè)計，隨著BIM技術(shù)的應(yīng)用，已經(jīng)能夠?qū)⒖臻g進行較充分的利用。但由于BIM管線綜合介入時間晚，很多基礎(chǔ)的凈高影響因素已經(jīng)確定，調(diào)整空間小，很多時候只能被動接受凈高。在建筑精細化設(shè)計的背景趨勢下，借助BIM技術(shù)所收集的建筑數(shù)據(jù)進行分析，形成凈高與相關(guān)影響因素間量化關(guān)系，能夠為各專業(yè)設(shè)計時提供指引，同時也為管線綜合排布的提前介入提供基礎(chǔ)，對于大型綜合醫(yī)院建筑的凈高控制有著重要意義。

一、基于BIM的醫(yī)院建筑凈高控制

1.BIM技術(shù)應(yīng)用發(fā)展

在1964年，Sutherland, Ivan E首次提出將人機交互技術(shù)，計算機圖形學(xué)，數(shù)據(jù)分類分層存儲的思想，引入到建筑設(shè)計領(lǐng)域，改變傳統(tǒng)手繪設(shè)計方式，通過計算機制圖充分提高設(shè)計效率和繪圖質(zhì)量[1]。伴隨計算機技術(shù)的發(fā)展，機器性能的提升，發(fā)展出在三維環(huán)境中對建筑信息管理的BIM技術(shù)，在建筑的全生命周期內(nèi)對建筑的幾何特性、功能特性進行表達和應(yīng)用[2]。目前BIM在建筑設(shè)計領(lǐng)域已經(jīng)經(jīng)過多年的發(fā)展，在BIM設(shè)計軟件的開發(fā)與應(yīng)用、多專業(yè)的設(shè)計協(xié)同[3，4]、建筑設(shè)計的效果展示、合規(guī)性的自動檢查[5，6]、建筑設(shè)計性能模擬[7，8]等領(lǐng)域取得一定研究和應(yīng)用成果。

2. BIM在醫(yī)院建筑的管線綜合排布能力

大型醫(yī)院項目的內(nèi)部機電設(shè)備管線系統(tǒng)復(fù)雜，除了傳統(tǒng)機電專業(yè)給排水、采暖通風(fēng)、電氣、消防、智能化的設(shè)計外，還需設(shè)計專門的醫(yī)療機電系統(tǒng)如醫(yī)用凈化系統(tǒng)、醫(yī)用氣體系統(tǒng)、醫(yī)用純水系統(tǒng)、物流傳輸系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)、輻射防護工程、智能污物收集系統(tǒng)、實驗室工藝系統(tǒng)等[9]。這些系統(tǒng)在管線綜合設(shè)計時需要對大量的管線、傳輸通道、設(shè)備以及安裝、維護等空間進行考慮。

在以往的采用CAD進行機電專業(yè)設(shè)計過程中，對管線具體位置、尺寸難以進行精細化設(shè)計和表達，多采用系統(tǒng)圖和簡單的平面單線來表達，在施工前再由施工分包按現(xiàn)場情況自行深化設(shè)計和安裝。這種情況下空間的利用和把握較為模糊，同時施工時隨意穿插、翻彎，不僅導(dǎo)致管線安裝效果差，而且會使凈高條件不足，同時會造成后續(xù)使用過程中的檢修工作困難[10]。

BIM管線綜合排布可以在設(shè)計時將各專業(yè)、各系統(tǒng)的管線在三維空間中進行綜合協(xié)調(diào)，考慮規(guī)范和實際施工要求，來進行管線一體化設(shè)計。充分解決各專業(yè)交叉碰撞問題，合理設(shè)置翻彎、檢修空間，是一種以管線綜合排布品質(zhì)和凈高為目標的設(shè)計方法[11]。

3. BIM的建筑信息管理優(yōu)勢

BIM技術(shù)與CAD最大的差異在于對于建筑信息的管理能力上。BIM的出發(fā)點就是對建筑的幾何特性、物理特征和功能特性進行表達和應(yīng)用，以建筑基本元素進行組合使元素具備關(guān)聯(lián)度的基本邏輯使BIM能夠更容易被計算機寫入、讀取和輸出[12]。這些BIM技術(shù)在建筑信息上的管理優(yōu)勢也為建筑數(shù)據(jù)的應(yīng)用提供更強的支撐，便于通過數(shù)據(jù)分析進行設(shè)計優(yōu)化。

4. 醫(yī)院建筑管線空間數(shù)據(jù)分析

基于BIM在醫(yī)院建筑的管線綜合排布能力及BIM在建筑信息管理方面的優(yōu)勢，為醫(yī)院建筑的凈高控制提供了新的精細化管理辦法。借助醫(yī)院建筑的BIM模型導(dǎo)出對凈高有影響的因素，并通過數(shù)據(jù)分析的方法，形成凈高與影響因素間的量化關(guān)系，便于在設(shè)計前期對醫(yī)院建筑的空間情況進行可把控的量化調(diào)整，從而預(yù)判凈高情況、縮短調(diào)整時間，保證醫(yī)院建筑的凈高，提高空間品質(zhì)。

建筑機電空間數(shù)據(jù)分析主要分為以下幾個部分(見圖1)：

凈高影響因素梳理，首先根據(jù)項目機電設(shè)計情況，對醫(yī)院走廊等重要剖面的凈高影響因素進行梳理。

空間數(shù)據(jù)導(dǎo)出，基于BIM模型進行空間數(shù)據(jù)導(dǎo)出；

多元線性回歸模型構(gòu)建，對數(shù)據(jù)進行分析，基于導(dǎo)出的數(shù)據(jù)構(gòu)建多元線性回歸模型。

(圖片來源：作者自繪)圖1 建筑空間數(shù)據(jù)分析研究路徑

二、 醫(yī)院機電對建筑空間影響要素

1.空間凈高影響要素

在醫(yī)院的建筑空間內(nèi)，從整體上來考慮，首先要按不同區(qū)域來劃分范圍，不同的區(qū)域所涉及的管線，影響的空間會有不同。再按不同區(qū)域的剖面來切分時，在層高的范圍內(nèi)，有管線層高度、梁高、走道寬、吊頂、升降板等要素對建筑空間產(chǎn)生影響(見圖2)。

(圖片來源：作者自繪)圖2 管線相關(guān)空間影響因素

2.管線區(qū)局部影響要素

管線區(qū)按照管線綜合原則和實際情況進行排布，主要的影響要素可以分為以下：各專業(yè)管線空間、橋架設(shè)置空間、管道翻彎空間、支吊架安裝空間、合適的檢修空間等(見圖3)。

(圖片來源：作者自繪)圖3 管線區(qū)影響因素

3. 醫(yī)院機電管線綜合介入及前置的必要性

目前機電設(shè)計管線綜合工作介入通常是在施工圖設(shè)計(詳細設(shè)計)之后再進行。在此階段再進行會導(dǎo)致建筑設(shè)計已經(jīng)定型(包括空間布局、層高、梁高、走道寬、升降板、機電路由等條件)，難以對土建各專業(yè)進行調(diào)整修改，僅可在有限的三維空間中進行管線的調(diào)整。

在設(shè)計前期就介入，與多專業(yè)設(shè)計師共同前置設(shè)計機電系統(tǒng)，進行整體的設(shè)計協(xié)調(diào)，使系統(tǒng)更加合理，對空間的考慮更加充分，能夠有效提高空間品質(zhì)?；贐IM模型數(shù)據(jù)通過建立與空間凈高相關(guān)的預(yù)測模型，能夠在設(shè)計前置時對系統(tǒng)、管線布置合理調(diào)整，使各專業(yè)設(shè)計師設(shè)計時充分協(xié)同，形成最優(yōu)的決策。

三、在醫(yī)院建筑中與機電管線相關(guān)的建筑空間數(shù)據(jù)分析

1. 機電空間數(shù)據(jù)收集

樣本醫(yī)院選取深圳地區(qū)新建的大型綜合性醫(yī)院，總計包含7家醫(yī)院。按照整體影響要素分類進行收集。主要收集管線集中且對凈高要求高的區(qū)域，例如各類走道作為研究樣本。

借助dynamo工具對Revit中模型數(shù)據(jù)進行快速提取，從而得到各走道最不利剖面的管線類型及數(shù)量、管線相關(guān)空間尺寸。

在完成數(shù)據(jù)收集后，對數(shù)據(jù)進行清洗，剔除數(shù)據(jù)中不適合進入分析的重復(fù)項、異常項、空白項。在本研究中，對于車道和大廳等區(qū)域的走道寬會出現(xiàn)多個空白值，因此要對其進行剔除(見圖4)。

并且在數(shù)據(jù)收集的過程中，已經(jīng)是按照相關(guān)邏輯進行收集，能夠為下一步的分析提供有效的格式基礎(chǔ)。

2. 醫(yī)院走道空間數(shù)據(jù)多元線性回歸分析

從建筑空間本身出發(fā)，在這些樣本因素中存在一些較為簡單的加減關(guān)系。在同一個區(qū)域，同一個走道的某個具體剖面中，關(guān)系是Y=X1-X2-X4-D-S。但是，當納入更多的因素后，簡單的加減關(guān)系被破壞，從數(shù)據(jù)分析的角度考慮，是從概率的方面分析多個變量對凈高Y的影響的大小，從而建立量化關(guān)系。

在醫(yī)院項目的設(shè)計中，醫(yī)院建筑的不同樓棟、科室劃分、甚至不同醫(yī)療房間都會對醫(yī)療系統(tǒng)專項設(shè)計產(chǎn)生影響。為避免空間數(shù)據(jù)間的相互影響，保證空間數(shù)據(jù)的獨立性，應(yīng)在數(shù)據(jù)分析前充分考慮大型醫(yī)院不同區(qū)域的機電系統(tǒng)設(shè)計特征，從而確?；貧w模型建立的有效性。因此，將空間數(shù)據(jù)簡要分為地下室區(qū)域、門診區(qū)域、醫(yī)技區(qū)域、傳染病區(qū)域和住院區(qū)域。

(表格來源：數(shù)據(jù)截圖)圖4 機電空間影響要素數(shù)據(jù)統(tǒng)計表示例

本研究意圖通過多元線性回歸分析方法建立凈高影響因素與凈高之間的量化關(guān)系。根據(jù)上文所述的區(qū)域劃分辦法，多元線性回歸模型由BIM提取的數(shù)據(jù)進行建立，多元線性回歸方程為：Y=β0+β1X1+β2X2+…+βXXX。

經(jīng)過對數(shù)據(jù)的分析，大多數(shù)的升降板數(shù)據(jù)為0，吊頂厚度為200，這種常量數(shù)據(jù)也被剔除，模型由凈高、層高、梁高、走道寬度、管線層高度建立，多元線性回歸方程為：Y=β0+β1X1+β2X2+β3X3+β4X4。

通過對上述多元線性回歸模型的分析，相關(guān)自變量的回歸系數(shù)在 t 檢驗在每個區(qū)域的模型中都并不顯著。下面以傳染病樓為例，展示分析結(jié)果如表1。

從表1的結(jié)果中可以得出，僅僅X1、X3、X4通過t檢驗。X2未通過t檢驗，說明其系數(shù)在該模型中回歸效果較不顯著，但X2在本研究中是主要考慮的變量，因此模型需要被重新考慮。梁高在該模型中不顯著的原因可能是由于不同建筑梁高設(shè)計的偶然因素較多，按區(qū)域劃分時，梁高分布較寬，難以建立與凈高之間的關(guān)系。

表1 按區(qū)域劃分的傳染病區(qū)域多元線性回歸分析結(jié)果

從建筑空間的另一個角度考慮，走道類型可能也是影響凈高的重要因素。因此，根據(jù)醫(yī)院建筑走道類型特征，將走道類型分為六類，分別為后勤走道、醫(yī)患走道、辦公走道、設(shè)備走道、醫(yī)療走道和普通走道。因為走道類型是分類數(shù)據(jù)而不是數(shù)值數(shù)據(jù)，所以將走道類型以虛擬變量的形式引入到模型中，例如在建筑中是否為后勤走道，是-1，否-0.假設(shè)多元線性回歸模型為：Y=β0+β1X1+β2X2+β3X3+β4X4+β5X5+β6X6+β7X7+β8X8+β9X9+β10X10。

表2 按走道類型劃分的多元線性回歸分析結(jié)果

從表2的分析結(jié)果可以看出，再引入走道類型的虛擬變量后，主要的變量都通過t檢驗，具有顯著性。變量X8也通過檢驗，具有顯著性，因此設(shè)備走道類型對醫(yī)院走道凈高存在重要影響。從vif檢驗可以得出該模型不存在多元共線性。

表3 vif檢驗結(jié)果

在該多元線性回歸模型建立時，假設(shè)殘差服從正態(tài)分布，還需測試殘差是否滿足預(yù)設(shè)。通過下面的Q-Q圖(如圖5)可以看出標準化殘差在正態(tài)分布對應(yīng)值下的概率。假設(shè)滿足正態(tài)分布假設(shè)，正態(tài)Q-Q圖的點應(yīng)在直線上，從圖中可以看出，大多數(shù)點在直線上，表明正態(tài)分布假設(shè)滿足，少量點不在直線上。這些點可能是異常值。因此，醫(yī)院走廊凈高與主要相關(guān)因素的多元線性回歸模型公式：

Y=469.328 05+0.672 34X1-0.564 81X2+0.033 29X3-0.541 17X4+29.180 35X5+8.758 09X6-218.778 25X7-236.713 35X8-143.698 54X9+66.419 94X10。

(圖片來源：軟件截圖)圖5 Q-Q圖

四、結(jié)語

本研究以醫(yī)院建筑空間為研究對象，進行凈高控制研究。通過BIM模型提取多個大型綜合醫(yī)院的建筑數(shù)據(jù)，借助多元線性回歸分析辦法構(gòu)建醫(yī)院走廊凈高與相關(guān)影響因素的量化關(guān)系，有利于建筑評價、走道凈高的預(yù)測及設(shè)計時對凈高的調(diào)整。

但是，在本研究中還存在一定的不足，主要存在于：

數(shù)據(jù)樣本不夠，數(shù)據(jù)來源多是深圳地區(qū)醫(yī)院，缺乏不同區(qū)域醫(yī)院數(shù)據(jù)進行綜合分析。還需進行更充分的樣本數(shù)據(jù)收集，形成較為普適性的預(yù)測模型；

對于管線區(qū)影響因素未納入到數(shù)據(jù)分析中，缺乏對管線排布規(guī)則和管線排布質(zhì)量評價方法，在下一步研究中應(yīng)增加針對醫(yī)院建筑不同走道的管線區(qū)高度影響的分析。

納入更多的影響因素在模型中，例如成本、空間形態(tài)影響、專家評價等因素，使空間凈高控制更加接近真實情況。