基于BIM 的大型綜合醫院建筑凈高控制研究

文／嚴尚言 深圳大學建筑與城市規劃學院本原設計研究中心 研究助理 碩 士

1 研究背景

1.1 BIM 發展情況

在傳統的建筑設計領域，由于設計需求的變化和計算機技術的發展，從而帶來設計方式的改變[1]。在1964 年，Sutherland,Ivan E 提出以人機交互技術、計算機圖形學、數據分類分層存儲的思想，實現了人機協同的設計方法，使得設計方式從手繪畫板逐漸轉向使用CAAD技術進行建筑設計，從而提高了設計效率和繪圖質量[2]。伴隨計算機技術的發展，機器性能的提升，從二維圖形的點、線、面向三維圖形 發 展。Charles Eastman 提 出BDS 系 統，是BIM 的雛形。強調建筑設計是通過在空間中將各種建筑三維元素進行合理有序的組合，并可通過這些排列好的元素獲取相關視圖[3]。Building SMART International 闡述BIM 技術是全生命周期內生產和應用建筑數據的業務過程，通過數字化的方式來表達建筑內所包含的構件、設施的物理和功能特性[4]。隨著BIM 技術的持續普及和迅速發展，世界各地都推出各類標準，中國也推出相應的政策指導文件和相關的國家、省、市級BIM 標準。BIM 技術的發展也為建筑設計提供了更多數據應用的可能性。

1.2 建筑設計相關的數據分析

過去的建筑設計，其實本身就是存在數據控制理念的。像規范指標都是來源于過去的數據統計和分析得出的。還有大量的建筑設計數據分析的案例也可供參考。

但是從整體來說，建筑物設計，對數據利用還是比較粗糙的，還沒有成熟的挖掘和利用數據的模式[5]。聚焦到更加具體的建筑設計數據分析應用上，對于外觀、建筑性能、功能和運營等多個層面都還不夠完善。

近年來，隨著BIM 技術的發展，建筑設計的數據分析和數據應用也越來越多地被研究，使建筑設計向更加精細化的程度發展。

1.3 BIM 在醫院管線綜合排布優勢

大型醫院項目的內部機電設備管線系統復雜，除了給排水、采暖通風、電氣、消防、智能化等機電系統，還設置物流、垃圾被服、醫療氣體等大量的醫療管線系統。醫療管線系統主要包含醫用凈化系統、醫用氣體系統、醫用純水系統、物流傳輸系統、污水處理系統、輻射防護工程、智能污物收集系統、實驗室工藝系統等八大專項系統[6]。這些系統需要大量的管線、傳輸通道、設備，也就是需要大量的空間來整合安裝、維護。

在以往的管線綜合設計過程中，采用CAD進行設計，在二維環境中對管線走向與分布的表達具備難度，多采用系統圖和走向來表達，缺少管線的準確位置和尺寸，空間的利用和把握也較為模糊，同時成果不僅會出現碰撞，而且會導致凈高條件不足。在進行設計變動的時候，會對管線的布置產生總體的影響，對此的反復作業易造成信息的不對稱，從而引發新的錯誤。

BIM 管線設計可以將各專業的管線系統的多個模型在三維空間中進行整合，依據規范和實際施工要求，結合管線設計原則來進行整體的布局把控。在管線綜合排布過程中，直接在三維環境中對空間進行把握，充分考慮各專業交叉碰撞問題，控制預留預埋，合理設置翻彎、檢修空間，控制凈高。

1.4 BIM 的數據優勢未充分體現

盡管BIM 的三維可視化能力已經得到一定的體現，但是BIM 的數據優勢在建筑設計的管線空間控制中還未充分地發揮。目前已經有大量的關于BIM 數據分析和應用的研究在進行，但是在建筑精細化設計、施工、運維的背景下，建筑數據分析還能夠應用到更加具體的情況中。

2 目標與方法

2.1 研究目標

2.1.1 基于BIM 的數據分析的基本理論

研究基于BIM 的數據分析基本理論及實現路徑。確定基于BIM 模型的數據導出方式，根據數據分析需求實現數據的結構化分類，建立數據間的邏輯聯系及適用性條件。預先確定數據分析整體路徑及實現方式是研究構建數據模型的基礎。

2.1.2 與機電管線相關的空間條件分析

對機電管線相關的空間條件進行識別，探究各空間條件的相關度以及空間條件之間的互相影響關系。同時考慮機電管線自身的空間占位，對總體的空間排布的關系進行探究。

2.1.3 基于BIM 的管線數據提取

研究基于BIM 對機電管線相關空間數據的提取方法，從模型中對各空間條件進行自動化快速提取，為數據分析提供數據基礎。

2.1.4 機電管線數據分析

基于空間條件分析及BIM 提取的相關數據，通過數據的分析和梳理，得出設計經驗值。通過模型針對建筑內多個區域凈高實現精細化的預測。

2.2 研究方法

2.2.1 基于dynamo 的數據導出方法

Dynamo 是基于Revit 開發的能夠進行參數化設計的開放性輔助工具，能夠實現Revit 自身難以實現的功能，通過Dynamo 中節點的組合能夠提高數據導出的自動化能力。Dynamo 擁有靈活的編程能力，可以通過調節其中的定義關系和創建算法，在數據導出中能夠快速地提取各剖面中的管線數量及管線尺寸[7]。

2.2.2 歸納演繹法

從現有的數據中歸納出一般原則，并借助原則來推導面對問題的解決方案。對基于BIM收集的機電管線相關空間數據進行歸納，分析出它們的分布特點，并有效地在今后的項目中去嘗試運用解決。

3 BIM 數據基本理論

3.1 BIM 建筑數據發展

BIM 最初就是強調數據支撐的。早在1997年，IAI 就發布了IFC 標準作為建筑產品數據表達標準。這份標準可以有效地支持建筑業內各軟件系統之間的數據交換和全生命周期的數據管理[8]。IFC 標準采用EXPRESS 語言，是以實體關系方法建立的，具有面向對象特性的數據模型。目前，在世界范圍內，BIM 技術的發展和應用都達到了一定的水平，各國有發布了一系列國家和地方的標準來明確BIM 數據的應用。大多數BIM 相關的建筑數據分析也都是基于BIM 的數據儲存特性來展開的。

Qingjie Wen 等陳述對于BIM 建筑數據的利用發展迅速，已經在很多方面做了相關的研究，包括虛擬現實、施工安全管理、數字孿生、建筑評價、GIS 系統、深化設計和分析模型和裝配式生產等方面，同時還與多個其他學科進行結合[9]。

在2012 年，S.Zhang 將BIM 建筑數據中與安全相關的部分進行研究，自動化地對施工模型和進度表進行安全檢查[10]。Jo?o Po?as Martins 在2013 年發表了關于借助BIM 數據對給水系統的自動合規檢查應用LicA[11]。Qiankun Wang 在2018 年陳述了借助4DBIM 的方法來分析預制建筑組件設計中潛在的空間沖突[12]。以上這些研究都表明BIM 建筑數據的利用將使建筑項目在設計、施工、運營維護的過程中達到更加精細化、高效化的管理。

3.2 基于BIM 的建筑機電空間數據分析挖掘路徑

建筑機電空間數據分析主要分為以下幾個部分（圖1）：

圖1 建筑空間數據分析研究路徑（圖片來源：作者自繪）

（1）空間數據導出。首先根據項目機電設計情況，對所有重要剖面進行梳理。通過對模型和明細表的設置，提取出數據分析所需的空間數據。

（2）空間數據分類整理。根據數據分析需求對空間數據進行分類整理，辨析機電對建筑空間的影響要素，按要素來控制空間數據分類。

（3）數據分析與判斷。對數據進行分析，得出數據相應的特征值，例如平均值、方差、中位數、極差等。通過這些特征值判斷空間數據的分布情況，為后續的模型構建條件預設做準備。

4 醫院機電管線與建筑空間

4.1 醫院機電管線綜合排布原則

根據規范及相關的使用需求，對過往項目經驗進行總結。醫院機電管線綜合排布主要遵循以下原則進行。

4.1.1 總原則

（1）占用空間大的管優先，小管讓大管。

（2）有壓力的管線讓無壓力的管線。

（3）低壓管避讓高壓管。

（4）常溫管讓高溫、低溫管。

（5）分支管線讓主要路由管線，可翻完管線讓不可翻完管線。

（6）電氣管線應合理避開熱水管線及蒸汽管線。

（7）當各專業管道較為分散時（如汽車庫等），遵循水管和橋架在上層布置，風管在下層布置；如果同時存在重力水管道，則風管應在最上層布置，水管和橋架在下層布置。

（8）當各專業管道出現重疊較多的情況（如走道、核心筒等），應遵循布置順序由上到下，各專業管線為：不需要開設風口的通風管道、需要開設風口的通風管道、橋架、水管。

（9）不同的管線之間對間距的要求也要考慮，同時還應充分考慮施工條件及綜合支吊架。

4.1.2 管線分區原則

醫院機電管線較為復雜，不同走道和房間的管線分布差異性較大。借助管線綜合分區進行的方式，暫時將具有類似管線布置的區域與其他特殊區域分開，獨立進行分析和調整，最后再對管線綜合進行整體考慮。分區原則主要根據以下進行：

（1）建筑空間有較大區別，如：建筑升降板區域，管線應按建筑高度，分區域處理。

（2）機電管線分布有較大區別，如：機電管線宜按防火分區獨立歸類。

（3）醫院內的特殊使用功能空間，如：手術室、實驗室、ICU 等。

管綜的分區，能更加合理地使特定區域與其他區域隔離開，進行獨立排布，從而提高管綜優化的效率。在分區完畢后，對整體模型進行排查，標記出復雜區域或者重點關注區域。

4.2 醫院機電對建筑空間的影響要素

4.2.1 整體影響要素

在醫院的建筑空間內，從整體上來考慮，首先要按不同區域來劃分范圍。不同的區域所涉及的管線，影響的空間會有不同。再按不同區域的剖面來切分時，在層高的范圍內，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生影響（圖2）。

圖2 管線相關空間影響因素（圖片來源：作者自繪）

4.2.2 管線區影響要素

管線區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：各專業管線空間、橋架設置空間、管道翻彎空間、支吊架安裝空間、合適的檢修空間等（圖3）。

圖3 管線區影響因素（圖片來源：作者自繪）

4.3 醫院機電管線綜合介入及前置

4.3.1 目前項目中通常的介入階段

目前BIM 的管線綜合工作介入通常是在施工圖設計（詳細設計）完成后。在此階段介入會存在的問題如下：（1）建筑的基本條件已經定型（包括空間布局、層高、梁高、走道寬、升降板、機電路由等條件）；（2）調節的空間有限，很難進行較大改動；（3）被動接受凈高。

4.3.2 介入前置的必要性

在項目初步設計（基礎設計）階段就介入，與方案設計師共同考慮機電管線的走向，調節相關條件，使管線能夠安裝在更合理的位置，也能使空間安排更加完善合理。通過建立與機電管線相關的建筑空間預測模型，能夠在設計前置時有效把握各要素的關聯度，使設計師在空間設計的取舍過程中做出最優的決策也是本研究的重點。

5 在醫院建筑中與機電管線相關的建筑空間數據分析

5.1 機電空間數據收集

樣本醫院選取各地新建的大型綜合性醫院，且都已完成施工圖設計的部分，總計包含7 家醫院。數據按照“4.2”中的整體影響要素分類進行收集。主要收集管線集中位置，例如各類走道這些較好做為研究樣本的建筑空間。

借助dynamo 工具對Revit 中模型數據進行快速提取，從而得到各走道最不利剖面的管線類型及數量、管線相關空間尺寸（圖4）。

圖4 dynamo 快速提取模型數據（圖片來源：程序界面截圖）

在完成數據收集后，對數據進行清洗，剔除數據中不適合進入分析的重復項、異常項、空白項。在本研究中，對于車道和大廳等區域的走道寬會出現多個空白值，因此要對其進行剔除（圖5）。并且在數據收集的過程中，按照相關邏輯進行收集，能夠為下一步的分析提供有效的格式基礎。

圖5 以深圳市大鵬新區人民醫院為例的機電空間影響要素統計（圖片來源：作者自繪）

5.2 醫院機電管線相關數據統計分析

基于數據收集后進行相關數據分析表達，主要包括凈高相關數據統計分析表（表1）、凈高頻率直方圖（圖6）、層高頻率直方圖（圖7）、梁高頻率直方圖（圖8）、走道寬頻率直方圖（圖9）、管線層高度頻率直方圖（圖10）。

表1 凈高相關數據統計分析表（表格來源：作者自繪）

圖6 凈高頻率直方圖（圖片來源：作者自繪）

圖7 層高頻率直方圖（圖片來源：作者自繪）

圖8 梁高頻率直方圖（圖片來源：作者自繪）

圖9 走道寬頻率直方圖（圖片來源：作者自繪）

圖10 管線層高度頻率直方圖（圖片來源：作者自繪）

從圖中可以看到，走道凈高數據在1550 ～5500mm 之間，凈高多集中于2600 和3000mm 之間，梁高多集中于700 ～800mm之間，局部區域梁高達到2800mm。走道寬度集中在3000mm 左右，管線層高度較為分散，范圍從200 ～4000mm。

為得到更有代表性的管線層高度數據，將走道按后勤、醫患、辦公、機房、治療、其他走道進行分類。機房走道與治療走道管線層高度范圍較大，治療走道中位數較其他走道高，說明在有限樣本條件下，治療走道管線層平均水平較高（圖11）。

圖11 管線層高度箱型圖（圖片來源：作者自繪）

5.3 醫院機電管線相關數據統計意義

5.3.1 建筑評價

BIM 的數據統計分析有助于為建筑評價提供準確有效的數據支撐，包括在設計項目的前期預評價及建成后回訪評價，從而得到更全面的管線空間評價結果，以此指導后續的醫療建筑管線空間設計。

5.3.2 提供前置條件

管線數據分析結果能夠為設計師提供決策的前置條件，便于設計師了解醫院建筑中管線在不同走道區域所需要的空間、管線的類型及數量，從而能夠在新建項目中對數據進行參考，在進行空間尺度的把握時，通過更加準確的空間經驗值對管線空間進行考慮和較準確的預留。

5.3.3 有利于預測模型的建立

管線數據的快速收集和初步分析結果可用于后續的預測模型建立。通過借助數據擬合分析得出數學預測模型，建立與管線相關的空間要素，如凈高、層高、管線層高度、梁高、走道寬、吊頂、升降板等之間的數學關系，確定各要素在空間影響中的權重。通過數學預測模型能夠更有利地支撐設計師對空間的調整，更快速地得出最優的空間排布方案。

結語

本研究以管線復雜的醫院建筑為對象，進行凈高控制研究。分析得出建筑中影響凈高的關鍵要素，作為數據提取的目標。研究通過BIM 模型導出影響凈高關鍵要素的方法，為數據分析提供數據基礎。通過多家大型綜合醫院的建筑數據進行分析，得出與管線相關空間的經驗值，有利于建筑評價、作為建筑設計的前置條件及預測模型的建立。

但是，在本研究中還存在一定的缺陷，主要存在于：

（1）數據量不夠?？赡苡胁糠株P系體現不是很明顯，在下一步中進行更充分的數據收集工作。

（2）數據質量沒有判別。納入數據分析的數據沒有經過辨析，醫院建筑內的凈高是有優良差異的，管線排布也是存在優良差異的，可能需要引入專家評級等措施，來完善數據間的等級劃分，從而分析出不同質量的凈高控制與管線排布條件下空間凈高與各要素間的關系。

（3）增加數據擬合，形成空間預測模型，在設計過程中出現凈高不足時，提供最有效的調整解決辦法。

（4）在空間預測模型中還需納入更多的考慮因素，例如成本、空間形態影響等因素。便于設計師在對空間凈高進行控制、調整各要素時能夠有更多的支撐條件。