基于BIM - 云物元的绿色医院建筑性能预评价

詹朝曦， 徐 林， 林联泉， 宋文洁， 戚欣悦， 许雯娜， 杨小艺

(1. 华侨大学 土木工程学院， 福建 厦门 361021； 2. 厦门市马銮湾新城开发建设总指挥部， 福建 厦门 361028)

快速发展的建筑业加剧环境问题以及能源枯竭危机，引入绿色理念是可持续发展的必然要求。作为公共建筑的一部分，能耗巨大的医院建筑绿色化发展也逐步引起重视，构建科学的评价体系是医院建筑绿色化发展的基础。

目前，学者构建的评价体系以绿色措施指标为主，如Candas等[1]认为医院具有便捷的交通以及充足的停车场是最有价值的；羊轶驹[2]构建4个一级指标、12个二级指标、93个三级措施指标为框架的绿色医院评价模型；李强年等[3]以22个措施指标构建甘肃省本地绿色建筑评价体系。但以措施指标进行绿色评价需要大量数据作为支撑，资料收集困难，评价工作效率低，而且无法评估该措施是否产生效果。通过性能指标进行医院建筑绿色评价更具针对性，性能即绿色措施产生的结果，以结果为导向进行绿色评价，有效提出性能优化措施，科学指导绿色医院的建设。尤其在项目设计阶段，建筑性能评价的作用更加突出，根据调查统计，设计阶段对项目影响程度达到48.3%，而施工阶段和运营阶段分别为0.7%，0.8%[4]，在设计阶段提出的性能优化措施是项目最终实现绿色等级目标的关键。因此，本文提出在设计阶段以性能指标进行预评价，指导绿色医院建筑健康发展。

BIM(Building Information Modeling)技术具有可视化、协调性、优化性和多元化信息输出等优势，复杂的绿色建筑评价需要这种高效率工具的辅助。目前，已有相关专家学者将BIM技术引入到建筑的绿色性能评价中，如：陈虹宇等[5]基于BIM技术进行建筑环境性能设计与环境影响分析；喻彦喆[6]基于BIM技术进行建筑性能后评估，通过室内实时数据和建筑使用者的主观感受综合评估室内环境质量；李铁军等[7]研究基于IFC(Industry Foundation Class)标准进行建筑性能数据传输与绿色度评价流程。但现有针对绿色医院建筑展开的研究大多集中在实现建筑绿色化的路径上，如Wood等[8]以质量功能展开观念(Quality Function Deployment，QFD)的使用者需求为导向进行绿色建筑设计；刁淑鑫[9]通过四节一环保进行医院建筑设计，并以天津医科大学生态城医院为案例进行论证分析；王静[10]吸取佩纳建筑策划模式的经验，构建绿色医院建筑的策划模式；王玉来等[11]调研寒冷地区医院能源，探究医院建筑能耗较高的原因；Buonomano等[12]对那不勒斯费德里科大学附属医院部分建筑的能源翻新进行了研究，将动态能源性能模拟和实验活动结合起来，探讨了可持续的节能措施。综上，以往研究都没有针对绿色医院建筑的设计阶段展开建筑性能评价研究，缺少完善的绿色医院建筑性能预评价指标体系，也有待深入研究如何将BIM技术与绿色医院建筑性能评价相结合。

本文结合BIM技术与云物元理论，构建可模拟化、可循环优化和可模糊量化的绿色医院建筑性能预评价模型，在设计阶段预先评估医院建筑设计方案的性能表现，以结果为导向对医院建筑设计方案进行评估、反馈、优化，有效指导绿色医院的设计与建设。

1 绿色医院建筑性能预评价指标体系

1.1 绿色医院建筑性能预评价指标

绿色医院建筑性能涉及面广，需要科学地识别出绿色医院建筑的性能预评价指标。探讨影响患者满意度的因素，以此为基础进行绿色医院建筑性能预评价指标体系的构建研究。邓梦筑等[13]认为医院可从营造舒适就诊环境、合理门诊布局等方面重视非医疗技术服务的改善。张萌[14]经过研究发现患者对就诊流程、住院环境以及后勤服务满意度较低；夏磊等[15]认为改善非医疗技术质量，以人为本提高医院人性化服务水平是确保患者满意的关键；丁绍刚等[16]以场地环境状况、标识系统、室外休憩设施、光环境、声环境、风环境以及绿化率等指标进行医院户外环境综合评价。本文在文献调研的基础上，借鉴国内外相关标准(包括美国的《绿色建筑评估体系(LEED)》、英国的《建筑环境评价方法(BREEAM)》、中国香港的《建筑环境评估法(HKBEAM)》、中国台湾的《绿建筑评估手册(EEWH)》、GB/T 51153—2015《绿色医院建筑评价标准》以及GB/T 50378—2019《绿色建筑评价标准》)，构建绿色医院建筑性能预评价指标初选集，发放30份问卷进行专家咨询，采用专家权威度调查法进行问卷和指标的筛选，最终从室内舒适度、医院环境、资源利用三个方面建立了绿色医院建筑性能预评价指标体系，如表1所示。

表1 绿色医院建筑性能预评价指标体系

1.2 确定指标权重

为了克服单独使用客观法或主观法给权重赋值带来的弊端，科学合理地确定指标权重从而保证决策的准确性，本文采用G1法和熵权法结合进行线性加权确定指标综合权重的方法。

1.2.1 G1法

G1法又称为序关系分析法，在层次分析法基础上进行优化，具有构造判断矩阵时无需检测一致性、计算简单、保序性强的优点[17]。由专家首先对指标重要程度进行排序，然后定量化重要和次重要两指标之间的重要程度值。具体步骤如下：

(1)确定序关系

(2)确定指标之间相互重要程度γk

(1)

(3)确定最不重要指标的权重

根据上式计算的γk，可以求得最不重要指标的权重wn-1为：

(2)

(4)确定其他指标的权重

表2 指标之间重要程度赋值

根据最不重要指标权重以及γk确定其他指标的权重为：

wk=γkwk+1,k=1,2,…,n-2

(3)

(5)群体决策的权重

(4)

1.2.2 熵权法

熵是信息论中对不确定性的一种度量，如果熵越大，那么信息量越大，不确定性就越小。根据熵的特性，指标的离散程度可依据熵值判断，指标的离散程度越大，该指标对综合评价的影响就越大[18]。熵权法的具体计算步骤如下：

(1)建立权重矩阵。邀请k位专家对绿色医院建筑性能预评价n项指标进行权重问卷调查，得到k位专家对n项指标权重评分矩阵A。

(5)

(2)求信息熵。 根据信息熵计算方法求出各指标信息熵ei。

(6)

(3)求指标的熵权值wi。

(7)

1.2.3 综合指标权重

本文采用线性加权组合赋权法确定指标综合权重Wi，进一步提高评价结果的客观性与可靠性，评价指标的综合权重计算公式为：

Wi=αwi+βwj, 0≤α,β≤1

(8)

式中：α，β为指标权重的调整系数；wi为G1法权重；wj为熵权法权重。

本文引入距离系数方法确定主、客观权重的调整系数，以距离系数与权重调整系数相等作为约束条件，计算调整系数值α，β，进而得到绿色医院建筑性能预评价指标综合权重Wi[19]，具体步骤如下：

(1)计算主客观权重距离。设主观权重wi和客观权重wj之间的距离为d(wi,wj)，则d(wi,wj)表达式为：

(9)

(2)约束条件。使用约束条件确保主客观权重之间差异程度与其对应的权重调整系数的差异程度保持一致，其约束条件为：

d(wi,wj)2=(α-β)2

(10)

本文使用权重距离确定主客观权重调整系数，通过式(8)～(10)得到主观权重(G1法权重)调整系数为0.8163，客观权重(熵权法权重) 调整系数为0.1837，使用调整系数赋权指标的综合权重，最终得到绿色医院建筑性能预评价指标权重，如表3所示。

表3 指标综合权重

2 绿色医院建筑性能预评价模型

2.1 指标赋值方式

以BIM为平台，通过gbXML标准进行不同软件之间的信息传递、提取与建筑性能模拟，获取的建筑信息作为评价指标的真实数据来源。利用BIM技术的模拟性、可视化、数字化等特点，实现动态反馈、优化设计方案，简化了评价工作内容，提高了评价工作效率，基于BIM技术的指标赋值方式与指标输出方式如表4所示。

表4 基于BIM技术的绿色医院建筑预评价指标赋值与输出方式

2.2 云物元理论

传统物元可拓分析以定量数值描述事物特征，忽略了随机性和模糊性，云模型采用期望值Ex、熵En和超熵He有效处理事物特征的随机性、模糊性和不确定性，可弥补传统物元可拓分析的不足之处[20]。数字特征期望值Ex表示绿色医院建筑预评价指标分类等级的划分；熵En刻画了医院建筑性能预评价等级划分的模糊性，同时描述了评估样本获取时的随机性；超熵He越大代表绿色医院建筑性能预评价样本的离散程度越大。云物元理论模型表示为：

(11)

(12)

(13)

He=s

(14)

式中：s为常数，根据专家经验或实际问题所确定的值。He是不确定值，其大小决定了云层的薄厚，其值越小，云层越薄，关联系数越模糊；其值越大则相反。

2.3 构建绿色医院建筑性能预评价模型

(1)评价等级划分

本文在调研国内外绿色建筑评价标准中绿色度等级评定划分后，以加权均值的方法划分本文的预评价模型绿色等级。首先求得每个标准绿色度等级界限占总分的比重，其次将比重加权平均计算得到本文的评价等级划分。

各标准绿色等级数不同，《建筑环境评价方法(BREEAM)》和《香港建筑环境评估法(HKBEAM)》具有五个评价等级，其他标准为4个评价等级，而且绿色等级名称不一致。因此，为了便于统计分析，本文以1～5表示5个不同绿色等级，数字越大代表绿色程度越高，其中只有4个等级的标准，其各等级对应数字等级2～5，各标准等级划分以及本文构建预评价模型的等级区间划分如表5所示。

采取平均取值对二级评价指标进行等级划分，利用物元可拓理论得到经典域和节域，然后结合式(12)(13)求得云模型中的Ex和En，得到二级指标在不同绿色等级下的划分值，如表6所示。

表5 国内外绿色建筑标准及预评价模型等级划分 %

表6 二级指标等级划分

在确定Ex和En之后，利用MATLAB编程建立He在0.10,0.12,0.14,0.16条件下的评价云图，如图1所示。云图具有模糊性和随机性的要求，取He=0.14时云模型具有较好的性质，可以用来计算准确的隶属度。

图1 He不同取值时的云图

(2)关联度计算

传统物元可拓理论的关联函数无法满足事物特征等模糊性和随机性需求，采用隶属度函数作为预评价指标和云模型评价所需要数据的转换器。x为云图中的任一云滴，使用隶属度函数计算云滴与评价等级的关联度，从而最终确定评估对象的绿色等级，隶属度函数表达式为：

(15)

式中：En′是由期望值Ex和方差He产生的正态随机数。

(3)评价等级结果确定

1)计算二级指标隶属度。首先运用MATLAB编程计算出Vp对应的第i个评价指标对各个绿色度等级的隶属度，其次通过加权计算出Vp对各个绿色等级的隶属度Kj(Mp)：

(16)

式中：Kj(Mp)为第p准则物元对第j绿色等级(j=0,1,2,3)的隶属度，Mp(p=1,2,3)为一级指标；wpi为第i个指标对第p准则物元的权重；Kj(Vpi)为第p准则物元中第i个指标的实测值对第j绿色等级的隶属度。

2)计算待评价物元一级指标隶属度。加权各二级指标待评价物元计算一级指标待评价物元绿色等级隶属度，计算公式如下：

(17)

3)确定待评价物元等级。根据隶属度最大原则判断二级指标、一级指标以及待评价物元的绿色等级：

K(R)=maxKj(R)

(18)

3 案例分析

3.1 项目概况

马銮湾医院项目建设目标为1000张床位的三级甲等综合性医院，近期建设总建筑面积为310960 m2，其中，地上建筑面积136000 m2，地下建筑面积174960 m2。本次建筑性能评价的建筑包括门诊楼、医技楼以及住房楼三栋建筑物连接起来的建筑群，如图2左侧所示，其中门诊楼和医技楼是地上6层建筑，住房楼是地上14层建筑。

图2 马銮湾医院项目BIM效果图

3.2 评价指标数据获取

3.2.1 BIM可视化

BIM为工程管理者提供了三维可视化管理平台，可以观察到项目情况，获取绿色医院建筑性能预评价指标的有关数据。通过Revit漫游功能可观察到患者就诊流程的便捷性，还可与Dynamo结合获取建筑信息进行处理。通过Dynamo编程识别建筑信息后，导出到Excel表格中，并进行相关数据处理后应用于建筑性能预评价。以建筑容积率计算为例，建筑面积明细通过Dynamo提取过程如图3所示。

3.2.2 建筑性能模拟

Revit模型构建完成之后，采用Ecotect软件进行建筑性能分析。Ecotect是Autodesk公司软件产品中专门进行绿色建筑性能模拟的软件，该软件可以从外部导入dwf和gbXML等格式文件，也可以在软件中创建相关模型。Ecotect软件可以有效进行光环境分析、热环境分析、日照环境模拟等，可从不同角度分析建筑性能，为绿色建筑性能评价提供技术支持。以室内采光为例，通过Ecotect模拟得到的采光系数如图4所示， 通过统计可以得到不同建筑的室内采光达标率。

图3 建筑信息提取过程

图4 室内采光系数分析

3.3 项目得分

根据项目实际情况，利用BIM技术提取建筑信息、模拟建筑性能获得预评价指标数据，由于篇幅限制，以室内舒适度为例分析各指标得分情况，如表7所示。

表7 预评价标准与项目得分情况

3.4 构建待评价物元

根据构建的绿色医院建筑预评价指标体系可知，预评价结果为一级指标待评价物元，二级指标待评价物元包括室内舒适度、医院环境以及资源利用，每个准则层包含各自的评价指标以及评价指标实测值，待评价物元R为：

(19)

式中：Nj(j=0,1,2,3)为绿色等级；Mp(p=1,2,3)为一级指标，ci(i=1,2,3,…,12)为二级指标。

根据物元可拓理论确定经典域，其中绿色医院建筑等级基本级、1星级、2星级、3星级分别用R1，R2，R3，R4表示，具体表示如下：

节域为所有经典域范围之和，节域范围为(0,10)，节域表示为：

(20)

通过式(16)(17)以及利用MATLAB编程数学代码进行二级指标隶属度计算，最终得到二级指标隶属度如表8所示。

表8 二级指标绿色等级隶属度

根据式(17)以及表8，可分别计算室内舒适度、医院环境和资源利用三个一级预评价指标的隶属度。根据式(18)采用最大隶属度原则进行项目绿色等级计算，项目绿色等级计算结果如表9所示。

表9 一级指标隶属度及绿色等级

由上述结果可知，马銮湾医院项目绿色性能度评价等级为2星级，发展为3星级的趋势并不明显。通过分析相关隶属度计算结果，可以得出如下设计优化信息：

(1)室内自然通风U4、医院人性化设计E2、住院病房日照环境E3、医院园区绿化率E4以及园区土地利用R1五个二级指标达到3星级标准，另外一级指标医院环境E也是3星级标准，说明该项目环境较为卓越。但探究隶属度计算结果可知，智慧医疗服务E5仅达到2星级水准，有较大的优化空间。

(2)二级指标多为绿色2星级水准，其中智慧医疗服务E53星级趋势最差，其隶属于1星级和2星级程度相近，分别为0.4988和0.4989，应结合隶属度计算结果进行针对性优化提升。

(3)室内舒适度U、资源利用R均达到2星级水平，与项目综合绿色等级相同，但从隶属度计算结果可以得知室内舒适度指标向3星级发展的趋势最差，应进行针对性优化提升。

4 结 论

(1)开展绿色医院建筑性能预评价研究对于指导绿色医院建筑的设计优化和项目建设具有重要实践意义，本文以国内外绿色医院建筑的相关标准为基础，结合文献调研以及专家咨询，构建了包括室内舒适度、医院环境以及资源利用三个方面12个评价指标的绿色医院建筑性能预评价指标体系。

(2)本文提出了BIM技术与云物元理论相结合的绿色医院建筑性能预评价模型，一方面利用云模型描述定性概念的模糊性、物元可拓理论获取指标绿色化隶属度的优势；另一方面利用BIM技术构建可模糊化、可量化、可模拟化的绿色医院建筑性能预评价模型，为项目设计方提供建筑性能预评价、反馈和优化的循环指导路径，利于更快速地实现医院建筑绿色等级的预期设计目标，提高绿色医院评价效率。

(3)对马銮湾医院项目进行案例分析，结果为绿色医院建筑2星级。性能预评价结果与该项目申请的绿色设计标识等级相同，验证了绿色医院建筑预评价模型的科学性与适用性。