基于BIM 的大型综合医院建筑净高控制研究

文／严尚言 深圳大学建筑与城市规划学院本原设计研究中心 研究助理 硕 士

1 研究背景

1.1 BIM 发展情况

在传统的建筑设计领域，由于设计需求的变化和计算机技术的发展，从而带来设计方式的改变[1]。在1964 年，Sutherland,Ivan E 提出以人机交互技术、计算机图形学、数据分类分层存储的思想，实现了人机协同的设计方法，使得设计方式从手绘画板逐渐转向使用CAAD技术进行建筑设计，从而提高了设计效率和绘图质量[2]。伴随计算机技术的发展，机器性能的提升，从二维图形的点、线、面向三维图形 发 展。Charles Eastman 提 出BDS 系 统，是BIM 的雏形。强调建筑设计是通过在空间中将各种建筑三维元素进行合理有序的组合，并可通过这些排列好的元素获取相关视图[3]。Building SMART International 阐述BIM 技术是全生命周期内生产和应用建筑数据的业务过程，通过数字化的方式来表达建筑内所包含的构件、设施的物理和功能特性[4]。随着BIM 技术的持续普及和迅速发展，世界各地都推出各类标准，中国也推出相应的政策指导文件和相关的国家、省、市级BIM 标准。BIM 技术的发展也为建筑设计提供了更多数据应用的可能性。

1.2 建筑设计相关的数据分析

过去的建筑设计，其实本身就是存在数据控制理念的。像规范指标都是来源于过去的数据统计和分析得出的。还有大量的建筑设计数据分析的案例也可供参考。

但是从整体来说，建筑物设计，对数据利用还是比较粗糙的，还没有成熟的挖掘和利用数据的模式[5]。聚焦到更加具体的建筑设计数据分析应用上，对于外观、建筑性能、功能和运营等多个层面都还不够完善。

近年来，随着BIM 技术的发展，建筑设计的数据分析和数据应用也越来越多地被研究，使建筑设计向更加精细化的程度发展。

1.3 BIM 在医院管线综合排布优势

大型医院项目的内部机电设备管线系统复杂，除了给排水、采暖通风、电气、消防、智能化等机电系统，还设置物流、垃圾被服、医疗气体等大量的医疗管线系统。医疗管线系统主要包含医用净化系统、医用气体系统、医用纯水系统、物流传输系统、污水处理系统、辐射防护工程、智能污物收集系统、实验室工艺系统等八大专项系统[6]。这些系统需要大量的管线、传输通道、设备，也就是需要大量的空间来整合安装、维护。

在以往的管线综合设计过程中，采用CAD进行设计，在二维环境中对管线走向与分布的表达具备难度，多采用系统图和走向来表达，缺少管线的准确位置和尺寸，空间的利用和把握也较为模糊，同时成果不仅会出现碰撞，而且会导致净高条件不足。在进行设计变动的时候，会对管线的布置产生总体的影响，对此的反复作业易造成信息的不对称，从而引发新的错误。

BIM 管线设计可以将各专业的管线系统的多个模型在三维空间中进行整合，依据规范和实际施工要求，结合管线设计原则来进行整体的布局把控。在管线综合排布过程中，直接在三维环境中对空间进行把握，充分考虑各专业交叉碰撞问题，控制预留预埋，合理设置翻弯、检修空间，控制净高。

1.4 BIM 的数据优势未充分体现

尽管BIM 的三维可视化能力已经得到一定的体现，但是BIM 的数据优势在建筑设计的管线空间控制中还未充分地发挥。目前已经有大量的关于BIM 数据分析和应用的研究在进行，但是在建筑精细化设计、施工、运维的背景下，建筑数据分析还能够应用到更加具体的情况中。

2 目标与方法

2.1 研究目标

2.1.1 基于BIM 的数据分析的基本理论

研究基于BIM 的数据分析基本理论及实现路径。确定基于BIM 模型的数据导出方式，根据数据分析需求实现数据的结构化分类，建立数据间的逻辑联系及适用性条件。预先确定数据分析整体路径及实现方式是研究构建数据模型的基础。

2.1.2 与机电管线相关的空间条件分析

对机电管线相关的空间条件进行识别，探究各空间条件的相关度以及空间条件之间的互相影响关系。同时考虑机电管线自身的空间占位，对总体的空间排布的关系进行探究。

2.1.3 基于BIM 的管线数据提取

研究基于BIM 对机电管线相关空间数据的提取方法，从模型中对各空间条件进行自动化快速提取，为数据分析提供数据基础。

2.1.4 机电管线数据分析

基于空间条件分析及BIM 提取的相关数据，通过数据的分析和梳理，得出设计经验值。通过模型针对建筑内多个区域净高实现精细化的预测。

2.2 研究方法

2.2.1 基于dynamo 的数据导出方法

Dynamo 是基于Revit 开发的能够进行参数化设计的开放性辅助工具，能够实现Revit 自身难以实现的功能，通过Dynamo 中节点的组合能够提高数据导出的自动化能力。Dynamo 拥有灵活的编程能力，可以通过调节其中的定义关系和创建算法，在数据导出中能够快速地提取各剖面中的管线数量及管线尺寸[7]。

2.2.2 归纳演绎法

从现有的数据中归纳出一般原则，并借助原则来推导面对问题的解决方案。对基于BIM收集的机电管线相关空间数据进行归纳，分析出它们的分布特点，并有效地在今后的项目中去尝试运用解决。

3 BIM 数据基本理论

3.1 BIM 建筑数据发展

BIM 最初就是强调数据支撑的。早在1997年，IAI 就发布了IFC 标准作为建筑产品数据表达标准。这份标准可以有效地支持建筑业内各软件系统之间的数据交换和全生命周期的数据管理[8]。IFC 标准采用EXPRESS 语言，是以实体关系方法建立的，具有面向对象特性的数据模型。目前，在世界范围内，BIM 技术的发展和应用都达到了一定的水平，各国有发布了一系列国家和地方的标准来明确BIM 数据的应用。大多数BIM 相关的建筑数据分析也都是基于BIM 的数据储存特性来展开的。

Qingjie Wen 等陈述对于BIM 建筑数据的利用发展迅速，已经在很多方面做了相关的研究，包括虚拟现实、施工安全管理、数字孪生、建筑评价、GIS 系统、深化设计和分析模型和装配式生产等方面，同时还与多个其他学科进行结合[9]。

在2012 年，S.Zhang 将BIM 建筑数据中与安全相关的部分进行研究，自动化地对施工模型和进度表进行安全检查[10]。João Poças Martins 在2013 年发表了关于借助BIM 数据对给水系统的自动合规检查应用LicA[11]。Qiankun Wang 在2018 年陈述了借助4DBIM 的方法来分析预制建筑组件设计中潜在的空间冲突[12]。以上这些研究都表明BIM 建筑数据的利用将使建筑项目在设计、施工、运营维护的过程中达到更加精细化、高效化的管理。

3.2 基于BIM 的建筑机电空间数据分析挖掘路径

建筑机电空间数据分析主要分为以下几个部分（图1）：

图1 建筑空间数据分析研究路径（图片来源：作者自绘）

（1）空间数据导出。首先根据项目机电设计情况，对所有重要剖面进行梳理。通过对模型和明细表的设置，提取出数据分析所需的空间数据。

（2）空间数据分类整理。根据数据分析需求对空间数据进行分类整理，辨析机电对建筑空间的影响要素，按要素来控制空间数据分类。

（3）数据分析与判断。对数据进行分析，得出数据相应的特征值，例如平均值、方差、中位数、极差等。通过这些特征值判断空间数据的分布情况，为后续的模型构建条件预设做准备。

4 医院机电管线与建筑空间

4.1 医院机电管线综合排布原则

根据规范及相关的使用需求，对过往项目经验进行总结。医院机电管线综合排布主要遵循以下原则进行。

4.1.1 总原则

（1）占用空间大的管优先，小管让大管。

（2）有压力的管线让无压力的管线。

（3）低压管避让高压管。

（4）常温管让高温、低温管。

（5）分支管线让主要路由管线，可翻完管线让不可翻完管线。

（6）电气管线应合理避开热水管线及蒸汽管线。

（7）当各专业管道较为分散时（如汽车库等），遵循水管和桥架在上层布置，风管在下层布置；如果同时存在重力水管道，则风管应在最上层布置，水管和桥架在下层布置。

（8）当各专业管道出现重叠较多的情况（如走道、核心筒等），应遵循布置顺序由上到下，各专业管线为：不需要开设风口的通风管道、需要开设风口的通风管道、桥架、水管。

（9）不同的管线之间对间距的要求也要考虑，同时还应充分考虑施工条件及综合支吊架。

4.1.2 管线分区原则

医院机电管线较为复杂，不同走道和房间的管线分布差异性较大。借助管线综合分区进行的方式，暂时将具有类似管线布置的区域与其他特殊区域分开，独立进行分析和调整，最后再对管线综合进行整体考虑。分区原则主要根据以下进行：

（1）建筑空间有较大区别，如：建筑升降板区域，管线应按建筑高度，分区域处理。

（2）机电管线分布有较大区别，如：机电管线宜按防火分区独立归类。

（3）医院内的特殊使用功能空间，如：手术室、实验室、ICU 等。

管综的分区，能更加合理地使特定区域与其他区域隔离开，进行独立排布，从而提高管综优化的效率。在分区完毕后，对整体模型进行排查，标记出复杂区域或者重点关注区域。

4.2 医院机电对建筑空间的影响要素

4.2.1 整体影响要素

在医院的建筑空间内，从整体上来考虑，首先要按不同区域来划分范围。不同的区域所涉及的管线，影响的空间会有不同。再按不同区域的剖面来切分时，在层高的范围内，有管线层高度、梁高、走道宽、吊顶、升降板等要素对建筑空间产生影响（图2）。

图2 管线相关空间影响因素（图片来源：作者自绘）

4.2.2 管线区影响要素

管线区按照管线综合原则和实际情况进行排布，主要的影响要素可以分为以下：各专业管线空间、桥架设置空间、管道翻弯空间、支吊架安装空间、合适的检修空间等（图3）。

图3 管线区影响因素（图片来源：作者自绘）

4.3 医院机电管线综合介入及前置

4.3.1 目前项目中通常的介入阶段

目前BIM 的管线综合工作介入通常是在施工图设计（详细设计）完成后。在此阶段介入会存在的问题如下：（1）建筑的基本条件已经定型（包括空间布局、层高、梁高、走道宽、升降板、机电路由等条件）；（2）调节的空间有限，很难进行较大改动；（3）被动接受净高。

4.3.2 介入前置的必要性

在项目初步设计（基础设计）阶段就介入，与方案设计师共同考虑机电管线的走向，调节相关条件，使管线能够安装在更合理的位置，也能使空间安排更加完善合理。通过建立与机电管线相关的建筑空间预测模型，能够在设计前置时有效把握各要素的关联度，使设计师在空间设计的取舍过程中做出最优的决策也是本研究的重点。

5 在医院建筑中与机电管线相关的建筑空间数据分析

5.1 机电空间数据收集

样本医院选取各地新建的大型综合性医院，且都已完成施工图设计的部分，总计包含7 家医院。数据按照“4.2”中的整体影响要素分类进行收集。主要收集管线集中位置，例如各类走道这些较好做为研究样本的建筑空间。

借助dynamo 工具对Revit 中模型数据进行快速提取，从而得到各走道最不利剖面的管线类型及数量、管线相关空间尺寸（图4）。

图4 dynamo 快速提取模型数据（图片来源：程序界面截图）

在完成数据收集后，对数据进行清洗，剔除数据中不适合进入分析的重复项、异常项、空白项。在本研究中，对于车道和大厅等区域的走道宽会出现多个空白值，因此要对其进行剔除（图5）。并且在数据收集的过程中，按照相关逻辑进行收集，能够为下一步的分析提供有效的格式基础。

图5 以深圳市大鹏新区人民医院为例的机电空间影响要素统计（图片来源：作者自绘）

5.2 医院机电管线相关数据统计分析

基于数据收集后进行相关数据分析表达，主要包括净高相关数据统计分析表（表1）、净高频率直方图（图6）、层高频率直方图（图7）、梁高频率直方图（图8）、走道宽频率直方图（图9）、管线层高度频率直方图（图10）。

表1 净高相关数据统计分析表（表格来源：作者自绘）

图6 净高频率直方图（图片来源：作者自绘）

图7 层高频率直方图（图片来源：作者自绘）

图8 梁高频率直方图（图片来源：作者自绘）

图9 走道宽频率直方图（图片来源：作者自绘）

图10 管线层高度频率直方图（图片来源：作者自绘）

从图中可以看到，走道净高数据在1550 ～5500mm 之间，净高多集中于2600 和3000mm 之间，梁高多集中于700 ～800mm之间，局部区域梁高达到2800mm。走道宽度集中在3000mm 左右，管线层高度较为分散，范围从200 ～4000mm。

为得到更有代表性的管线层高度数据，将走道按后勤、医患、办公、机房、治疗、其他走道进行分类。机房走道与治疗走道管线层高度范围较大，治疗走道中位数较其他走道高，说明在有限样本条件下，治疗走道管线层平均水平较高（图11）。

图11 管线层高度箱型图（图片来源：作者自绘）

5.3 医院机电管线相关数据统计意义

5.3.1 建筑评价

BIM 的数据统计分析有助于为建筑评价提供准确有效的数据支撑，包括在设计项目的前期预评价及建成后回访评价，从而得到更全面的管线空间评价结果，以此指导后续的医疗建筑管线空间设计。

5.3.2 提供前置条件

管线数据分析结果能够为设计师提供决策的前置条件，便于设计师了解医院建筑中管线在不同走道区域所需要的空间、管线的类型及数量，从而能够在新建项目中对数据进行参考，在进行空间尺度的把握时，通过更加准确的空间经验值对管线空间进行考虑和较准确的预留。

5.3.3 有利于预测模型的建立

管线数据的快速收集和初步分析结果可用于后续的预测模型建立。通过借助数据拟合分析得出数学预测模型，建立与管线相关的空间要素，如净高、层高、管线层高度、梁高、走道宽、吊顶、升降板等之间的数学关系，确定各要素在空间影响中的权重。通过数学预测模型能够更有利地支撑设计师对空间的调整，更快速地得出最优的空间排布方案。

结语

本研究以管线复杂的医院建筑为对象，进行净高控制研究。分析得出建筑中影响净高的关键要素，作为数据提取的目标。研究通过BIM 模型导出影响净高关键要素的方法，为数据分析提供数据基础。通过多家大型综合医院的建筑数据进行分析，得出与管线相关空间的经验值，有利于建筑评价、作为建筑设计的前置条件及预测模型的建立。

但是，在本研究中还存在一定的缺陷，主要存在于：

（1）数据量不够。可能有部分关系体现不是很明显，在下一步中进行更充分的数据收集工作。

（2）数据质量没有判别。纳入数据分析的数据没有经过辨析，医院建筑内的净高是有优良差异的，管线排布也是存在优良差异的，可能需要引入专家评级等措施，来完善数据间的等级划分，从而分析出不同质量的净高控制与管线排布条件下空间净高与各要素间的关系。

（3）增加数据拟合，形成空间预测模型，在设计过程中出现净高不足时，提供最有效的调整解决办法。

（4）在空间预测模型中还需纳入更多的考虑因素，例如成本、空间形态影响等因素。便于设计师在对空间净高进行控制、调整各要素时能够有更多的支撑条件。