李季儒 徐繼賀

（1．中部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院，湖北 武漢 430000；2．中建三局集團有限公司工程總承包公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

醫(yī)院單位建筑面積的能耗可以達到其他公共建筑的2～3倍，因此醫(yī)院建筑造成的環(huán)境污染和能源消耗問題不容小覷，改善醫(yī)院建筑以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要[1-2]。

綠色醫(yī)院致力于實現(xiàn)貫穿整個建設(shè)周期的環(huán)保，如節(jié)約土地、節(jié)水、節(jié)約材料以及節(jié)約能源等。目前，綠色醫(yī)院建筑評估系統(tǒng)主要基于收集大量數(shù)據(jù)進行分析，并采取相應(yīng)措施。然而，數(shù)據(jù)收集過程復(fù)雜且效率低；因此，很難評估綠色措施的有效性。相比之下，醫(yī)院建筑的性能指標(biāo)更有針對性。因此，設(shè)計階段的性能優(yōu)化措施對實現(xiàn)綠色等級目標(biāo)至關(guān)重要[3-5]。

BIM 是建筑性能分析的有效工具。BIM 集成了項目系統(tǒng)、建筑信息和項目管理團隊，以提供安全便捷的數(shù)據(jù)傳輸和存儲方法，從而提高綠色評估的效率。該文將利用BIM 技術(shù)構(gòu)建綠色醫(yī)院建筑性能的模擬和模糊定量預(yù)評估模型，以評估醫(yī)院建筑在設(shè)計階段的性能[6]。

1 方法

該研究將采用基于BIM 的預(yù)評估系統(tǒng)，完成綠色醫(yī)院建筑績效預(yù)評估工作，包括3 個步驟：1）確定績效指標(biāo)并圍繞其構(gòu)建多因素預(yù)評估框架。2） 通過G1 方法和熵權(quán)方法確定指標(biāo)的權(quán)重。3）對綠色醫(yī)院建筑的性能進行模擬和評估。在該階段，使用Ecotect 模擬性能，使用Dynamo 和Matlab 評估性能[7]。

1.1 績效預(yù)評價體系

1.1.1 績效指標(biāo)識別

從患者建筑需求角度出發(fā)，將綠色醫(yī)院建筑性能預(yù)評價體系分為室內(nèi)舒適度、醫(yī)院環(huán)境和資源利用3 個板塊。3 個一級指標(biāo)是選擇二級指標(biāo)的基礎(chǔ)，二級指標(biāo)是在文獻檢索的基礎(chǔ)上提煉和擴展的。

1.1.2 多因素預(yù)評估框架

對多位專家進行采訪交流，構(gòu)建綠色醫(yī)院建筑績效的多因素預(yù)評估框架。受訪者都是綠色醫(yī)院建設(shè)的利益相關(guān)者，因此，他們的觀點是相對科學(xué)的。他們會根據(jù)需求進行回答問卷。

1.1.3 指數(shù)權(quán)重測量

指數(shù)權(quán)重與結(jié)果的準確性有關(guān)。為了盡量減少單一方法的誤差，該研究采用G1 法和熵權(quán)法，采用線性加權(quán)的方式分配指標(biāo)權(quán)重。通過G1 法，專家根據(jù)指標(biāo)的重要性進行排序，然后通過量化指標(biāo)之間的重要性來計算主觀權(quán)重。然后采用熵權(quán)法來確定客觀權(quán)重。最后，經(jīng)過多次重復(fù)，確定指數(shù)權(quán)重。

1.2 構(gòu)建BIM 模型

在BIM 中建立3D 模型，以評估和優(yōu)化綠色建筑性能。BIM 是智能三維建模的過程，為規(guī)劃、設(shè)計、施工和運營提供工具。將綠色醫(yī)院建筑性能預(yù)評估所需的信息放入BIM 模型中。BIM 通過模擬風(fēng)、光、陽光和熱環(huán)境，為綠色醫(yī)院建筑性能的綜合預(yù)評估提供技術(shù)支持。照明環(huán)境模擬包括日光因子、日照時間和照度。通過加載城市氣象數(shù)據(jù)和安裝燈具，可以模擬自然和人工照明。此外，可以模擬自然和人工照明的結(jié)合。風(fēng)環(huán)境性能分析需要模擬不同季節(jié)的風(fēng)環(huán)境對建筑物的影響，可以通過計算流體動力學(xué)（CFD）模型來支持，以獲得氣流速率、氣流矢量和單元壓力等指標(biāo)。日照模擬分析用于分析建筑物在指定日期的日照時間。熱環(huán)境模擬可以通過設(shè)置外墻材料來有效地分析建筑圍護結(jié)構(gòu)的熱性能，這主要可以通過織物增益、小時溫度、增益分解和月度天數(shù)來反映。

1.3 綠色醫(yī)院建筑績效評估

Ecoect 包括各種模擬和分析功能，為建筑性能優(yōu)化措施提供技術(shù)支持。通過使用構(gòu)建的3D 模型和集成的工程信息來評估綠色醫(yī)院建筑的績效，性能模擬Ecoect 通過gbXML或IFC 標(biāo)準在Revit 中創(chuàng)建三維模型。然后，將氣象數(shù)據(jù)和相關(guān)技術(shù)參數(shù)設(shè)置加載到Ecoect 軟件中，輸入建筑日照、風(fēng)環(huán)境、照明環(huán)境和熱環(huán)境進行綜合模擬分析，然后輸出能耗、熱舒適度、風(fēng)環(huán)境和噪聲值。該文使用五天滑動溫度、風(fēng)速和風(fēng)向來確定風(fēng)環(huán)境模擬參數(shù)，

根據(jù)評估規(guī)則，將在建筑性能模擬后獲得指標(biāo)分數(shù)。然后，通過云物質(zhì)-元素理論計算相關(guān)度。（Ex，En，He）用于構(gòu)建物質(zhì)-元素模型，其中期望（Ex）表示綠色醫(yī)院建筑預(yù)評估指標(biāo)的分類。熵（En）描述了醫(yī)院建筑績效預(yù)評估等級劃分的模糊性和獲得評估樣本的隨機性。超熵（He）表示綠色醫(yī)院建筑績效預(yù)評估樣本的分散程度。具體來說，He越大，樣本越離散。物質(zhì)-元素模型如公式（1）所示。

指數(shù)水平的區(qū)間劃分由云物質(zhì)-元素理論中的Ex、En和He 決定?？紤]到綠色醫(yī)院建筑績效的預(yù)評價模型和醫(yī)院建筑的特點，對各評價指標(biāo)進行劃分。假設(shè)每個指數(shù)的區(qū)間為（Cmin，Cmax），云模型中的Ex、En和He分別如公式（2）和公式（3）所示。

式中：s為根據(jù)專家經(jīng)驗或?qū)嶋H情況確定的常數(shù)。

此外，通過選擇正常云模型來計算x，可以得到x=Ex±1.774En。然后，將x設(shè)置為固定間隔的邊界值，如公式（4）所示。

式中：He是一個不確定的值，它決定云的厚度。值越小，云越薄，相關(guān)系數(shù)越模糊。值越大，反之亦然。x是云圖中的任何云滴。相關(guān)度函數(shù)用于計算云滴與評價等級之間的關(guān)聯(lián)度，以最終確定評價對象的綠色等級。相關(guān)度函數(shù)表達式如公式（5）所示。

式中：En'是由期望值Ex和方差He生成的正態(tài)隨機數(shù)。

1.3.1 二級指標(biāo)確定的相關(guān)度

首先，通過Matlab 編程計算每個綠色等級對應(yīng)于Vp的第i個評價指標(biāo)的隸屬度。其次，通過加權(quán)以下各項來計算Vp對每個綠色等級的隸屬度，如公式（6）所示。

式中：Kj（Mp）是第p個標(biāo)準物質(zhì)元素對第j個綠色等級的隸屬度（j=0，1，2，3）；Wpi是第i個指數(shù)對第p個標(biāo)準物質(zhì)元素的權(quán)重；Kj（Vpi）是第p個至第j個綠色等級的隸屬度的物質(zhì)元素中的第i個指示符的測量值。

1.3.2 綠色等級的確定

根據(jù)最大隸屬度原則，二級指標(biāo)、一級指標(biāo)和待評價的物質(zhì)要素的綠色等級定義如公式（7）所示。

最后，根據(jù)計算結(jié)果，綠色醫(yī)院建筑績效等級可分為4類：基礎(chǔ)級、1 星、2 星和3 星。

2 工程案例

為了驗證所提出的系統(tǒng)的科學(xué)性和有效性，選擇某醫(yī)院作為應(yīng)用該系統(tǒng)的實例。某醫(yī)院計劃建設(shè)總建筑面積約320840 m2，包括147000 m2和173840 m2（總建筑面積），分別位于地面上和之下。該文將對醫(yī)院大樓的性能進行評估，其中包括6 層門診大樓和醫(yī)療大樓以及14 層住院大樓。

2.1 建筑性能模擬

現(xiàn)有的Revit 模型可以通過使用gbXML 標(biāo)準直接導(dǎo)入Ecotest 進行模擬。門診樓、醫(yī)療樓和病房樓的日光合規(guī)率分別為85%、60%和99%。圖1 顯示了室內(nèi)日光系數(shù)。

圖1 模擬室內(nèi)日光系數(shù)

風(fēng)環(huán)境模擬使用該地近5 年的數(shù)據(jù)，以5 天的時間為滑動窗口，統(tǒng)計溫度、風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)來確定模擬參數(shù)和條件。采用過渡季節(jié)代替冬季進行模擬。詳細參數(shù)如下：①風(fēng)向。夏季南風(fēng)，過渡季節(jié)東北風(fēng)。②風(fēng)速。夏季和過渡季節(jié)為7 m/s。經(jīng)過模擬仿真，可以得到定量氣流速率和定性室內(nèi)氣流組織。室內(nèi)風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果，風(fēng)速大致為0 m/s～1.4 m/s，風(fēng)速宜人，風(fēng)向量合理。此外，風(fēng)環(huán)境模擬也可用于模擬外部的風(fēng)環(huán)境。

通過模擬建筑物的熱環(huán)境來確定圍護結(jié)構(gòu)的熱性能。模擬前需要設(shè)置相關(guān)參數(shù)，醫(yī)院包絡(luò)層的物理參數(shù)見表1。建筑在6—9 月接收更多熱量，最大熱量來自12：00—18：00。在1 月和12 月的23：00—8：00，熱量最高。熱或冷主要通過外殼的熱傳導(dǎo)形式傳遞。通風(fēng)排出的熱量為24.2%，建筑物附近的風(fēng)速相對較高，需要加強氣密性。此外，40.4%的熱量來自太陽輻射。

表1 包絡(luò)層的物理參數(shù)。

2.2 建筑性能評估

通過上述模擬，獲得所有二級指標(biāo)的分數(shù)。結(jié)合評價模型，通過MATLAB 計算待評價醫(yī)院的相關(guān)度和綠色等級。1）項目評分基于醫(yī)院的實際情況，采用BIM 進行建筑性能模擬，以獲得預(yù)評估指標(biāo)數(shù)據(jù)。受空間限制，以室內(nèi)舒適度為例，分析各指標(biāo)的得分。2）項目綠色等級模擬完成后獲得第二級指標(biāo)的分數(shù)。然后根據(jù)建議的模型計算第一級索引?？梢允褂靡幌路匠虂碚业揭u估的物質(zhì)元素，如公式（8）所示。

其中Nj（j=0，1，2，3）為綠色等級，Mp（p=1，2，3）是第一級指數(shù)，ci（i=1，2，3，…，12）是第二級指數(shù)。根據(jù)物質(zhì)元素延伸理論，其中綠色醫(yī)院建筑等級的基本級、1 星、2 星和3 星分別由R1、R2、R3和R4表示，如公式（9）所示。

節(jié)點域是所有經(jīng)典域范圍的總和，節(jié)點域范圍為（0，10），節(jié)點域表示如公式（10）所示。

通過物元擴展理論獲得經(jīng)典域和節(jié)點域后，云模型中的Ex和En通過前面的公式獲得。MATLAB 在He為0.10、0.12、0.14 和0.16 時創(chuàng)建He的評估云圖。云圖像的先決條件是模糊性和不可預(yù)測性。當(dāng)He=0.14 時，云模型具有良好的質(zhì)量，可以用于計算精確的相關(guān)度。根據(jù)構(gòu)建的預(yù)評價模型，利用MATLAB 根據(jù)公式（6）計算二級指標(biāo)的相關(guān)度，最終根據(jù)公式（7）生成一級指標(biāo)相關(guān)度和綠色等級。結(jié)果表明，該醫(yī)院的綠色等級為二星級，向三星級發(fā)展的趨勢不明顯。

3 結(jié)論

為了優(yōu)化綠色醫(yī)院建筑的性能，該研究構(gòu)建了基于BIM的綠色醫(yī)院性能預(yù)評估系統(tǒng)。通過理論研究和權(quán)重模型構(gòu)建建立績效預(yù)評估指標(biāo)體系，通過BIM 保證績效模擬，獲得指標(biāo)得分和綠色等級。以某醫(yī)院為例，驗證了該方法的有效性和科學(xué)性。建筑綠色醫(yī)院建筑性能預(yù)評估主要側(cè)重于可量化和模擬的性能指標(biāo)。綠色醫(yī)院建筑性能的預(yù)評價指標(biāo)篩選可能取決于專家會診方法。因此未來可以針對大數(shù)據(jù)等新方法進行改進。