医院是空间较为复杂的民用建筑之一。根据国际建筑分类体系Ominiclass的分类,医院有19大类近400子类的功能空间;并且,医院使用需求在不断变化,导致医院功能空间需要不断调整、改造,甚至是大修和改扩建,不仅带来巨大浪费,也影响医院的正常运营,降低医院的运营效能。因此,如何设计、建设和运营更有弹性、更能适应未来需求变化的医院空间资源管理体系是医院建设与运营管理中的重要问题。近年来,随着BIM技术在医院建设领域的逐步应用,体现出显著优势和实际价值。本文主要讨论在BIM条件下,如何利用弹性理念,进行医院空间资源的可视化、参数化和自动化管理,并通过上海仁济医院科教综合楼的实证应用,验证其实践价值。

医院空间的复杂性不仅体现在功能的多样性和需求的多变性,主要体现在以下7个复杂维度。

医院空间要实现所需要的复杂功能,必然需要复杂的构成,包括建筑、结构、水、电、消防、气体、智能化等,以及家具、设备、绿化等,这些构成要素需要协同工作才能发挥医院空间的整体功能,以支撑复杂的医疗活动。同时,这些构成要素还需满足专业规范,如结构、水、电等相应的规范。

医院空间具有三维特征,既有面积上的需求,也有三维空间上的需求,例如设备的高度及操作需求导致医院空间有净高要求。另外,医院空间应根据使用需求具有重要的物理性能,包括隔热、隔音、隔光等。另外,医院空间需具备一定的环境性能,包括友好性、洁净性、符合要求的温度和湿度等。

医院空间服务于医疗活动,具有功能上的复杂性。从宏观上,医院类型不同,其功能也不同,例如中医院、专科医院、康复医院等具有不同的空间功能要求。从中观上,医院急诊、门诊、住院、医技、保障、科研等都具有差异化的功能要求。从微观上,一些特殊用房,如内镜中心、手术室、放疗中心、高压氧中心、隔离病房等更具有功能属性的复杂性,这给医院的空间设计、建设和运营管理带来了挑战。

和其他建筑空间相比,医院空间具有极强的专业性。这种专业性不仅包括需要水、暖、电等基本专业建筑设施设备,也包括防护、气体、物流、实验、家具等专业化的后勤或医疗服务设备,还包括安全的物理环境,如空间装饰、光、热、声和设备运行的环境等。

医疗空间也是医疗服务的重要资源,其具有价值性和有限性,这是医院空间管理的重要挑战。空间管理的主要目的是最大化发挥空间的价值,通过高效的空间利用实现空间的保值和增值,从而支持高效的医疗服务活动,提高医院的运行效能。但从整体上看,医院空间具有有限性、固定性、相互之间无法随意替代,以及不断更新等资源性特征。

医院各个功能空间不是孤立的,相互之间具有复杂的关联,具有空间上的拓扑特征。医院空间具有不同的分布,既有平面上的分布,也有垂直方向上的分布,具有位置分布和关联的复杂性。同时,医疗空间价值的发挥和医疗工艺具有复杂关系,这为空间的组合和优化带来了巨大挑战。

医疗需求和医疗服务技术在不断发展,这就导致医院空间变化十分频繁,具有动态复杂性,这是医院空间全生命周期管理的重要挑战。既有需求变化的影响,也有空间设备设施更新换代的影响,而如何应对动态变化的复杂性,是医院空间管理必须要思考的问题,同时也是本文讨论的重点。

“弹性”源于力学范畴,指物体具有在外界因素作用下发生运动和变形,并在物体中产生应力和应变的属性。在医院空间管理中,弹性意味着适应性,即为适应使用者的需求而有可变化与调整的能力。具体体现为:

(1)空间的弹性需求分析与管理。医院空间需求既有个性化,也有共性化,既有可变性,也有稳定性,满足弹性需求是空间管理的基本出发点,也是空间弹性管理的落脚点。医院空间资源的弹性管理首先要分析需求的弹性及变化趋势和规律。

(2)空间的弹性设计。当前医院大改大建既有需求的客观变化,也有弹性设计思维的缺失。未来有效应对医院空间的未来弹性需求,应在设计中贯彻弹性理念,即考虑空间功能的通用性、兼容性、相容性、可组合性、可拓展性等弹性特征。

(3)空间的弹性管理与优化。医院空间管理的复杂性在于变化性和不确定性,而应对这种变化性和不确定性主要是加强实时跟踪、过程管理并不断优化,这就需要动态跟踪、分析和优化空间的弹性管理效果,不断提升空间的利用效率。

(4)空间的弹性改造与升级。在医院空间运营管理过程中,不可避免地产生升级与改造问题,但需要以最低成本和最小代价进行弹性改造与升级,这就需要利用新的手段进行多方案模拟与精细化管理。

总体来说BIM有两层含义:(1)BIM是建筑设施的计算机数字化、空间化和可视化模型,该模型兼具三维空间、物理特性和功能特性参数;(2)BIM也包括模型的应用过程,即通过建模和使用数字化信息模型来提高项目设计、施工和运行管理水平,实现传统设计、建设与运营管理范式的变革。在医院领域,BIM和医疗设备设施及医疗工艺信息等集成就形成了HIM(Healthcare Information Modeling,医院信息模型)。

BIM技术在医院领域具有巨大的应用潜力和应用价值,并得到了迅速推广应用。从实践上看,其应用价值在不同阶段具有不同的体现。在前期阶段,有助于提升前期策划、决策和可行性论证水平;在设计阶段,有助于提升设计质量以及建筑和医疗空间、医疗工艺的性能或品质;在施工阶段,有助于精益施工和项目管理;在运维阶段,有助于提高医院的智慧运营管理水平,为设施管理的保值和增值提供服务。

由于医院空间的复杂性,如何充分考虑空间设计的弹性,既需要设计师提升设计手段,也需要用户的深度参与,而可视化是其中的重要支撑技术。通过可视化展示、模拟和多方案比较,可大幅度提升面向用户需求的空间弹性性能。

如果将医院空间视为面向医疗服务的支撑和载体,空间系统本身也可视为是产品,这就需要针对空间进行多维度的性能分析,包括物理环境、空间组合、防护、使用便捷性等,以模拟分析未来不同应用场景及其满足程度。BIM及其相关性能分析工具的组合使用可开展多维度、多角度和多场景的空间弹性性能分析。

可测度、定量化是提升空间弹性的必要方式,通过BIM中丰富的模型参数,可进行多维度参数分析,包括空间统计、使用率、改造成本、单位面积投入产出率等,可测量地持续改进空间使用效能。

医院空间具有复杂的多维度属性,是一个复杂的系统,空间的弹性管理需要集成化的数据和信息,而BIM的多专业集成及分析功能可有效辅助空间的弹性集成管理。例如,多专业的协调与优化、“设备-空间-医疗工艺”的集成分析、多专业系统的集成应用、重要空间的智慧运营管理等。

在具体实现方法上,主要是借助BIM的空间和设施可视化及参数化技术优势,通过医院空间、用户活动分析及本体(Ontology)表示,以及“活动—空间”的参数化映射及优化方法,不断提高空间利用率,并借助工具开发来自动化实现医院的弹性空间管理过程。

基于建设阶段形成的建筑信息模型,进行模型内容拓展,丰富相应参数信息,包括建筑参数、设备参数和环境参数等。同时,分析不同模型要素的弹性改造指数,形成基于BIM的医院空间及设施的参数化模型。

这些类型可包括是否为典型活动、用户重要性、空间约束、空间指定性、是否需要设备、空间的独特性、可改造性以及安全标准等。而空间属性包括空间数量、最小面积、隔音度、隐私性、家具布置、可改造性、安全性等。以上内容可采用本体表示。

用户活动包括典型活动和非典型活动,属性包括活动名称、用户、约束、偏好、频率、用户规模、持续时间等。空间需求包括需求名称、需求空间类型、特殊性需求、是否指定等属性。以上内容可采用本体表示。

映射包括多个阶段:选择用户空间需求,从空间方案中找到可用空间,如果空间是弹性空间则计算可用单元数,用活动分配空间。在完成映射的基础上,计算空间利用效率,若有多个方案,可比较和持续优化。

由于以上内容的复杂性和动态性,可以开发基于BIM和数据分析技术的工具(如插件)或平台,以支持弹性空间的可视化及自动化管理。

上海交通大学医学院附属仁济医院科研综合楼暨上海市肿瘤研究所整体迁建工程建筑面积38354平方米,项目地上18层均为科研实验用房及相关辅助用房,肿瘤所是癌基因及相关基因国家重点实验室的依托单位。项目建设将实现上海市肿瘤研究所癌基因及相关基因国家重点实验室的整体搬迁,并进行深化建设,构建以国家重点实验室为基础的,以GMP实验室为主体的转化医学中心、以健康/疾病人群队列为主体的人类遗传资源保藏中心,以及以科学研究公共平台为主体的科研资源共享服务平台。该项目采用了全过程BIM应用,并作为医院弹性空间课题研究的实践应用支撑。

基于建设阶段形成的BIM模型,构建科研楼空间及设备设施的参数化模型,并进行属性参数赋值,图1(b)为科研楼某一楼层建筑空间及设备设施的BIM模型。

图1(c)为基于BIM输出的某一楼层的空间参数数据和设备设施清单,从中可以看出基于BIM可以方便地进行空间类型统计、面积计算以及设备设施清单输出和分类统计。当然,这些数据的输出依赖于BIM模型中相应数据的完整性和丰富性。通过调研及现有科研活动信息,目前有五类典型用户活动:研究生常规实验、研究生例会、研究生细胞实验、学术汇报和PI办公,所对应的空间是会议室、常规实验室、PI办公室和细胞实验室。

根据现有方案,可以进行科研活动-空间的映射,如图2所示。其中会议室含有2个子单元的弹性空间。图1(a)即是弹性空间的组合示例。这种映射既可以人工处理,也可以设计一定的规则由计算机完成,而实验表明,人工处理效率和准确性都会成为很大问题。

由于科研活动和空间的复杂性和动态性,手工完成这些工作是不可能的。为此,需要开发出“活动—空间”的自动映射和优化工具。利用BIM建模常用软件Revit的API可以进行二次开发,以大幅提升映射与优化的效率和精度。该项目开发的自动化处理插件如图3所示。基于该工具,可以不断分析不同空间组合与需求的满足程度,并计算各类空间的利用率,优化和提高空间使用率。

空间既是医疗活动的重要载体,也是医院的重要资产。但由于医院空间的多样性和多变性,以及医疗活动需求的复杂性,医院空间的设计、分配、改造和管理成为目前医院管理实践中的一个难题。本文基于BIM创新技术和弹性理念,分析了医院空间资源管理的复杂性、弹性空间管理的理念和BIM技术在医院弹性空间管理中的应用价值,构建了基于BIM技术的医院弹性空间管理实现方法,并进行了实践验证,为医院弹性空间资源管理及提高医院的运营效能提供了新的思维和方法。