1 引言

我国建筑能耗占全社会终端能耗的33%, 而公建则以2%的总面积占到了建筑总能耗的三分之一。其中医院建筑是公建中耗能较高的, 大约是其他类型建筑的两至三倍。在能源危机和新医疗需求的双重背景下, 《绿色医院建筑评价标准》在2016年8月1日正式作为国标使用。《绿色医院建筑评价标准》 (CSUS/GBC 2-2011) 中明确提出“绿色建筑”是指在医院建筑的全生命周期内, 最大限度地节能、节地、节水、节材, 并且在设计阶段需要注重医院环境空间品质的设计。 目前, BIM技术应用于绿色建筑设计的相关实践开始出现, 例如万科将BIM技术应用在绿色住宅设计中, 并将技术进行了推广。BIM性能化分析技术共有7个模拟技术, 包括建筑动态热模拟、照度与遮挡模拟、室内外空气流动模拟、建筑声环境模拟、火灾与疏散模拟、建筑可视化模拟、客流量模拟。虽然BIM性能化分析技术已经被设计单位广泛运用, 然而, 一方面, BIM技术应用到医院实际设计相关研究较少;另一方面, 我国BIM性能化分析技术在建筑设计方面的运用存在模拟效果未经实际验证等不完善之处。实际上, 绿色医院在使用过程中是否与BIM建筑性能化分析模拟技术所模拟的效果一致, 并没有权威的学术机构进行过比对。 为此, 本文基于《绿色医院建筑评价标准》构建一个关于绿色医院实际使用效果与设计阶段BIM性能化分析模拟效果的评价体系, 可以采用构建的评价体系, 分析模拟技术在绿色医院设计中相对重要程度, 以及实际建成效果与模拟效果是否有明显的差距, 并分析产生差距的原因。

2 BIM性能化分析技术的应用后评价体系构建

2.1 评价指标的筛选

针对BIM技术与绿色建筑评价指标结合的研究, 我国工程建设协会和BIM发展联盟已经颁布了征求讨论稿-《绿色建筑设计评价P-BIM软件技术与信息交换标准》。研究绿色建筑的评价体系如何与BIM软件相结合。借鉴中国建筑科学研究院的研究, 本文研究的评价指标为BIM被动节能模拟技术与《绿色医院建筑评价标准》相结合的指标。 本文研究将BIM技术的范围缩小到了BIM性能化分析技术的范围, 结合特定的医院建筑类型所适用的《绿色医院建筑评价标准》。《绿色医院建筑评价标准》评价项目分为5个章节, 共121项指标。评价指标筛选原则为按照是否可以运用BIM性能化分析技术模拟, 是否需要BIM性能化分析技术模拟, 以及是否属于绿色医院建筑设计阶段来进行筛选。其中可以运用BIM性能化分析技术模拟的指标分为依照《绿色医院建筑评价标准》的定量指标以及定性指标, 因此筛选结果分为五类, 即能模拟有量化指标类, 能模拟没有量化指标类, 不能模拟指标类, 不用模拟指标类, 不属于建筑设计阶段指标类。 (1) 不属于建筑设计阶段指标类 这部分指标共计48项, 主要是标准中的设备及系统部分, 运行管理部分以及建筑部分的5.3采暖通风以及空调应满足相应规范。设备及系统部分以及建筑部分的5.3条属于设备选型, 不属于建筑设计内容。运行管理属于后期运营维护阶段, 不属于前期建筑设计阶段。 (2) 不用模拟指标类 这部分指标是不用BIM被动节能模拟技术模拟的指标, 共计41项。其中包括有量化的指标但是不需要模拟便可以完成, 如4.12铺设绿化屋顶或高反射材料屋面占屋面80%, 这类指标共计6项。另一部分是定性类的指标, 不需要模拟便可以完成, 如4.18寒冷地区和严寒地区急救部采取急救车入室, 这类指标共计35项。 (3) 不能模拟指标类 这部分指标需要模拟, 但是目前的模拟技术水平还达不到的指标项, 共计12项。如7.1.4室内沉降菌浓度满足《医院消毒卫生标准》, 这个指标有量化的数据, 但是目前BIM的模拟水平还没办法模拟。 (4) 能模拟没有量化指标类 这部分指标是可以利用BIM性能化分析技术模拟, 但是没有量化指标, 是定性的指标。如标准中的条目4.014, 医院应合理选址, 场地交通组织合理。场地交通流线是否合理可以利用BIM流线模拟技术来判断, 但是没有具体量化的标准。这类指标共计9项。 (5) 能模拟有量化指标类 这部分指标是可以利用BIM被动节能模拟技术模拟并且有具体的数据作为标准的指标, 这部分筛选出来的指标总共有11项, 本文中主要研究的参评指标如表1所示。 表1 设计阶段BIM性能化分析技术与绿色医院评价指标结合 下载原表

2.2 评价指标的体系

由一级、二级、三级评价指标体系组成。 (1) 一级评价指标体系 一级指标体系从BIM性能化分析的七个子技术中, 依照是否可以模拟《绿色医院建筑评价标准》建筑设计阶段的相关条目并且有量化标准作为依据, 筛选需要用到的BIM性能化分析的模拟技术作为一级指标体系即表1中BIM性能化分析技术中的全部模拟技术。一级指标体系共有四类指标, 分别是建筑声环境模拟、室内外空气流动模拟、建筑动态热模拟、照度与遮挡模拟。 (2) 二级评价指标体系 二级指标体系是将上述BIM性能化分析技术与《绿色医院建筑评价标准》结合后筛选出属于建筑设计阶段并且能模拟的量化指标集合, 即表1中全部的量化指标。二级评价指标共有11项, 分别是场地环境噪声、室内噪声、人行区风速、室内风速、室内换气次数、围护结构热工性能、室内温度、室内湿度、体形系数、室内照度值、日照遮挡。 (3) 三级评价指标体系 为了得到更为精确的结果, 方便实际调研测量, 将二级指标体系根据《绿色医院建筑评价标准》及相关规范中设置的更为详细的指标进一步细化, 得到量化的三级指标体系。 各级评价指标根据AHP层次分析法的构造关系如表2所示。 表2 各级评价指标权重及模拟情况得分计算 下载原表

2.3 评价指标的权重

评价指标权重的确定以标度法的形式进行专家打分, 专家组来源于在设计院从事相关医院设计, 并且有良好BIM技术基础的建筑设计从业人员, 共20名专家。为了定量比较各指标之间的重要程度, 采用数量标度法构建判断矩阵。评价指标两两比较时参考表3中指标相对重要程度, 按照标度法赋值, 其中如果重要程度介于两种比较程度之间可取中间值, 如指标i比指标j的重要程度介于比较重要与十分重要之间可取6。 表3 指标比较数量标度 下载原表 根据AHP层次分析法的计算方法, 采用方根法进行权重计算。最后得到的各项评价指标的权重值如表2所示。

2.4 评价得分设定

(1) 评价得分设定的依据 评价指标的评价得分是针对三级指标设置的。三级指标的评价得分的设定依据源于《绿色医院建筑评价标准》及涉及到的相关规范中对于评价指标规定的达标值和推荐值, 如《综合医院建设标准》、《公共建筑节能设计标准》、《声环境质量标准》、《建筑照明设计标准》等。 (2) 评价得分的设定 依据《绿色医院建筑评价标准》所规定的每项评价指标的标准分为“达标”与“不达标”, 但是为了得到更为准确的评价结果, 结合相关的建筑规范得到每项指标的推荐值和达标值, 推荐值是建筑性能最佳值, 因此达到或者优于推荐值的为100分, 在达标值与推荐值之间按照指标所占比例进行0~100分之间进行得分换算, 低于达标值的即为没有达标, 设为0分, 具体指标得分计算参数见表2。

3 实证研究—以云南阜外医院为例

3.1 案例选择原因

本文选取的云南阜外医院设计中运用了BIM性能化分析技术。医院的规模为三级甲等心血管病专科医院, 设施条件丰富, 科室设置齐全, 基本可以涵盖构建评价体系中的各级指标。而且本文研究的医院一期工程已经竣工, 目前已经投入使用。但是由于刚投入使用不久, 没有大量的患者, 便于测量。而且笔者与合信质检公司合作完成了云南阜外医院各级评价指标的测量, 得到更加真实可靠的测量结果, 方便对设计值的准确性进行评价。 云南阜外医院包括阜外医院部分和泛亚医院部分。2015年8月底主体工程正式开工, 在2016年底完成门诊、急诊以及医技楼的工程建设, 达到开放300张病床的使用条件。2017年3月, 建筑的主体部分全部建完, 急诊楼已投入使用。6月中旬, 阜外医院部分室内装修及设备布置全部完成, 泛亚医院部分作为二期工程还在室内装修以及设备布置。预计在2017年9月, 阜外医院部分正式投入使用, 12月泛亚医院部分正式投入使用。本文研究部分为一期工程的阜外医院部分, 通过检测并测量阜外医院部分的建筑性能, 进而对比阜外医院利用BIM设计的设计值与阜外医院建成的测量值之间的关系, 验证BIM性能化分析技术在绿色医院工程中的准确性。

3.2 BIM技术的设计值与测量值

设计阶段的设计值是对云南阜外医院BIM设计团队运用BIM模拟情况的客观信息收集, 各个评价指标的设计值来源于云南阜外医院工程项目的设计说明, 每项指标都具有客观的量化数据, 不涉及到设计者主观意向干扰的问题。 通过与当地的质检部门合作, 利用建筑物理环境测量仪器根据相关的检测标准, 对阜外医院建成环境测量。

3.3 设计值与测量值的得分

(1) 得分换算方法 计算设计值与测量值所在标准达标值中的占比, 即为每项指标的得分。如昼间场地噪声这一指标为例, 45d B为100满分, 55d B为0分, 45d B与55d B之间的数值按照100分进行划分。昼间场地噪声的设计值为52d B, 测量值为51.8d B, 通过简单换算可得昼间场地噪声设计值得分为30分, 测量值得分为32分。 将评价指标按照规范中规定的推荐值和达标值打分会出现有些指标超出了推荐值或者低于达标值。为了能区分出各个指标的差值, 可以将上述的换算方法中的0分以下和100分以上进行延长, 进而计算出不达标以及达到推荐值以上的指标得分。以室内病房噪声指标为例, 病房噪声的模拟得分为0.0分, 测量得分为-8.0分。其分差为8分。三级指标的设计值与测量值的得分以及分差和权重关系如表4所示。 将表4中每项二级指标下的所有三级指标的权重与差值的乘积相加, 可得到每项二级评价指标的平均差值, 同理可以得到每项一级指标的平均差值, 如表5所示。经过计算总评价指标的平均差值为9.5。

3.4 BIM性能化分析技术的准确性

(1) 得分误差标准的设定 根据本文对于《绿色医院建筑评价标准》和相关标准规范总结的指标达标值, 可以得到每个指标允许的误差范围。将允许的误差范围转换为得分中允许的分差, 则每项评价指标的允许得分的分差为50分。 (2) 准确率的计算方法 对比设计值得分与测量值得分的分差是否在其允许的误差得分范围内, 则可判断指标的设计值与测量值是否一致, 通过计算一致指标所占的比例从而确定BIM性能化分析技术的准确率。可以看出总共25个指标中, 一致的指标有22项, 不一致的指标有3项, 计算可得BIM性能化分析技术的准确率为88.0%。其中建筑声环境模拟的准确率为100%, 建筑动态热模拟技术的准确率为100%, 室内外空气流动模拟技术的准确率为100%, 照度与遮挡模拟技术的准确率为50.0%。 (1) 模拟技术之间比较 将各项评价指标的差值数据整理成分析图。超出总平均差值较大的指标有场地环境噪声、室内噪声、人行区风速和室内照度。低于总平均差值的指标有室内风速、室内温度、室内湿度和日照遮挡。与总平均差值相差不大的指标有室内换气次数、围护结构热工性能、室内温度。按照相对准确程度等级排序可以得到建筑动态热模拟技术最为准确, 室内外空气流动模拟技术相对准确, 照度与遮挡模拟技术相对不准确, 建筑声环境模拟最不准确 (图1) 。 建筑声环境模拟的差值高于总平均值差值, 其三级指标中的两个指标模拟的差值与建筑声环境模拟平均差值相差不大。由此可以看出, 建筑声环境模拟的准确性相对较差。 室内外空气流动模拟的平均差值低于总平均差值, 其中室内风速和室内换气次数的差值与室内外空气流动模拟的平均差值相差不大, 这两个指标属于室内风环境的模拟。但是室外人行区风速的差值远超出了室内外空气流动模拟的平均差值。由此可以得出, 室内风速模拟的准确性相对于室外风速模拟的准确性高。 表4 设计值与测量值得分、分差及权重 下载原表 表5 云南阜外医院各二级指标差值 下载原表 建筑动态热模拟的平均差值相对于其它模拟技术的平均差值较低, 并且低于总平均差值, 而且各项指标的差值相差不大, 因此可以看出建筑动态热模拟是基本准确的, 并且准确性相对最高。 照度与遮挡模拟的平均差值超出总平均差值不多, 其中日照遮挡模拟基本没有差值, 完全准确。但是室内照度的差值相对于总平均值相差非常大, 是所有指标中相差最大的, 其准确性相对最差。

3.5 BIM性能化分析技术应用的优先程度

通过综合比较各个模拟技术的重要程度和准确程度, 综合评价哪些模拟技术在绿色医院设计中使用更具有优势, 从而分析各项技术在绿色医院设计中应用的优先程度。将评价指标按重要性排序和分差排序, 则得到BIM性能化分析技术中各个模拟技术在绿色医院设计中应用的优先程度顺序 (表6) 。

3.6 原因分析

BIM性能化分析技术在绿色医院设计中的准确率为80.0%。其中除了日照与遮挡模拟之外, 其他三个模拟技术的准确率为100%。模拟相对准确的技术有建筑动态热模拟技术, 室内外空气流动模拟技术中的室内模拟部分, 照度与遮挡模拟的遮挡模拟部分。差异较大的技术有建筑声环境模拟、室内外空气流动模拟中的室外模拟部分, 照度与遮挡模拟技术中的室内照度模拟部分。 (1) 模拟相对准确的原因 与相关的BIM设计专家探讨了解到BIM模拟结果的准确性主要来源于四个方面, 第一是国家气象部门提供的当地数据信息的准确性;第二是建筑厂商所提供的建筑构件信息的准确性;第三是建筑施工信息的准确性;第四是模拟算法的准确性。 图1 BIM性能化分析技术组内对比 下载原图 表6 评价指标优先性排序 下载原表 (2) 模拟相对差异的原因 通过与当地的质检部门合作, 发现一些测量出来的测量值与设计值差异较大, 这部分的指标有建筑声环境模拟、室内外空气流动模拟中的室外模拟部分, 照度与遮挡模拟技术中的室内照度模拟部分。将差异较大的模拟技术分为两类, 第一类为测量值优于设计值类, 第二类为测量值差于设计值类。 测量结果差于模拟结果类:这类模拟有建筑声环境模拟的室外模拟部分和室内外空气流动模拟的室外模拟部分。建筑声环境的室外模拟部分的指标有场地昼间噪声和场地夜间噪声。室内外空气流动模拟的室外模拟部分的指标是人行区风速。这些差异产生的原因除了BIM模拟技术本身算法的问题, 还有其他产生差异的可能性。例如, 在设计中未考虑周围的施工噪声, 导致模拟结果不准确。 测量结果优于模拟结果类:这类模拟有建筑声环境模拟的室内模拟部分和照度与遮挡模拟中照度模拟部分。建筑声环境的室内模拟部分的指标有病房室内噪声、手术室噪声、门诊室噪声、医护人员办公室噪声和候诊厅噪声。照度与遮挡模拟中照度模拟部分的指标包括病房照度、候诊厅照度、手术室照度、门诊室照度和医护人员办公室照度。出现这种差异的原因除了存在BIM模拟算法问题还有其他可能性。例如, 实际测量的室内噪声普遍低于模拟的室内噪声, 出现这种情况的可能性在于厂商所提供的冷热源机器的噪声信息要高于其正常使用的信息。一般冷热源机器在使用一段时间后, 由于机器老化或者内部灰尘不定期清理会导致其产生的噪声要高于刚生产出来的机器。所以基于此原因, 厂家提供的冷热源的噪声信息是正常使用一段时间后产生的噪声, 所以会导致测量出来的噪声值比模拟的值要低。

4 结论

本文研究BIM性能化分析技术在医院建筑设计中的应用后评价, 进而发现BIM性能化分析技术在设计中对医院建筑空间品质的模拟是否与建成后一致, 本文主要的研究结论如下: (1) BIM性能化分析技术在绿色医院设计中总的准确率为88.0%, 准确程度相对最高的为建筑动态热模拟与室内外空气流动模拟, 准确程度相对最低的是建筑声环境模拟技术和照度与遮挡模拟。 (2) BIM性能化分析技术在绿色医院设计中应用的优先程度排序中, 照度与遮挡模拟的室外模拟部分优先程度最高, 其次是室内外空气流动模拟技术中的室内部分, 再次为建筑动态热模拟技术中的室内部分。优先程度最低的是室内外空气流动模拟的室外部分和照度与遮挡模拟的室内部分。