支持协同设计的医院建筑布局设计本体模型

1　引言

建筑设计是一个复杂的数据转换与信息生成过程，这种复杂性在于建筑设计中涉及多学科、多专业的技术，需要多方面的人员和资源协同完成。建筑设计过程是一个创造性的、多次迭代的过程，具有螺旋式上升的特点。在建筑设计过程中如何使协同设计参与者之间达到良好的沟通和活动，建立良性机制，消除信息孤岛，是一个很重要的研究方向。

建筑布局设计是整个建筑设计过程的主线，对整个建筑的功能、质量起到至关重要的作用，在整个设计过程中耗费时间非常长，涉及的资源非常多，牵扯到所有专业。但其设计成果的表现形式通常只有二维图纸或三维模型，这仅是对设计方案的几何形状、特征尺寸和主要功能进行了表达，缺少设计活动的过程信息、意图、原理、约束这些与设计直接相关的信息，而这些推理信息，尤其是过程信息和设计意图，基本上都只存在于设计人员的大脑中。在建筑协同设计中，各专业人员需要参考同一设计方案，即对整个建筑方案的部分设计进行重用，这时就只能依靠分析二维图纸或三维模型来理解对方的设计意图，进而指导自身领域的设计推理。这是一个逆向推导的过程，求解易发散而难以得到准确解。在工程实际中，设计人员之间往往需要充分沟通，以掌握设计过程所需的推理信息。

近年来，本体web技术在知识表达方面应用广泛，它是一种基于知识的模型，通过对某领域内概念的抽象以及描述这些概念的关系和属性的网络来完成对该领域的表达。目前，基于本体的方法、模型和工具已应用于多个工程领域。针对建筑设计中的协同与决策模型的问题，本文引入本体理论及方法，建立支持协同设计的医院建筑布局设计本体模型。

2　本体模型及其在工程领域中的应用

2.1　本体论

按照知识工程的观点，本体是领域内对客观存在的概念及其关系的一种描述，对该领域进行完备的定义。在运用本体论进行知识建模时，第一原则是要指明领域，即本体只能是属于某一特定领域的本体，不能模糊不清。这也是在确定领域中评价对象的主要方式。在明确领域范围之后，利用领域内的诸多知识形成领域概念，即在抽象层次上对领域的合理描述；最后，创建本体库。工程领域引入本体论的目的之一是使术语标准化，这是实现知识共享的重要前提。

关于本体模型的形式化，本文将描述逻辑与一阶逻辑结合，形成一种加强的本体模型逻辑表达方式。描述逻辑用来描述对象间关系，描述逻辑的主要推理工作分为包含（subsumption）和分类（category）。包含决定某一种类是否为另一种类的子集。分类决定某一对象属于哪一种类。描述逻辑可以直接进行谓词运算。

2.2　本体论在工程领域中的应用

张应中等提出基于本体的产品DR语义表达模型——ISAA模型，有效地解决了设计原理（Design rationale，DR）信息重用问题。黄珂萍等基于本体模型的知识表示技术，建立城市交通本体，为上海城市交通信息网格的交通信息服务提供语义支撑。程宏佳将语义技术与本体工程引入到船舶机舱布置领域，并探讨了有关机舱布置智能化设计的相关内容，对于本文所要研究的舱室布置本体构建问题具有重要的参考价值。Gangemi探讨了本体在不同领域的典型概念模式。Setchi和Bouchard提出了一种基于语义的图像提取算法，这一方法将词汇的单义性与多义性用于特定概念的概率估计，从而摆脱了对机器学习和标记语料库的依赖。

3　医院建筑布局设计问题

总体上来说，医院建筑布局设计要考虑三大主要因素：外部环境；内部环境；设计思想。外部环境主要与医院的战略定位、选址的需求和限制、建筑经济性、以及人文背景有关，比如大型综合性医院、专科医院、乡镇卫生院，三者的选址、楼层数量、建筑面积需求明显不同。内部环境是指医院的设计定位、功能分区的布局设计、交通流的设计以及总体布局。设计思想是指在外部环境与内部环境的需求指导下，如何设计出满足医疗功能的合理性，又同时满足人员舒适性、工程经济性、甚至历史人文内涵等艺术性等多方面目标的设计理念。

3.1　外部环境因素

建设医院建筑时首要的考虑是选址问题，是在成熟的市区建设还是在新开发的区域建设。业主应从医院的发展模式来进行考虑。建设医院的目的是要服务社会，应便于人们到达，这样也有利于提高医院的业务量。但是在市区建设，获批土地面积通常较小，受到的限制较多，只能通过增加楼层来提高容积率，会使工程造价增加。若在新区建设，获批土地面积通常较多，受到限制较少，但配套的交通设施可能还不完善，会影响人们就医的选择。

另外，获批用地形状与大小也影响到医院建筑布局。通过调研，总结出了矩形用地与布局设计的关系，如表1所示。

表1　矩形用地与布局设计的关系

3.2　内部环境

医院建筑布置设计一般要考虑三大功能区域：门诊急诊区、医技科室区、住院区。其中门诊区，应按照医院服务的对象特征和经营范围来设置相应的门诊单元，规划相应的门诊科室组成。急诊区则包括急诊系统及急救系统两大功能区域。医技科室区是协同临床诊断和治疗疾病的医疗技术科室，是医院最核心的技术支持系统，可根据医院的特点、技术实力、规模及需求来设置医疗技术科室。住院区是住院患者接受诊疗、生活的场所，由若干科室病区组成，病区的规划及科室的分配应根据医院诊疗服务范围及未来发展的需要来进行。

根据《医院隔离技术规范》（2009版）要求，病室安置人数以及病床应按照表2中规定布置。

表2　病室安置人数以及病床布置

3.3　设计思想

医院的功能不仅是恢复人体健康，更重要的是挽救生命。医院的服务对象是人，在建筑布局设计时一定要牢记“以人为本”的思想。“以人为本”，既要考虑到病患者，也要考虑到医护人员，还要从人的需求、人的感受、人的情绪、人的舒适等多方面加以思考。

以门诊急诊区为例，门诊通常包括内科、外科、妇科、儿科、五官科等科室。以便利性与人性关怀为出发点来进行布局及楼层的安排，则应将急诊、儿科布置在最容易到达的楼层（通常在一层），并与普通门诊区别开，形成一个单独的区域，甚至可以单独设置出入口，便于患者紧急就医时能快速到达。

根据调研资料中的统计数据，综合性医院各功能区域占比面积如图1所示。

4　基于语义推理的医院建筑布局设计

本文研究的医院建筑布局设计本体，属于应用本体。应用本体需要在领域本体基础上进行构建，同时还要涵盖领域知识与应用程序开发对象知识，以用于应用程序的开发，因此必须采用特定策略进行构造。医院建筑布局设计本体的构建流程，如图2所示。

在构建本体时，如能在同领域本体库中查询到可复用的本体，则能进一步提高本体建模效率。因此，在建模时首先要查找可复用的本体，同时在建模时要注意描述的规范性，以提高本体的扩展性。构建的医院建筑布局设计本体，如图3所示。

该本体模型可有效支持协同设计，在多设计人员协同设计过程中形成建筑的基本形状和布局，并产生各种冲突。协同设计过程中的交互有助于各设计人员及时了解彼此之间的设计决策的相互影响，同时还为设计者提供了设计交互的视图，辅助设计参与者基于各种设计因素进行设计活动。

为了验证本文提出的医院建筑布局设计本体构建方法的可行性，以某县级市人民医院新址建设方案为研究对象，进行医院建筑布局设计本体模型构建。本体编辑工具采用Protégé3.4.8，推理机采用Pellet1.5.2，并进行包容性和一致性检查。该本体模型可视化结果如图4所示。

根据推理结果，通过对AutoCAD二次开发，在AutoCAD中对该医院的区域、房间等布置设计进行自动建模，结果如图5所示。

5　结语

本文从本体论的角度出发，根据医院建筑布局设计的特点，考虑了外部环境、内部环境和设计思想三大因素，总结出医院建筑布局设计领域所需要考虑的概念、属性、和类等语义关系，提出了该领域本体的构建方法，并通过某县级市人民医院新址建筑布局设计实例验证了该本体模型的一致性和有效性。领域知识必然是不断发展的，领域本体知识的不完整性将长期存在，需要进一步开展建筑布局设计领域的知识归纳与整理，当新知识纳入本体库后要注意进行一致性检查。

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（大连育明高级中学）