结合区带和聚类技术的医院空间模块取值方法分析
An Analysis of a Space Module Value Determination Method in a Hospital, Based on Zoning and Clustering Technology
摘要 较之于其他民用建筑，医院建筑不定期扩容需求的特点十分突出，需要实现功能空间的长期有效。与建筑空间相关的模块取值问题是医院空间弹性扩容研究的底层问题，该问题一直以来缺乏理性有效的解决渠道，开放体系下的区带分析与聚类分析方法的结合为医院建筑空间扩容问题的精确化提供了新的可能。研究在上述思路下以医技空间为例，综合运用平行坐标技术和K-means 聚类算法，对20个医技空间样本进行聚类分析，利用区带分析对医技空间的布局形式加以协同，其结果为医院系统的扩容灵活与空间适应提供取值支撑，由此得出的成果为医院建筑扩容和新的医院建筑设计提供了方法与设计依据。
关键词 区带分析；聚类分析；空间模块
ABSTRACT A hospital is a typical type of building that needs to expand its volume sporadically to meet the developing requirements of its functional area. The capacity to adapt to changing requirements effectively in the long term is a key characteristic of a hospital building, which makes it different from other architecture types. The determination of the module dimension value of a specific space is the basic issue of research into hospital expansion. Rational and effective methods to deal with this problem have been researched for many years. The integration of clustering analysis and the zone distribution method in open systems provide new possibilities for solving hospital building space expansion. This paper uses the parallel coordinates technique and K-means clustering method to conduct a clustering analysis of more than 20 medical spaces. A layout analysis is then conducted around the zone distribution. The conclusions of the research provide technical support for space expansion and the adaptability and flexibility of modern hospital systems. At the same time, the research provides new strategies and technical support for the expansion and design of hospitals.
KEy WORDS zone distribution; clustering analysis; space module
*亚热带建筑科学国家重点实验室开放研究基金课题：基于长效分析的大型综合医院弹性拓展设计研究，项目编号： 2018ZB09。
中图分类号 TU246文献标识码 A
DOI 10.3969/j.issn.1000-0232.2018.04.052 文章编号 1000-0232（2018）04-0052-05
作者简介 1 教授，电子邮箱：hushkwok@126.com；2硕士研究生；3高级工程师；1&2&3华南理工大学建筑设计研究院、亚热带建筑科学国家重点实验室
引言
医院建筑是一种既复杂又特殊的公共建筑类型，其复杂性表现在医院建筑中的不同部门、科室及同一部门、科室的不同空间之间，关系错综交叉。而其特殊性则突出表现为不定期的扩容更新需求而导致的形式的不确定性：一方面医院应根据自身的提高而扩展；另一方面，新的医疗技术、模块部门也需要被逐步的引入到医院系统中；同时，计算机辅助医院管理的引入以及国家医疗制度的一系列改革举措也潜在地引导了医院建筑的转型[1]。
复杂的医院建筑运行机制与建筑的扩容灵活性和空间适应需求之间是一种矛盾关系。现阶段，该矛盾在我国医院建筑主要表现为大中城市综合性医院的弹性扩容及长效发展问题，既要充分的利用现有资源，又要处理好近期与长远的良性互动，体现前瞻性。其中，关于医院模块空间的合理取值区间问题是其中的底层命题，既涉及到对当前使用需求的满足，又与未来空间使用方式方面的潜在适应能力相关联。一直以来，关于医院模块空间的合理取值区间研究大都停留在理想模型和经验模式的基础上，难免在取值时存在主观弊端，对于医院建筑复杂的功能需求而言，既不能粗放地维持单一的模块取值，又不能针对每个功能空间的取值进行模块设计，避免陷入形而上学 [2]。
在取值问题的研究方面，聚类分析近年来越来越突显优势，其在经济学、管理学、社会学和医学等诸多领域已得到了很好的应用，具有较好的应用前景。本文在大量案例测量数据的基础上[3]，利用该技术对医院建筑空间进行整合与简化[4]，提出建议性的空间单元种类和大小取值。进而运用哈布瑞肯在开放住宅设计中系统有效的区带分析技术，对医院建筑空间布局形式的协同性进行分析 [5、6], 使医院建筑空间模块取值既满足标准化的要求，也可以实现一定空间拓展变化，为未来的可能改变预留一定弹性，适应医疗发展的空间需求。
1 研究设计
1.1 研究样本及范围
从空间的通用性层面判断，较之于其他医院功能用房 ,医技楼具有一定的定制化特点，医疗技术设备的更新与提升也对其承载空间提出了相应的要求[7]。可以说医技部是体现现代医院技术实力的重要硬件模块，医技空间的发展在整体上具有规模不断扩大、种类不断增多、功能日趋复杂和更新换代日趋频繁等特点，为适应未来的发展变化，医技空间的可扩展性必须给予周密的考虑[8]。本研究选用综合医院医技功能房间模块作为研究样本，在大量案例测量数据的基础上，结合建筑设计资料集对 数据进行对比优化，提取了20个医技功能空间的面宽、进深、净高和其空间内部医疗设备的长、宽、高等信息，汇总成 20个样本案例的6维数据集（表1、2），探究医技功能空间设计中"空间与空间”、“空间与设备”的取值关系。
1.2 聚类分析
聚类方法可综合大量医技功能空间数据，对其进行归类，均衡地筛选出不同类别的数据集。本研究采用K-means聚类算法，其原理为：将数据点划分为 k 个cluster，找到每个 cluster 的中心，并且最小化函数
其中 就是第 i 个 cluster 的中心。要求每个数据点要与它们所属 cluster 的中心尽量接近 [9]。
聚类方法属于非监督类分析方法，只能产生指定类数的聚类结果。因此，研究的前置问题是如何确定合理的聚类个数，为此，本研究引用平行坐标技术1），利用
其可视化特点与相关实践经验相结合，平行坐标可在二维平面上对多维数据的可视化表达，实现对空间取值数据的第一步定性聚类分析，可直观地得到初步的聚类情况及个数。然后利用SPSS 软件的 K-means 聚类算法得出具体的聚类结果，进一步实现对空间数据的定量聚类分析。将聚类算法得出的聚类结果展示在平行坐标上，将计算结果和直观观察进行比对，实现聚类过程定性分析和定量分析相结合，将高效、科学的聚类方法与可视化的平行坐标技术相结合，更好的把握空间取值的特点和规律[10]。最终通过平行坐标和聚类分析相结合的聚类方法建立设计评价反馈机制，在进行医院建筑扩容或新项目设计时，提取类别中的对应的空间取值集进行量化的取值参考，最终得出合理的空间取值建议。
1.3 区带分析
在开放的建筑环境下，区带分析可以在预期建筑平面的未确定状态下，陈述支撑体中不同功能空间的位置和大小。这一方法在SAR体系中作为住宅设计过程的表述和协调工具，尽管居住建筑和医院建筑有一定差异性[11]，但二者均有靠外墙位置上以取得天然光的功能空间和放在内部的功能空间，方案变化只不过是各功能空间相互位置和房间大小深度不同而已 [12、13]。基于这一规律，利用区带分析系统研究利于医院功能空间转化的模块取值也有其可行性，这一方法为医院功能空间提供组合可能，利于从弹性设计的视角提供技术支撑，为后期医院空间的扩容和调整提供便利，为新建医院的模块化设计提供空间取值建议。
为了辅助分析不同的医技功能空间模块的区间分布，本研究在医技平面的基础上对区间和边缘带作出定义如下（图1）。
区间：α区间是与室外空间有联系的室内空间，一般布置对自然采光有要求的医技功能空间，比如办公室、会诊室、休息室等；β区间是与室外空间无联系的室内空间，一般布置对自然采光无要求的医技功能空间，比如 CT、X线、磁共振扫描室等；δ区间是室外空间或向室外空间延伸的区域，比如阳台、花园等；γ区间是内部或外部公共交通空间，一般是医院街或与医院街相邻的公共空间。
边缘带：是指区间和区间之间的区域，包括αδ边缘带、αβ边缘带、αγ边缘带等，边缘带可以是水平交通空间（如患者通道、医生通道等），也可以是各区间功能空间的延伸，或者是医院街和医技部的缓冲空间，比如等候室、换床室等。
2 研究过程
2.1 定性聚类分析结果
空间设计取值研究是一项多维数据的统计分析工作，研究首先运用平行坐标技术将20个医技功能空间的6 维数据用数据特征折线表示（图2），在原始平行坐标图中， 6条竖向平行线分别表示6个维度的变量，20个医技功能空间样本的6条竖向平行线上的数值点连线为20 条折线。对于每个医技功能空间，其在第 n条坐标轴上对应的位置即是其在第n个变量上的数值。再利用维度控制和交换坐标轴技术对平行坐标进行优化处理( 图 3、4)，把关系较密切的平行坐标轴相邻便于观察设计取值间的关系，去除不重要和干扰的数据降低平行坐标图的复杂度[14、15]。最后可以将人的视觉判断和平行坐标的可视化聚类技术相结合，获得第一阶段医技功能空间取值区间研究的初步聚类情况及聚类个数。
平行坐标聚类中心及范围图以折线和色带表示各个聚类中心与类的范围（图5），可以直观地看出通过平行坐标技术，20个医技功能空间取值集聚为4条折线和色带，将4条折线和色带分别表示为聚类结果的A类、B类、C类和D 类，4条折线和色带对应医技功能空间各要素取值均值和取值值域的连线。图中5条变量轴将折线分成了4部分：在第一部分空间开间（L）和仪器长度（l）之间，样本折线聚为2类，空间开间尺寸与仪器尺寸成正比，主要集中在2.7m 和 5m左右；在第二、三部分空间进深（D）、仪器长度（l）和仪器宽度（d）之间，样本折线聚为4类，空间进深尺寸与仪器尺寸不一定成正比，而且相对分散；在第四部分空间层高（H）中，样本为3类，图 3也能观察到空间层高（H）随着仪器高度（h）的增大依次集中在三个数值点上。
2.2 定量聚类分析结果
医技功能空间的开间、进深、净高以及其内部仪器
的长度、宽度、高度6维数据样本在上一步定性聚类过程中运用平行坐标技术已将20个医技功能空间案例聚为4类。利用SPSS软件的K-均值聚类方法进行聚类计算，设定聚类组数为4（以 A、B、C、D表示）可以得到每个医技功能空间的聚类结果（表3）和最终聚类中心（表4）。
通过观察平行坐标聚类中心折线及范围色带的分布规律，同时查询K-均值聚类得出的各个医技功能空间的聚类中心取值，综合各类医技功能空间的行为活动分析可知：
A类的特征为：医技功能活动主要是围绕诊床和诊桌使用简单小型的医疗设备对患者进行检查和诊断，且活动范围较为固定，所以当医疗设备尺寸小于一定值时，其对应的医技功能空间不再随设备尺寸减小而减小，而是受医技功能的基本行为尺度约束趋于一定取值区间（开间、进深、净高均值分别为 2.70m、4.33m、2.60m），该类医技功能房间主要包括超声检查室、脑电检查室、心电检查室、肺功能室、高频电疗室、C13采集室、动态心电图室和洗片室等。
B 类的特征为：医技功能活动一般是围绕诊床使用装有小型医疗设备的医用移动台车对患者进行检查，活动范围比较灵活，其对应的医技功能空间开间、进深、净高的取值区间均值分别为 3.84m、5.15m、2.75m，该类医技功能房间主要包括乳腺机室、胃肠镜室、气管镜室、阴道镜室等。
C 类的特征为：医技功能活动基本上是以中型医疗设备为主对患者进行检查或治疗，活动范围固定，由于医疗设备有一定辐射性房间需要防辐射设计，通常在设备房间之外设有控制室，其对应的医技功能空间开间、进深、净高的取值区间均值分别为5.38m、5.50m、2.80m，该类医技功能房间主要包括DR室、胃肠机室、碎石中心、ERCP 室等。
D类的特征为：医技功能活动所需要的医疗设备体型较大且较为复杂，患者的活动需要医护人员进行引导， 医疗设备具有较强辐射性和复杂性，通常在功能房间之外设有控制室和机房，其对应的医技功能空间开间、进深、净高的取值区间均值分别为 5.37m、7.00m、2.93m，该类医技功能房间主要包括CT室、膀胱镜室、MRI室等。2.3 区带分析结果
为了进一步满足医技功能空间模块化的需求，同时为医技功能空间模块取值的确定奠定基础，研究在20 个医技功能空间聚类分析得到的聚类结果的基础上，根据医技功能的设备尺寸和人体活动尺度对聚类空间进行分析。研究将空间平面以600mm为模数，并取其空间尺寸的最大公约数，20个医技功能空间可规整为4个初始空间模块：A类、B类、C类和D类。其对应模块的开间、进深和净高取值分别为 3000mm、4200mm、2600mm； 4200mm、5400mm、2800mm；5400mm、6000mm、2800mm；5400mm、7200mm、3000mm（图 6）。
在医技平面未知的情况下，依据医技空间的初始模块尺寸和空间行为要求，可以通过区带分析推导出具有较高扩容量的空间模块取值区间。空间模块的最终取值区间主要受区间和边缘带的共同影响：α、β、δ、γ、αβ、αδ、βγ。由于医技功能空间有着特殊的采光要求，通常功能检查室、内窥镜检查室可以采用天然光线，但应有遮光措施，而CT和磁共振扫描室，X线、钴16、加速器治疗室应为暗室 [16]。所以 A、B类模块可置于和室外有联系的α区间中，而C、D模块只能置于和室外没有联系的中。区带分析在 8400mm×8400mm 合理柱跨的基础上[17]，通过找寻模块与模块尺寸之间的最大公约数、模块与区带尺寸之间的最小公倍数，获得4个模块的通用区带尺寸：α和β区间分别为 4200mm、8400mm,αδ、αβ 和αγ边缘带分别为 1800mm、2400mm、1800mm。同时对模块尺寸进行优化 [18]，确定最终的空间模块取值（图7）：
A类空间模块：以功能检查用房为主，没有严格采光要求，可布置在α、β区间中。开间为2800mm（1/3柱跨），
进深为 4200mm（α 或β/2），净高为 3000mm；
B类空间模块：以内窥镜用房为主，没有严格采光要求，可布置在α、β区间中。开间为4200mm（1/2柱跨），进深为 5400mm（α+2αδ/3 或（β+αβ）/2），净高为 3000mm；
C类空间模块：以影像诊断治疗用房为主，要求应为暗室，所以只能布置在β区间中。开间为5600mm（2/3柱跨），进深为 6000mm（β-αβ 或 α+αγ），净高为 3000mm；
D类空间模块：以放射治疗用房为主，要求应为暗室，所以只能布置在β区间中。开间为5600mm（2/3柱跨），进深为8400mm（β），净高为 3000mm。
结论
在医院建筑的设计取值研究中，人的主观感觉与平行坐标技术相结合的方式为聚类分析过程提供了合理的依据。通过对医院建筑空间数据进行一系列聚类分析之后，为医院建筑空间的区带分析提供具有可操作性的初始空间模块。在医院建筑空间初始模块取值确定的情况下，可以针对初始空间模块进行的区带分析，研究空间模块之间的协同性。根据区带分析的基本规则，医院建筑空间模块的布局形式有多种可能，空间模块布局的形式越多，医院建筑空间之间的协同性越大。根据空间布局形式的协同性分析，最终得出具有一定灵活性和适应性的空间模块取值建议。
本文正是在上述技术的基础上对医院空间模块取值问题的方法探索，并以医技空间为例进行了尝试，得出的模块取值数据在一定程度上实现了空间模块通用性、空间布局的灵活性以及空间模块之间的协调性，可在医院建筑扩容设计或医院建筑前期设计阶段提供具有一定长效适应性的空间取值依据[19]。由于案例数据在时间维度上存在日益更新的必然，通过对案例数据的聚类得出的取值建议如果要满足更长远发展的要求，则要建立在持续地更新与修正当前案例数据的基础上，使医院建筑空间模块取值符合生态效率动态发展的要求。
图、表来源
表2：表中图片来源《医疗功能房间详图集》。 其余图、表均由作者绘制。
注释1）平行坐标技术是一种通常的可视化方法，用于对高维几何和多元数据的可视化，其可在二维平面上对多维数据进行可视化表达。参考文献
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