互動(dòng)建筑技術(shù)及應(yīng)用研究

程睿瀟 張世彤

摘要 互動(dòng)建筑技術(shù)通過(guò)反饋循環(huán)的方式，不斷調(diào)整人與建筑之間的相對(duì)狀態(tài)，以期達(dá)到最優(yōu)的舒適性或特定的空間設(shè)計(jì)目的。它不僅是技術(shù)的解決方案，也是結(jié)合了藝術(shù)化處理而形成的全新建筑風(fēng)格?？偨Y(jié)了幾種互動(dòng)建筑技術(shù)，輔以案例闡述互動(dòng)建筑技術(shù)的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞 互動(dòng)建筑 智能

1 引言

交互設(shè)計(jì)研究人的行為和心理的特征及需求，通過(guò)智能的方式在計(jì)算模型中對(duì)行為予以預(yù)測(cè)和反饋，并控制物理環(huán)境對(duì)人產(chǎn)生作用，其目的是使人在行為過(guò)程中獲得舒適和便利。

互動(dòng)建筑可以解釋為交互設(shè)計(jì)和建筑學(xué)科的集合，具體表現(xiàn)為：可調(diào)節(jié)的溫濕環(huán)境、光環(huán)境、聲環(huán)境以及從門窗到墻體的物理環(huán)境等?；?dòng)建筑基本的反饋循環(huán)是由感應(yīng)器、處理器、反應(yīng)裝置以及外界刺激（行為和環(huán)境）構(gòu)成的，包含了信息的感應(yīng)技術(shù)、處理技術(shù)、反應(yīng)技術(shù)等。每種互動(dòng)建筑技術(shù)都可涵蓋其中的某些部分，如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是感應(yīng)、處理和反應(yīng)的綜合。

2 互動(dòng)建筑技術(shù)分類及應(yīng)用

互動(dòng)建筑按照規(guī)模，從較復(fù)雜、多信息源的樓宇互動(dòng)系統(tǒng)，到局部簡(jiǎn)單、單一信息源的應(yīng)用裝置，并沒(méi)有嚴(yán)格的量級(jí)分類。如表1所示，互動(dòng)建筑技術(shù)按反應(yīng)模式可以分為兩類：一種通過(guò)傳輸線路收集信息，由中央處理器統(tǒng)一管理，再反饋回反應(yīng)裝置，此類較傳統(tǒng)，易于管理；另一種感應(yīng)裝置自帶信息處理、反饋能力，如智能材料、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和分散智能，靈活性強(qiáng)。

2.1 智能材料

智能材料是對(duì)外界刺激有反應(yīng)能力的材料，其中感知的刺激可以是電、光、熱、應(yīng)力等。它是由感應(yīng)部分、反應(yīng)部分、基材等不同材料組成的集成反應(yīng)系統(tǒng)，也可以是單一材料或復(fù)合材料。在建筑領(lǐng)域，智能材料可以在作為結(jié)構(gòu)材料的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)某些特殊功能，以達(dá)到結(jié)構(gòu)功能化、功能多樣化的目標(biāo)。常見的功能有：傳感功能、反饋功能、信息識(shí)別與積累功能、響應(yīng)功能、自診斷能力、自修復(fù)能力和自適應(yīng)能力等。

英國(guó)宇航公司的導(dǎo)線傳感器，可以測(cè)試建筑中膜結(jié)構(gòu)表面上的應(yīng)變與溫度情況，反饋信息給計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模處理，再反映到建筑設(shè)備上進(jìn)行調(diào)節(jié)和改變建筑形式；智能玻璃是在透明材料中預(yù)埋入變形材料，可以根據(jù)輸入電壓的改變調(diào)整形態(tài)（圖1）。以上兩例屬于嵌入式智能材料，即多種元件構(gòu)成的反應(yīng)系統(tǒng)。其他的智能材料（如微觀結(jié)構(gòu)）本身就具有智能功能。其中，單一材料，如形狀記憶合金在一定溫度下成形后，能隨溫度變化改變自己的形狀（圖2）；此外還有自濾玻璃、受輻射時(shí)性能自衰減的Inp半導(dǎo)體等。

4D打印技術(shù)實(shí)驗(yàn)在美國(guó)麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室（MIT MediaLab）已取得很多成果。利用高分子聚合物結(jié)合多種材料3D打印技術(shù)，利用不同材料在不同物理、化學(xué)條件下伸縮比例不同的特性，產(chǎn)生整體形變，制造出可以對(duì)環(huán)境響應(yīng)的建筑構(gòu)件。構(gòu)件隨著時(shí)間的推移，自我進(jìn)行變化（如家具可以自行組裝）?？梢栽O(shè)想，未來(lái)建筑可以不依靠裝配施工設(shè)備，在目標(biāo)場(chǎng)地自行裝配。

如某些太陽(yáng)鏡的鏡片能感知周圍的光，并能夠?qū)獾膹?qiáng)弱進(jìn)行判斷，在這種材料的基礎(chǔ)上，研發(fā)出能夠根據(jù)受到的電流刺激而改變透明度的玻璃。對(duì)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，電流更加可控，只需調(diào)節(jié)旋鈕，分隔空間的隔斷就可以使空間透明，重新定義空間分隔，體現(xiàn)了數(shù)字化控制的特性（圖3）。

2.2 人工智能

人工智能是模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)，屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)。它嘗試猜測(cè)人的需求，甚至模仿人的思維邏輯進(jìn)行思考，最終服務(wù)于人。將人工智能技術(shù)應(yīng)用于建筑各專業(yè)領(lǐng)域，產(chǎn)生了人工智能化建筑，目標(biāo)是設(shè)計(jì)出更實(shí)用、舒適的建筑，將建筑視為機(jī)器人系統(tǒng)，進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，提升建筑的空間體驗(yàn)。

自動(dòng)控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于早期的樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)（BAS），具有順序邏輯判斷能力。一旦工作環(huán)境或工作參數(shù)發(fā)生變化，則必須人工重新調(diào)整或編寫控制程序，無(wú)法進(jìn)行思維邏輯判斷，其自學(xué)習(xí)的反應(yīng)系統(tǒng)尚未達(dá)到互動(dòng)性要求。而美國(guó)Nest公司的溫控器產(chǎn)品具有智能學(xué)習(xí)功能，不是單純地輸入復(fù)雜的參數(shù)去設(shè)置它來(lái)模仿人的行為，而是在使用一段時(shí)間后能夠適應(yīng)使用者的習(xí)慣，做出相應(yīng)調(diào)整。

2.3 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是一種將信息物質(zhì)化并與現(xiàn)實(shí)世界疊加融合的技術(shù)，其具體的技術(shù)途徑是：實(shí)時(shí)捕捉人的動(dòng)作信息，在現(xiàn)實(shí)中疊加相應(yīng)圖像的技術(shù)，給人一種虛擬與現(xiàn)實(shí)的互動(dòng)體驗(yàn)。如谷歌眼鏡可以計(jì)算攝影機(jī)與物體的相對(duì)位置，產(chǎn)生疊加在視覺(jué)之上的圖像信息，將虛擬與現(xiàn)實(shí)合二為一，產(chǎn)生“增強(qiáng)了的現(xiàn)實(shí)感”。在思考建筑形式及空間的概念和意義時(shí)，非傳統(tǒng)的技術(shù)因素（如谷歌眼睛）已然介入建筑本體論的思考中，挑戰(zhàn)著既有的認(rèn)知。這種挑戰(zhàn)早已存在，從文藝復(fù)興的透視法繪畫到現(xiàn)代攝影技術(shù)的發(fā)明，其真實(shí)感一直都是建筑師爭(zhēng)論的話題。

歐洲一家公司創(chuàng)建了名為“River Home”的軟件平臺(tái)，讓建筑設(shè)計(jì)師可以在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境下設(shè)計(jì)建筑，這一技術(shù)也為設(shè)計(jì)方案提供了新的展示平臺(tái)。圖像技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展將真正做到“難辨真假”，人們會(huì)在虛擬建筑中完成日常生活，而建筑學(xué)的定義也將徹底改變。網(wǎng)站Altspace VR已經(jīng)做出嘗試，打造了現(xiàn)實(shí)環(huán)境一樣的虛擬辦公室（圖4）。

對(duì)于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，經(jīng)常存在的誤區(qū)是圖像一定要借助眼鏡一類的頭戴設(shè)備。加拿大麥吉爾大學(xué)開發(fā)出一種地板磚，這些地板磚可以模仿沙地、雪地、草地的環(huán)境。地板對(duì)行為的反饋不僅是可視的，還可以施以聲音和震動(dòng)模擬步入不同環(huán)境中的感覺(jué)。這個(gè)地磚系統(tǒng)還被用作一個(gè)巨型的由腳控制的觸摸屏，結(jié)合ibeacon技術(shù)可以在地板上顯示導(dǎo)航信息（圖5）。

2.4 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是從信息處理角度對(duì)人腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行抽象處理，建立某種簡(jiǎn)單模型，按不同的連接方式組成不同的網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是分散的傳感網(wǎng)絡(luò)與統(tǒng)一的信息處理核心，在建筑系統(tǒng)建模、學(xué)習(xí)控制、優(yōu)化等方面已取得了成功。

筆者于2012年在美國(guó)南加州建筑學(xué)院Peter Testa教授指導(dǎo)下設(shè)計(jì)完成了一套造價(jià)低廉的空間互動(dòng)裝置。利用lpad內(nèi)置GPS，地磁傳感器和加速度傳感器能夠發(fā)送空間中每一個(gè)使用者的位置信息，通過(guò)osc協(xié)議與計(jì)算機(jī)聯(lián)接，用Grasshopper等參數(shù)化軟件處理數(shù)據(jù)，最終通過(guò)Arduino單片機(jī)控制電子終端，反饋并改變?nèi)鐭艄饷靼?、吊頂高低等物理環(huán)境（圖6）。

筆者在2013年深港建筑雙年展中參與的同濟(jì)大學(xué)E-Cloud項(xiàng)目中涉及到由感應(yīng)器在建筑表皮組成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（圖7）。感應(yīng)器收集使用者在空間中的信息發(fā)送到處理器，根據(jù)使用者與空間的關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型，按照參數(shù)化規(guī)則處理信息并通過(guò)控制臺(tái)反饋回建筑表皮的聲光終端，使建筑做出響應(yīng)，產(chǎn)生色彩變化。該設(shè)計(jì)也獲得了相應(yīng)的專利技術(shù)。

2.5 分散智能

分散智能是用多個(gè)小型機(jī)器人各自為戰(zhàn)的反應(yīng)模式取代中央處理器統(tǒng)籌全局的集中反應(yīng)模式。集中模式應(yīng)用干傳統(tǒng)建筑自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備領(lǐng)域，便于管理但功能固化。分散智能則可以制定個(gè)體機(jī)器人的行為規(guī)則，在具體的建筑環(huán)境中回應(yīng)各自遇到的問(wèn)題，進(jìn)行智能響應(yīng)和自組織。當(dāng)一個(gè)大的建筑空間對(duì)一個(gè)單獨(dú)元素作反應(yīng)時(shí)，中央系統(tǒng)還能夠有效地對(duì)它執(zhí)行一個(gè)單獨(dú)的命令。但是當(dāng)有許多未知的刺激，如個(gè)體的組合以未知方式的活動(dòng)或者是外部環(huán)境不斷變化時(shí)，分散智能就是處理感知和回應(yīng)、認(rèn)知和行動(dòng)的一個(gè)有效的方法。2014年清華大學(xué)參數(shù)化研習(xí)班的學(xué)生制作了一組相同的小型機(jī)器人，每個(gè)機(jī)器人由獨(dú)立的距離傳感器、Aduino單片機(jī)和動(dòng)力系統(tǒng)組成完整的反應(yīng)回路。機(jī)器人可避開障礙物及其他機(jī)器人移動(dòng)，并導(dǎo)入一些隨機(jī)參數(shù)，最終形成有一定內(nèi)在規(guī)律性的軌跡。

2.6 大數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)是大數(shù)據(jù)關(guān)注的核心，而相關(guān)的數(shù)據(jù)收集和處理技術(shù)是大數(shù)據(jù)時(shí)代的技術(shù)支撐。信息采集的過(guò)程成為了使用者主動(dòng)參與的環(huán)節(jié)，結(jié)合深度嵌入人們生活的移動(dòng)終端和傳感器（如工業(yè)設(shè)備、汽車、電表、可穿戴設(shè)備、手機(jī)等），隨時(shí)向互聯(lián)網(wǎng)上傳使用者信息。

通過(guò)安裝在建筑物內(nèi)的傳感器及微型處理器采集建筑耗能的數(shù)據(jù)，再經(jīng)過(guò)整理和分析了解建筑的能耗情況，并且將不同區(qū)域內(nèi)的建筑或建筑群體通過(guò)“云端”進(jìn)行連接，形成更大的數(shù)據(jù)庫(kù)。麻省理工學(xué)院利用手機(jī)定位數(shù)據(jù)和交通數(shù)據(jù)幫助進(jìn)行城市規(guī)劃；萬(wàn)科運(yùn)用大數(shù)據(jù)進(jìn)行房地產(chǎn)開發(fā)，設(shè)計(jì)更具人性化的居住建筑。

筆者于2013年與浙江大學(xué)信息與通信工程學(xué)院團(tuán)隊(duì)研發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的互動(dòng)遮陽(yáng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于Ecotect提供的地理氣候信息，為建筑每一扇窗的遮陽(yáng)板制定形狀變化的規(guī)則，并根據(jù)使用者的個(gè)人要求進(jìn)行學(xué)習(xí)，利用智能路由器和連接每個(gè)遮陽(yáng)板網(wǎng)絡(luò)模塊的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)從自動(dòng)到手動(dòng)的調(diào)節(jié)。對(duì)大型空間中每一個(gè)使用者的信息進(jìn)行收集處理，滿足建筑節(jié)能的需要和使用者的個(gè)人需求。

3 結(jié)語(yǔ)

互動(dòng)建筑技術(shù)多數(shù)情況是作為建筑的附加系統(tǒng)而存在，但當(dāng)空間的靈活性及可變性成為建筑設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)時(shí)，技術(shù)與設(shè)計(jì)手法就會(huì)互相促進(jìn)，共同實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)?；?dòng)建筑技術(shù)提升了使用者的建筑體驗(yàn)，優(yōu)化了功能效率，有時(shí)并非要用技術(shù)化去解決問(wèn)題，而是要從藝術(shù)化的角度去實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者的意圖，這本身就是一種設(shè)計(jì)手段。