探析響應(yīng)式建筑發(fā)展

秦 俊[上海市建筑科學(xué)研究院（集團(tuán)）有限公司， 上海 200032]

控制論與建筑物的相互融合催生了一類新的建筑技術(shù)研究與工程應(yīng)用，即響應(yīng)式建筑(Responsive Architecture,RA)。由于兼具實(shí)用與藝術(shù)性，RA 受到了建筑領(lǐng)域?qū)W者和技術(shù)人員的密切關(guān)注。然而，不同于傳統(tǒng)建筑，RA 具有較多動(dòng)態(tài)和非固定的結(jié)構(gòu)與形態(tài)，其應(yīng)用目標(biāo)、結(jié)構(gòu)、復(fù)雜程度也從業(yè)人員帶來了新的挑戰(zhàn)。國內(nèi)外有關(guān) RA 領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但工程實(shí)踐應(yīng)用成果仍較少。

伴隨著快速城鎮(zhèn)化進(jìn)程，我國的智慧城市建設(shè)提出以改善城市人居環(huán)境質(zhì)量、優(yōu)化城市管理和生產(chǎn)生活方式為目的。更智慧、更宜居的建筑是智慧城市基礎(chǔ)且重要的組成，RA 的應(yīng)用目標(biāo)側(cè)重“以人為中心”的理念，強(qiáng)調(diào)通過自適應(yīng)的建筑建立人與環(huán)境之間和諧可持續(xù)的適配，提高建筑物可持續(xù)性和多功能擴(kuò)展能力。同時(shí)減少重復(fù)投入，這使其將演化為一種靈活、全面服務(wù)于人的生產(chǎn)生活基礎(chǔ)環(huán)境與支撐平臺(tái)，成為未來重要的建筑模式。

1 RA 概述

1.1 RA 的含義

目前，對響應(yīng)式建筑(RA)尚無統(tǒng)一定義。在對經(jīng)典文獻(xiàn)分析的基礎(chǔ)上，本文從實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用的角度提出描述性定義：RA 是通過建筑設(shè)計(jì)與建造、通信、計(jì)算機(jī)與控制等相關(guān)技術(shù)的有機(jī)與深度融合，實(shí)現(xiàn)建筑物的自適應(yīng)化，對以人與環(huán)境為主的情境進(jìn)行感知與響應(yīng)的智能復(fù)雜系統(tǒng)。

響應(yīng)的規(guī)?？煞譃槲⒂^、中觀和宏觀 3 個(gè)層次。

在微觀層面，建筑對內(nèi)部與周圍局域環(huán)境和用戶活動(dòng)進(jìn)行響應(yīng)。通過在建筑物中融合響應(yīng)式自動(dòng)化建筑構(gòu)件、感知與執(zhí)行、通信與計(jì)算單元，實(shí)現(xiàn)信息內(nèi)核對建筑與環(huán)境的狀態(tài)感知，以及對物理構(gòu)件動(dòng)作的實(shí)時(shí)控制與協(xié)調(diào)。

中觀層面在微觀的基礎(chǔ)上擴(kuò)展至建筑群之間的響應(yīng)協(xié)同。通過在相鄰空間范圍多建筑的集群化，各建筑的信息內(nèi)核通過區(qū)域骨干通信網(wǎng)絡(luò)相互協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)對區(qū)域環(huán)境的整體感知與調(diào)控。

宏觀層面的響應(yīng)規(guī)模則進(jìn)一步擴(kuò)展至不同的時(shí)空范圍，實(shí)現(xiàn)更廣闊區(qū)域的響應(yīng)協(xié)同，包括建筑物的遷移，以動(dòng)態(tài)地適應(yīng)環(huán)境與生產(chǎn)生活資源的變化。

由此，建筑的響應(yīng)能力既涉及空間的范疇，又包含時(shí)間的概念。對 RA 響應(yīng)實(shí)現(xiàn)層次的需求，由不同歷史階段與地理區(qū)域的實(shí)際決定。

1.2 RA 的體系結(jié)構(gòu)

從整體視角來看，RA 是運(yùn)行在不同時(shí)空范圍的分布式協(xié)同系統(tǒng)，感知、決策和響應(yīng)執(zhí)行的行為，很可能發(fā)生在不同的位置。從單建筑視角來看，RA 是持續(xù)運(yùn)行在較為集中的空間范圍的閉環(huán)系統(tǒng)，其感知、決策和執(zhí)行子系統(tǒng)具有較高的集成性。大量基本功能單元，包括響應(yīng)式建筑自動(dòng)化構(gòu)件、傳感與執(zhí)行、智能核心等，通過嵌入的高性能通信網(wǎng)絡(luò)，在邏輯上和物理上緊密耦合，實(shí)現(xiàn)高效、可靠的動(dòng)態(tài)響應(yīng)動(dòng)作。

一般來說，RA 體系結(jié)構(gòu)由建筑對象層、感知與執(zhí)行層、決策層組成。建筑對象層是基礎(chǔ)，包含各種相關(guān)的建筑基礎(chǔ)與自動(dòng)化物理構(gòu)件、建筑所處的環(huán)境等，是狀態(tài)感知的對象，也是控制對象和實(shí)際執(zhí)行者。感知與執(zhí)行層居中，是建筑對象的代理，向決策層傳遞大量實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)、向建筑自動(dòng)化構(gòu)件傳達(dá)上層的控制指令。決策層從頂層視角，通過統(tǒng)一、融合的語義和上下文，感知情境信息、計(jì)算與編排響應(yīng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)建筑構(gòu)件行為的協(xié)調(diào)與建筑物間的協(xié)同。

2 RA 的支撐理論與技術(shù)體系

RA 是建筑、環(huán)境、社會(huì)、交通、信息等多學(xué)科的交叉領(lǐng)域，其主要的支撐理論與技術(shù)體系可分為城市規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)與建造、普適計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)化與智能化 4 個(gè)層次，如圖 1 所示。

圖 1 RA 的理論與技術(shù)體系

2.1 城市規(guī)劃理論與技術(shù)

城市規(guī)劃理論與技術(shù)是 RA 實(shí)現(xiàn)的根本基礎(chǔ)。建筑的設(shè)計(jì)與建造不僅是工程或技術(shù)問題，也是綜合性的社會(huì)經(jīng)濟(jì)問題[1]。城鎮(zhèn)化是當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的大趨勢，城市是 RA 最重要的應(yīng)用范圍。城市是一個(gè)有機(jī)集合體，根據(jù)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)目標(biāo)的要求，城市規(guī)劃對各種要素在空間與時(shí)間維度上做出有預(yù)見的、綜合性的部署。一方面，RA 的發(fā)展需要符合城市規(guī)劃對城市發(fā)展目標(biāo)、土地使用、空間布局的總體安排。另一方面，RA 應(yīng)該發(fā)揮其城市土地和空間安排和使用的合理性和效率提升的作用。此外，由于城市的水平和垂直空間規(guī)模、用地功能布局等方面，會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生變化，具有動(dòng)態(tài)性，城市的演化會(huì)對 RA 的發(fā)展方向產(chǎn)生影響。加之建筑發(fā)展與城市演化本身的復(fù)雜性，兩者之間的相互作用關(guān)系不僅是城市地理學(xué)的范疇，還包括城市交通、城市經(jīng)濟(jì)、城市規(guī)劃、城市人口、社會(huì)學(xué)等，都是 RA 研究與應(yīng)用發(fā)展的基礎(chǔ)。

2.2 建筑設(shè)計(jì)與建造技術(shù)

以建筑工業(yè)化與智慧建造為核心的新型設(shè)計(jì)與建造技術(shù)是實(shí)現(xiàn) RA 的重要途徑。建筑工業(yè)化建造強(qiáng)調(diào)體系化、標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化、自動(dòng)化和裝配化，在生產(chǎn)方式上通過數(shù)字化與信息化，借助智能建造系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)通用批量建造方式向具有較好產(chǎn)能的定制建造轉(zhuǎn)變[2]。智慧建造作為建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化過程中的新興工程建造模式，旨在運(yùn)用信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)工程建造全過程的信息化和智慧化，應(yīng)用于建筑工程設(shè)計(jì)與優(yōu)化、工廠化加工、精密測控、智能化安裝、動(dòng)態(tài)監(jiān)測、信息化管理等方面[3]。一方面，建筑工業(yè)化與智慧建造各有側(cè)重、相輔相成。另一方面，兩者具有共同的支撐性理論與技術(shù)，包括數(shù)字化模型、虛擬設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)、虛擬建造、裝配式建筑、構(gòu)件制造等。

2.3 普適計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

普適計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn) RA 的重要手段。普適計(jì)算的核心是為生產(chǎn)生活中所需的物理對象提供對應(yīng)用情境進(jìn)行感知和處理的能力，物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)是為具有相關(guān)性的物理對象之間提供廣泛的信息共享與交互能力。兩者都促進(jìn)著物理與信息世界的融合，其共同的技術(shù)基礎(chǔ)包括移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線通信網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算、邊緣計(jì)算、移動(dòng)和嵌入式計(jì)算等。移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過大量傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)作感知建筑和環(huán)境狀態(tài)，廣泛的傳感覆蓋是 RA 充分獲取情境感知數(shù)據(jù)、產(chǎn)生正確響應(yīng)行為的基礎(chǔ)和前提。無線通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍包括局域、區(qū)域和廣域網(wǎng)絡(luò)，以適配不同層面的響應(yīng)規(guī)模。新興的 5G 通信網(wǎng)絡(luò)，既能提供廣域網(wǎng)接入服務(wù)，也能為本地網(wǎng)絡(luò)提供群組高速交換接口支持。數(shù)據(jù)和指令的準(zhǔn)確和高效傳輸是實(shí)現(xiàn) RA 的關(guān)鍵基礎(chǔ)。云計(jì)算設(shè)施作為傳感網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的后端，通過計(jì)算與數(shù)據(jù)資源集中共享、統(tǒng)一提供服務(wù)，是提供通用、群集計(jì)算任務(wù)保障的重要基礎(chǔ)。邊緣計(jì)算通過對數(shù)據(jù)的處理與分析向產(chǎn)生源數(shù)據(jù)的終端與建筑構(gòu)件靠攏，提高計(jì)算和響應(yīng)的效率。移動(dòng)和嵌入式計(jì)算能夠減少計(jì)算機(jī)設(shè)備尺寸和部署難度限制，匹配邊緣計(jì)算的模式與場景，此外，通過在無線傳感器節(jié)點(diǎn)之上集成執(zhí)行器，將進(jìn)一步提高執(zhí)行能力與效率。

2.4 自動(dòng)化與智能化技術(shù)

自動(dòng)化與智能化技術(shù)是實(shí)現(xiàn) RA 的核心要素。主要的領(lǐng)域包括自動(dòng)控制理論、建筑機(jī)電設(shè)備自動(dòng)控制技術(shù)，以及分布式計(jì)算、自主計(jì)算、大數(shù)據(jù)計(jì)算、人工智能理論與技術(shù)等。自動(dòng)的、響應(yīng)式的建筑構(gòu)件是 RA 的基本組成單元。自動(dòng)控制理論和自動(dòng)化技術(shù)廣泛應(yīng)用與工業(yè)界，指導(dǎo)機(jī)器設(shè)備的自動(dòng)、優(yōu)化運(yùn)行過程，是現(xiàn)代工業(yè)化和工業(yè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其核心是解決多變量系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題。自動(dòng)化理論和技術(shù)的運(yùn)用，也正是 RA 建筑構(gòu)件的設(shè)計(jì)和制造，以及建筑工業(yè)化的前提。RA 的智慧核心承載對情境的正確分析與響應(yīng)行為的產(chǎn)生任務(wù)，其設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)由智能化理論與技術(shù)支撐。智能化是基于自動(dòng)化的發(fā)展，更側(cè)重發(fā)展機(jī)器的自主推理和決策能力，智能地從數(shù)據(jù)中提取知識(shí)、制定方案、解決問題。分布式計(jì)算的核心是將復(fù)雜問題交由計(jì)算實(shí)體進(jìn)行，其應(yīng)用場景包括獨(dú)立數(shù)據(jù)自治域之間的協(xié)同、主動(dòng)問題分解與機(jī)器負(fù)載均衡等，主要目標(biāo)都是形成合力、提高系統(tǒng)總體效率。自主計(jì)算包括自優(yōu)化、自保護(hù)和自恢復(fù)技術(shù)，以提高系統(tǒng)的可靠性。大數(shù)據(jù)計(jì)算主要解決海量異構(gòu)數(shù)據(jù)的處理等問題，其主要目標(biāo)是提高效率與保證正確性。人工智能的主要分支領(lǐng)域包括機(jī)器視覺、自然語言理解、機(jī)器學(xué)習(xí)、問題求解與專家系統(tǒng)等，位于智能化的中心。

綜上所述，目前很多相關(guān)領(lǐng)域的理論與技術(shù)發(fā)展均為RA 的實(shí)現(xiàn)提供了一定的基礎(chǔ)，但基于 RA 自身的特點(diǎn)，其研究與發(fā)展還面對著許多挑戰(zhàn)。

3 RA 的發(fā)展與挑戰(zhàn)

3.1 RA 的產(chǎn)生與進(jìn)展

RA 的概念在 1975 年由計(jì)算機(jī)科學(xué)家提出，并指出 RA是對人和外部世界進(jìn)行響應(yīng)的智能化環(huán)境，而引發(fā)其產(chǎn)生響應(yīng)的最根本情境是居住者的需求和感受。作為一種先進(jìn)的理念，RA 最初的目標(biāo)是實(shí)用性，然而，由于其自身的復(fù)雜性，以及當(dāng)時(shí)較為樸素的自動(dòng)化、智能化技術(shù)水平與建筑師知識(shí)結(jié)構(gòu)，RA 從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)都具有相當(dāng)?shù)碾y度。

隨著技術(shù)的發(fā)展，RA 從概念形成以來經(jīng)歷了從實(shí)用性到藝術(shù)性，再到實(shí)用與藝術(shù)并重的發(fā)展過程。除可用性外，RA 在應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)等方面也取得了一定的成果。

從應(yīng)用的角度，其目標(biāo)主要有建筑內(nèi)部環(huán)境改善、建筑物自身健康、空間利用率三大類，其共同的途徑是通過建筑形態(tài)的改變，對環(huán)境的變化進(jìn)行反應(yīng)?，F(xiàn)有工作主要考慮的因素包括陽光、風(fēng)、沙、雨水等自然氣候條件，以及承重、震動(dòng)等結(jié)構(gòu)荷載，以降低能耗、改善建筑內(nèi)部環(huán)境、提高建筑物安全性和實(shí)用效率。

在實(shí)現(xiàn)上，RA 的構(gòu)建基于結(jié)構(gòu)組件，通過巧妙的設(shè)計(jì)對動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行集成，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用目標(biāo)。已采用的結(jié)構(gòu)包括外殼、外墻、表皮、各式遮蔽結(jié)構(gòu)，以及可變空間單元等。比較有代表性的有阿布扎比中央市場可變遮陽結(jié)構(gòu)、巴塞羅那當(dāng)代藝術(shù)博物館可變遮陽系統(tǒng)、薩?？丝缮炜s滑動(dòng)房屋、德黑蘭可旋轉(zhuǎn)新型住宅 Sharifi-ha House等。亦有人對動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分類。此外，也有基于建筑材料可變性的 RA 設(shè)計(jì)，但這方面的工作仍較少。

現(xiàn)有圍繞可變性的工作展現(xiàn)了建筑物實(shí)體可具有的能力。然而，在響應(yīng)規(guī)模上，現(xiàn)有工作主要集中在微觀層面，即獨(dú)棟建筑范圍，建筑群應(yīng)用尚待探索與實(shí)踐，其變化亦主要集中在外部形態(tài)方面。

在控制策略方面，隨著建筑的智慧化，RA 研究開始從被動(dòng)響應(yīng)向主動(dòng)自適應(yīng)發(fā)展，從被動(dòng)收到外界刺激發(fā)生改變到主動(dòng)感知外界采取應(yīng)對策略。技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展，尤其是近年來在裝配式建筑、新材料、無線通信、物聯(lián)網(wǎng)、智能化等領(lǐng)域取得的進(jìn)步，為 RA 領(lǐng)域注入了新的能量。

RA 的目的不是全盤代替現(xiàn)有建筑，而是一類具有較大潛力的新型建筑。然而，目前的成果仍具有一定的局限性，要取得較大發(fā)展，還面臨著許多挑戰(zhàn)。

3.2 RA 面對的挑戰(zhàn)

建筑設(shè)計(jì)與構(gòu)造是一種體系、一種系統(tǒng)性思維，結(jié)構(gòu)、材料、智慧組件是建筑的有機(jī)組成部分，不可分割?？刂?、計(jì)算機(jī)信息技術(shù)元素、人、建筑的深度融合以及系統(tǒng)的規(guī)模與復(fù)雜性是 RA 面臨挑戰(zhàn)的根本原因。

（1）存在基礎(chǔ)分歧。RA 建立在城市規(guī)劃和建筑學(xué)基礎(chǔ)之上，地理功能區(qū)域的布局和建筑物的功能定位等，很大程度上受到城市規(guī)劃方法論的限定，而建筑工程在傳統(tǒng)上以連續(xù)穩(wěn)定為主。如何實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的、可變的、自適應(yīng)的建筑物對象，并兼具穩(wěn)定性和連續(xù)性，對城市意義的理解和設(shè)想、傳統(tǒng)建筑到新建筑模式的轉(zhuǎn)變，是 RA 研究和應(yīng)用的根本性挑戰(zhàn)。

（2）缺乏協(xié)同設(shè)計(jì)。目前建筑設(shè)計(jì)、建模與仿真、建造、維護(hù)各階段之間存在較大的阻隔，缺乏必要的協(xié)同設(shè)計(jì)和分析。在建設(shè)過程中的分離使得難以評(píng)估設(shè)計(jì)決策的影響，進(jìn)而導(dǎo)致制造與組裝的準(zhǔn)確性不足，不能完全地反映和捕捉到建筑構(gòu)件對象之間的相互依賴性，而這是 RA 運(yùn)行和維護(hù)的關(guān)鍵前提。

（3）系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的挑戰(zhàn)巨大。由于 RA 包含了大量不同的建筑與計(jì)算組件，以及系統(tǒng)之間的交互，因此健壯性、可靠性、效率和實(shí)時(shí)性相關(guān)設(shè)計(jì)成為一個(gè)關(guān)鍵問題。并且由于系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，設(shè)計(jì)、建造、制造的時(shí)間極大地增加。RA 的模型包含了構(gòu)件、材料、軟件和物理環(huán)境中的各種細(xì)節(jié)以及不同系統(tǒng)的異構(gòu)性，導(dǎo)致了工程規(guī)模的膨脹，為工程及系統(tǒng)的驗(yàn)證帶來了巨大的挑戰(zhàn)，極大地增加了驗(yàn)證成本。

（4）信息傳遞存在瓶頸。目前的建筑智能化通信網(wǎng)絡(luò)主要是基于有線網(wǎng)絡(luò)建立的，對于高動(dòng)態(tài)性要求的 RA 應(yīng)用而言，施工和維護(hù)的難度較高，很難保證經(jīng)濟(jì)性和有效性。由于通信網(wǎng)絡(luò)存在的各種復(fù)雜因素，如果線路質(zhì)量造成了指令和狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖铚?，將?yán)重阻礙建筑響應(yīng)的動(dòng)態(tài)行為執(zhí)行，最終影響建筑的性能，甚至導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性。

（5）安全性的挑戰(zhàn)大。RA 的特性為建筑的結(jié)構(gòu)和信息安全帶來了許多新的問題。首先，如何同時(shí)保證 RA 在通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量降低時(shí)的實(shí)時(shí)性與可靠性需求是個(gè)難題。其次，RA 為通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施部署難度降低引入了無線網(wǎng)絡(luò)因素，而這一因素極易受到干擾和影響。更重要的是，開放的網(wǎng)絡(luò)接入在一定程度上向攻擊者暴露了系統(tǒng)的入口，如果攻擊者成功攻破并利用 RA 的控制系統(tǒng)，會(huì)造成嚴(yán)重后果?，F(xiàn)有的計(jì)算機(jī)安全技術(shù)尚無足夠的能力保證 RA 的安全性。

（6）系統(tǒng)融合的復(fù)雜性高。未來 RA 的集群化、協(xié)同化、交互化，以及自主網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的異構(gòu)性，需要兼容大量的物理感知器、執(zhí)行器和分布式的計(jì)算系統(tǒng)，這需要提高數(shù)據(jù)與系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化能力為中心，滿足互操作與融合的應(yīng)用需求。目前，即便在發(fā)展較為成熟的建筑智能化領(lǐng)域，仍存在各廠商的智能控制系統(tǒng)不兼容的情況。對于 RA 所需的高層次全局信息視角，以及復(fù)雜分布、高度自主的決策和控制系統(tǒng)而言，目前的智能控制系統(tǒng)是不適用的。

綜上所述，RA 面臨著建筑設(shè)計(jì)與建造、計(jì)算機(jī)與控制技術(shù)等的理論基礎(chǔ)、關(guān)鍵領(lǐng)域和應(yīng)用技術(shù)等方面的重要挑戰(zhàn)與制約。為了解決這些挑戰(zhàn)，需要多領(lǐng)域的深度和廣泛協(xié)同，開展深入的研究。

4 結(jié) 語

響應(yīng)式建筑(RA)是能夠改變?nèi)伺c建筑及環(huán)境交互方式的一種未來的建筑模式，可將控制論與建筑物相融合與協(xié)調(diào)。作為建筑的演進(jìn)，RA 應(yīng)該得到更加廣泛的關(guān)注。本文闡述了 RA 的含義與體系結(jié)構(gòu)，對 RA 的理論與技術(shù)體系、研究進(jìn)展以及 RA 的發(fā)展對城市規(guī)劃、建筑和信息技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域帶來的挑戰(zhàn)進(jìn)行了討論。在未來，RA 具有較大的影響力和經(jīng)濟(jì)潛力，對人類社會(huì)的和諧可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。由于目前 RA 的實(shí)用性研究剛剛起步，相關(guān)研究和應(yīng)用成果有限，并且仍然缺乏系統(tǒng)的科學(xué)基礎(chǔ)和工程原理。在未來需要通過城市規(guī)劃、建筑和信息技術(shù)和眾多相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的全面努力，加快和促進(jìn) RA 的研究與發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)人類與建筑及環(huán)境相互協(xié)調(diào)與可持續(xù)發(fā)展的愿景。