建筑自適應表皮的環(huán)境響應方法研究與應用

殷青，邵濱薈，韓昀松

1 建筑自適應表皮概述

建筑室外環(huán)境的周期性和隨機性波動，顯著影響著建筑室內空間舒適度。為緩解室外氣候環(huán)境影響導致的室內物理環(huán)境舒適度波動，采暖、制冷、照明、通風等設備在建筑運維過程中被大量、頻繁使用，消耗了大量能源的同時，也增大了建筑全生命周期碳排放水平。傳統(tǒng)建筑表皮由于無法隨環(huán)境變化，動態(tài)改變建筑表皮形態(tài)和材料屬性，對于環(huán)境波動的響應能力十分有限。如何實現建筑表皮對室外氣候影響的精確、動態(tài)響應，是節(jié)能減排戰(zhàn)略落實的關鍵問題之一。

既有研究表明，建筑自適應表皮因其形態(tài)、材料屬性的動態(tài)可變能力，在響應環(huán)境動態(tài)波動、調節(jié)室內物理環(huán)境、降低建筑能耗與碳排方面具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，能以更低的能源代價維持更優(yōu)的室內熱環(huán)境舒適度、光環(huán)境舒適度和空氣品質[1-2]。近年來，人工智能技術的長足發(fā)展，又為建筑自適應表皮的智能化升級奠定了技術基礎。

建筑表皮環(huán)境動態(tài)響應方法研究可追溯至1970年代[3]，但由于該領域涉及學科多、系統(tǒng)復雜度高，既有研究對該領域前沿成果的梳理多在系統(tǒng)性上存在不足，如2016年， Konstantoglou和Tsangrassoulis系統(tǒng)梳理了百葉類自適應表皮環(huán)境響應方法，對比分析了其能耗和照明負荷，但缺乏對于人體舒適度的綜合考慮[4]。2018年，Jain和Garg系統(tǒng)梳理了仿真模擬開環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)勢及其應用的智能技術，但未系統(tǒng)考慮閉環(huán)系統(tǒng)控制方法[5]。2020年，Tabadkani和Roetzel綜述了基于仿真模擬、模糊邏輯等算法的自適應控制方法[2]，但并未考慮智能優(yōu)化計算等算法和技術在表皮控制方面的應用。同時，既有綜述也未深入探討自適應表皮形態(tài)、使用者參與方式對表皮環(huán)境響應效果的影響。本文旨在通過對建筑自適應表皮前沿成果的系統(tǒng)梳理，彌補既有研究的不足，為建筑自適應表皮研究提供理論與方法指導?！敖ㄖ赃m應表皮”是能基于環(huán)境數據感知，自主、動態(tài)地改變表皮形態(tài)或構造，響應環(huán)境變化的建筑表皮，其強調對環(huán)境影響的自適應調節(jié)，是建筑表皮系統(tǒng)在人工智能時代語境下，由“靜態(tài)”向“動態(tài)”的演化，是建筑與環(huán)境系統(tǒng)交互的重要媒介。

本文在web of science進行關鍵詞檢索TS=(fa?ade* OR blind* OR building) AND TS=(Dynamic*OR Adaptive* OR Automatic* OR Automated) AND TS=(control* AND daylighting)，檢索時間為1998-2020，篩選出與本研究相關領域及交叉學科領域相關的文獻523篇（圖1），并發(fā)現自適應表皮研究熱度在2010年后大幅提升，近年來呈現出持續(xù)上升趨勢。

對上述523篇文獻的術語共現分析表明（圖2）：早期相關研究多圍繞建筑百葉系統(tǒng)、照明設備控制系統(tǒng)構建問題展開研究，自2014年節(jié)能相關問題得到廣泛關注，其比重也逐漸增大；同時，技術、模型、模擬、集成、參數等關鍵詞出現頻次增加；近年來，使用者舒適、熱舒適等術語出現頻次增加，而能耗仍舊保持較高的被關注度。可見，如何權衡改善建筑能耗與使用者舒適度，已成為當下建筑自適應表皮研究與發(fā)展的關鍵問題。

1 建筑自適應表皮相關文章數年度走勢，數據來源：web of science

2 標題及摘要共現網絡分析，數據來源：web of science

2 建筑自適應表皮系統(tǒng)構成與環(huán)境響應機理

2.1 建筑自適應表皮系統(tǒng)構成

建筑自適應表皮包括感知、決策與執(zhí)行等系統(tǒng)，其通過感知系統(tǒng)獲得“室內外溫濕度”“風速風向”等環(huán)境信息并反饋至決策系統(tǒng)；由決策系統(tǒng)將環(huán)境信息輸入到決策系統(tǒng)控制算法中，計算輸出環(huán)境響應決策；最后通過執(zhí)行系統(tǒng)驅動表皮響應環(huán)境波動。

感知系統(tǒng)是決策與執(zhí)行系統(tǒng)運行的基礎，其通過多應用傳感器實時采集室內外物理環(huán)境信息，也可基于既有氣候數據庫獲取室內外物理環(huán)境數據。決策系統(tǒng)是建筑自適應表皮運行的核心，其影響著表皮運作效率和環(huán)境響應效果。決策系統(tǒng)在基于閾值的準則算法之外常采用遺傳算法、模糊邏輯、神經網絡等機器學習算法作為決策算法，在運行過程中向決策算法輸入感知系統(tǒng)反饋的環(huán)境信息，由其制定自適應表皮執(zhí)行系統(tǒng)的響應方式、啟停時間窗口等決策，進而實時控制建筑自適應表皮系統(tǒng)響應環(huán)境，避免延遲或超調，并確保環(huán)境響應的穩(wěn)定性[6]。執(zhí)行系統(tǒng)是建筑自適應表皮系統(tǒng)影響環(huán)境的具體手段，基于決策系統(tǒng)輸出實時或定時地改變建筑自適應表皮的物理狀態(tài)，其響應方式影響著建筑自適應表皮對環(huán)境響應的應變能力及靈活性。建筑自適應表皮的環(huán)境響應還包括對建筑使用者行為的考慮，感知系統(tǒng)的遠程識別設備可對建筑使用者行為進行數據采集，同時使用者也可以通過干預來調節(jié)建筑自適應表皮對環(huán)境的響應（圖3）。實踐應用中，感知、決策、執(zhí)行系統(tǒng)協同運行，完成基于實時環(huán)境數據反饋的自適應表皮環(huán)境響應。

3 使用者與自適應表皮的交互

5 自適應表皮開環(huán)系統(tǒng)控制邏輯圖

6 自適應表皮仿真開環(huán)系統(tǒng)控制邏輯圖

2.2 建筑自適應表皮環(huán)境響應機理

根據感知系統(tǒng)與決策系統(tǒng)的交互方式，建筑自適應表皮的環(huán)境響應機理可分為閉環(huán)控制（圖4）和開環(huán)控制（圖5）兩類。采用閉環(huán)控制環(huán)境響應機理的建筑自適應表皮常用于室內光環(huán)境調節(jié)，其通過調光器和光傳感器來調節(jié)桌面照度，存在傳感器安裝工作量大、成本高、校準困難等問題[5]。既有研究表明，相比閉環(huán)控制，開環(huán)控制的環(huán)境響應和節(jié)能效果更優(yōu)[7]。傳統(tǒng)采用開環(huán)控制環(huán)境響應機理的建筑自適應表皮多將傳感系統(tǒng)布置于表皮外部，對人工照明的感知不敏感[5]，且缺乏反饋機制，環(huán)境響應精度仍待提升。

針對上述問題，衍生出了基于仿真模擬的建筑自適應表皮環(huán)境響應方法（圖6）。仿真模型會根據日照變化及建筑表皮狀態(tài)實時更新室內環(huán)境數據，并將其輸入決策系統(tǒng)制定環(huán)境響應決策。既有研究表明，基于仿真模擬的開環(huán)控制方法能以仿真數據替代實測傳感器，可顯著降低自適應表皮成本[2,5]。

3 自適應表皮環(huán)境響應方法研究熱點

自適應表皮的環(huán)境響應需依托感知、決策和執(zhí)行系統(tǒng)來實現。近年來，圍繞著上述系統(tǒng)革新，自適應表皮環(huán)境響應方法也呈現出不同的研究熱點。研究將結合自適應表皮系統(tǒng)演化趨勢，解析自適應表皮環(huán)境響應方法研究熱點。

3.1 基于智能感知的自適應表皮環(huán)境響應

感知系統(tǒng)輸出參數是自適應表皮環(huán)境響應的致動因素，其決定著環(huán)境響應的精度與效率。自適應表皮環(huán)境感知系統(tǒng)經過數十年發(fā)展，其智能化水平逐步提高（圖7）。2000年以前的自適應表皮感知系統(tǒng)智能化水平較低，多依賴傳感器采集溫度、照度等物理量，在實踐應用中所需傳感器數量多、成本高[8-10]。

7 自適應表皮環(huán)境響應方法系統(tǒng)研究熱點

隨著建筑性能模擬技術的發(fā)展，有學者嘗試基于少量室外實測數據，通過性能模擬獲取大范圍建筑光熱環(huán)境數據，以便降低傳感器數量，形成了基于仿真模擬的自適應表皮環(huán)境響應方法[11]。該環(huán)境響應方法顯著拓展了建筑自適應表皮環(huán)境響應致動因素范圍，包括DGI[12]、UDI[13]、DGP[14-15]、PMV[16]等光熱環(huán)境性能指標也可作為致動因素支撐表皮進行環(huán)境響應，提高了自適應表皮對建筑建成環(huán)境性能的改善能力和環(huán)境響應精度。

隨著遠程識別設備的發(fā)展，建筑自適應表皮環(huán)境感知硬件平臺信息化水平日益提高，實現了對使用者脈搏等生理數據的定時、定向采集，實現了對使用者情緒的科學估測，進一步強化了自適應表皮環(huán)境響應過程對使用者特征的考慮精度，也擴展了自適應表皮應用場景[17]。

感知系統(tǒng)數據采集類型和數量的大幅增長，也對自適應表皮環(huán)境響應方法提出了更高的算力要求。由于建筑性能模擬計算耗時長，基于仿真模擬的自適應表皮環(huán)境響應方法存在一定的滯后性。針對上述問題，國內外學者逐步嘗試整合神經網絡等機器學習算法來提高環(huán)境響應效率[18]。

3.2 基于智能決策的自適應表皮環(huán)境響應

決策系統(tǒng)是自適應表皮環(huán)境響應的核心，決定著表皮環(huán)境響應的效果，數十年中自適應表皮決策系統(tǒng)通過與智能技術結合，持續(xù)推動了自適應表皮環(huán)境響應方法的發(fā)展（圖7）。2000年以前的自適應表皮決策系統(tǒng)智能化程度較低，主要采用基于性能準則的環(huán)境響應方法，依據設計者指定的性能閾值來判斷是否改變表皮位置。例如，根據太陽輻射和照度閾值來制定環(huán)境響應決策，調整百葉高度，使室內照度等環(huán)境參量不超過閾值，避免眩光[8]，但該方法缺乏對于使用者偏好的考慮，會影響天然采光效果，增加人工照明能耗。

隨著機器學習算法的發(fā)展和使用者干預決策需求的提高[19-20]，有學者通過分析使用者偏好[21]，在保留使用者偏好的同時剔除使用者不當操作，實現了建筑自適應表皮環(huán)境響應對使用者偏好的回應，增強了自適應表皮環(huán)境響應容錯性。

建筑性能模擬技術的發(fā)展使感知系統(tǒng)輸出參量與優(yōu)化算法的結合成為可能。2003年，優(yōu)化算法被用于自適應表皮決策系統(tǒng)中，建立了各采光性能罰函數加權之和的成本函數，以計算光性能相對最優(yōu)的百葉角度[11]，形成基于優(yōu)化算法的自適應表皮環(huán)境響應方法。2009年有學者針對建筑節(jié)能目標，通過百葉角度變化響應環(huán)境影響，同時結合空調系統(tǒng)進行溫度調節(jié)[22]。2015年有學者在能耗優(yōu)化的基礎上增加了光性能約束函數，有效實現了能耗與光舒適性能的權衡改善[13]?？梢?，優(yōu)化算法的引入顯著提升了建筑自適應表皮環(huán)境響應精度。

建筑性能模擬技術可與更多篩選算法結合。2016年，有學者將模擬決策的表皮位置與上一次位置進行對比，如果計算卷簾位置高于當前位置且在過去的15分鐘內位置有過變動，則記錄次數但不改變卷簾位置，以此降低表皮的運動頻率[23]，有效減少表皮運動對使用者的干擾，延長了表皮的使用壽命。隨著無線通信技術的發(fā)展，2020年有學者通過MQTT通信協議實現負責不同性能的多模塊之間無線訊號傳輸，使在單獨決策的同時可以互相覆蓋決策，降低了模塊移動頻率，減少了多模塊決策的誤差[24]。

綜上所述，智能技術的引入有效地提升了決策系統(tǒng)的決策精度與廣度，進而促進環(huán)境響應方式的發(fā)展。

8 英國赫特福德郡（Hertfordshire United Kingdom）生態(tài)環(huán)境建筑單軸旋轉表皮，引自參考文獻[25]

9 荷蘭鹿特丹格倫內達爾（Groenendaal Rotterdam Neth-erlands）159號建筑智能變色玻璃，引自參考文獻[26]

10 法國圖盧茲（Toulouse France）的自然通風集成PV表皮，引自參考文獻[28]

11 縮放平移表皮，引自參考文獻[31]

13 阿布扎比塔單元響應表皮，引自參考文獻[19]

3.3 基于執(zhí)行系統(tǒng)革新的自適應表皮環(huán)境響應

執(zhí)行系統(tǒng)的不同形變方式[14]影響自適應表皮環(huán)境響應的性能類型（圖7）。2000年以前執(zhí)行系統(tǒng)多通過改變卷簾或百葉的垂直位置、旋轉百葉板角度來進行環(huán)境響應（圖8），而且自適應表皮的機械傳動易產生較大噪聲。

材料技術的發(fā)展推動了自適應表皮環(huán)境響應方法的多元化演進，2002年變色玻璃被應用于自適應表皮執(zhí)行系統(tǒng)中，電致變色窗可通過改變電壓來調節(jié)玻璃透明度等物理性質，具有成本低、能耗少的優(yōu)點（圖9），體現了基于智能材料的自適應表皮環(huán)境響應潛力[9]，而且智能材料在近年發(fā)展出更多元的光導及熱導物理性質材料[27]。

隨著人們對熱環(huán)境調控需求的提升，2007年有自適應表皮通過調節(jié)排風裝置轉速來響應室內熱環(huán)境（圖10），既有實驗證明：排風耦合空調模塊比只使用空調模塊可有助于提升建筑能效[29]。

隨著環(huán)境響應作用范圍的精度需求日益提升，自適應表皮分別探索了以折疊變化[19]、雙軸旋轉[30]以及縮放平移[31]等方式進行環(huán)境響應（圖11），通過響應太陽運動軌跡，調節(jié)太陽日照光入射量[30]，提供更多日光的同時降低眩光概率[31]。

2010年，建筑自適應表皮執(zhí)行系統(tǒng)多未進行模塊化設計，其環(huán)境響應靈活性不足，無法隨太陽位置變化[18]和使用者空間定位信息[31]進行精確調控。2011年，有學者將自適應表皮劃分為分段式百葉，其在垂直上分為3個部分，可分別針對低角度日光的透射、外部視野、防止過熱等需求進行環(huán)境響應（圖12）。阿布扎比塔也采用了單元式表皮，中央系統(tǒng)可以控制每個表皮單元獨立或分組進行環(huán)境響應，當出現極端天氣時又可控制所有表皮全部打開[19]（圖13）。可見，自適應表皮的模塊化發(fā)展進一步提升了環(huán)境響應精度與靈活性。

14 實驗應用軟件

15 自適應表皮系統(tǒng)實驗流程框架，引自參考文獻[32]

16 對照組辦公空間模型（單位/m），引自參考文獻[32]

17a 實驗組1自適應表皮環(huán)境響應流程，引自參考文獻[32]

18 實驗組辦公空間及自適應表皮模型（單位/m），引自參考文獻[32]

4 實驗分析

為解析自適應表皮智能感知系統(tǒng)、智能決策系統(tǒng)及新型執(zhí)行系統(tǒng)的運行效果，研究基于上述文獻綜述構建以下3種采用不同智能技術的自適應表皮環(huán)境響應方法，展開了自適應表皮環(huán)境響應仿真實驗，旨在分析驗證基于3種不同智能技術的自適應表皮對室內光環(huán)境的改善效果。

實驗采用的計算機CPU為6核，其內存為16G，基于Rhinoceros進行參數化建模，依托Grasshopper與Matlab平臺展開編程，應用Radiance、Daysim仿真建筑光環(huán)境，并在實驗中整合了遺傳算法、人工神經網絡等算法（圖14）。3種環(huán)境響應方法的流程框架及技術路線如圖15所示。

實驗包含3組自適應表皮和1組實驗對照組，其中的自適應表皮包含6個模塊，每個表皮有3個可變化角度。對照組是不設置建筑自適應表皮、僅設有靜態(tài)采光窗口的辦公空間（圖16）；實驗組1為基于室內照度傳感器與準則決策的環(huán)境響應方法，實驗組2為基于仿真模擬與優(yōu)化算法的環(huán)境響應方法，其感知系統(tǒng)數據來自于基于radiance的建筑室內光環(huán)境模擬，決策系統(tǒng)則基于遺傳算法制定設計決策；實驗組3為基于神經網絡與優(yōu)化算法的環(huán)境響應方法，感知系統(tǒng)采用神經網絡來計算室內照度，結合以Matlab優(yōu)化算法為核心的決策系統(tǒng)對表皮位置進行優(yōu)化。為權衡室內采光需求與眩光防護需求，實驗組2與3的懲罰函數如公式（1），遺傳算法相關優(yōu)化參數設定如表1。以上環(huán)境響應方法的具體環(huán)境響應流程如圖17a、17b所示。

表1 遺傳算法相關優(yōu)化參數設定

實驗以我國高緯度地區(qū)某單元辦公空間為例，其自適應表皮布置于南立面（圖18）。首先基于參數化平臺構建單元辦公空間與自適應表皮參數模型，結合我國相關設計規(guī)范確定辦公空間界面材質參數[33-35]。建筑使用時間為8:00am-17:00pm，基于epw全年氣象數據，計算上述建筑自適應表皮環(huán)境響應方法在3月21日、6月21日、9月21日、12月21日4個典型日的室內光環(huán)境調節(jié)效果，其結果如圖19a、19b、19c、20所示。

實驗結果表明3個系統(tǒng)智能發(fā)展對室內光環(huán)境均存在改善作用，且在技術上相互支撐：在感知系統(tǒng)方面，實驗組2、3的智能感知系統(tǒng)通過對環(huán)境性能的量化計算，可為決策系統(tǒng)提供數據支撐；實驗組3采用人工神經網絡模型可有效提升建筑自適應表皮環(huán)境響應速度，實驗3系統(tǒng)平均計算時長均在2~4分鐘之間，基于仿真模擬的實驗2平均計算時長則約為4小時。在決策系統(tǒng)方面，采用優(yōu)化算法可實現室內照度在允許范圍內的最大化，提高遠窗處光環(huán)境品質，對于降低建筑照明能耗具有積極意義，如圖19b、19c所示，基于準則決策的實驗組1近窗及遠窗處照度均小于基于優(yōu)化決策的實驗組2、3；在執(zhí)行系統(tǒng)方面，革新后的執(zhí)行系統(tǒng)具有更高的環(huán)境響應靈活度，對比圖19a、19b、19c，設置了建筑自適應表皮的實驗組1、2、3均可有效降低室內眩光時長，圖20則說明單元式多變化角度的執(zhí)行系統(tǒng)可結合優(yōu)化算法，對日照進行多角度遮陽響應。

19a 對照組室內照度，引自參考文獻[32]

19b 實驗組1室內近窗及遠窗照度，引自參考文獻[32]

19c 實驗組2、3室內近窗及遠窗照度，引自參考文獻[32]

20 6月21日實驗組2、3的建筑自適應表皮角度分布，引自參考文獻[32]

5 結論

自適應表皮系統(tǒng)由感知系統(tǒng)、決策系統(tǒng)與執(zhí)行系統(tǒng)構成，通過不同的方式與使用者及室內外環(huán)境產生交互，維持室內環(huán)境舒適度需求。感知系統(tǒng)通過傳感器或氣候數據獲取環(huán)境信息，將信息處理后輸入到決策系統(tǒng)，計算輸出環(huán)境響應決策，最后通過執(zhí)行系統(tǒng)驅動表皮響應環(huán)境。實驗結果表明：智能感知、智能決策與執(zhí)行系統(tǒng)互為技術支撐。采用仿真模擬的感知系統(tǒng)能為決策系統(tǒng)提供有效的數據支撐；人工神經網絡建模技術可大幅降低優(yōu)化設計決策耗時，為建筑自適應表皮的實時動態(tài)環(huán)境響應提供了新的技術支點；基于優(yōu)化算法的智能決策可同時計算自適應表皮多模塊的相對最優(yōu)位置，大幅提升了執(zhí)行系統(tǒng)的靈活度。

綜上所述，在人工智能技術語境下，建筑自適應表皮將由基于傳感器感知環(huán)境，逐步發(fā)展為基于仿真模擬實現環(huán)境感知，不斷降低表皮系統(tǒng)規(guī)模，并逐步引入人工神經網絡等機器學習算法，持續(xù)提高環(huán)境感知精度與效率；同時，決策系統(tǒng)也由基于閾值的準則決策發(fā)展到多性能、多目標導向的算法決策，可有效實現室內多方面舒適性能權衡最優(yōu)；建筑自適應表皮執(zhí)行系統(tǒng)的形變方式則不斷拓展，并通過單元式、模塊化發(fā)展，不斷提高建筑自適應表皮的環(huán)境響應靈活度。建筑自適應表皮的發(fā)展將推動建筑信息化轉型，助力建筑產業(yè)節(jié)能減排和碳達峰、“碳中和”目標實現。□