綠色建筑視域下環(huán)境藝術(shù)設(shè)計神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價方法研究

陳燕萍

（泉州職業(yè)技術(shù)大學福建省高校綠色建筑工程技術(shù)應(yīng)用中心，福建 泉州 362200）

環(huán)境藝術(shù)設(shè)計是以環(huán)境生態(tài)學基本理念為指引的設(shè)計，分為景觀設(shè)計、室內(nèi)設(shè)計兩大類。作為一門實用藝術(shù)，環(huán)境藝術(shù)設(shè)計涉及建筑學、城市規(guī)劃學、環(huán)境心理學、環(huán)境行為學等多門學科，在當代設(shè)計中占據(jù)著非常重要的地位。綠色建筑最早由美國建筑師保羅·索勒瑞提出，是現(xiàn)代生態(tài)理念與建筑結(jié)合的產(chǎn)物。早期綠色建筑更多關(guān)注的是建筑能耗的降低與建筑對環(huán)境負面影響的減少。20世紀90年代以來，隨著可持續(xù)建筑理念的發(fā)展，綠色建筑評價成為學界研究的熱點，不少國家出臺了綠色建筑評價標準。環(huán)境藝術(shù)設(shè)計與綠色建筑具有很強的耦合性，因此，要發(fā)展綠色建筑視域下環(huán)境藝術(shù)設(shè)計的評價工作，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展則為環(huán)境藝術(shù)設(shè)計評價提供了有力的支持。

一、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

（一）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)涵

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Neural Networks），即人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，也稱連接模型。根據(jù)現(xiàn)代神經(jīng)科學理論，由細胞體、樹突以及軸突構(gòu)成的神經(jīng)元是生物神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本單元。細胞體作為神經(jīng)元的主體部分，包括細胞膜、細胞質(zhì)、細胞核等物質(zhì)。樹突由細胞膜向外延伸形成，呈放射狀，具有信息接受作用。軸突為細胞體發(fā)出的最長的一條突起，具有信息傳輸作用。神經(jīng)元相互接觸，接觸部位形成突觸，無數(shù)的神經(jīng)元共同構(gòu)成了生物神經(jīng)元模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以現(xiàn)代神經(jīng)科學理論為基礎(chǔ)，從仿生學的角度出發(fā)，模擬人腦神經(jīng)系統(tǒng)的機理與運作方式，從而使計算機具備人腦的感知、學習及信息處理能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是一種算法數(shù)學模型，依托海量的人工神經(jīng)元進行分布式并行信息處理，具有強大的運算能力以及自適應(yīng)性、容錯性等優(yōu)點。[1]

（二）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的類型

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由人工神經(jīng)元經(jīng)拓撲結(jié)構(gòu)組織而成，依據(jù)拓撲結(jié)構(gòu)的差異，可將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分為兩大類：一是分層網(wǎng)絡(luò)。分層網(wǎng)絡(luò)以層次結(jié)構(gòu)組織神經(jīng)元，分為輸入層、中間層以及輸出層三個層次。輸入層負責網(wǎng)絡(luò)外部信號的輸入，并將輸入信號傳遞到中間層。中間層也稱隱含層，是分層網(wǎng)絡(luò)的中樞處理單元，負責輸入信號的識別、分析與處理。輸出層負責將中間層處理的結(jié)果以需要的形式表達出來。分層網(wǎng)絡(luò)包含三個亞類：簡單型前向網(wǎng)絡(luò)、反饋型前向網(wǎng)絡(luò)與層內(nèi)相互型前向網(wǎng)絡(luò)。二是相交連接型網(wǎng)絡(luò)。相交連接型網(wǎng)絡(luò)沒有層次結(jié)構(gòu)的劃分，網(wǎng)絡(luò)中的任意兩個人工神經(jīng)單元均可以相互連接，并相互作用、相互影響。與分層網(wǎng)絡(luò)相比，相交連接型網(wǎng)絡(luò)對網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的要求更高。若缺乏合理的設(shè)計，相交連接型網(wǎng)絡(luò)易出現(xiàn)周期性震蕩、無法收斂的問題。

（三）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特征

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特征包含結(jié)構(gòu)特征、能力特征兩個方面。從結(jié)構(gòu)特征的角度而言，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由海量神經(jīng)元依據(jù)不同方式連接而成，是典型的非線性系統(tǒng)，具有并行處理的特征，能夠仿照人腦的各類功能開展快速的運算。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在信息存儲上，依托自身結(jié)構(gòu)上的并行性，采用的是分布式存儲方式，具有聯(lián)想記憶的功能。同時，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也具有容錯性的結(jié)構(gòu)特征，當部分神經(jīng)元被破壞時，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體并不會受到影響，仍能繼續(xù)處理信息。[2]從能力特征的角度而言，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自學習、自組織以及自適應(yīng)性的能力特征。一方面，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠從外部環(huán)境獲得知識，開展學習，并根據(jù)一定的學習規(guī)則，調(diào)整神經(jīng)元間的連接強度，另一方面，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也能調(diào)整突觸權(quán)值，以便更好地適應(yīng)外部環(huán)境的變化。

二、環(huán)境藝術(shù)設(shè)計的基本原則

（一）人本性原則

人本性原則是環(huán)境藝術(shù)設(shè)計最為基本的原則，也是充分實現(xiàn)環(huán)境藝術(shù)設(shè)計思路與目標的主要原則。人本性原則下的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計要做好以下三點內(nèi)容，第一、以滿足人的需求為出發(fā)點。環(huán)境藝術(shù)設(shè)計要以人的需求為出發(fā)點，確保設(shè)計方案的人本性。第二、注重人需求的多樣性。以往的環(huán)境藝術(shù)設(shè)計存在很大的局限性，最為典型的便是對人的需求的考慮片面，僅僅注意到了環(huán)境藝術(shù)功能層面的價值，忽略了人文層面的價值。環(huán)境藝術(shù)設(shè)計要充分考慮人的各種需求，如交往需求、休憩需求、審美需求、文化需求等，使環(huán)境藝術(shù)設(shè)計可以全方位滿足人的需求。第三、對人需求的變化有前瞻性意識。環(huán)境藝術(shù)設(shè)計要立足社會主要矛盾的變化，合理預測人的需求變化方向，借助前瞻性設(shè)計來提高環(huán)境藝術(shù)的壽命。

（二）生態(tài)性原則

現(xiàn)代意義上的生態(tài)設(shè)計思想起源于兩次工業(yè)革命后，是生態(tài)危機的產(chǎn)物。20世紀20年代，發(fā)達國家將生態(tài)理論引入設(shè)計領(lǐng)域，對建筑設(shè)計、景觀設(shè)計、產(chǎn)品設(shè)計等產(chǎn)生了深遠的影響。第二次世界大戰(zhàn)后，隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，人類改造、征服自然的能力大為提升，生態(tài)破壞日益嚴峻。1996年，Sim Van der Ryn和Stuart Cowan 出版《生態(tài)設(shè)計》，以傳統(tǒng)自然設(shè)計理念為基礎(chǔ)，對生態(tài)設(shè)計的內(nèi)涵、要求、原則等做了全方位的闡釋，使生態(tài)設(shè)計思想成為現(xiàn)代設(shè)計中的主流思想之一。《設(shè)計藝術(shù)的生態(tài)環(huán)境學》指出，當代藝術(shù)設(shè)計倡導“重新回歸與自然環(huán)境的共處”[3]，為環(huán)境藝術(shù)設(shè)計指明了方向。要將生態(tài)設(shè)計作為環(huán)境藝術(shù)設(shè)計的重要原則，從建筑布局規(guī)劃、室內(nèi)環(huán)境設(shè)計、室外環(huán)境設(shè)計等多個維度踐行生態(tài)思想。

（三）系統(tǒng)性原則

從系統(tǒng)論的角度而言，環(huán)境藝術(shù)設(shè)計是一個完整的系統(tǒng)，包括諸多的子系統(tǒng)，同時，各系統(tǒng)間又有鮮明的層次。因此，系統(tǒng)性原則就成為環(huán)境藝術(shù)設(shè)計的重要原則。首先，加強各要素設(shè)計。環(huán)境藝術(shù)設(shè)計的要素較多，任何要素設(shè)計的設(shè)計質(zhì)量都會影響到整體的設(shè)計質(zhì)量。要加強各要素，如材料要素、色彩要素等的設(shè)計。其次，重視整體風格設(shè)計。環(huán)境藝術(shù)風格多樣，風格的整體呈現(xiàn)是環(huán)境藝術(shù)設(shè)計的重要目標。要深刻認識各要素設(shè)計在環(huán)境藝術(shù)整體風格設(shè)計中的重要性，以環(huán)境藝術(shù)整體風格統(tǒng)攝各要素設(shè)計，實現(xiàn)“1+1＞2”的設(shè)計效果。

（四）經(jīng)濟性原則

經(jīng)濟性原則同樣是環(huán)境藝術(shù)設(shè)計的重要原則。環(huán)境藝術(shù)設(shè)計力圖以最低的投入實現(xiàn)最佳的效果，必須具備成本控制意識，并從以下三個角度采取措施。一是合理控制設(shè)計階段的成本。要以設(shè)計流程的優(yōu)化、設(shè)計方法的創(chuàng)新進一步壓縮設(shè)計階段成本。二是具備成本導向意識。材料成本、施工成本是環(huán)境藝術(shù)建筑的主要成本，而材料成本、施工成本又和環(huán)境藝術(shù)設(shè)計有著密切的關(guān)系。要具備成本導向意識，在環(huán)境藝術(shù)設(shè)計中，不僅關(guān)注環(huán)境藝術(shù)的功能性、審美性、文化性，也要關(guān)注成本，比如，在材料的選擇中，要優(yōu)先選擇成本較低，且符合生態(tài)保護要求的新型復合材料。三是做好設(shè)計論證。環(huán)境藝術(shù)設(shè)計完成后，要組織專家學者開展設(shè)計論證，盡可能減少設(shè)計中的不合理內(nèi)容，降低后續(xù)設(shè)計變更的風險，為環(huán)境藝術(shù)建設(shè)的有序開展創(chuàng)造條件。

三、綠色建筑視域下環(huán)境藝術(shù)設(shè)計神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價模型

（一）構(gòu)建環(huán)境藝術(shù)設(shè)計評價指標體系

評價指標是綠色建筑視域下環(huán)境藝術(shù)設(shè)計神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價的基礎(chǔ)。當前，針對綠色建筑的評價指標已經(jīng)非常多，學者們依托《綠色建筑評價標準》，設(shè)計了大量的評價指標體系?？山梃b綠色建筑評價指標體系，從以下三個原則出發(fā)，構(gòu)建綠色建筑視域下環(huán)境藝術(shù)設(shè)計評價指標體系。一是針對性。評價指標體系要和環(huán)境藝術(shù)設(shè)計高度關(guān)聯(lián)起來，契合環(huán)境藝術(shù)設(shè)計的特征與發(fā)展需求。二是一致性。評價指標的確立多由專家學者商議而來，在實踐中要盡可能采用相同的評價目標，確保評價指標能夠如實反映環(huán)境藝術(shù)設(shè)計的情況。[5]三是可操作性。評價指標要具備良好的操作性，便于計算和分析。基于此，本文將綠色建筑視域下環(huán)境藝術(shù)設(shè)計評價指標分為可持續(xù)場址、材料與資源、室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量三類，構(gòu)建了涵蓋12個二級指標的評價指標體系（見表1）。

表1 環(huán)境藝術(shù)設(shè)計評價指標體系表

（二）環(huán)境藝術(shù)設(shè)計等級劃分

等級劃分的主要目標是呈現(xiàn)綠色建筑視域下環(huán)境藝術(shù)設(shè)計方案的差異，從而評價設(shè)計方案的優(yōu)劣。此處，采用專家打分法，以建筑領(lǐng)域、環(huán)境藝術(shù)設(shè)計領(lǐng)域、生態(tài)領(lǐng)域以及信息技術(shù)領(lǐng)域的專家為調(diào)查對象，將綠色建筑視域下環(huán)境藝術(shù)設(shè)計評價指標體系作為調(diào)查內(nèi)容，以1、2、3、4、5、6、7、8、9表示判斷程度數(shù)值，其中，奇數(shù)值表示的是評價指標相應(yīng)的重要程度，數(shù)值越低，則重要性越低，偶數(shù)值表示的是兩個相鄰的評價指標之間的重要程度。需要專家從判斷矩陣標度法理論出發(fā)，以賦值的方式來確定各層次評價指標的重要性。根據(jù)專家打分的結(jié)果，劃分綠色建筑視域下環(huán)境藝術(shù)設(shè)計等級（見表2）。

表2 綠色建筑視域下環(huán)境藝術(shù)設(shè)計等級

（三）篩選環(huán)境藝術(shù)設(shè)計評價指標

采用灰色關(guān)聯(lián)分析算法對評價指標進行篩選，并確立評價指標權(quán)重?；疑碚撚扇A中科技大學鄧聚龍1982年提出，是一種研究帶有不確定現(xiàn)象的數(shù)學科學理論，主要研究的是灰色系統(tǒng)中灰色信息白化的問題?；诨疑碚摰姆椒ㄓ泻芏啵缁疑P(guān)聯(lián)分析、灰色系統(tǒng)模型、灰色規(guī)劃、灰色控制等，在評價中有著非常廣泛的應(yīng)用。[6]選取綠色建筑視域下環(huán)境藝術(shù)設(shè)計的等級作為參考序列，將綠色建筑視域下環(huán)境藝術(shù)設(shè)計評價指標體系作為比較序列，記作（1）：

由于綠色建筑視域下環(huán)境藝術(shù)設(shè)計評價指標的量綱不同，難以直接開展數(shù)據(jù)比較。此處，采用極值化法公式（2）對綠色建筑視域下環(huán)境藝術(shù)設(shè)計評價指標的數(shù)據(jù)進行預處理，并形成評價指標數(shù)據(jù)（3）。

計算比較和參考序列對應(yīng)元素之間的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)（4），計算綠色建筑視域下環(huán)境藝術(shù)設(shè)計評價指標的灰色關(guān)聯(lián)度（5）。

根據(jù)評價結(jié)果，篩選出環(huán)境藝術(shù)設(shè)計評價指標，并從灰色關(guān)聯(lián)度出發(fā)，確定留下指標的權(quán)重（見表3）。

表3 綠色建筑視域下環(huán)境藝術(shù)設(shè)計指標權(quán)重

（四）綠色建筑視域下環(huán)境藝術(shù)設(shè)計神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價改進

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種類型，具有很強的學習能力與記憶能力，在綠色建筑視域下環(huán)境藝術(shù)設(shè)計評價改進中具有重要的應(yīng)用價值。對此，可將RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到綠色建筑視域下環(huán)境藝術(shù)設(shè)計評價建模中，具體模型如（6）所示，其中，Xi表示的n維輸入向量，Tk表示的是隱含層節(jié)點的中心。

在RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點的輸出計算公式為（7），其中，j代表第j個節(jié)點，wki代表輸出層的連接權(quán)值。采用K均值聚類算法來計算中間層節(jié)點數(shù)（8），其中，δ表示徑向基中心寬度，確定方式如（9）。

四、綠色建筑視域下環(huán)境藝術(shù)設(shè)計改進

（一）樹立多維設(shè)計理念

多維設(shè)計理念有著悠久的歷史，最早可以追溯到古羅馬建筑師維特魯威的《建筑十書》。該書提出了實用、堅固、美觀三大維度，凸顯了建筑設(shè)計維度的多樣性。隨著時代的不斷發(fā)展，設(shè)計維度也在增加，如安全維度、功能維度、藝術(shù)維度、人文維度、創(chuàng)新維度、成本維度、實施維度。因此，環(huán)境藝術(shù)設(shè)計中要樹立多維設(shè)計理念。首先，保證環(huán)境藝術(shù)的實用性。多維設(shè)計主義以安全維度、功能維度為基礎(chǔ)內(nèi)容，而安全維度、功能維度正是環(huán)境藝術(shù)發(fā)揮自身功能的必備條件。其次，保證環(huán)境藝術(shù)的經(jīng)濟性。多維設(shè)計主義高度注重設(shè)計的經(jīng)濟效益，力圖從成本維度、實施維度出發(fā)，降低成本。最后，保證環(huán)境藝術(shù)的人文性。多維設(shè)計主義注重從藝術(shù)的層面來提高設(shè)計的審美效果，并以在地性原則為出發(fā)點，將地方文化與設(shè)計緊密融合起來，這能保證環(huán)境藝術(shù)的人文性。

（二）堅持綠色設(shè)計思路

綠色設(shè)計屬于生態(tài)設(shè)計的范疇，綠色設(shè)計理念也是踐行生態(tài)思想的基本要求。要立足當前生態(tài)文明建設(shè)的要求，以“人與自然和諧相處”為切入點，將綠色設(shè)計理念融入到環(huán)境藝術(shù)設(shè)計中。從外部環(huán)境的角度而言，要注重環(huán)境藝術(shù)的綠化設(shè)計，并且，在植物，如樹木、花卉的選擇中，要以本土樹木、花卉為主，降低成本的同時，提高環(huán)境藝術(shù)設(shè)計的地域色彩。從建筑材料的角度而言，要盡可能選用可降解、污染低的綠色環(huán)保材料，如在梁柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，應(yīng)采用鋼木組合結(jié)構(gòu)，以快生木材和鋼制連接構(gòu)件為主。[7]從節(jié)能環(huán)保的角度而言，要重視能源的高效利用。以太陽能為例，可采用主動式太陽能技術(shù)，將太陽能光伏板安裝在日照條件較好的墻體上，使光伏發(fā)電板能夠最大限度地吸收、轉(zhuǎn)化、利用太陽能，減少環(huán)境藝術(shù)自然能源的消耗。

（三）優(yōu)化空間設(shè)計

空間設(shè)計作為環(huán)境藝術(shù)設(shè)計的重點，涵蓋空間重新組織以及空間界面處理兩個方面的內(nèi)容，空間設(shè)計的質(zhì)量直接關(guān)系到環(huán)境藝術(shù)設(shè)計的整體效果。對此，要從以下兩點優(yōu)化空間設(shè)計。第一，最大限度利用好空間。環(huán)境藝術(shù)的空間是有限的，環(huán)境藝術(shù)空間有效利用的重要性愈加凸顯。要著力減少環(huán)境藝術(shù)空間中的空白點，使每一寸空間均有相應(yīng)的功能。第二，優(yōu)化空間布局。以功能分區(qū)為導向，合理規(guī)劃環(huán)境藝術(shù)空間布局，使環(huán)境藝術(shù)空間兼有開放性與私密性。以留風園環(huán)境藝術(shù)為例，該建筑地上建筑分為兩層，第一層的功能以接待、會客為主，空間總體為開放式，細分功能區(qū)包括端莊大氣的門廳、典雅莊重的會客廳等。第二層的功能以居住為主，空間具有很強的私密性，臥室、書房的套房設(shè)計使得業(yè)主的生活具有很高的品質(zhì)感。

五、結(jié)語

現(xiàn)代意義上的環(huán)境藝術(shù)起源于工業(yè)革命之后。工業(yè)革命極大地提升了社會生產(chǎn)力，也深刻改變了人類的生活狀態(tài)。一方面，城市人口不斷增加，城市居住環(huán)境不堪重負，面臨著多重問題，另一方面，生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與應(yīng)用為環(huán)境藝術(shù)設(shè)計評價帶來了新的思路，因此，應(yīng)加強神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在綠色建筑視域下環(huán)境藝術(shù)設(shè)計評價中的應(yīng)用，根據(jù)評價結(jié)果，改進環(huán)境藝術(shù)設(shè)計。