基于人因工程學(xué)的月球建筑空間設(shè)計框架構(gòu)建

李書頎，梅洪元

月球是距離地球最近的天體，具有天然的位置優(yōu)勢和豐富的資源價值。為了實現(xiàn)對月球的科研和利用、對其他天體的觀測、乃至人類的生存遷移，建立月球建筑已成為人類文明進化的必然選擇。1960 年代，美國、蘇聯(lián)率先開展人類探月活動。1990 年代起，包括中國、歐盟、日本等在內(nèi)的各國家及地區(qū)的航空航天組織掀起新一輪的探月熱潮。中國探月工程，又稱“嫦娥工程”，分為“探、登、駐”3 個階段。目前，第一階段的“繞、落、回”任務(wù)已完成。2021 年，我國發(fā)布《國際月球科研站路線圖》，提出將于2035 年建成月球科研站，從而實現(xiàn)月面的“勘、研、建”，為載人登月和月面駐留提供基礎(chǔ)保障。世界各國探月工程的深化也使月球建筑的建設(shè)從設(shè)想成為現(xiàn)實。在當下的發(fā)展階段，月球建筑受運載、生保、建造等技術(shù)的制約，其空間原型構(gòu)建仍需以航天員工作、生活使用為基礎(chǔ)條件。月球和地球的物理環(huán)境差異巨大，如何在全新的環(huán)境下為探月工程任務(wù)提供人員駐留的支持，成為亟待解決的問題。在復(fù)雜極端環(huán)境、交叉技術(shù)制約的背景下，人因工程學(xué)為月球建筑空間設(shè)計提供了科學(xué)理論與技術(shù)支撐。

1 人因工程學(xué)概述

1.1 月球建筑空間設(shè)計范疇下的定義

國際人因工程學(xué)會（International Ergonomics Association）定義人因工程學(xué)為：研究人在某種工作環(huán)境中的解剖學(xué)、生理學(xué)和心理學(xué)等方面的因素，研究人和機器及環(huán)境的相互作用，研究在工作中、生活中和休閑時怎樣統(tǒng)一考慮工作效率、人的健康、安全和舒適等問題的學(xué)科[1]。人因工程學(xué)就是按照人的特性設(shè)計改進“人—機—環(huán)境系統(tǒng)”的科學(xué)。在“人—機—環(huán)系統(tǒng)”工程學(xué)（Man-Machine-Environment System Engineering）中，“人”是指作為工作主體的人（如操作人員或決策人員）；“機”是指人所控制的一切對象（如工具、機器、計算機、系統(tǒng)和技術(shù)）的總稱；“環(huán)境”是指人與機所處在的特定工作條件（如外部作業(yè)空間、物理環(huán)境、生化環(huán)境、社會環(huán)境等）；“人—機—環(huán)系統(tǒng)”是指由共處于同一時間和空間的人與其所使用的機器以及它們所處的周圍環(huán)境所構(gòu)成的系統(tǒng)[2]。

遷移概念在月球建筑設(shè)計中，即在月球建筑的“人—建—環(huán)系統(tǒng)”中，“人”指航天員或居住者；“建”指駐人月球建筑；“環(huán)”泛指人、建所處的周圍環(huán)境，包括月球環(huán)境、人造環(huán)境和社會環(huán)境等；“人—建—環(huán)系統(tǒng)”是指由共處同一時間和空間的人與其所處的建筑以及周圍環(huán)境所構(gòu)成的系統(tǒng)。由此可以總結(jié)出，月球建筑空間設(shè)計范疇內(nèi)的人因工程定義，即在月球特殊建設(shè)條件下，利用以人因技術(shù)為基礎(chǔ)的設(shè)計科學(xué)，運用相關(guān)理論、原理、數(shù)據(jù)與方法開展系統(tǒng)設(shè)計，解析人的因素與建筑、環(huán)境之間的相互作用，以安全高效、舒適可居為目標，使月球建筑空間的設(shè)計符合使用者生理、心理、行為等特點。

1.2 相關(guān)研究發(fā)展動態(tài)

國際上，人因工程學(xué)已廣泛應(yīng)用于大量行業(yè)，其中與空間緊密相關(guān)的研究在國防建設(shè)上包括艦船[3]、航天艙[4]空間設(shè)計，在交通運輸上包括飛機、火車、汽車等空間設(shè)計，在工業(yè)生產(chǎn)上包括生產(chǎn)空間設(shè)計。月球建筑空間設(shè)計與艦船、飛機駕駛艙等密閉空間設(shè)計的關(guān)聯(lián)之處在于其涉及領(lǐng)域安全風(fēng)險較高、所處環(huán)境較為特殊、空間相對封閉狹小，因此研究思路可以相互借鑒。對于人體參數(shù)的研究，美國航空航天局（NASA）對大量人體數(shù)據(jù)和行動經(jīng)驗進行總結(jié)，形成了《人機整合設(shè)計手冊》等設(shè)計標準規(guī)范，成為各類航天器設(shè)計的重要依據(jù)標準[5]；中國面向長期空間飛行的人的能力規(guī)律與機制研究[6]，研發(fā)了我國首個航天員建模仿真系統(tǒng)（AMSS）[7]，建立了較完善的評價技術(shù)、方法、流程和規(guī)范。此外，在建筑學(xué)領(lǐng)域，人因工程學(xué)研究也得到了一定應(yīng)用。例如，在建筑設(shè)計中，日本學(xué)者長期在環(huán)境行為和心理學(xué)中的研究，已形成數(shù)據(jù)庫，在建筑標準制訂、建筑設(shè)計等方面起到了比較重要的作用；在城市設(shè)計中，可利用人因工程相關(guān)技術(shù)，從宏、遠、中、近、微5 個層次制定空間干預(yù)尺度框架，提供一種發(fā)展設(shè)計科學(xué)的新路徑[8]。

在月球建筑人因問題上，Celentano 等學(xué)者對月球建筑宜居性給出定義并提出包括環(huán)境控制、生活空間設(shè)計、計劃制定等內(nèi)容的宜居性指數(shù)[9]，Harrison 和Sherwood 提出人因設(shè)計目標，包括生理、心理支持和社會文化支持[10]?；谌梭w尺度優(yōu)化尺寸的研究開始得較早，目前已從最小化設(shè)計發(fā)展到最優(yōu)化設(shè)計[11]，并提出了充氣式居住艙高效且舒適的室內(nèi)空間組織方案[12]。但目前的研究中缺失系統(tǒng)性的策略提出與完整的方案設(shè)計。新技術(shù)的發(fā)展對空間環(huán)境下的心理健康起到了促進作用，Schlacht 提出太空建筑室內(nèi)的視覺需求、太空環(huán)境下的視景改造、太空工程設(shè)計要求并提出月球基地視景設(shè)計方案[13]；Bannova 從個人、公共、社會3 個層面分別描述了如何使用混合現(xiàn)實技術(shù)（MR），通過激發(fā)所需情感反應(yīng)和創(chuàng)造新場景來傳遞刺激，在最小空間體積內(nèi)減弱負面心理影響[14]；國內(nèi)學(xué)者張冠華等提出月球建筑的光環(huán)境設(shè)計原則[15]。綜上，月球建筑的人因工程研究在國外的發(fā)展較早，但呈現(xiàn)碎片化狀態(tài)，在國內(nèi)的研究中基本處于空白?；谌艘蚬こ虒W(xué)的月球環(huán)境下建筑空間設(shè)計不僅有助于我國建立高標準的駐人月球科研站，也為未來的空間移民提供研究基礎(chǔ)。

2 月球建筑空間設(shè)計中應(yīng)用人因工程學(xué)的基本邏輯

月球建筑圍護結(jié)構(gòu)將外部環(huán)境與航天員進行分隔，月球建筑內(nèi)部空間則是物理實體圍合后保障航天員可用可居的過渡部分。在極端復(fù)雜的環(huán)境下，適宜的溫濕度與氣壓、限量的輻射、充足的氧氣等條件是保障人員生命安全的基礎(chǔ)，清晰的警報設(shè)備、冗余的逃生系統(tǒng)是設(shè)計的必要條件。此外，航天員作為使用的主體，在科研任務(wù)的完成中既需嚴格縝密又需靈活機動，在生活休閑時需獲得有效的放松療愈，因此，高效地工作與舒適地生活是基本的安全保障之上的目標。

在月球建筑研究的“人—建—環(huán)系統(tǒng)”中，“環(huán)”為客觀存在的要素，約束著人的行為與建筑的設(shè)計，為首要解析的要素；“人”為空間使用的主體，在環(huán)境的影響下于建筑空間內(nèi)工作生活，需解析環(huán)境對人的影響機制；“建”是在外應(yīng)對極端環(huán)境、在內(nèi)尊重使用者特性的設(shè)計結(jié)果，是人與環(huán)之間的過渡層，其基本研究問題與其他兩者的關(guān)聯(lián)關(guān)系應(yīng)做進一步解析。由此，在研究方法論層面，首先解析“環(huán)”的特征，對月球建筑而言，其存在的環(huán)境主要有兩方面特殊性，一是地月距離帶來的運載限制與隔絕孤立的環(huán)境；二是微重力、節(jié)律延長等空間環(huán)境。接下來是“人”的基礎(chǔ)特性與環(huán)境影響機制。在太空環(huán)境下，人員生理、心理、態(tài)勢的參數(shù)變化在后續(xù)空間設(shè)計過程中均有定性以及定量的影響（表1）。

表1 地月差異下的人因影響

由于目前只有12 人登陸過月球，人類目前對月球環(huán)境的直接經(jīng)驗很少，雖然空間站、太空飛行等短期任務(wù)積累了部分經(jīng)驗，但處在空間環(huán)境下的時長不同，對人體的影響也不同，且航天員因通過醫(yī)學(xué)、心理學(xué)、特殊環(huán)境訓(xùn)練等選拔，其人體特征和大眾群體存在較大差異。因此，為向后續(xù)建筑空間設(shè)計提供輸入條件，還需要大量在地模擬的人員數(shù)據(jù)與空間環(huán)境下的實測數(shù)據(jù)相結(jié)合。在人員的生理特性上，可運用皮電、肌電測試數(shù)據(jù)建立參數(shù)模型；心理特性上，可運用問卷、評價量表等方法對極端環(huán)境（ICE）中不同空間內(nèi)心理健康水平、人與人之間的互動模式、認知覺變化與決策變化等問題進行定量評估；運動參數(shù)上，可通過態(tài)勢感知模型對微重力條件下不同行為的活動尺寸范圍建立行為數(shù)據(jù)庫。結(jié)合人因交互技術(shù)，綜合這些數(shù)據(jù)，可以輔助月球建筑設(shè)計師在空間設(shè)計過程中進行更精準的決策。

對“環(huán)”與“人”進行解構(gòu)后，月球建筑空間設(shè)計的基本問題集中在空間功能組織、空間形態(tài)構(gòu)建、空間環(huán)境營造上。每一項問題都有相應(yīng)的約束條件與設(shè)計目標，且二者通常呈矛盾狀態(tài)，需設(shè)計工作的協(xié)調(diào)權(quán)衡?？臻g功能的設(shè)計內(nèi)容主要為構(gòu)成與布局的確定，在探月任務(wù)需求下，功能需首要滿足航天員安全高效地進行相應(yīng)研究工作，還需滿足航天員對休閑、私密的需求；空間形態(tài)的設(shè)計內(nèi)容主要為形式與尺寸的確定，受運載能力限制，形態(tài)在滿足設(shè)備裝載以及航天員心理健康的基礎(chǔ)上應(yīng)較為集約；空間環(huán)境的設(shè)計內(nèi)容主要為界面、物理環(huán)境的確定，面對無方向感、無日升日落的認知覺變化，環(huán)境旨在綜合視、聽、觸等感官體驗，順應(yīng)航天員認知習(xí)慣、保持航天員愉悅心情。綜上總結(jié)出人因工程應(yīng)用的基本邏輯與建筑空間設(shè)計的主要問題如圖1 所示。

3 基于人因工程學(xué)的月球建筑空間設(shè)計構(gòu)想

將月球建筑空間設(shè)計研究體系拆分成功能、形態(tài)、環(huán)境3 個方面，人因工程學(xué)均可在其中提供科學(xué)指導(dǎo)。在設(shè)計過程中，建筑設(shè)計亟需進行跨學(xué)科合作，如與運動醫(yī)學(xué)、心理學(xué)等學(xué)科聯(lián)合協(xié)同，在人因設(shè)計上取得創(chuàng)新性成果[33]。

1 月球建筑空間設(shè)計中應(yīng)用人因工程的基本框架

表2 功能需求

2 連接矩陣，引自參考文獻[35]

3 功能氣泡，引自參考文獻[37]

4 樹形結(jié)構(gòu)，引自參考文獻[38]

5 微重力下人體包絡(luò)線尺寸示意，引自參考文獻[39]

3.1 基于流程拓撲的多層次空間功能

人為因素不僅局限于工作范疇，還包括在月球建筑中的自我維持功能，如睡眠、飲食、個人衛(wèi)生，以及休閑娛樂功能。良好的功能確定與組織是滿足安全、高效、舒適的人因環(huán)境的基礎(chǔ)。多層次的空間功能支持工作環(huán)境中的高效表現(xiàn)、生活空間中的互動社交、私人休息空間中的個人行為。因此在設(shè)計前期確定功能需求時，應(yīng)綜合任務(wù)完成目標下與航天員適用目標下的所需功能。將Apollo、Salyut、Skylab 等航天器的實踐案例作為功能設(shè)施研究基礎(chǔ)，以少量人數(shù)、短期時長的任務(wù)為例，拓展月球建筑空間功能列表（表2）。為保障航天員健康工作、生活的基礎(chǔ)，睡眠、衛(wèi)生、飲食功能設(shè)計應(yīng)塑造私密且個性化的睡眠與衛(wèi)浴空間，舒適的備餐、用餐流線。科研區(qū)域要兼具實驗操作的單人工作功能與交流培訓(xùn)的公共功能。休閑區(qū)域可設(shè)置健身、娛樂等活動設(shè)施，有效幫助航天員減輕因工作或長期處于地球以外的空間而產(chǎn)生的壓力，既可以營造日常熟悉的生活場景，又可以輔助航天員在微重力條件下維持良好的身體機能，對抗肌肉萎縮的影響。醫(yī)療功能應(yīng)進行日常健康監(jiān)測和突發(fā)情況處理。輔助功能主要包括各項設(shè)備、交通空間、氣閘艙的設(shè)置，在月球極端環(huán)境下完成內(nèi)部空間的封閉循環(huán)，其中，出入口的氣閘艙不僅有效維持室內(nèi)的氣壓，也減少室內(nèi)的月塵存在。整體功能的多層次設(shè)置原則包括可用性、宜居性、靈活性[34]：可用性指能夠使用并方便實用，月球建筑用戶友好、使用高效是完成探測任務(wù)的必須條件；宜居性指符合航天員生存的主觀和客觀指標，如私密感、社會氛圍感的需求與生理感知的需求；靈活性指空間可以根據(jù)航天員要求進行調(diào)整，以完成變化的任務(wù)。

在功能的組織布局中應(yīng)考慮操作流程、頻率、依賴關(guān)系、兼容性，此外，還需考慮空間使用上的干擾性，如不同功能區(qū)之間的交通干擾，以及氣味、噪音、眩光等物理干擾。首先可通過連接矩陣（Adjacency Matrix，圖2）[35-36]建立各功能關(guān)系，得到功能間關(guān)聯(lián)關(guān)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，與在地建筑相似，需要注重公共與隱私的隔離。隨后，連接關(guān)系可轉(zhuǎn)化成氣泡圖進行可視化展示，圖3 所示為Howe 與Sherwood 通過方案調(diào)研與宇航員訪談得到的月球建筑功能關(guān)系示意圖[37]。同時，由于功能組織不僅是二維橫向平面上的，且微重力條件致使豎向交通更為便捷，縱向體積上的空間利用是更為高效的，可以通過功能拓撲關(guān)系生成組織布局（圖4）[38]。

3.2 基于行為包絡(luò)的極限空間形態(tài)

為了確定空間形態(tài)，航天員的行為參數(shù)采集是必要的。為確保適應(yīng)性、兼容性和可操作性，除了人體常規(guī)尺度的測量數(shù)據(jù)外，根據(jù)月球建筑的不同建造方式，采集不同環(huán)境條件下人體長度、圍度、姿態(tài)等數(shù)據(jù)是必要的（圖5）[39]。首先，在地預(yù)制的核心艙通常會被作為航天員在發(fā)射過程中的載體，因此核心艙不能僅根據(jù)微重力或者地球重力進行設(shè)計，還需考慮3G 的加速度以及手臂、手指可能經(jīng)受的更大的重力條件。其次，若進行長期任務(wù)，在月建造的擴展部分應(yīng)包括微重力空間以及人工重力空間[40]，為了建立不同重力條件下的行為數(shù)據(jù)庫，可通過在地模擬微重力下行為活動，如在水下穿著航天服進行活動和數(shù)據(jù)采集，也可通過空間站、月面上等視頻影像進行行為提取，繪制不同姿態(tài)下的人體模型。此外，在氣閘艙內(nèi)，航天員會對航天服進行穿脫，因此需要根據(jù)穿著航天服后的行為參數(shù)設(shè)計氣閘艙內(nèi)部空間形態(tài)。以上各功能空間基本形態(tài)的確定主要依照人體行為的包絡(luò)面，在前述功能拓撲關(guān)系的基礎(chǔ)上，各功能空間之間的連接空間形態(tài)同樣依賴于使用者的行為參數(shù)，這一部分的約束參數(shù)主要包括視野、關(guān)節(jié)舒適度、操作極限等。

6 基于行為參數(shù)的空間形態(tài)設(shè)計技術(shù)路線

7 熟悉性色彩，引自參考文獻[44]

8 自然性色彩，引自參考文獻[45]

9 人造光系統(tǒng)，引自參考文獻[48]

綜上，功能空間與連接空間的形態(tài)設(shè)計均需以人體行為活動參數(shù)為基礎(chǔ)，Pore、JACK 等工具均提供了利用虛擬人（Virtual Human/Computer Synthesized Characters）進行人因仿真（Human Factors Simulation）的技術(shù)手段，利用仿真技術(shù)分析空間形態(tài)[41]的技術(shù)路線如圖6。首先，需要對兩個要素進行建模，一是根據(jù)航天員身體數(shù)據(jù)建立數(shù)字人模型，二是根據(jù)數(shù)字人體包絡(luò)面建立月球建筑內(nèi)部初步模型。其次，對于功能空間而言，根據(jù)任務(wù)建立動作，進行肢體可達域與受力、強度、舒適度等工效分析。接下來，對于連接空間而言，可視是安全保障的基本，可視化視野范圍有助于確定空間連接的方式。最后，基于以上的人因仿真中的生理行為分析結(jié)果進行空間形態(tài)優(yōu)化，且在優(yōu)化過程中需補充心理狀態(tài)分析，如在極限空間內(nèi)執(zhí)行長期任務(wù)的心理健康評價。此外，微重力下的人體仿真需要進行后續(xù)的研發(fā)，我國已經(jīng)通過人體反向運動學(xué)算法對JACK 平臺進行了二次開發(fā)以適應(yīng)我國航天任務(wù)[42]。

3.3 基于認知覺調(diào)控的健康空間環(huán)境

月球建筑空間環(huán)境的設(shè)計要素包括光熱環(huán)境、視景、聲景等，總體原則應(yīng)為基于認知覺調(diào)控下的健康環(huán)境營造。在環(huán)境的感知過程中，各感官通道包含著大量不可計算的要素，評價結(jié)果不能簡單加權(quán)，同時存在著大量無法解釋的黑箱過程，有關(guān)研究需要聯(lián)同醫(yī)學(xué)、心理學(xué)等多專業(yè)領(lǐng)域共同進行。

視覺占認知覺中最為重要的部分，且因為影響因素復(fù)雜，其研究是較為困難的。在月球上，這一困難更為顯著，由于重力條件變化，視覺感知在色度水平、強度、銳度、視角上均發(fā)生了改變[43]。此外，前庭系統(tǒng)紊亂會導(dǎo)致航天適應(yīng)綜合征（Space Adaptation Syndrome），從而影響人們的空間方向感與平衡感。因此，在視覺環(huán)境設(shè)計中，應(yīng)對此問題進行回應(yīng)。界面顏色會輔助航天員增強方向性，歐美的航天器內(nèi)部通常是以白色與淺藍色為主的冷感顏色，俄羅斯航天器內(nèi)部通常是在地建筑內(nèi)部讓人熟悉的界面設(shè)置，包括棕色地板、白色天花板、綠色墻壁。通常情況下，俄羅斯的設(shè)置被認為是更為積極、宜居的，可以有效增強方向性（圖7）[44]，Transhub 的一個概念方案中便是在垂直方向上模擬地球自然全景的內(nèi)飾顏色（圖8）[45]。另一方面，多樣化的形狀、顏色，以及可自主操作調(diào)節(jié)等界面特征可以產(chǎn)生感官刺激，激發(fā)人類的創(chuàng)造力，從而對抗由于工作內(nèi)容枯燥、環(huán)境封閉狹小而產(chǎn)生的單調(diào)、無聊[33]。

月球節(jié)律、光源角度等條件與地球不同，需要采用人工照明與自然采光相結(jié)合的方案，最大限度保持與地球環(huán)境的相近[46]。此外，適當開窗有助于幫助航天員對抗消極情緒、疲勞與壓力，一方面可以減少離家的距離感，增加安全感，另一方面，在窗前欣賞和拍攝不斷變化的風(fēng)景成為一種有趣味性的休閑活動。但由于輻射防護和材料成本的原因，月球建筑上較難進行開窗設(shè)計，若是執(zhí)行兩周以上的空間任務(wù)，狹小、封閉的空間會影響航天員的心理健康。其解決方法一是通過視覺營造空間環(huán)境的寬敞感和豐富感[47]，二是利用新技術(shù)還原自然熟悉的地球景象，例如意大利I-Guzzini 團隊開發(fā)的人造光系統(tǒng)通過自然顏色變化模擬了生物陽光效應(yīng)（圖9）[48]。綜上，應(yīng)對月球建筑內(nèi)部的視覺環(huán)境需求，提出各項指標下的內(nèi)容與作用對象（表3）。

對人類聽覺而言，太空環(huán)境下的聲環(huán)境營造和地球上類似，狹小空間內(nèi)的噪聲不僅影響航天員的生理與心理健康，同樣影響工作績效。連續(xù)性的噪聲源主要是環(huán)控設(shè)備（電機、電泵等）與航空電子設(shè)備（變壓器、振蕩器等），間歇性噪聲主要是由閥門、艙門等瞬時動作產(chǎn)生的，在工作區(qū)、生活區(qū)的噪聲暴露類別、聲壓與持續(xù)時間均為設(shè)計過程中需要考量的因素，且可以通過地面上的模擬進行數(shù)據(jù)收集，標準可參考NASA 在《太空人體系統(tǒng)標準》中的聲學(xué)設(shè)計要求[49]。

表3 視覺環(huán)境需求

4 結(jié)論

空間探索，是航天強國博弈的焦點目標，是科學(xué)技術(shù)進步的創(chuàng)新場域，是人類生存空間拓展的重大路徑。在月球建筑空間設(shè)計的三大基礎(chǔ)問題——空間功能、空間形態(tài)、空間環(huán)境的設(shè)計上，人因工程學(xué)對其研究架構(gòu)進行了總體方法論的引領(lǐng)，為人因相關(guān)技術(shù)與方法提供了科學(xué)有效的指導(dǎo)。在多學(xué)科交融的背景下，結(jié)合我國航天戰(zhàn)略，人因工程學(xué)將輔助建筑師在月球建筑設(shè)計前期對空間需求進行判斷，在后期進行數(shù)據(jù)采集與反饋優(yōu)化，使月球建筑空間成為設(shè)計科學(xué)干預(yù)的成果。在這一過程中，仍有諸多問題有待進行進一步探究，例如，輕質(zhì)高強與健康高效等多目標約束的定量分析、空間對認知覺的影響機制、各空間要素的耦合關(guān)系等。以上問題仍需各專業(yè)協(xié)同攻關(guān)，在太空版圖“一帶一路”建設(shè)的過程中，創(chuàng)造月球建筑設(shè)計的新理論、新方法、新技術(shù)，提供設(shè)計科學(xué)發(fā)展的新路徑。