智能建筑導(dǎo)向的人屋交互設(shè)計(jì)系統(tǒng)分析和發(fā)展趨勢(shì)研究

[ 關(guān)鍵詞 ]智能建筑；人屋交互；信息輸入；信息輸出；設(shè)計(jì)流程

[中圖分類號(hào) ] J504 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1008-9675（2025）01-0184-07

一、引言

智能建筑涵蓋了智能技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)、建造、使用等生命周期各階段的應(yīng)用，極大地提高了設(shè)計(jì)效率和建筑性能，實(shí)現(xiàn)了建造方法、效率和質(zhì)量的革命性提升。人屋交互（Human-Building Interaction）作為智能建筑的新興分類，融合了認(rèn)知科學(xué)、心理學(xué)、建筑學(xué)、環(huán)境科學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多個(gè)學(xué)科的理論與實(shí)踐，將建筑從靜態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)互動(dòng)系統(tǒng)，從而幫助用戶保持良好的心理狀態(tài)，滿足用戶對(duì)建筑個(gè)性化、舒適性、便利性和安全性的需求，是實(shí)現(xiàn)智能生活的關(guān)鍵部分。

人屋交互在建筑中的應(yīng)用可以追溯到20 世紀(jì)60年代。在這一時(shí)期，建筑電訊派提出建筑因順應(yīng)人們行為變化，強(qiáng)調(diào)建筑的交互性和動(dòng)態(tài)性。受控制論啟發(fā)的項(xiàng)目，如普萊斯（Cedric Price）的歡樂宮（Fun Palace）和尼葛洛龐帝（Nickolas Negroponte）的SEEK 項(xiàng)目，盡管未能完全實(shí)現(xiàn)預(yù)期，但提出了在建筑中內(nèi)置傳感器和反應(yīng)機(jī)制以響應(yīng)環(huán)境和用戶行為的概念。20世紀(jì)70年代，查爾斯·伊斯特曼（Charles Eastman） 提出條件自適應(yīng)建筑（Adaptive-ConditionalArchitecture），主張建筑與用戶交互并自動(dòng)調(diào)節(jié)空間狀態(tài)以滿足需求。[1] 此后，智能建筑等相關(guān)概念涌現(xiàn)。自1984年首座智能建筑在美國誕生后，智能建筑在全球迅速發(fā)展，不僅促進(jìn)了環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，還滿足了用戶的個(gè)性化需求，也為構(gòu)建智慧城市提供了支撐。[2，3] 同時(shí)，旨在提升建筑性能和推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的人屋交互設(shè)計(jì)開始應(yīng)用于智能建筑，如南加州大學(xué)研究者通過人屋交互平衡室內(nèi)舒適度與照明能耗。[4]隨后，研究重心轉(zhuǎn)向滿足個(gè)性化需求，如弗雷堡大學(xué)學(xué)者強(qiáng)調(diào)人屋交互的核心在于用戶如何通過交互塑造建筑。[5]

盡管智能建筑的概念在建筑行業(yè)日益普及，但目前尚不存在完全智能化的建筑實(shí)體，人屋交互設(shè)計(jì)同樣處于發(fā)展初期，研究仍存在諸多不確定性。因此，對(duì)人屋交互設(shè)計(jì)研究進(jìn)行全面綜述，對(duì)于理解該領(lǐng)域現(xiàn)狀并推動(dòng)其系統(tǒng)化發(fā)展至關(guān)重要。然而，目前的人屋交互文獻(xiàn)綜述多聚焦于建筑變化和技術(shù)進(jìn)步，[6-9] 缺乏對(duì)交互全過程的深入分析?，F(xiàn)有綜述多采用敘事和評(píng)論的方法，使得結(jié)論帶有主觀色彩，不夠客觀全面。

為彌補(bǔ)這一空白，未來的研究需更多關(guān)注人屋交互中的“人”，即深入探討用戶如何觸發(fā)交互以及建筑環(huán)境的響應(yīng)。研究方法應(yīng)采用全面和系統(tǒng)化的視角，以增強(qiáng)結(jié)論的客觀性和準(zhǔn)確性。本研究旨在系統(tǒng)性地分析現(xiàn)有文獻(xiàn)和實(shí)際建成項(xiàng)目，梳理人屋交互的研究趨勢(shì)、交互信息的輸入輸出模式以及相關(guān)技術(shù)，為從事智能建筑導(dǎo)向人屋交互設(shè)計(jì)的建筑師和研究人員提供參考。

二、研究方法

1.文獻(xiàn)與項(xiàng)目的檢索與篩選

本文采用系統(tǒng)性文獻(xiàn)綜述法（Systematic Litera"ture Review，SLR），[10] 選取兩個(gè)中文數(shù)據(jù)庫（中國知網(wǎng)、萬方數(shù)據(jù)）和三個(gè)英文數(shù)據(jù)庫（Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫、Science Direct 數(shù)據(jù)庫和Scopus數(shù)據(jù)庫）進(jìn)行檢索，以確保研究的全面性和代表性。為保障研究的質(zhì)量和準(zhǔn)確性，本研究對(duì)文獻(xiàn)類型和語言進(jìn)行了限制，并制定了嚴(yán)格的篩查標(biāo)準(zhǔn)（表1）。每篇文獻(xiàn)都經(jīng)過了仔細(xì)審查，以確定是否符合文獻(xiàn)分析的資格。研究團(tuán)隊(duì)遵循了PRISMA（Preferred ReportingItems for Systematic Reviews" and Meta-Analyses）流程，包括文獻(xiàn)的檢索、篩查和納入（圖 1），最終確定了35 篇論文作為研究案例，并按照順序編號(hào)為L1至L35（附錄1）。

本研究依據(jù)項(xiàng)目的篩查標(biāo)準(zhǔn)（表2），同樣遵循PRISMA 系統(tǒng)性綜述方法（圖1），共選取30 個(gè)符合標(biāo)準(zhǔn)的項(xiàng)目，按順序編號(hào)為P1-P30（附錄1）。

2.分析框架

從信息學(xué)視角來看，人機(jī)交互研究人與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間如何實(shí)現(xiàn)自然而高效的信息交流，并開發(fā)相應(yīng)的輸入輸出軟硬件接口來形成交互界面。[11] 相應(yīng)地，人屋交互著重于人與建筑之間的信息交換過程（圖2），使建筑具備交互界面，以更好地滿足用戶需求，增強(qiáng)建筑的舒適度和功能性。

由于信息交換過程中信息輸入和輸出是與用戶直接交互的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，故本研究將梳理人屋交互中的信息輸入和信息輸出模式及相關(guān)軟硬件技術(shù)（表3）。借鑒普適計(jì)算中對(duì)人機(jī)交互接口的分類，[12] 研究將人屋交互信息輸入分為顯式和隱式兩種模式。信息輸出方式的分類參考湖南大學(xué)建筑學(xué)院盧建松等人對(duì)短程可變的適應(yīng)性建筑的研究[13] 以及斯圖爾特·布蘭德（Stewart Brand）的建筑分層論，[14] 即結(jié)構(gòu)整體式、建筑構(gòu)件式、空間布局式和空間氛圍式四類。

三、研究結(jié)果

1.文獻(xiàn)計(jì)量分析

本研究采用Python編程語言進(jìn)行文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)分析，側(cè)重于量化研究文獻(xiàn)和項(xiàng)目的年度發(fā)表數(shù)量和來源。

年度文獻(xiàn)與項(xiàng)目發(fā)表數(shù)量的趨勢(shì)如圖3所示，淺色柱狀圖表示文獻(xiàn)數(shù)量，深色柱狀圖表示同期完成的建筑項(xiàng)目數(shù)量。自2016年起，文獻(xiàn)的產(chǎn)出數(shù)量相比之前年份顯示出穩(wěn)定增長，2012年和2022年論文發(fā)表量達(dá)到峰值。建筑項(xiàng)目實(shí)踐的開始時(shí)間早于文獻(xiàn)研究，這表明實(shí)踐領(lǐng)域?qū)θ宋萁换サ年P(guān)注可能先于學(xué)術(shù)研究的系統(tǒng)化探討。2014年后，項(xiàng)目數(shù)量顯著增加，在2014年和2018年達(dá)到高峰。這一趨勢(shì)表明人屋交互領(lǐng)域正獲得越來越多的關(guān)注和投入。

文獻(xiàn)來源的分布情況如圖4 所示，有32% 的文獻(xiàn)發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊，40% 收錄在會(huì)議論文集中，其余28% 為學(xué)位論文。

2.信息輸入

計(jì)算機(jī)領(lǐng)域?qū)W者提出了顯式和隱式兩類人機(jī)交互信息輸入模式。顯式輸入是用戶通過鍵盤、鼠標(biāo)等設(shè)備直接輸入指令或數(shù)據(jù)，或通過語音、圖像、手勢(shì)進(jìn)行交互。隱式輸入則基于上下文感知，無需用戶直接控制，如智慧教室自動(dòng)調(diào)整攝像頭以適應(yīng)教師動(dòng)作。人屋交互領(lǐng)域的信息輸入模式同樣可以劃分為顯式輸入（用戶主導(dǎo)控制）和隱式輸入（建筑主導(dǎo)控制）兩類。顯式輸入模式精準(zhǔn)表達(dá)了用戶意圖，而隱式輸入則提供無干擾的自然體驗(yàn)。在65個(gè)研究案例（35篇文獻(xiàn)和30個(gè)項(xiàng)目）中，60%采用顯式輸入，45%采用隱式輸入（表4）。

（1）顯式——用戶主導(dǎo)控制

顯式信息輸入模式強(qiáng)調(diào)用戶在建筑空間改變中的主動(dòng)性和控制權(quán)，分為手動(dòng)控制型（依靠體力）[ 圖5（a）]、手動(dòng)控制型（依靠電力）和自然交互型三種。例如，老年人通過按鈕控制廚房天花板上集成的收納盒子的升降[ 圖5（b）]（P16），避免攀高或彎腰，減輕了他們的身體負(fù)擔(dān)。臥床病人用手勢(shì)和語音控制病房設(shè)施[ 圖5（c）]（L19），提升生活質(zhì)量。環(huán)境交互墻體項(xiàng)目（Ambient Wall）則通過手勢(shì)調(diào)節(jié)照明，展現(xiàn)了創(chuàng)新的交互方式[ 圖5（d）]（L35）。

（2）隱式——建筑主導(dǎo)控制

隱式信息輸入模式更契合智能建筑的目標(biāo)，使用戶享受建筑的主動(dòng)響應(yīng)，無需費(fèi)力操作，減輕認(rèn)知負(fù)擔(dān)。例如，建筑群改造更新設(shè)計(jì)（L1）和生命墻體項(xiàng)目（The Life of a Wall）（L14）能夠感知公共場(chǎng)所中人們的存在和聚集情況，營造活躍的氛圍[ 圖6（a）（b）]。機(jī)器人移動(dòng)隔墻實(shí)現(xiàn)了辦公空間中隔墻的自動(dòng)調(diào)整，以適應(yīng)午休、會(huì)議、討論、辦公等不同場(chǎng)景需求[ 圖6（c）]（L13、L28）。

3.信息輸出

參考建筑分層論，本研究選擇其中“結(jié)構(gòu)—室內(nèi)—家居—空間”四個(gè)層次從建筑外部到內(nèi)部梳理人屋交互的信息輸出模式（圖7）。

對(duì)65個(gè)研究案例的分析，揭示了不同信息輸出模式的應(yīng)用情況和分布特征。建筑構(gòu)件式信息輸出在案例中最為常見（41項(xiàng)，占比63%），其次是空間布局式（30項(xiàng)，占比46%），而空間氛圍式（19項(xiàng)，占比29%）和結(jié)構(gòu)整體式（7 項(xiàng)，占比11%）相對(duì)較少（表5）。

（1）結(jié)構(gòu)整體式

結(jié)構(gòu)整體式信息輸出模式通過新型結(jié)構(gòu)重塑建筑，推動(dòng)人屋交互的全面創(chuàng)新。例如，可旋轉(zhuǎn)的柱狀結(jié)構(gòu)（L8）可根據(jù)人群位置提供遮蔽，促進(jìn)互動(dòng)[ 圖8（a）]。統(tǒng)一面板創(chuàng)造的連續(xù)地面、墻面和天花板結(jié)構(gòu)形成三維循環(huán)空間（L26），地面可變?yōu)樽?，?lián)動(dòng)墻面和天花板，實(shí)現(xiàn)空間形態(tài)的統(tǒng)一[ 圖8（b）]。武家莊互動(dòng)小屋（P30）通過靈活開合的外墻，為村民提供多變的活動(dòng)空間，適應(yīng)集會(huì)、慶典等社區(qū)活動(dòng)[ 圖8（c）]。

（2）建筑構(gòu)件式

建筑構(gòu)件式信息輸出模式指天花板、墻面、地面、樓梯、陽臺(tái)等單個(gè)建筑構(gòu)件的適應(yīng)性調(diào)整。例如，天花板集成了可收納家具，日間保持空間開闊，夜間降下形成睡床[ 圖9（a）]（P22）。澳大利亞兒童醫(yī)院的互動(dòng)墻體LUMES（P15）在兒童經(jīng)過時(shí)顯示圖像和動(dòng)畫[ 圖9（b）]。動(dòng)態(tài)墻體（Hyposurface）（P4）可以依據(jù)環(huán)境中人們的聲音和動(dòng)作變化調(diào)整表面曲率[ 圖9（c）]。餐廳地面也能巧妙地嵌入可自動(dòng)升降的餐桌[ 圖9（d）]（P3）?？勺儤翘蓓?xiàng)目專注于提升行動(dòng)不便人士的生活質(zhì)量，提供了兩種變化模式適應(yīng)不同行動(dòng)能力人士[ 圖9（e）]（L29）?？勺冃温涞卮翱上蛲庋诱钩申柵_(tái)[ 圖9（ f ）]（P24）。

（3）空間布局式

此模式強(qiáng)調(diào)空間的多功能性和適應(yīng)性，廣泛應(yīng)用于不同空間的靈活轉(zhuǎn)換。住宅空間通過室內(nèi)隔墻、家具或模塊化設(shè)計(jì)，靈活適應(yīng)居住者日常工作、會(huì)客、休息等功能[ 圖10（a）（c）（d）（e）]。商業(yè)空間通過可移動(dòng)的家具和隔斷重新配置布局，適應(yīng)多種商業(yè)活動(dòng)[ 圖10（b）]。教學(xué)空間采用窗簾、可折疊墻體或推拉墻體等輕質(zhì)隔斷，以及組合式家具，實(shí)現(xiàn)教學(xué)與活動(dòng)模式的快速切換。

（4）空間氛圍式

此模式專注于通過調(diào)節(jié)視覺效果來營造和調(diào)整空間氛圍。例如，芬蘭坦佩雷大學(xué)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)（L17）通過變化照明系統(tǒng)來響應(yīng)空間內(nèi)人群行為[ 圖11（a）]。智能浴室（L32）按用戶選擇調(diào)整浴室的燈光效果，提供個(gè)性化體驗(yàn)[ 圖11（b）]?？的螤柎髮W(xué)學(xué)者與微軟公司合作開發(fā)的裝置艾達(dá)（Ada）（P23）根據(jù)辦公樓中人們情緒變化調(diào)節(jié)裝置表面織物的顏色，增強(qiáng)建筑空間的情感化體驗(yàn)[ 圖11（c）]。

4.相關(guān)技術(shù)

（1）信息輸入——識(shí)別技術(shù)

本研究詳細(xì)梳理了信息輸入模式中常見的識(shí)別技術(shù)。綜合65個(gè)研究案例、28篇文獻(xiàn)和9個(gè)項(xiàng)目揭示了智能建筑在用戶行為和生理信息識(shí)別方面的應(yīng)用，如存在檢測(cè)、姿態(tài)識(shí)別、語音識(shí)別、接觸識(shí)別、眼動(dòng)識(shí)別和情緒識(shí)別（表6）。技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)識(shí)別技術(shù)應(yīng)用從外部行為信息的識(shí)別逐漸深入到內(nèi)部生理信息的識(shí)別，如眼動(dòng)、心率、腦電等更精細(xì)的生理指標(biāo)（圖12）。

（2）信息輸出——驅(qū)動(dòng)與執(zhí)行系統(tǒng)

人屋交互的信息輸出主要由執(zhí)行系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)協(xié)同實(shí)現(xiàn)。本研究基于65 項(xiàng)研究案例，首先梳理出機(jī)械結(jié)構(gòu)、柔性表面、氣囊膜結(jié)構(gòu)、舞臺(tái)或座椅、隔斷、家具、顯示和照明等八類執(zhí)行系統(tǒng)（圖13），再進(jìn)一步分析與這些執(zhí)行系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，歸納為電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、滑輪和旋轉(zhuǎn)軸四類（表7）。

四、討論

1.交互信息輸入的智能化

科技的飛速發(fā)展正推動(dòng)著人屋交互信息輸入模式的變革，由傳統(tǒng)的用戶手動(dòng)控制向自然交互與場(chǎng)景感知轉(zhuǎn)變（圖14）。這種轉(zhuǎn)變的核心在于使建筑更自然、主動(dòng)地與用戶互動(dòng)，同時(shí)在不增加用戶負(fù)擔(dān)的情況下，提供精準(zhǔn)而高效的服務(wù)。例如，智能住宅通過識(shí)別技術(shù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境，創(chuàng)造舒適的居住體驗(yàn)；辦公樓利用攝像頭、麥克風(fēng)和其他感應(yīng)設(shè)備，識(shí)別員工的情緒，進(jìn)而自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)境，提升工作效率和舒適度。

這種智能化的交互信息輸入模式，不僅提高了建筑的使用效率，還增強(qiáng)了用戶體驗(yàn)，使人與建筑的關(guān)系更加和諧。隨著技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，未來的人屋交互將更加注重智能化，為用戶帶來更多便利和舒適。

2.交互信息輸出的演變與創(chuàng)新

以智能建筑為導(dǎo)向的人屋交互正不斷拓展建筑邊界，重新定義人與建筑的關(guān)系。盡管這一領(lǐng)域具有巨大的潛力和廣泛的應(yīng)用前景，但在實(shí)現(xiàn)智能建筑目標(biāo)的過程中，仍然面臨著一些挑戰(zhàn)（圖15）。

超過90% 的論文仍在傳統(tǒng)建筑空間范式內(nèi)進(jìn)行人屋交互設(shè)計(jì)，采用建筑構(gòu)件式和空間布局式信息輸出模式。僅7 項(xiàng)研究采用結(jié)構(gòu)整體式變化，這些研究常限于藝術(shù)裝置，缺乏實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。主要原因可能是當(dāng)前驅(qū)動(dòng)與執(zhí)行系統(tǒng)的技術(shù)水平難以實(shí)現(xiàn)顛覆性建筑設(shè)計(jì)，同時(shí)，新觀念和新技術(shù)的普及也需要時(shí)間。

此外，智能建筑導(dǎo)向的人屋交互設(shè)計(jì)屬于跨學(xué)科研究領(lǐng)域。建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研究者關(guān)注現(xiàn)有技術(shù)的應(yīng)用，計(jì)算機(jī)科學(xué)、機(jī)械工程和電子工程等技術(shù)學(xué)科致力于開發(fā)新的硬件和算法，推動(dòng)技術(shù)的前沿發(fā)展。然而，由于建筑學(xué)在物理層面的復(fù)雜性，未來的研究需要加強(qiáng)不同學(xué)科間的互補(bǔ)和協(xié)同作用，更全面地理解和解決人屋交互中的復(fù)雜問題，推動(dòng)智能建筑的發(fā)展。

3.人屋交互動(dòng)態(tài)循環(huán)的設(shè)計(jì)流程

用戶反饋是人屋交互中實(shí)現(xiàn)“以人為本”設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)流程應(yīng)靈活適應(yīng)這一反饋，以持續(xù)提升用戶體驗(yàn)。然而，當(dāng)前研究多采用單向設(shè)計(jì)流程，常以建筑的交互信息輸出作為結(jié)束點(diǎn)，忽略了用戶反饋在設(shè)計(jì)過程中的循環(huán)作用，可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)成果與用戶的實(shí)際需求和體驗(yàn)脫節(jié)。

動(dòng)態(tài)循環(huán)的設(shè)計(jì)流程能更好地應(yīng)對(duì)這一問題，它通過用戶調(diào)研和實(shí)驗(yàn)等方式積極獲取用戶反饋，并反饋融入設(shè)計(jì)流程中（圖16）。以人為本的設(shè)計(jì)方法還要求建筑師不斷評(píng)估和優(yōu)化人屋交互界面，以滿足不同用戶群體的需求。

此外，考慮到用戶需求會(huì)隨時(shí)間變化，人屋交互設(shè)計(jì)必須具備持續(xù)調(diào)節(jié)交互界面的能力。這意味著設(shè)計(jì)流程不是一次性的，而是持續(xù)、迭代的過程。與建筑領(lǐng)域常見的單向設(shè)計(jì)流程不同，以智能建筑為導(dǎo)向的人屋交互設(shè)計(jì)需要在各個(gè)環(huán)節(jié)間不斷反復(fù)和循環(huán)，以適應(yīng)用戶需求的演變。

五、結(jié)語

本研究綜合分析了人屋交互設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀、信息輸入輸出模式以及相關(guān)技術(shù)。在研究現(xiàn)狀方面，該領(lǐng)域的文獻(xiàn)和項(xiàng)目數(shù)量在近五年顯著增長。在交互信息輸入模式中，顯式輸入模式以60% 的占比處于主導(dǎo)地位，而隱式輸入模式由于技術(shù)的限制，目前還處于發(fā)展的早期階段。在信息輸出模式方面，建筑構(gòu)件式和空間布局式輸出模式占比相對(duì)較高，分別為63% 和46%，空間氛圍式、結(jié)構(gòu)整體式輸出模式占比較低。

此外，本研究歸納了智能建筑導(dǎo)向的人屋交互設(shè)計(jì)的三大趨勢(shì)：識(shí)別技術(shù)是信息輸入的核心，呈現(xiàn)了從識(shí)別外部信息向識(shí)別內(nèi)部生理信息的變化，提升了智能建筑理解用戶的能力；在信息輸出方面，驅(qū)動(dòng)與執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)作改變了建筑的傳統(tǒng)框架，推進(jìn)了智能建筑的創(chuàng)新；動(dòng)態(tài)循環(huán)設(shè)計(jì)流程能夠適應(yīng)用戶需求的變化。

人屋交互設(shè)計(jì)在識(shí)別用戶行為與情緒、驅(qū)動(dòng)與執(zhí)行建筑適應(yīng)性變化方面具有優(yōu)勢(shì)，是智能建筑發(fā)展的關(guān)鍵。建筑師和研究人員需要深入理解并運(yùn)用相關(guān)模式與技術(shù)，推動(dòng)智能生活的實(shí)現(xiàn)。

?（責(zé)任編輯：尚澎）