互动建筑技术及应用研究

程睿潇 张世彤

摘要 互动建筑技术通过反馈循环的方式，不断调整人与建筑之间的相对状态，以期达到最优的舒适性或特定的空间设计目的。它不仅是技术的解决方案，也是结合了艺术化处理而形成的全新建筑风格。总结了几种互动建筑技术，辅以案例阐述互动建筑技术的应用前景。

关键词 互动建筑 智能

1 引言

交互设计研究人的行为和心理的特征及需求，通过智能的方式在计算模型中对行为予以预测和反馈，并控制物理环境对人产生作用，其目的是使人在行为过程中获得舒适和便利。

互动建筑可以解释为交互设计和建筑学科的集合，具体表现为：可调节的温湿环境、光环境、声环境以及从门窗到墙体的物理环境等。互动建筑基本的反馈循环是由感应器、处理器、反应装置以及外界刺激（行为和环境）构成的，包含了信息的感应技术、处理技术、反应技术等。每种互动建筑技术都可涵盖其中的某些部分，如增强现实技术是感应、处理和反应的综合。

2 互动建筑技术分类及应用

互动建筑按照规模，从较复杂、多信息源的楼宇互动系统，到局部简单、单一信息源的应用装置，并没有严格的量级分类。如表1所示，互动建筑技术按反应模式可以分为两类：一种通过传输线路收集信息，由中央处理器统一管理，再反馈回反应装置，此类较传统，易于管理；另一种感应装置自带信息处理、反馈能力，如智能材料、人工神经网络和分散智能，灵活性强。

2.1 智能材料

智能材料是对外界刺激有反应能力的材料，其中感知的刺激可以是电、光、热、应力等。它是由感应部分、反应部分、基材等不同材料组成的集成反应系统，也可以是单一材料或复合材料。在建筑领域，智能材料可以在作为结构材料的基础上实现某些特殊功能，以达到结构功能化、功能多样化的目标。常见的功能有：传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自诊断能力、自修复能力和自适应能力等。

英国宇航公司的导线传感器，可以测试建筑中膜结构表面上的应变与温度情况，反馈信息给计算机进行数学建模处理，再反映到建筑设备上进行调节和改变建筑形式；智能玻璃是在透明材料中预埋入变形材料，可以根据输入电压的改变调整形态（图1）。以上两例属于嵌入式智能材料，即多种元件构成的反应系统。其他的智能材料（如微观结构）本身就具有智能功能。其中，单一材料，如形状记忆合金在一定温度下成形后，能随温度变化改变自己的形状（图2）；此外还有自滤玻璃、受辐射时性能自衰减的Inp半导体等。

4D打印技术实验在美国麻省理工学院媒体实验室（MIT MediaLab）已取得很多成果。利用高分子聚合物结合多种材料3D打印技术，利用不同材料在不同物理、化学条件下伸缩比例不同的特性，产生整体形变，制造出可以对环境响应的建筑构件。构件随着时间的推移，自我进行变化（如家具可以自行组装）。可以设想，未来建筑可以不依靠装配施工设备，在目标场地自行装配。

如某些太阳镜的镜片能感知周围的光，并能够对光的强弱进行判断，在这种材料的基础上，研发出能够根据受到的电流刺激而改变透明度的玻璃。对设计师来说，电流更加可控，只需调节旋钮，分隔空间的隔断就可以使空间透明，重新定义空间分隔，体现了数字化控制的特性（图3）。

2.2 人工智能

人工智能是模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术，属于计算机科学。它尝试猜测人的需求，甚至模仿人的思维逻辑进行思考，最终服务于人。将人工智能技术应用于建筑各专业领域，产生了人工智能化建筑，目标是设计出更实用、舒适的建筑，将建筑视为机器人系统，进行人机对话，提升建筑的空间体验。

自动控制系统被广泛应用于早期的楼宇自动化系统（BAS），具有顺序逻辑判断能力。一旦工作环境或工作参数发生变化，则必须人工重新调整或编写控制程序，无法进行思维逻辑判断，其自学习的反应系统尚未达到互动性要求。而美国Nest公司的温控器产品具有智能学习功能，不是单纯地输入复杂的参数去设置它来模仿人的行为，而是在使用一段时间后能够适应使用者的习惯，做出相应调整。

2.3 增强现实

增强现实是一种将信息物质化并与现实世界叠加融合的技术，其具体的技术途径是：实时捕捉人的动作信息，在现实中叠加相应图像的技术，给人一种虚拟与现实的互动体验。如谷歌眼镜可以计算摄影机与物体的相对位置，产生叠加在视觉之上的图像信息，将虚拟与现实合二为一，产生“增强了的现实感”。在思考建筑形式及空间的概念和意义时，非传统的技术因素（如谷歌眼睛）已然介入建筑本体论的思考中，挑战着既有的认知。这种挑战早已存在，从文艺复兴的透视法绘画到现代摄影技术的发明，其真实感一直都是建筑师争论的话题。

欧洲一家公司创建了名为“River Home”的软件平台，让建筑设计师可以在增强现实环境下设计建筑，这一技术也为设计方案提供了新的展示平台。图像技术的进一步发展将真正做到“难辨真假”，人们会在虚拟建筑中完成日常生活，而建筑学的定义也将彻底改变。网站Altspace VR已经做出尝试，打造了现实环境一样的虚拟办公室（图4）。

对于增强现实，经常存在的误区是图像一定要借助眼镜一类的头戴设备。加拿大麦吉尔大学开发出一种地板砖，这些地板砖可以模仿沙地、雪地、草地的环境。地板对行为的反馈不仅是可视的，还可以施以声音和震动模拟步入不同环境中的感觉。这个地砖系统还被用作一个巨型的由脚控制的触摸屏，结合ibeacon技术可以在地板上显示导航信息（图5）。

2.4 人工神经网络

人工神经网络是从信息处理角度对人脑神经元网络进行抽象处理，建立某种简单模型，按不同的连接方式组成不同的网络。其特点是分散的传感网络与统一的信息处理核心，在建筑系统建模、学习控制、优化等方面已取得了成功。

笔者于2012年在美国南加州建筑学院Peter Testa教授指导下设计完成了一套造价低廉的空间互动装置。利用lpad内置GPS，地磁传感器和加速度传感器能够发送空间中每一个使用者的位置信息，通过osc协议与计算机联接，用Grasshopper等参数化软件处理数据，最终通过Arduino单片机控制电子终端，反馈并改变如灯光明暗、吊顶高低等物理环境（图6）。

笔者在2013年深港建筑双年展中参与的同济大学E-Cloud项目中涉及到由感应器在建筑表皮组成的神经网络（图7）。感应器收集使用者在空间中的信息发送到处理器，根据使用者与空间的关系建立数学模型，按照参数化规则处理信息并通过控制台反馈回建筑表皮的声光终端，使建筑做出响应，产生色彩变化。该设计也获得了相应的专利技术。

2.5 分散智能

分散智能是用多个小型机器人各自为战的反应模式取代中央处理器统筹全局的集中反应模式。集中模式应用干传统建筑自动化机械设备领域，便于管理但功能固化。分散智能则可以制定个体机器人的行为规则，在具体的建筑环境中回应各自遇到的问题，进行智能响应和自组织。当一个大的建筑空间对一个单独元素作反应时，中央系统还能够有效地对它执行一个单独的命令。但是当有许多未知的刺激，如个体的组合以未知方式的活动或者是外部环境不断变化时，分散智能就是处理感知和回应、认知和行动的一个有效的方法。2014年清华大学参数化研习班的学生制作了一组相同的小型机器人，每个机器人由独立的距离传感器、Aduino单片机和动力系统组成完整的反应回路。机器人可避开障碍物及其他机器人移动，并导入一些随机参数，最终形成有一定内在规律性的轨迹。

2.6 大数据

数据之间的关联是大数据关注的核心，而相关的数据收集和处理技术是大数据时代的技术支撑。信息采集的过程成为了使用者主动参与的环节，结合深度嵌入人们生活的移动终端和传感器（如工业设备、汽车、电表、可穿戴设备、手机等），随时向互联网上传使用者信息。

通过安装在建筑物内的传感器及微型处理器采集建筑耗能的数据，再经过整理和分析了解建筑的能耗情况，并且将不同区域内的建筑或建筑群体通过“云端”进行连接，形成更大的数据库。麻省理工学院利用手机定位数据和交通数据帮助进行城市规划；万科运用大数据进行房地产开发，设计更具人性化的居住建筑。

笔者于2013年与浙江大学信息与通信工程学院团队研发了基于网络平台的互动遮阳系统。该系统基于Ecotect提供的地理气候信息，为建筑每一扇窗的遮阳板制定形状变化的规则，并根据使用者的个人要求进行学习，利用智能路由器和连接每个遮阳板网络模块的无线网络，实现从自动到手动的调节。对大型空间中每一个使用者的信息进行收集处理，满足建筑节能的需要和使用者的个人需求。

3 结语

互动建筑技术多数情况是作为建筑的附加系统而存在，但当空间的灵活性及可变性成为建筑设计的主要目标时，技术与设计手法就会互相促进，共同实现设计目标。互动建筑技术提升了使用者的建筑体验，优化了功能效率，有时并非要用技术化去解决问题，而是要从艺术化的角度去实现设计者的意图，这本身就是一种设计手段。