动态建筑空间建成前预体验方法探讨＊

刘洁 徐卫国

清华大学建筑学院

1 动态建筑空间

所谓动态建筑空间是指建筑空间或建筑构件可以随着时间的变化而发生形态或者位置上的变化。这种变化并非是随时间推移而产生的不易察觉的轻微变化，也并非是人主观意愿作用于建筑使得建筑产生不可选择的变化，而是一种建筑主动地、自主选择地、每分每秒实时地对于人的行为和环境的状态所作出的可被察觉的回应或者反馈类的变化。

动态建筑空间并非是新生概念。事实上，建筑作为变幻莫测的自然环境与瞬息万变的人类行为之间的静态介质，长久以来一直背负着建筑师们对其动态化的追求和期许。从古典建筑中对于千变万化的光影的利用到巴洛克建筑中对于惟妙惟肖雕塑的塑造，从结构主义对建筑动态雕塑化的尝试到参数化主义对动态模拟与流线空间的倡导，一代又一代的建筑师前仆后继地进行着将建筑动态化的实验。如今，随着物联网技术在日常生活中的普及以及电子产品开发门槛的降级，动态建筑空间从幻想变成了可能，并越来越多地出现在公众的视野之中。小至一个室内装饰，大至一个建筑立面，动态的建筑构件及建筑空间成为了建筑师们设计的新方向。

2 空间建成前预体验

所谓空间建成前预体验指的是在建筑实际建造之前对建筑空间场景状态的一种模拟或呈现，使设计者或使用者可以在建筑建成之前就能够对未来建成的建筑空间有一个清晰、直观的认识及感受。之所以要进行空间建成前预体验，是由于建筑本身存在投资成本高、建造周期长的特点，建筑空间一旦建成就很难再进行更改，而建筑设计从设计阶段的上帝旁观视角到实际空间使用阶段的切身参与视角之间存在偏差，容易导致空间建成效果与预期效果之间的差距。

传统静态建筑空间尚且存在设计空间与实体建成空间之间的偏差，而当建筑空间增加了时间维度之后，建筑空间每时每刻都会处于不同的形态、状态之中，这种偏差会由于建筑师及使用者对于动态空间的想象不足而大大增加。因此对动态建筑空间进行建成前的预体验则变得尤为重要。通过对动态建筑空间的预体验，建筑师和使用者可以更准确地知道建筑空间的动态效果是否美观，动态行为是否使人感到舒适，动态原理是否符合物理特性，以及空间在动态变化过程中可能存在的潜在问题等。

3 动态建筑空间建成前预体验方法

动态建筑空间建成前预体验可以分为两大类：一种是基于虚拟空间模拟的预体验，另一种是基于物理实体空间的预体验。基于虚拟空间模拟的预体验指通过电脑建模软件或虚拟现实技术使得建筑师或使用者能够从视觉上感知空间的动态效果，对动态效果有一个初步的直观感受，并从中发现建筑空间建造过程中可能遇到的诸如动态紊乱、构件碰撞等较为明显的错误及问题。基于物理实体空间的预体验指的是通过缩尺实体建造或足尺局部实体建造的方法来为建筑师或者使用者呈现出一个物理的真实动态空间，从而使体验者可以获得包括视觉、触觉、听觉等多维度的空间体验感受，并从中发现因为材料、机械原理、信号传输等原因形成的错误及问题。

3.1 基于虚拟空间模拟的预体验

与传统的建筑设计阶段建筑师借助Sketchup、Rhino、3Dmax等建模软件进行三维的静态建筑模拟建造不同，动态建筑空间的设计要求建筑师在设计阶段就要通过模型软件展现出四维的动态效果。因此，虚拟搭建环境需要具备软件编程或者动画制作的功能，将不同时刻的建筑空间形态变化可以连续、流畅地展现出来。根据体验者在这个空间展现过程中视角的不同，基于虚拟空间模拟的预体验又可以分成设计师视角的虚拟空间预体验和参与者视角的虚拟空间预体验。

3.1.1 设计师视角的虚拟空间预体验

设计师视角的虚拟空间预体验指的是建筑师或使用者借助电脑屏幕，通过电脑建模软件完成对虚拟空间的体验感受。这种预体验方式与真实的空间体验存在空间和时间的不同步性，体验者与虚拟空间之间存在一定距离感，可以帮助体验者更宏观地、更快速地完成对空间动态效果的把控。

在这个预体验过程中，建筑师常借助的电脑建模软件平台包括具有动画编程制作功能的Rhino、Grasshopper和Maya等3D建模软件平台，还包括Processing、Cinema4D等用于动画及特效实现的软件平台。

例如，由美国Hypersonic、Sosolimited、Plebian Design三家公司联合设计的Diffusion Choir是一个由400个伞型折叠单元体组合而成的位于波士顿一栋办公建筑中庭的单元集群式动态室内装置。所谓单元集群类动态装置指的是由许多个相同或类似的、只能进行单一动态变化的小体量单元体，按照一定的逻辑关系排列组合形成的具有复杂的空间动态效果的大体量装置。装置中各个小单元体量的独立动作均无不同，但由于多个小单元体量之间的动作存在时间先后或幅度大小的逻辑关系，使得原本简单的动作逻辑产生出复杂的类似于“鸟群”“鱼群”等动物集群现象的“涌现”效果。建筑装置通过模仿鸟群在空中飞翔的状态，希望能够呈现出一种生物状涌现的动态模样。在建筑装置的设计过程中，设计师同时使用了Processing、Grasshopper和Rhino作为其设计虚拟空间呈现的软件平台。其中，Processing主要用来模拟鸟群的飞翔效果与装置整体之间的动态关系，以推敲寻找合适的整体动态效果（图1，2）。Grasshopper和Rhino主要是用来联合推敲每个单元体所形成的动态效果。由于在这个装置的设计中，每个单元体都采用了“折纸”的原理实现单元体如“伞”一样张开和收起的动作形态，所以设计师需要先在Rhino里进行形体建模，然后再通过Grasshopper对形体进行编程，模拟其在现实环境下形态的动态变化（图3）。这样可以保证在进行单元体加工和建造之前便对装置的效果进行预体验，对可能遇到的设计问题进行预处理。

3.1.2 参与者视角的虚拟空间预体验

参与者视角的虚拟空间预体验指的是建筑师或使用者借助虚拟现实技术、增强现实技术完成对动态建筑空间沉浸式地体验感受。利用虚拟现实技术，人们可以沉浸式地体验一个只存在于模型中的虚拟环境，并能从中感受到接近于现实的空间感；利用增强现实技术，可以将虚拟的模型和现实的环境融合在一起，更直观地感受到设计作品在现实空间中的状态。相较于设计师视角的虚拟空间预体验，参与者视角可以让人们置身于建筑空间之中，而不是抽离于建筑空间之外，进而帮助人们更直观、更真实地感受到建筑构件空间尺度的情况以及建筑空间的动态效果，并通过与真实情况无差别的视角对设计中可能存在的问题进行排查。

笔者在2019年亚洲计算机辅助建筑设计国际会议工作营中所进行的惠灵顿滨海广场空间多知觉混合现实全景呈现研究中，通过混合现实技术完成了对动态建筑空间动态效果的预体验。在这项研究中，首先通过360。全景扫描照相机对真实场景进行多时段图像采集，然后将采集的图像置于Unity3D软件平台之中作为虚拟模型建立的环境背景，并在此基础上叠加场景模型和设计模型，使得真实的环境和虚拟的环境融合在一起，形成混合现实空间。同时，在混合现实空间中布置动态建筑空间模型，并对空间模型的动态效果进行程序编写，配合在不同时间状态下采集的现场环境数据和声音数据，让体验者头戴虚拟现实眼镜，沉浸式地体验建筑动态空间在真实环境中的动态效果，进而对动态建筑空间的动作幅度及速度进行切身的感受与评估（图4）。

3.2 基于物理实体空间的预体验

基于物理实体空间的预体验可以帮助建筑师和使用者与动态建筑空间之间产生一种可触式的交互体验。之所以要进行物理实体空间的预体验主要有两个原因。

（1）动态建筑空间在电脑软件平台中主要进行的是空间形态的虚拟呈现。事实上，动态建筑空间同时还包含机械、电子、编程等多方面的物理因素。机械结构的力学状态、材料的动态耐久性、电子芯片的信号稳定性、通讯信息的响应速度等类似问题都很难通过虚拟空间进行真实模拟，而这些问题也会大大影响到虚拟空间与真实空间之间动态效果的体验偏差。于是，设计人员需要在真实的环境中将建筑空间进行物理实体模拟搭建，以帮助建筑师和使用者全面地获知真实环境下的建筑空间动态效果。

（2）建筑空间作为一个真实的物理存在，其与使用者之间的交互是基于视觉、嗅觉、听觉、触觉等多知觉系统形成的，而在虚拟空间中的动态建筑空间模拟大多数情况只能够基于视觉进行预体验，而无法实现全感知系统下的动态空间体验，因此，在这种情况下，对动态建筑空间进行实体的模拟搭建有助于让使用者形成多知觉系统下的综合体验感受。由于在建筑空间建造前对动态建筑空间进行一个完整的搭建并不现实，因此，基于物理实体空间的预体验又可以分为基于缩尺实体模型的动态空间预体验和基于足尺局部实体建造的动态空间预体验。

3.2.1 基于缩尺实体模型的动态空间预体验

在传统的建筑设计过程中，建筑师无论在概念推敲阶段还是方案推进阶段，都会选择制作建筑模型来增强其对空间的理解，从多个角度对空间的构成形态进行综合分析和考量。而对于动态建筑空间而言，建筑师在设计阶段进行建筑空间的缩尺模型实体搭建显得更为重要。一方面可以直观地感知到增加了材料属性维度的动态建筑空间的动态效果；另一方面可以验证增加了机械、电子等多个维度信息后建筑空间动态效果的可行性。在缩尺模型实体搭建阶段，建筑师除了要掌控常用的模型材料之外，还需要使用诸如Arduino、Raspberry Pi等可以编写程序的小型控制器配合各种电子元件来实现对建筑空间动态效果的控制。

由福斯特建筑事务所（Foster+Partners）和海德威克设计工作室（Heatherwick Studio）共同设计的上海外滩金融中心文化中心是一个外表皮可以动态旋转的建筑。建筑表皮由三层“流苏”形状的不同长度的金属管组成，每一层都以某一种速度匀速绕建筑外表面转动，三层如帷幔般的“流苏”相互错动重叠交织，形成了多样的动态视觉穿透效果和空间围合效果。在这个建筑的设计过程中，为了推敲合理的表皮转动速度以及因金属管的间隔尺寸变化产生的动态效果，设计人员多次进行缩尺实体模型的搭建并为模型安装了动力驱动系统，以使得模型呈现出如真实状态一般的动态效果（图5）。

在笔者所指导的交互式建筑装置Kinetair设计中，设计者设计了一种可以与人进行交互的动态楼梯，它可以随着人员在楼梯上的位置而自主改变楼梯的形态，在保证人员行走安全的前提下呈现出动态的、层次丰富的楼梯形式。在这个设计的推进过程中，设计者进行了1:10的缩尺模型实体搭建实验。在实体搭建的过程中，模型采用了多个Arduino作为控制器，超声波测距仪作为感应器，步进电机作为响应器。通过物理实体搭建实验，除了可以帮助设计者从更多的角度进行模型的审视，以更直观地体验到楼梯在交互过程中的动态效果之外（图6），同时也发现了诸如多组感应器同时采集信号产生信号干扰、电机扭力由于材料摩擦力而导致动态延迟等多种问题，并进一步影响到设计的改进和下一步发展的方向。

1 Diffusion Choir 实体建成效果

2 Diffusion Choir 在Processing 软件平台下的动态效果模拟

3 设计师通过Rhino 和Grasshopper 软件平台对设计单元体动态效果进行推敲

4 体验者通过虚拟现实技术对Unity 中的动态建筑空间进行体验

5 设计者通过多次缩尺模型搭建完成对上海外滩金融中心文化中心动态表皮空间的预体验

6 Kinetair 的设计概念图与缩尺实体模型

7 Hyposurface 设计人员进行足尺构件的调试

8 Hyposurface 机械单元构件细部

9 上海外滩金融中心文化中心动态建筑立面的局部足尺建造实验

3.2.2 基于足尺局部实体建造的动态空间预体验

建筑空间在由缩尺模型到真实空间之间进行转换的过程中，必然会面临由于构件尺寸大小、机械设备大小等带来的受力方式由量变积聚到质变的问题，这将导致空间动态效果会发生某种程度上的改变。同时，由于缩尺模型并不能为使用者提供沉浸式的空间效果体验，以至于使用者对于空间动态效果的理解和想象与真实空间状态之间存在偏差，因此，动态建筑空间在真正建造之前还要进行局部实体足尺的建造以为使用者提供一个真实的动态空间环境，获取最贴近于现实状态的空间体验感受。在足尺局部实体建造阶段，所有电子产品都会被更换为工业级产品，例如控制器会采用PLC可编程逻辑控制器或者上位机等，机械元件会采用稳定性更强的液压杆、螺杆、传送带等。

由麻省理工学院的马克·古尔多佩（Mark Goulthorpe）教授主导研发的交互式变形墙体Hyposurface，从设计到真实建造阶段多次进行了从几个单元的机械构成搭建到几组单元的真实状态搭建（图7，8）。通过对设计局部构件的多次真实材料足尺实体搭建，设计者可以进一步确定机械单元构件细部的设计；构件形变尺度是否能给体验者足够的视觉和触觉冲击力；真实建造中构件安装的先后次序；影响机械效果的潜在因素及代码运行逻辑的潜在问题等。

在上海外滩金融中心文化中心的设计阶段，为了能够了解到真实材料和真实体量下金属管的动态效果及动态行为的可行性，设计人员也进行了足尺的局部实体加工建造（图9）。虽然建造的实体依然有许多形态及材料的细节没有全部展示出来，但是作为一组足尺的建筑构件，加之配合以真实的机械动力构件，可以让体验者切身感受到动态建筑构件的尺寸比例关系及动态速度，还能够使设计者直观地验证构件在运动过程中是否会有卡顿、是否会存在惯性、是否可以抵抗风力等的外力以及是否产生无法忍受的噪音等现实问题。

4 动态建筑空间预体验方法优缺点对比

上文所提到的四种动态建筑空间预体验方法，在实现难度、介入阶段、制作成本、体验真实度和知觉丰富度这几个方面各有优缺点。

首先，在实现难度方面，由于设计师视角的虚拟空间预体验所借助的软件多是设计工作中常用的软件，如可视化编程软件Grasshopper等，因此其实现难度相对较低。参与者视角的虚拟空间需要配合诸如Unity3D一类的软件及Hololens、Oculus一类的硬件来实现，设计师除了需要通过C#一类的编程语言编写构件动作之外，还需要学习设置硬件控制方法，较常规设计工作有所不同，进而实现难度也有所增加。缩尺实体模型的动态空间体验实现因牵扯到材料、机械、电子、编程等多专业的知识，设计师因此面临的困难也相对较大，可能需要多领域人员共同合作才能完成。足尺局部实体建造的动态空间体验的实现则需要借助专业的构件加工团队、代码编写团队、电子控制团队的共同配合才能完成。由于其不再仅是一个模型的一部分，而变成了一部分真实的建筑构件，因此实现难度极大且制作持续时间较长。

其次，各种不同的预体验类型在设计过程中介入阶段也有所差别。设计师视角的虚拟空间预体验伴随着动态空间概念的生成一并产生，其介入阶段最早。同时，由于需要验证空间动态行为的可能性，因此设计师一旦确定了空间动态行为的机械原理，便要开始进行缩尺实体模型的搭建，以确保空间动态行为未来在物理世界中的可靠性。当动态原理在虚拟世界和物理世界同时被证明成立之后，设计师开始进行参与者视角的虚拟空间预体验，浸入式地感受空间动态效果的舒适性和愉悦性。当设计工作几乎要完成的时候，为保证建筑空间的最终建成效果与预期相同，设计师会在设计后期进行足尺局部实体建造。四种动态空间预体验虽然在介入的阶段有所差别，但是每当设计师在某种预体验过程中发现问题时，都需要返回到前面的预体验方法，以辅助设计的推敲和推进。

在制作成本上，由于虚拟空间模拟的预体验没有实体材料费用，往往会比基于物理实体空间的预体验成本低。设计师视角的虚拟空间预体验通常不需要额外的成本投入。参与者视角的虚拟空间体验则由于需要借助VR或者AR设备，成本投入在几千至几万元；缩尺实体模型的动态空间制作根据模型比例、模型材料和电子元件类型的不同，成本从几百到几万元不等；足尺局部实体建造因为需要选择与建成环境相同的材料、构件和控制系统，其成本从几千到几十万元不等。

从体验真实度和知觉丰富度来看，知觉越丰富，视角越接近参与者视角，沉浸感会越强，体验的真实度会越高。设计师视角的虚拟空间预体验和缩尺实体模型的动态空间预体验由于体验者处于凌驾于空间之外的视角而很难形成浸入式的体验，因此体验真实度相对较低。相较于设计师视角的虚拟空间只有视觉一个维度的知觉体验，缩尺实体模型由于具有视觉、触觉两个维度的感知，体验的真实程度略优于前者。参与者视角的虚拟空间预体验由于为体验者提供了一个沉浸式的环境，并可以同时从视觉和听觉两个知觉维度进行环境模拟体现，因此体验真实度相对较高。足尺局部实体建造的动态空间由于其可以从视觉、听觉、触觉、嗅觉等多种知觉维度进行体验，并且可以近距离沉浸式地感受空间中的构件实体，体验的真实度最接近于建成环境。

5 结语

本文结合应用案例介绍了四种动态建筑空间预体验的实施方法和应用目的，并分析了各种方法的优缺点。动态建筑空间作为在现实中与体验者不断产生空间与个体交互行为的变化的物理存在，其面临的设计问题和设计难点较传统的建筑空间成倍数级增加。在实际动态建筑空间设计工作推进过程中，这四种预体验方法可以从不同的角度帮助设计者发现设计中可能存在的问题，从而创造出动态行为合理流畅、体验愉悦的空间形态。