探析响应式建筑发展

秦 俊[上海市建筑科学研究院（集团）有限公司， 上海 200032]

控制论与建筑物的相互融合催生了一类新的建筑技术研究与工程应用，即响应式建筑(Responsive Architecture,RA)。由于兼具实用与艺术性，RA 受到了建筑领域学者和技术人员的密切关注。然而，不同于传统建筑，RA 具有较多动态和非固定的结构与形态，其应用目标、结构、复杂程度也从业人员带来了新的挑战。国内外有关 RA 领域的研究已经取得了一定的进展，但工程实践应用成果仍较少。

伴随着快速城镇化进程，我国的智慧城市建设提出以改善城市人居环境质量、优化城市管理和生产生活方式为目的。更智慧、更宜居的建筑是智慧城市基础且重要的组成，RA 的应用目标侧重“以人为中心”的理念，强调通过自适应的建筑建立人与环境之间和谐可持续的适配，提高建筑物可持续性和多功能扩展能力。同时减少重复投入，这使其将演化为一种灵活、全面服务于人的生产生活基础环境与支撑平台，成为未来重要的建筑模式。

1 RA 概述

1.1 RA 的含义

目前，对响应式建筑(RA)尚无统一定义。在对经典文献分析的基础上，本文从实现与应用的角度提出描述性定义：RA 是通过建筑设计与建造、通信、计算机与控制等相关技术的有机与深度融合，实现建筑物的自适应化，对以人与环境为主的情境进行感知与响应的智能复杂系统。

响应的规模可分为微观、中观和宏观 3 个层次。

在微观层面，建筑对内部与周围局域环境和用户活动进行响应。通过在建筑物中融合响应式自动化建筑构件、感知与执行、通信与计算单元，实现信息内核对建筑与环境的状态感知，以及对物理构件动作的实时控制与协调。

中观层面在微观的基础上扩展至建筑群之间的响应协同。通过在相邻空间范围多建筑的集群化，各建筑的信息内核通过区域骨干通信网络相互协调工作，实现对区域环境的整体感知与调控。

宏观层面的响应规模则进一步扩展至不同的时空范围，实现更广阔区域的响应协同，包括建筑物的迁移，以动态地适应环境与生产生活资源的变化。

由此，建筑的响应能力既涉及空间的范畴，又包含时间的概念。对 RA 响应实现层次的需求，由不同历史阶段与地理区域的实际决定。

1.2 RA 的体系结构

从整体视角来看，RA 是运行在不同时空范围的分布式协同系统，感知、决策和响应执行的行为，很可能发生在不同的位置。从单建筑视角来看，RA 是持续运行在较为集中的空间范围的闭环系统，其感知、决策和执行子系统具有较高的集成性。大量基本功能单元，包括响应式建筑自动化构件、传感与执行、智能核心等，通过嵌入的高性能通信网络，在逻辑上和物理上紧密耦合，实现高效、可靠的动态响应动作。

一般来说，RA 体系结构由建筑对象层、感知与执行层、决策层组成。建筑对象层是基础，包含各种相关的建筑基础与自动化物理构件、建筑所处的环境等，是状态感知的对象，也是控制对象和实际执行者。感知与执行层居中，是建筑对象的代理，向决策层传递大量实时状态数据、向建筑自动化构件传达上层的控制指令。决策层从顶层视角，通过统一、融合的语义和上下文，感知情境信息、计算与编排响应动作，实现建筑构件行为的协调与建筑物间的协同。

2 RA 的支撑理论与技术体系

RA 是建筑、环境、社会、交通、信息等多学科的交叉领域，其主要的支撑理论与技术体系可分为城市规划、建筑设计与建造、普适计算与物联网、自动化与智能化 4 个层次，如图 1 所示。

图 1 RA 的理论与技术体系

2.1 城市规划理论与技术

城市规划理论与技术是 RA 实现的根本基础。建筑的设计与建造不仅是工程或技术问题，也是综合性的社会经济问题[1]。城镇化是当前经济社会发展的大趋势，城市是 RA 最重要的应用范围。城市是一个有机集合体，根据经济、生态和社会目标的要求，城市规划对各种要素在空间与时间维度上做出有预见的、综合性的部署。一方面，RA 的发展需要符合城市规划对城市发展目标、土地使用、空间布局的总体安排。另一方面，RA 应该发挥其城市土地和空间安排和使用的合理性和效率提升的作用。此外，由于城市的水平和垂直空间规模、用地功能布局等方面，会随着时间发生变化，具有动态性，城市的演化会对 RA 的发展方向产生影响。加之建筑发展与城市演化本身的复杂性，两者之间的相互作用关系不仅是城市地理学的范畴，还包括城市交通、城市经济、城市规划、城市人口、社会学等，都是 RA 研究与应用发展的基础。

2.2 建筑设计与建造技术

以建筑工业化与智慧建造为核心的新型设计与建造技术是实现 RA 的重要途径。建筑工业化建造强调体系化、标准化、数字化、自动化和装配化，在生产方式上通过数字化与信息化，借助智能建造系统平台，实现通用批量建造方式向具有较好产能的定制建造转变[2]。智慧建造作为建筑产业现代化过程中的新兴工程建造模式，旨在运用信息技术实现工程建造全过程的信息化和智慧化，应用于建筑工程设计与优化、工厂化加工、精密测控、智能化安装、动态监测、信息化管理等方面[3]。一方面，建筑工业化与智慧建造各有侧重、相辅相成。另一方面，两者具有共同的支撑性理论与技术，包括数字化模型、虚拟设计、协同设计、虚拟建造、装配式建筑、构件制造等。

2.3 普适计算与物联网技术

普适计算与物联网技术是实现 RA 的重要手段。普适计算的核心是为生产生活中所需的物理对象提供对应用情境进行感知和处理的能力，物联网的本质是为具有相关性的物理对象之间提供广泛的信息共享与交互能力。两者都促进着物理与信息世界的融合，其共同的技术基础包括移动无线传感器网络、无线通信网络、云计算、边缘计算、移动和嵌入式计算等。移动无线传感器网络通过大量传感器节点协作感知建筑和环境状态，广泛的传感覆盖是 RA 充分获取情境感知数据、产生正确响应行为的基础和前提。无线通信网络的覆盖范围包括局域、区域和广域网络，以适配不同层面的响应规模。新兴的 5G 通信网络，既能提供广域网接入服务，也能为本地网络提供群组高速交换接口支持。数据和指令的准确和高效传输是实现 RA 的关键基础。云计算设施作为传感网和物联网的后端，通过计算与数据资源集中共享、统一提供服务，是提供通用、群集计算任务保障的重要基础。边缘计算通过对数据的处理与分析向产生源数据的终端与建筑构件靠拢，提高计算和响应的效率。移动和嵌入式计算能够减少计算机设备尺寸和部署难度限制，匹配边缘计算的模式与场景，此外，通过在无线传感器节点之上集成执行器，将进一步提高执行能力与效率。

2.4 自动化与智能化技术

自动化与智能化技术是实现 RA 的核心要素。主要的领域包括自动控制理论、建筑机电设备自动控制技术，以及分布式计算、自主计算、大数据计算、人工智能理论与技术等。自动的、响应式的建筑构件是 RA 的基本组成单元。自动控制理论和自动化技术广泛应用与工业界，指导机器设备的自动、优化运行过程，是现代工业化和工业系统的基础，其核心是解决多变量系统的最优控制问题。自动化理论和技术的运用，也正是 RA 建筑构件的设计和制造，以及建筑工业化的前提。RA 的智慧核心承载对情境的正确分析与响应行为的产生任务，其设计与实现由智能化理论与技术支撑。智能化是基于自动化的发展，更侧重发展机器的自主推理和决策能力，智能地从数据中提取知识、制定方案、解决问题。分布式计算的核心是将复杂问题交由计算实体进行，其应用场景包括独立数据自治域之间的协同、主动问题分解与机器负载均衡等，主要目标都是形成合力、提高系统总体效率。自主计算包括自优化、自保护和自恢复技术，以提高系统的可靠性。大数据计算主要解决海量异构数据的处理等问题，其主要目标是提高效率与保证正确性。人工智能的主要分支领域包括机器视觉、自然语言理解、机器学习、问题求解与专家系统等，位于智能化的中心。

综上所述，目前很多相关领域的理论与技术发展均为RA 的实现提供了一定的基础，但基于 RA 自身的特点，其研究与发展还面对着许多挑战。

3 RA 的发展与挑战

3.1 RA 的产生与进展

RA 的概念在 1975 年由计算机科学家提出，并指出 RA是对人和外部世界进行响应的智能化环境，而引发其产生响应的最根本情境是居住者的需求和感受。作为一种先进的理念，RA 最初的目标是实用性，然而，由于其自身的复杂性，以及当时较为朴素的自动化、智能化技术水平与建筑师知识结构，RA 从设计到实现都具有相当的难度。

随着技术的发展，RA 从概念形成以来经历了从实用性到艺术性，再到实用与艺术并重的发展过程。除可用性外，RA 在应用和实现等方面也取得了一定的成果。

从应用的角度，其目标主要有建筑内部环境改善、建筑物自身健康、空间利用率三大类，其共同的途径是通过建筑形态的改变，对环境的变化进行反应。现有工作主要考虑的因素包括阳光、风、沙、雨水等自然气候条件，以及承重、震动等结构荷载，以降低能耗、改善建筑内部环境、提高建筑物安全性和实用效率。

在实现上，RA 的构建基于结构组件，通过巧妙的设计对动态结构进行集成，以实现应用目标。已采用的结构包括外壳、外墙、表皮、各式遮蔽结构，以及可变空间单元等。比较有代表性的有阿布扎比中央市场可变遮阳结构、巴塞罗那当代艺术博物馆可变遮阳系统、萨福克可伸缩滑动房屋、德黑兰可旋转新型住宅 Sharifi-ha House等。亦有人对动态结构进行了分类。此外，也有基于建筑材料可变性的 RA 设计，但这方面的工作仍较少。

现有围绕可变性的工作展现了建筑物实体可具有的能力。然而，在响应规模上，现有工作主要集中在微观层面，即独栋建筑范围，建筑群应用尚待探索与实践，其变化亦主要集中在外部形态方面。

在控制策略方面，随着建筑的智慧化，RA 研究开始从被动响应向主动自适应发展，从被动收到外界刺激发生改变到主动感知外界采取应对策略。技术和应用的发展，尤其是近年来在装配式建筑、新材料、无线通信、物联网、智能化等领域取得的进步，为 RA 领域注入了新的能量。

RA 的目的不是全盘代替现有建筑，而是一类具有较大潜力的新型建筑。然而，目前的成果仍具有一定的局限性，要取得较大发展，还面临着许多挑战。

3.2 RA 面对的挑战

建筑设计与构造是一种体系、一种系统性思维，结构、材料、智慧组件是建筑的有机组成部分，不可分割。控制、计算机信息技术元素、人、建筑的深度融合以及系统的规模与复杂性是 RA 面临挑战的根本原因。

（1）存在基础分歧。RA 建立在城市规划和建筑学基础之上，地理功能区域的布局和建筑物的功能定位等，很大程度上受到城市规划方法论的限定，而建筑工程在传统上以连续稳定为主。如何实现动态的、可变的、自适应的建筑物对象，并兼具稳定性和连续性，对城市意义的理解和设想、传统建筑到新建筑模式的转变，是 RA 研究和应用的根本性挑战。

（2）缺乏协同设计。目前建筑设计、建模与仿真、建造、维护各阶段之间存在较大的阻隔，缺乏必要的协同设计和分析。在建设过程中的分离使得难以评估设计决策的影响，进而导致制造与组装的准确性不足，不能完全地反映和捕捉到建筑构件对象之间的相互依赖性，而这是 RA 运行和维护的关键前提。

（3）系统设计与验证的挑战巨大。由于 RA 包含了大量不同的建筑与计算组件，以及系统之间的交互，因此健壮性、可靠性、效率和实时性相关设计成为一个关键问题。并且由于系统复杂性的增加，设计、建造、制造的时间极大地增加。RA 的模型包含了构件、材料、软件和物理环境中的各种细节以及不同系统的异构性，导致了工程规模的膨胀，为工程及系统的验证带来了巨大的挑战，极大地增加了验证成本。

（4）信息传递存在瓶颈。目前的建筑智能化通信网络主要是基于有线网络建立的，对于高动态性要求的 RA 应用而言，施工和维护的难度较高，很难保证经济性和有效性。由于通信网络存在的各种复杂因素，如果线路质量造成了指令和状态数据传输的阻滞，将严重阻碍建筑响应的动态行为执行，最终影响建筑的性能，甚至导致建筑结构的不稳定性。

（5）安全性的挑战大。RA 的特性为建筑的结构和信息安全带来了许多新的问题。首先，如何同时保证 RA 在通信网络质量降低时的实时性与可靠性需求是个难题。其次，RA 为通信网络设施部署难度降低引入了无线网络因素，而这一因素极易受到干扰和影响。更重要的是，开放的网络接入在一定程度上向攻击者暴露了系统的入口，如果攻击者成功攻破并利用 RA 的控制系统，会造成严重后果。现有的计算机安全技术尚无足够的能力保证 RA 的安全性。

（6）系统融合的复杂性高。未来 RA 的集群化、协同化、交互化，以及自主网络架构的异构性，需要兼容大量的物理感知器、执行器和分布式的计算系统，这需要提高数据与系统标准化能力为中心，满足互操作与融合的应用需求。目前，即便在发展较为成熟的建筑智能化领域，仍存在各厂商的智能控制系统不兼容的情况。对于 RA 所需的高层次全局信息视角，以及复杂分布、高度自主的决策和控制系统而言，目前的智能控制系统是不适用的。

综上所述，RA 面临着建筑设计与建造、计算机与控制技术等的理论基础、关键领域和应用技术等方面的重要挑战与制约。为了解决这些挑战，需要多领域的深度和广泛协同，开展深入的研究。

4 结 语

响应式建筑(RA)是能够改变人与建筑及环境交互方式的一种未来的建筑模式，可将控制论与建筑物相融合与协调。作为建筑的演进，RA 应该得到更加广泛的关注。本文阐述了 RA 的含义与体系结构，对 RA 的理论与技术体系、研究进展以及 RA 的发展对城市规划、建筑和信息技术等相关领域带来的挑战进行了讨论。在未来，RA 具有较大的影响力和经济潜力，对人类社会的和谐可持续发展具有重要意义。由于目前 RA 的实用性研究刚刚起步，相关研究和应用成果有限，并且仍然缺乏系统的科学基础和工程原理。在未来需要通过城市规划、建筑和信息技术和众多相关学科领域的全面努力，加快和促进 RA 的研究与发展，最终实现人类与建筑及环境相互协调与可持续发展的愿景。