城市人因工程学导向的地下空间界面实证研究与设计决策方法初探

张利，邓慧姝，梅笑寒，谢祺旭/ZHANG Li, DENG Huishu, MEI Xiaohan, XIE Qixu

1 以人为核心的新型地下空间与城市人因工程学

随着城镇化进程不断加快，我国城市发展进入城市更新的重要时期，由大规模增量建设转为增量结构调整[1]，地上地下空间“统筹”开发利用成为缓解土地供需矛盾、促进城乡建设用地减量提质和集约高效利用、构建高效便捷的紧凑型城市的战略举措[2-3]。近年来，地下空间成为我国建设投资热点领域之一。2019年，全国地下空间新增建筑面积约2.57亿m2，约占同期城市建筑竣工面积的19%，该比值在长三角城市群达26%。我国逐渐成为地铁、地下综合体等多个方面地下空间发展最快的国家之一[4]。地下空间是未来城镇化进程的重要一环，因此，以人为核心的新型城镇化要求探索以人为核心的新型地下空间，中国工程院战略咨询中心[4]认为“地下空间利用决定着城镇化质量与品质，成为新型城镇化一个重要的显性特征”。

地下空间具有与地上空间不尽相同的特质，对人的直观体验的影响尤为显著。一方面，传统地下空间固有的一些问题，如生物节律紊乱、白噪声缺乏、自然环境缺失、方向迷失、湿度过高、换气次数不足等，直接作用于身体感官，易造成不佳的直观体验，影响用户的日常生活。研究表明，地下空间湿度达60%时，工作效率较正常湿度状态下降10%以上[5]；地下空间自然环境缺失、换气次数不足等问题则会引起轻度头痛和咽喉干燥等生理反应[6]。另一方面，针对地下空间的新技术研发不断涌现，技术变革迅速，例如智能照明技术使地下空间模拟自然光环境成为可能，地下物流系统帮助完善城市立体化交通体系[7]。通过应用融合新技术，新型地下空间具有突破固有问题、改善空间品质的潜力。

以人为核心的理念和地下空间的固有特质都要求将地下空间研究的重心转移到人的生活感受与人体的特性上来。城市人因工程学可以对这一议题提出有效应对。城市人因工程学从人的身体特性、行为需求和感受体验出发，以改善用户端使用效能为导向，关注城市空间在各层次与人行为的互动。通过城市人因工程学方法，系统科学地研究地下空间界面设计与用户端使用效能的耦合作用，有助于在人因层面提升地下空间品质，帮助解决地下空间固有问题，引导地下空间的设计决策向着提升人民城市生活的美感度、舒适度和幸福感的方向发展。

2 城市人因工程学导向的实证性地下空间研究发展动态

2.1 研究领域：从单一学科到集成学科

在城市人因工程学视角下，以人体这一复杂系统为核心，地下空间的研究逐渐从单一的建筑学研究发展为集合了生理学、生物力学、心理学、认知神经学等多学科的交叉领域。

近30年来，针对地下空间特殊的物理属性，借助生理学和认知神经学等学科的专业知识与技术工具，研究者们已经初步发现部分地下空间元素与某些客观人体指标之间存在定量关系。如表1所示，针对地下空间的光元素，人体褪黑素水平被用于研究地下空间自然光缺失对人体生理节律的影响机制[8-9]；眼部瞳孔大小和面部表情参数等指标可以反应人执行视觉任务时的表现[10-11]。针对地下空间的声元素，声环境研究用语言传输指数表示人听觉获取的语言清晰度[12]。针对地下空间的空气元素，脑电图、心率、血压和皮肤温度等多项人体指标被用于研究地下空气环境对人体疲劳程度的影响[13-16]。针对地下空间的自然元素，皮肤电导水平能反映自然元素对人压力水平的影响[17]。

现有的地下空间研究结合多专业知识，对地下空间中的各类特性进行了单项针对性客观测量研究，尽管尚未建立起横向的联系，无法构成对整体空间体验机制的解释，但已具备将多种空间特性进行集成研究的基础。城市人因工程学的方法倡导将多种空间特性理解为整体性系统，以全面地讨论空间界面对人的全方位影响。在现有研究的基础上，可以进一步从人的整体空间体验入手，对多空间元素的相互关系和集成效果进行研究。

2.2 研究方法：从主观评价到客观人因参数测量

另一方面，现有对人在地下空间中的整体空间体验研究，侧重对用户使用地下空间时的期望、意愿、体验性、满意度等认知心理因素的分析。主要用到的方法有案例评价分析[18-19]、用户问卷调查[20-22]、用户访谈[23]，研究得到的结果也以概括性的设计策略为主，缺乏准确的量化关系结论。尽管已经有李克特量表、语义区分量表等定量分析工具的使用[24]，但当前研究仍局限在被测对象或研究者主观评价范畴，地下空间整体体验研究亟待可被客观测量的人因参数的引入。

从整个建筑学领域看，客观的人因参数测量开始被引入到整体空间体验的研究中。随着认知神经科学、运动科学、计算机视觉等其他领域的理论发展和技术成熟，通过客观的人因参数研究人的整体空间体验开始具备可行性，并正在取代传统的主观评价方法，成为整个建筑学领域的新趋势。人因参数可以分为生理参数和行为参数两类。生理参数方面，脑电图、皮电活动和皮质醇水平被用于研究人在不同城市空间中的心理状态变化[25-27]；肌电图、皮肤温度、心率等指标被用于研究人在室内空间中的运动强度和舒适性[28]；功能性磁共振成像、事件相关电位、功能性近红外光谱技术等认知神经科学的生理指标也开始被引入到建筑学的研究中[29]。行为参数方面，眼动追踪技术记录的眼部数据可以反映人在空间中执行视觉任务的模式[30]；动作捕捉和分析可以衡量人执行任务的准确性[31]；人群的位置参数被用于研究空间中人际交流的模式[32]；人的运动数据被用于研究城市环境与人运动强度的关系[33]。这些新兴的理论技术使地下空间整体性的客观测量研究成为了可能。

2.3 研究目标：单一空间元素与人体单项指标的关系到多空间元素与多人因参数的耦合作用

整体空间体验的研究对数据分析和设计决策提出了更高要求。以往的地下空间研究目标以解释单一空间元素与单项人体指标关系为主。但一方面，现实空间涉及元素众多，是典型的高维数据；另一方面，人体是一个复杂的系统，使用效能是由多项人因参数构成的多因子评价。机器学习和多属性决策分析的发展为相关研究提供了基础工具。借助机器学习可以预测多空间元素集成效果，已经有研究利用支持向量机[34-35]、决策树、自组织映射神经网络[26]、BP神经网络[35]等机器学习模型，构建空间变量和不同指标之间的映射关系。借助多属性决策分析方法可以辅助多因子设计决策，相关研究用到的方法主要有层次分析法[37]、理想解法[38]和复杂比例评价法[39]。借助计算技术，未来的研究有望揭示地下空间界面设计与人体之间复杂的耦合作用。

3 试提一种基于实证研究的地下空间界面设计决策优化系统

城市人因工程学以设计为主动因，以知识为从动因，旨在为设计决策判断提供实证性的依据[40]。它首先通过用户调查定义关键问题，然后通过量化实验深入研究关键问题，最后将实验成果与设计实践结合，形成相应的设计决策模式和人因设计指南[41-42]。城市人因工程学的研究路径可以针对设计流程“定义问题—进行设计—测试反馈”中的问题定义与测试反馈两个阶段，探索一种从定性转变为定量、从完全依据个人经验转变为具备实证数据支持的设计方式。

依循城市人因工程学的研究路径，本研究重点关注地下空间界面与客观可测的人因参数之间的耦合作用，其核心是在已有的建筑物理环境与人因参数关系基础上，将空间形态的变量纳入考虑，并引入认知神经科学、运动生理学、生物力学等相关的可测人因参数，衡量各类情境下用户端的使用效能，最终形成整体性地下空间设计决策优化工具，以期在“问题定义”和“测试反馈”环节，辅助建筑师、工程师、室内设计师等进行以用户端为目标导向的地下空间的设计决策优化（图1）。

3.1 地下空间界面变量和用户端使用效能变量的界定

结合笔者团队完成设计正在建造的多个地下建筑项目和其他地下空间典型案例，通过实地采集建筑形体参数、环境参数等空间数据，结合用户调查、文本调研，能够界定对地下空间界面和用户端使用效能耦合作用产生影响的关键性变量（图2）。

地下空间界面可以被分为人因空间变量和人因环境变量。人因空间变量包括空间认知中的空间界面的形状、位置、坡度、色彩、照度以及空间中自然元素的类别、数量、间距等，用于对地下空间界面进行解析，构建建筑方案与变量之间的映射关系；人因环境变量包括热环境指标、声环境指标、空气质量指标等，用于对地下空间的环境性能进行解析，并匹配专用的调控技术和测量工具。

表 1 使用客观测量人体指标的地下空间研究选用指标及代表性研究内容

用户端使用效能可以被分为运动效能变量、心理效能变量和任务效能变量，以涵盖用户在日常生活中涉及的各个身体维度。运动效能变量包括速度、频率、能量消耗、肌肉压力指数等；心理效能变量包括心理压力生理指数、情绪动作等；任务效能变量包括任务执行准确度指数、任务执行效率指数、行为多样性、专注度等。

1 研究技术路线图（制图：邓慧姝）

3.2 地下空间界面和用户端使用效能耦合作用的实验测量和参数建模

（1）数据获取：基于使用情景的实验室，结合地下空间案例数据实测，以获取地下空间界面变量与用户端使用效能变量。为实现地下空间界面变量的可变性，本研究拟设置灵活可变的轻型实验室（图3），应用建筑形体参数和环境数据测量与模拟，辅助使用虚拟现实技术和沉浸式投影技术，模拟实现居住社区、休闲、交通、工作4类生活情景。同时，运用人体生理参数测量分析、心理生理学分析、动作行为追踪分析等人因参数测量技术，对用户端使用效能数据进行客观量化地测量采集。

（2）数据分析：基于决策树（REP-Tree）和自组织映射（Self-organizing map, SOM）神经网络等机器学习模型，在计算机中构建参数模型，模拟多变量之间的参数关系。通过构建多个耦合作用参数模型，以形成地下空间界面变量与用户端使用效能变量耦合关系的动态数据库。

3.3 整体性地下空间设计决策优化系统

基于多属性决策分析（Multi Criteria Decision Analysis-MCDA），整合多个耦合作用参数模型，构建以用户端使用效能为决策判断依据的设计决策化系统，使设计决策过程中的各项人因要素能够被客观量化、整体分析。

2 本团队完成设计的地下公共建筑-人因环境变量分析图（绘图：张利）

具体而言，设计决策优化系统包括设定决策背景、输入自变量、定义决策属性、属性参数提取和赋权、输出结果5个步骤流程（图4）。

（1）设定决策背景：区分使用情景，以提升情景中特定的用户端使用效能为决策目标。

（2）输入自变量：某情景下建筑方案的多项空间界面设计参数为自变量。

（3）定义决策属性：各项用户端使用效能为因变量，即决策属性，用于作为进行决策的依据。

（4）属性参数提取和赋权：基于耦合作用参数模型，得出空间设计参数对应的用户端使用效能参数，作为属性参数；并基于两者的相关性，结合建筑专业知识判断、统计，给属性赋予权重。

（5）输出结果：基于fuzzy TOPSIS、fuzzy AHP、ELECTRE等多属性决策分析工具对各项决策属性进行整合分析，考虑决策属性与变量之间的耦合作用、决策属性间的复杂干涉关系，输出以用户端使效能为判断依据的对该设计方案的综合评价，并进行数据可视化处理，便于对多个方案进行比较、分级。

3.4 设计决策优化系统在实际项目中的应用指南

在实际建筑项目中对此设计决策优化系统进行实验性应用，结合实践情况与现场实测，对地下空间设计思路和设计决策优化系统两者进行适应性调整和反馈，以探索地下空间设计决策优化系统在设计实践中可能的应用路径，如设计决策测评量表、设计决策优化软件或以数据为基础的地下空间设计方法等，并进一步归纳总结针对地下空间的人因设计指南。

4 小结

以人为核心的理念和地下空间的固有特质都要求地下空间研究关注人的生活感受与人体的特性，应对这一要求，地下空间界面实证研究趋向从单一学科发展为集成学科，从主观评价发展为客观人因参数测量，从单一空间元素与人体单项指标关系发展为多空间元素与多人因参数的耦合作用。城市人因工程学导向下的地下空间界面研究正是对这一发展趋势做出回应。

在研究对象方面，区别于着重单一建筑物理环境变量的研究，从城市人因工程学的视角切入，需要整合已有的物理环境变量和合理提取的空间形态变量，建立地下空间界面与人因参数的多项耦合作用模型，旨在对人体与空间界面互动的复杂性进行综合、整体的解析。

3 小型情景实验室示意（绘图：梅笑寒）

4 设计决策优化系统工作流程示意图（制图：邓慧姝）

在研究方法方面，区别于以主观评价为主要依据的调查法和观察法，借助穿戴式设备、皮电活动（EDA）监测技术、眼动追踪技术（ETM）等手段，通过人体生理参数测量分析、心理生理学分析、动作行为追踪分析等，人在地下空间中的使用效能可以被客观测量，为从人因角度对地下空间设计进行客观量化评价提供可能。

在研究成果方面，区别于提出明确的设计策略或具体的空间形式的地下空间研究，城市人因工程学导向的研究趋向于为设计提供实证依据和量化分析工具。对此，本研究提出了建立一种整体性地下空间的设计决策优化系统，并以设计应用为导向，将决策优化系统转化为以数据为基础的设计方法、辅助设计决策软件、人因设计指南等具有实践应用前景的成果。□