计算性设计赋能绿色建筑自适应表皮创作

韩昀松

0 引言

“表皮”源自生物学术语，原指生物体外侧覆盖的、与环境接触且具有感知环境变化，调节自身以适应外环境波动的组织。“建筑表皮”是指覆盖在建筑空间外且与室外环境接触的建筑围护结构系统。“建筑自适应表皮” （adaptive façade）是对建筑表皮的进一步限定，指能基于环境数据感知，可自主、动态地改变表皮形态或构造，响应环境变化的智慧化建筑表皮。建筑自适应表皮研究可追溯至1950-1960 年代[1]，涌现出自适应表皮（adaptive façade）[2-3]、动态表皮（kinetic façade）[4]、响应式表皮（responsive building envelope）[5]和主动式建筑表皮（active building envelope）[6]等概念（图1），并在实践应用中揭示了建筑自适应表皮在提升建筑能效、降低运维成本和优化室内环境品质等方面的巨大潜力[7]。

1 既有建筑自适应表皮相关概念

1 方法

计算性思维（computational thinking）是计算性设计的思维基础，其通过抽象（abstraction）和分解（decomposition）将复杂系统问题转换为多个并行的求解进程，实现对复杂系统问题的高效求解。而且，计算性思维能够发挥大数据优势来加速计算过程，从而在时间和空间维度实现权衡提升[8]。计算性设计是基于计算性思维展开的创作活动，其在人居环境营造中，基于人居环境系统科学与复杂性科学，应用人工智能技术，展开多性能目标耦合考虑下的建筑设计元素自组织生成与自适应优化[9]。

人工智能时代语境为计算性设计的发展提供了新的支撑，加速了计算性设计的推广应用，为绿色建筑自适应表皮创作注入了新动能。研究发挥计算性设计方法对复杂工程问题的求解优势，融合人工智能技术流程与绿色建筑自适应表皮创作流程，综合应用图像识别、聚类分析、进化计算、深度学习建模等技术，展开了绿色建筑自适应表皮使用者行为感知、形态计算性设计和模块化智慧控制方法与技术研究（图2），旨在提升绿色建筑自适应表皮对局部地区环境波动和使用者光热舒适个性需求的响应精度，加强其对建筑绿色性能多目标的权衡改善能力，并构建了可感知使用者行为的绿色建筑自适应表皮系统。

2 计算性设计赋能绿色建筑自适应表皮研究

2 成果

2.1 绿色建筑自适应表皮使用者行为感知方法与技术

通过使用者行为感知来预测建筑使用者个人热需求，对于权衡改善绿色建筑热舒适需求与高能效目标具有重要意义。由于使用者行为具有显著的随机性和不确定性，其与个人热需求的映射关系解析难度较高。计算性设计因融合了人工智能技术流程而善于对复杂系统行为进行解析，为建筑使用者行为感知与分析带来了新契机。团队应用计算性设计方法研发了建筑使用者行为数据采集与分析方法与技术[10]，通过深度学习建模，可基于视频数据进行建筑使用者行为动作采集、特征提取和动作分类，并通过集成多对象跟踪算法，实现基于建筑使用者行为特征感知的个人热需求预测（图3）[11]。实测结果表明：该方法对建筑使用者是否进行热适应行为的预测精度达到92%，使用者热需求预测精度达到91%。

3 基于建筑使用者行为特征感知的个人热需求预测方法与系统，引自参考文献[11]

2.2 绿色建筑自适应表皮形态计算性设计方法与技术

团队应用计算性设计方法实现多性能目标耦合下的建筑自适应表皮设计元素自组织生成与自适应优化，耦合人工神经网络（ANN）和多目标进化算法（MOEA），提出了建筑自适应表皮计算性设计方法[12]，同步开发了自适应表皮形态计算性设计工具，能够基于“镶嵌几何”原理，生成建筑自适应表皮形态；发挥计算性思维的并行计算优势，通过聚类分析将自适应表皮高维数据空间映射到二维空间，从而在建筑自适应表皮设计过程中实现对10 项以上建筑绿色性能的权衡改善。

2.3 绿色建筑自适应表皮模块化智慧控制方法与技术

建筑自适应表皮控制计算量大、模块化精准控制难度高。团队应用计算性设计方法，提出了融合整数规划（integer programming）与代理建模（surrogate modelling）算法的建筑自适应表皮模块化智慧控制方法，能够基于日照辐射分布信息，控制建筑自适应表皮进行多模块形变，回应开放办公空间光热环境差异化需求（图4），有效改善了建成环境自然采光性能，降低了眩光风险，相比传统静态表皮最高可实现15%的性能提升[13]。

4 建筑自适应表皮模块化智慧控制流程，引自参考文献[13]

综合应用上述设计方法与关键技术，团队构建了可感知使用者行为的绿色建筑自适应表皮系统，旨在契合使用者个性化光热舒适度要求，权衡改善建成环境光热舒适性能和建筑能效[14]。

3 结论

双碳战略导向下，建筑绿色性能水平将持续提升，其性能目标体系也将日益复合化，对绿色建筑自适应表皮创作提出了新的挑战。基于计算性思维的设计方法与技术发挥了人工智能技术优势，为绿色建筑自适应表皮发展提供了有力支撑，使其能够高效感知环境波动与使用者舒适度需求，精准调控建筑能效与建成环境舒适性能。“新基建”战略为我国“新城建”持续注入新动能。计算性设计也将通过赋能绿色建筑自适应表皮创作，持续推动人居环境建设的信息化升级与工业化转型。□