绿色建筑视域下环境艺术设计神经网络评价方法研究

陈燕萍

（泉州职业技术大学福建省高校绿色建筑工程技术应用中心，福建 泉州 362200）

环境艺术设计是以环境生态学基本理念为指引的设计，分为景观设计、室内设计两大类。作为一门实用艺术，环境艺术设计涉及建筑学、城市规划学、环境心理学、环境行为学等多门学科，在当代设计中占据着非常重要的地位。绿色建筑最早由美国建筑师保罗·索勒瑞提出，是现代生态理念与建筑结合的产物。早期绿色建筑更多关注的是建筑能耗的降低与建筑对环境负面影响的减少。20世纪90年代以来，随着可持续建筑理念的发展，绿色建筑评价成为学界研究的热点，不少国家出台了绿色建筑评价标准。环境艺术设计与绿色建筑具有很强的耦合性，因此，要发展绿色建筑视域下环境艺术设计的评价工作，而神经网络的发展则为环境艺术设计评价提供了有力的支持。

一、神经网络

（一）神经网络的内涵

神经网络（Neural Networks），即人工神经网络，也称连接模型。根据现代神经科学理论，由细胞体、树突以及轴突构成的神经元是生物神经系统结构的基本单元。细胞体作为神经元的主体部分，包括细胞膜、细胞质、细胞核等物质。树突由细胞膜向外延伸形成，呈放射状，具有信息接受作用。轴突为细胞体发出的最长的一条突起，具有信息传输作用。神经元相互接触，接触部位形成突触，无数的神经元共同构成了生物神经元模型。神经网络以现代神经科学理论为基础，从仿生学的角度出发，模拟人脑神经系统的机理与运作方式，从而使计算机具备人脑的感知、学习及信息处理能力。神经网络本质上是一种算法数学模型，依托海量的人工神经元进行分布式并行信息处理，具有强大的运算能力以及自适应性、容错性等优点。[1]

（二）神经网络的类型

神经网络由人工神经元经拓扑结构组织而成，依据拓扑结构的差异，可将神经网络分为两大类：一是分层网络。分层网络以层次结构组织神经元，分为输入层、中间层以及输出层三个层次。输入层负责网络外部信号的输入，并将输入信号传递到中间层。中间层也称隐含层，是分层网络的中枢处理单元，负责输入信号的识别、分析与处理。输出层负责将中间层处理的结果以需要的形式表达出来。分层网络包含三个亚类：简单型前向网络、反馈型前向网络与层内相互型前向网络。二是相交连接型网络。相交连接型网络没有层次结构的划分，网络中的任意两个人工神经单元均可以相互连接，并相互作用、相互影响。与分层网络相比，相交连接型网络对网络设计的要求更高。若缺乏合理的设计，相交连接型网络易出现周期性震荡、无法收敛的问题。

（三）神经网络的特征

神经网络的特征包含结构特征、能力特征两个方面。从结构特征的角度而言，神经网络由海量神经元依据不同方式连接而成，是典型的非线性系统，具有并行处理的特征，能够仿照人脑的各类功能开展快速的运算。神经网络在信息存储上，依托自身结构上的并行性，采用的是分布式存储方式，具有联想记忆的功能。同时，神经网络也具有容错性的结构特征，当部分神经元被破坏时，神经网络系统整体并不会受到影响，仍能继续处理信息。[2]从能力特征的角度而言，神经网络具有自学习、自组织以及自适应性的能力特征。一方面，神经网络能够从外部环境获得知识，开展学习，并根据一定的学习规则，调整神经元间的连接强度，另一方面，神经网络也能调整突触权值，以便更好地适应外部环境的变化。

二、环境艺术设计的基本原则

（一）人本性原则

人本性原则是环境艺术设计最为基本的原则，也是充分实现环境艺术设计思路与目标的主要原则。人本性原则下的环境艺术设计要做好以下三点内容，第一、以满足人的需求为出发点。环境艺术设计要以人的需求为出发点，确保设计方案的人本性。第二、注重人需求的多样性。以往的环境艺术设计存在很大的局限性，最为典型的便是对人的需求的考虑片面，仅仅注意到了环境艺术功能层面的价值，忽略了人文层面的价值。环境艺术设计要充分考虑人的各种需求，如交往需求、休憩需求、审美需求、文化需求等，使环境艺术设计可以全方位满足人的需求。第三、对人需求的变化有前瞻性意识。环境艺术设计要立足社会主要矛盾的变化，合理预测人的需求变化方向，借助前瞻性设计来提高环境艺术的寿命。

（二）生态性原则

现代意义上的生态设计思想起源于两次工业革命后，是生态危机的产物。20世纪20年代，发达国家将生态理论引入设计领域，对建筑设计、景观设计、产品设计等产生了深远的影响。第二次世界大战后，随着科学技术的不断发展，人类改造、征服自然的能力大为提升，生态破坏日益严峻。1996年，Sim Van der Ryn和Stuart Cowan 出版《生态设计》，以传统自然设计理念为基础，对生态设计的内涵、要求、原则等做了全方位的阐释，使生态设计思想成为现代设计中的主流思想之一。《设计艺术的生态环境学》指出，当代艺术设计倡导“重新回归与自然环境的共处”[3]，为环境艺术设计指明了方向。要将生态设计作为环境艺术设计的重要原则，从建筑布局规划、室内环境设计、室外环境设计等多个维度践行生态思想。

（三）系统性原则

从系统论的角度而言，环境艺术设计是一个完整的系统，包括诸多的子系统，同时，各系统间又有鲜明的层次。因此，系统性原则就成为环境艺术设计的重要原则。首先，加强各要素设计。环境艺术设计的要素较多，任何要素设计的设计质量都会影响到整体的设计质量。要加强各要素，如材料要素、色彩要素等的设计。其次，重视整体风格设计。环境艺术风格多样，风格的整体呈现是环境艺术设计的重要目标。要深刻认识各要素设计在环境艺术整体风格设计中的重要性，以环境艺术整体风格统摄各要素设计，实现“1+1＞2”的设计效果。

（四）经济性原则

经济性原则同样是环境艺术设计的重要原则。环境艺术设计力图以最低的投入实现最佳的效果，必须具备成本控制意识，并从以下三个角度采取措施。一是合理控制设计阶段的成本。要以设计流程的优化、设计方法的创新进一步压缩设计阶段成本。二是具备成本导向意识。材料成本、施工成本是环境艺术建筑的主要成本，而材料成本、施工成本又和环境艺术设计有着密切的关系。要具备成本导向意识，在环境艺术设计中，不仅关注环境艺术的功能性、审美性、文化性，也要关注成本，比如，在材料的选择中，要优先选择成本较低，且符合生态保护要求的新型复合材料。三是做好设计论证。环境艺术设计完成后，要组织专家学者开展设计论证，尽可能减少设计中的不合理内容，降低后续设计变更的风险，为环境艺术建设的有序开展创造条件。

三、绿色建筑视域下环境艺术设计神经网络评价模型

（一）构建环境艺术设计评价指标体系

评价指标是绿色建筑视域下环境艺术设计神经网络评价的基础。当前，针对绿色建筑的评价指标已经非常多，学者们依托《绿色建筑评价标准》，设计了大量的评价指标体系。可借鉴绿色建筑评价指标体系，从以下三个原则出发，构建绿色建筑视域下环境艺术设计评价指标体系。一是针对性。评价指标体系要和环境艺术设计高度关联起来，契合环境艺术设计的特征与发展需求。二是一致性。评价指标的确立多由专家学者商议而来，在实践中要尽可能采用相同的评价目标，确保评价指标能够如实反映环境艺术设计的情况。[5]三是可操作性。评价指标要具备良好的操作性，便于计算和分析。基于此，本文将绿色建筑视域下环境艺术设计评价指标分为可持续场址、材料与资源、室内环境质量三类，构建了涵盖12个二级指标的评价指标体系（见表1）。

表1 环境艺术设计评价指标体系表

（二）环境艺术设计等级划分

等级划分的主要目标是呈现绿色建筑视域下环境艺术设计方案的差异，从而评价设计方案的优劣。此处，采用专家打分法，以建筑领域、环境艺术设计领域、生态领域以及信息技术领域的专家为调查对象，将绿色建筑视域下环境艺术设计评价指标体系作为调查内容，以1、2、3、4、5、6、7、8、9表示判断程度数值，其中，奇数值表示的是评价指标相应的重要程度，数值越低，则重要性越低，偶数值表示的是两个相邻的评价指标之间的重要程度。需要专家从判断矩阵标度法理论出发，以赋值的方式来确定各层次评价指标的重要性。根据专家打分的结果，划分绿色建筑视域下环境艺术设计等级（见表2）。

表2 绿色建筑视域下环境艺术设计等级

（三）筛选环境艺术设计评价指标

采用灰色关联分析算法对评价指标进行筛选，并确立评价指标权重。灰色理论由华中科技大学邓聚龙1982年提出，是一种研究带有不确定现象的数学科学理论，主要研究的是灰色系统中灰色信息白化的问题。基于灰色理论的方法有很多，如灰色关联分析、灰色系统模型、灰色规划、灰色控制等，在评价中有着非常广泛的应用。[6]选取绿色建筑视域下环境艺术设计的等级作为参考序列，将绿色建筑视域下环境艺术设计评价指标体系作为比较序列，记作（1）：

由于绿色建筑视域下环境艺术设计评价指标的量纲不同，难以直接开展数据比较。此处，采用极值化法公式（2）对绿色建筑视域下环境艺术设计评价指标的数据进行预处理，并形成评价指标数据（3）。

计算比较和参考序列对应元素之间的灰色关联系数（4），计算绿色建筑视域下环境艺术设计评价指标的灰色关联度（5）。

根据评价结果，筛选出环境艺术设计评价指标，并从灰色关联度出发，确定留下指标的权重（见表3）。

表3 绿色建筑视域下环境艺术设计指标权重

（四）绿色建筑视域下环境艺术设计神经网络评价改进

RBF神经网络是神经网络的一种类型，具有很强的学习能力与记忆能力，在绿色建筑视域下环境艺术设计评价改进中具有重要的应用价值。对此，可将RBF神经网络应用到绿色建筑视域下环境艺术设计评价建模中，具体模型如（6）所示，其中，Xi表示的n维输入向量，Tk表示的是隐含层节点的中心。

在RBF神经网络中，节点的输出计算公式为（7），其中，j代表第j个节点，wki代表输出层的连接权值。采用K均值聚类算法来计算中间层节点数（8），其中，δ表示径向基中心宽度，确定方式如（9）。

四、绿色建筑视域下环境艺术设计改进

（一）树立多维设计理念

多维设计理念有着悠久的历史，最早可以追溯到古罗马建筑师维特鲁威的《建筑十书》。该书提出了实用、坚固、美观三大维度，凸显了建筑设计维度的多样性。随着时代的不断发展，设计维度也在增加，如安全维度、功能维度、艺术维度、人文维度、创新维度、成本维度、实施维度。因此，环境艺术设计中要树立多维设计理念。首先，保证环境艺术的实用性。多维设计主义以安全维度、功能维度为基础内容，而安全维度、功能维度正是环境艺术发挥自身功能的必备条件。其次，保证环境艺术的经济性。多维设计主义高度注重设计的经济效益，力图从成本维度、实施维度出发，降低成本。最后，保证环境艺术的人文性。多维设计主义注重从艺术的层面来提高设计的审美效果，并以在地性原则为出发点，将地方文化与设计紧密融合起来，这能保证环境艺术的人文性。

（二）坚持绿色设计思路

绿色设计属于生态设计的范畴，绿色设计理念也是践行生态思想的基本要求。要立足当前生态文明建设的要求，以“人与自然和谐相处”为切入点，将绿色设计理念融入到环境艺术设计中。从外部环境的角度而言，要注重环境艺术的绿化设计，并且，在植物，如树木、花卉的选择中，要以本土树木、花卉为主，降低成本的同时，提高环境艺术设计的地域色彩。从建筑材料的角度而言，要尽可能选用可降解、污染低的绿色环保材料，如在梁柱结构的设计中，应采用钢木组合结构，以快生木材和钢制连接构件为主。[7]从节能环保的角度而言，要重视能源的高效利用。以太阳能为例，可采用主动式太阳能技术，将太阳能光伏板安装在日照条件较好的墙体上，使光伏发电板能够最大限度地吸收、转化、利用太阳能，减少环境艺术自然能源的消耗。

（三）优化空间设计

空间设计作为环境艺术设计的重点，涵盖空间重新组织以及空间界面处理两个方面的内容，空间设计的质量直接关系到环境艺术设计的整体效果。对此，要从以下两点优化空间设计。第一，最大限度利用好空间。环境艺术的空间是有限的，环境艺术空间有效利用的重要性愈加凸显。要着力减少环境艺术空间中的空白点，使每一寸空间均有相应的功能。第二，优化空间布局。以功能分区为导向，合理规划环境艺术空间布局，使环境艺术空间兼有开放性与私密性。以留风园环境艺术为例，该建筑地上建筑分为两层，第一层的功能以接待、会客为主，空间总体为开放式，细分功能区包括端庄大气的门厅、典雅庄重的会客厅等。第二层的功能以居住为主，空间具有很强的私密性，卧室、书房的套房设计使得业主的生活具有很高的品质感。

五、结语

现代意义上的环境艺术起源于工业革命之后。工业革命极大地提升了社会生产力，也深刻改变了人类的生活状态。一方面，城市人口不断增加，城市居住环境不堪重负，面临着多重问题，另一方面，生态环境持续恶化。神经网络的发展与应用为环境艺术设计评价带来了新的思路，因此，应加强神经网络在绿色建筑视域下环境艺术设计评价中的应用，根据评价结果，改进环境艺术设计。