虞剛，李力/YU Gang, LI Li

“互動”一詞的含義，有心理學、物理學及社會學不同方面的闡釋?！盎ァ笔墙惶婧拖嗷サ囊馑?；而“動”是起作用或變化運動的意思。因此，“互動”是使不同系統(tǒng)或物質間發(fā)生相互作用或變化的過程。如今，建筑學的所謂“互動”（interactive）通常和“可適應”（adaptive）、“可變”（flexible）、“響應”（responsive）等概念相關聯。隨著過去幾十年技術的不斷進步，“互動”在建筑學中涉及的理論外沿和實際意義也在不斷拓展。

值得注意的是，互動并不總是建筑學領域的主要關注對象。在早期，互動更多地被看作是建筑學之外的技術問題，是作為設備技術的一部分，而不是建筑學的內部問題，正如電梯或自動門等等。在很長一段時間，互動問題基本處在游離于建筑學邊緣的境地。之后，隨著數字和網絡技術對日常生活的全面介入，互動才重新得到重視，成為日常建成環(huán)境中無法回避的重要問題。互動的重要性將日益突出，甚至在不久以后會成為建筑學未來面臨的核心問題，這對建筑師和建筑教育來說既是新挑戰(zhàn)也是新機遇。

1 互動作為未來趨勢

簡單的說，互動建筑是指能夠和人及其周邊環(huán)境產生相互作用的建筑，是具有適應性和可變性的建筑，能根據使用者的需求和環(huán)境狀況發(fā)生實時或延時改變，同時，這種變化也會影響使用者對于建筑的感知、認知和使用。從使用和使用者這個角度來說，互動建筑設計的好壞并不完全取決于技術的復雜和先進程度，而在于是否能對使用者、環(huán)境和時間做出恰當的回應，并切實解決設計問題。

1950年代的“遙控”技術帶動了建筑中環(huán)境控制系統(tǒng)的發(fā)展，建筑中出現了“中央控制室”這一功能。隨著系統(tǒng)控制的發(fā)展，1960年代控制室發(fā)展成硬件連線的控制板，它能記錄信息，提示和警告出問題的參數，這樣，控制系統(tǒng)占用的面積大大縮小。1970年代，建筑師轉而追求建筑和環(huán)境的使用效率，他們試圖應用技術來提高房屋的耐久性并節(jié)約資金花費。這個過程同時伴隨了兩種傾向的出現，一方面，主流建筑界無法接受這些互動技術作為建筑的基本出發(fā)點，僅僅是作為改善建筑環(huán)境的某類技術；另一方面，先鋒建筑師們看到了新技術在未來的巨大潛力，不論在觀念還是在小范圍的實踐中都做出了全新探索。這兩方面的探索都為如今的互動建筑學奠定了技術和觀念基礎，缺一不可。1961年設計的“歡樂宮”（Fun Palace），是最早付諸實施的建筑師、規(guī)劃師、控制論專家以及計算機專家合作的互動建筑項目（圖1）。項目的參與者將控制論思維引入到建筑領域，為互動建筑理論奠定技術理論基礎。他們的開創(chuàng)性工作為后來建筑中互動設備的設置提供了基本的概念框架，以便應對和解決互動的復雜性，保證互動環(huán)境參與者的創(chuàng)造性角色，且避免出現僵化、教條甚至攻擊性的互動環(huán)境。建筑師首先是個系統(tǒng)架構者，這樣，建筑的“可操控”能力才會被強調，建筑系統(tǒng)才能支撐信息流在建筑中的合理運轉。

在控制論專家的影響下，互動建筑領域開始蓬勃發(fā)展，逐步建立了整體的理論框架和技術基礎，開展了各種類型的實踐活動。當時的美國建筑學者與計算機專家共同發(fā)展出“適應性-條件式建筑”（Adaptive-Conditional Architecture）的概念模型，認為建筑師應當將空間和使用者看作整體的反饋系統(tǒng)，在建立了使用者和建筑之間的雙向關系后，也就建立了一個適應性建筑環(huán)境。這個概念模型是建立在當時的機械自動化線性思維之上，是利用當時的技術條件提供了一個機器導向的互動模型，適合于處理簡單邏輯的互動模式，依賴的是大量初級裝置的平行運作。這個想法在當時得到了眾多響應，其中最為典型的做法認為設計的目標之一是通過預測和避免不確定性，來預測建筑中使用者的未來需求，以便讓建筑存活更長的時間，而新技術通常能幫助建筑師實現這個目標。以此為基礎，設想利用控制論技術實現建筑的自動化，以便解決建筑中存在的現實問題，創(chuàng)造融合控制論和建筑學的可預見機制。

微機和個人電腦（PC）后來在建筑中的引入，導致集散式數字控制取代了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，也讓人機互動技術、人工智能和機器人科學在建筑中的應用發(fā)展到了一個新的階段并逐步得到統(tǒng)一整合。這讓互動建筑在實現自我調整的同時，具有很強的參與性?！捌占斑\算”（Ubiquitous Computing）概念的產生，改變了人們對于互動建筑的理解及設計方式，使得人們能將發(fā)生互動的界面與其背后的運算技術分開設計與研究。這影響了后續(xù)的互動建筑的理論發(fā)展，也成為了嵌入式計算研究的開端。后續(xù)研究據此又發(fā)展出了“智能環(huán)境”（Intelligent Environments）的概念。它的研究重點在于如何在空間中整合嵌入式計算和通訊技術，如何在建筑中加入人工智能和機器學習的技術，如何利用計算增進和改善人們的日?；顒?。比如，利用控制系統(tǒng)觀察和預測居住者的行為和需求，并且學習控制和管理風熱、水熱、通風和照明。隨著互聯網和無線網技術的普及，嵌入式計算在技術上和經濟上都變得更加可行，互動建筑領域也呈現出空前的多樣性和可能性（圖2）。盡管近些年技術的飛速更新已經極大促進了互動建筑的進步，但建筑工業(yè)在新技術的使用上一直存在滯后性，尤其在嵌入式計算方面，明顯落后于汽車工業(yè)、航天工業(yè)、娛樂業(yè)以及消費品制造業(yè)。

1 歡樂宮室內透視圖（圖片來源：www.cca.qc.ca）

如今，建筑師不再僅僅解決過去面對的人機互動問題，而在探索互動建筑的新方向和新美學，例如，如何讓互動建筑轉向模仿生命活動?；咏ㄖ哪Ｊ秸趶臋C械式轉變?yōu)橛袡C式，或者說更加自然。英國建筑學者提出建筑將會越來越可變，并具有以下特征：適應不同功能和要求，具有形變的可能性，可移動性，具有互動性的建筑室內外[1]。這些特征是多種因素共同運作的結果，既可以用來控制能源，也可以用來控制建筑的外觀。建筑將變得既具有自動化特征，又具有“直覺”，也就是說，無需過度精確的輸入就能產生一整套恰當的適應性反應。近些年互動建筑探索的代表人物邁克爾·?？怂梗∕ichael Fox）和菲利普·比斯利（Philip Beesley），則以不同類型的定義作為切入點，創(chuàng)建人與空間之間的新雙向關系。他們都強調互動建筑的嵌入式計算和物理變化，?？怂垢P注互動（Interactive），比斯利更看重反應（reactive）。比斯利所說的反應，是指一套在某個范圍內感知行為的網絡架構，可以根據程序和設定好的邏輯做出動態(tài)響應[2]。福克斯的互動，強調的是可循環(huán)，而不僅僅是反應。這兩者的區(qū)別實際上沒有那么明顯，都試圖建立一套完整的互動系統(tǒng)[3]。因此，不論是互動系統(tǒng)還是反應系統(tǒng)，其背后隱藏的使用者和技術之間的互動模式才是重點?，F有技術條件下的互動模式分為三種：直接控制模式、間接控制模式和兩者兼有的混合控制模式。其中，混合模式優(yōu)點明顯，也易于滿足互動模式的目標：使用者可以任意調整面對機器的方式，以便在兩者之間實現共同的反饋平衡，換句話說，建筑可以向使用者學習，使用者也可以向建筑學習。這樣，建立互動系統(tǒng)的主要原則就是如何建立一套系統(tǒng)，既能讓使用者擁有足夠靈活性，又能避免隨意性，以便防止不可知的輸出結果所導致的脫節(jié)狀態(tài)。互動建筑所面臨的挑戰(zhàn)不是如何提供更高效更優(yōu)化的互動系統(tǒng)，而是如何持續(xù)鼓勵和激發(fā)使用者的創(chuàng)造力，并在使用者和系統(tǒng)之間不斷創(chuàng)建新型的對話關系，以避免陷入無聊而單一的建筑環(huán)境。

2 互動建筑設計的教學實踐

在此背景下，我們在東南大學建筑學院四年級本科教學中設置了互動建筑設計教學環(huán)節(jié)，試圖讓學生在8周時間內理解和整合機械電子技術和建成空間，對未來設計的可能發(fā)展方向做出自己的思考。作為具有前瞻性的設計題目，要求設計成果不能只停留在紙面建造。在短短8周內，學生們需要先學習基本的編程和機械電子技術，針對特定的使用需求，提出互動建筑空間的基本模式，最后建造出小尺度的互動空間原型實體模型。

我們從設計的角度將互動建筑分為4個主要方向：表皮（envelope）、空間（space）、結構（structure）和媒體（media），試圖讓學生從建筑本身的問題出發(fā)創(chuàng)造獨特的互動模式，并建立相應的設計和制造系統(tǒng)。

表皮方面指的是，如何利用新技術探索使用者與建筑立面或內部空間表面之間的互動；空間方面指的是，如何利用互動技術創(chuàng)造與使用者相輔相成的空間布局和限定；結構方面是指與使用者產生互動的可動和可變結構探索；媒體是指利用新媒體或信息展示技術與使用者在建成環(huán)境中產生直接或間接互動的探索。最終的設計成果呈現如下：

2.1以規(guī)律變化的表皮和信息互動為主

針對相對單一或枯燥的建筑室外空間，以及現有城市公共空間中信息展示的無序和混亂狀態(tài)，“信息墻”（Hexagon Info-Wall）同時整合了表皮和媒體兩個方向的互動模式，其最終目標是設計和搭建一個包含六邊形“像素”的信息展示表皮幕墻系統(tǒng)，為公眾提供具有參與性和互動性的公共場所，同時激活建筑、場地和使用者，并讓三者之間產生互動（圖 3）。

利用arduino程序及相關電子和機械裝置，“信息墻”搭建了一個等比例的局部單元模型，以模擬真實環(huán)境下的互動。這個設計既考慮了“墻面”的視覺審美效果，又考慮了整合電子機械設備的各種可能性，以便模擬真實情況下使用者與“信息墻”之間的互動，為真實建造提供可行和合理的參考。具體而言，當使用者靠近“信息墻”時，墻面上的六邊形單元會產生旋轉變化，以產生不同的信息組合模式（圖4）。

2 巴哈爾大廈（Al Bahar tower）動態(tài)立面（圖片來源：picstopin.com）

3“信息墻”場景設想效果圖（繪圖：鄒傳正，蔣鈺人，方志華）

4“信息墻”最終實體模型（攝影：虞剛，李力）

2.2以水平和垂直互動空間劃分為主

這個方向包含了兩個方案，一個以水平互動空間為主展開互動模式的探索，另一個以垂直互動空間為主。兩個方案的設計過程類似，都分為4個階段：根據特定的使用需求，提出初步概念；制作簡化版實物和數字模型，驗證概念的合理性和可行性；在模型中整合相關軟件、程序、電子裝置和機械架構，實現滿足需求的傳動和互動模式；終版實物模型的制作和測試。除了空間限定模式的不同，兩個方案之間的最大不同在于傳動模式：水平限定為主的方案采用類似于打印機步進電機的工作模式，通過左右水平向運動方式引導不同的空間分割組件水平移動，以便實現多種方式的水平空間限定；垂直限定為主的方案也采用步進電機作為驅動，但采用的是偏心圓轉動的方式實現單元組件不同距離的上下移動，以實現垂直方向的多種空間限定。由于實際條件的限制，小尺度模型更偏向于原理模擬，而不完全是實際運用。不過，在實際工程中，根據此小樣模型做出相應的調整，替換更堅固耐用的材料、電子設備及組件，便可滿足實際需求（圖5）。

以水平互動空間研究為主的“動態(tài)交織”（Kinetic Weaving）方案，希望改變走道或類似空間的封閉屬性，試圖根據使用者的需要創(chuàng)造動態(tài)的空間分割模式，例如廊道模式、半圍合模式或斜線穿越模式，以便改變通常的水平空間劃分模式。此設計搭建了等比例模型，以便模擬幾種空間模式的開啟和閉合。這個方案的主體空間由12個板塊單元圍合而成，每個模塊由一個步進電機在水平方向驅動，以形成不同的圍合和空間限定方式。與人互動的傳感器分別安裝在地板和側面，12個板塊單元會根據感應裝置對使用者行為的判斷，同時做出相應的空間劃分組合和變化（圖6）。

以垂直互動空間研究為主的“弦下”（Under the Sine）方案希望改變通常的垂直空間限定模式，也就是將常規(guī)意義上的“天花板”從靜態(tài)轉換為動態(tài)，以滿足不同情況中使用者的需求和愿望（圖7）。在設計和制作過程中，方案先是將“天花板”轉換為多個小單元，然后利用感應系統(tǒng)和傳動裝置將多個小單元的正弦曲線運動模式轉化為電機驅動的圓周運動模式，巧妙地實現了多個單元體之間的規(guī)則波浪形動態(tài)組合（圖8）。這個方案的最終目標是，建立可根據使用者不同行為產生相應變化的水平向“天花”。

2.3以豎向結構體變形互動為主

“葉亭”（Leaves Pavilion）方案試圖思考建筑物為何互動、為何吸引人和如何吸引人的問題，思考和理解建筑物與群體行為之間的互動關系，以及互動方式對人們日常生活的干預程度?！叭~亭”設置了一組可動可展開的獨立柱亭，可以根據人們在場所中的集散狀況做出相應的變化，一方面為人們提供某種程度的遮風避雨的場所，另一方面也使場所中的人們感受到互動的樂趣（圖9）。

根據前面設想的景觀方案，這個設計制作了等比例的互動模型，以便模擬真實的互動場景。在設計過程中，既要考慮電子設備機械裝置的整合，又要考慮實際建造的可能性，還要對整套傳感器和電機進行編碼與控制，考慮零件和材料的組裝方式，同時，解決傳動和感應帶來的各種摩擦損耗、震動頻率和組裝問題（圖10）。

由于與通常的建筑設計教學存在較大差別，教學包含了很多跨學科跨專業(yè)的內容，我們重新設計了教案，并將8周的教學過程分成4個環(huán)節(jié)的內容：

首先是設計的初步階段，也就是提出預期設計構想和具體操作步驟。初步設計方案通常是一個概要性的設計，一方面可以針對特定建筑設計問題提出初步設想，另一方面也可以為后來的互動實體構造設計及互動控制系統(tǒng)提供具體的發(fā)展方向。

其次是互動實體模型設計階段，也就是說，利用計算機軟件，設計和優(yōu)化或者模塊化基本單元，建立數字模型，研究基本單元之間的組合模式。同時，建立初步的實體模型驗證，優(yōu)化已有的數字模型，然后以此為基礎，構成基本的互動系統(tǒng)，并最終形成一體化的互動實體構造。

5“動態(tài)交織”模型細部和制作（圖片來源：傅瑞盈，王玥，茆羽攝）

7“弦下”效果圖（繪圖：呂雅蓓，王晨，徐海聞，葛鵬飛）

6“動態(tài)交織”實體模型互動演示（攝影：虞剛，李力）

8“弦下”實體模型互動（攝影：虞剛，李力）

第三是互動控制系統(tǒng)設計階段，其中的控制系統(tǒng)包括軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)主要依靠設計者自己開發(fā)，開展計算機語言編程，硬件系統(tǒng)包括感應器、電路板和機械傳動裝置的設計和調試?？刂葡到y(tǒng)將建立互動界面中各類電子感應元件與環(huán)境活動之間的聯系。然后，通過編寫相應的計算機程序語言，實現對整個系統(tǒng)運行的控制。

最后是數控制造和組裝階段?；咏ㄖh(huán)境的建造，以及互動系統(tǒng)的控制都可以預先在編制好的計算機程序和數字模型中模擬驗證并進行修正，同時利用相關工具設備，安裝和制作初步實體模型，然后反復調試、優(yōu)化甚至重建整個系統(tǒng)模型。

這4個環(huán)節(jié)不是相互孤立和線性發(fā)展的關系，在8周的教學過程中需要學生進行不斷的反饋循環(huán)，優(yōu)化不同階段得到的實驗結果，才能最終建立一個相對完整和可行的互動建筑系統(tǒng)。最終教學成果以可與人體互動的實體模型為主，同時輔以標準的建筑圖紙內容以及視頻，這樣既能讓學生明白互動建筑如何可教可學，又能為教學成果提供清晰的判別標準。

3 互動建筑設計的教學目標

近些年不斷快速更新的數字技術，一方面為互動建筑系統(tǒng)的創(chuàng)造和運作提供了更多的可能性，另一方面也為互動系統(tǒng)帶來更多的復雜性和不確定性。如何更好地整合技術更新和現有互動系統(tǒng)，將是互動建筑面臨的重要問題。這需要將數字技術的全面介入納入到特定的框架和可控范圍內，以保證整體系統(tǒng)的順利運行[4]。

首先，要保證有足夠可變和可控的剛性。數字技術需要被整合到剛性可變和可控的結構和材料中，才能保證所受張力或拉力的可控，進而保證力在整個結構中的順暢傳導。其次，要充分利用軟件建立預測性數字模型，分析和測試互動系統(tǒng)。軟件模型將幫助設計者有效發(fā)展和提煉設計過程，以對互動系統(tǒng)開展更精確的控制。第三，既要在數量和質量方面給予環(huán)境參數以足夠的余量，也要給予互動系統(tǒng)自身運轉足夠的余量。第四，要充分預估設計的難度而不是數字技術本身的難度。互動建筑系統(tǒng)運作失控或失效，常常是設計問題引起的結果，而不是技術問題。第五，要在數字技術工具或設備與現實世界之間建立合理準確的對應關系。數字技術讓互動建筑在收集現實世界數據并做出反饋的過程中變得更加準確和快捷，但也可能會制造更大的問題[5]。

教學過程制作互動裝置的目的，不只是簡單要求學生做個會動的模型，也希望學生重新反思當代建筑學面臨新技術時產生的兩個問題：第一是重新反思技術和建筑的關系。例如，靜態(tài)空間常常不暴露技術如何運作，而互動空間則不得不面對各種互動技術的顯現，應如何處理好這種顯現？第二是重新反思建筑師的角色。19世紀以來，建筑技術越來越將建筑師排除在外，然而，隨著數字時代新型互動技術的興起，以及人工智能技術的大范圍普及，將迫使建筑師重新審視這個問題，否則將無法適應和滿足人類日益擴大的互動需求。

互動技術本身能提供的支持已經遠遠超過建筑學對互動技術的理解和需求，在互動建筑設計教學中，首先需要改變的是自身的認識和觀念，其次要重新審視并深入參與到互動技術中，才能真正創(chuàng)造出新技術條件下符合互動需求的互動空間?！酰ǜ兄x參與四年級互動建筑設計教學的同學們：周宇琪、徐思暢、張亞傅、瑞盈、王玥、茆羽、呂雅蓓、王晨、徐海聞、葛鵬飛、鄒傳正、蔣鈺人、方志華）

9“葉亭”應用場景效果圖（繪圖：周宇琪，徐思暢，張亞）

10“葉亭”最終實體模型（攝影：虞剛，李力）