李力 韓冬青 董嘉

東南大學建筑學院

1 研究背景

綠色建筑的研究與設計實踐必須見物見人，才能在低能耗的前提下尋找到提升空間舒適度的策略與方法。在既定的建筑總體布局中，室內(nèi)空間單元對氣候性能與行為模式的雙重適應性是關鍵的設計環(huán)節(jié)，具備不可忽視的綠色設計潛力。為此，需要研究建筑單一空間中內(nèi)部氣候性能與使用者行為心理模式之間的交互影響機制。

室內(nèi)行為研究領域的主要困難是數(shù)據(jù)的采集。既有研究局限在單一行為對室內(nèi)環(huán)境的影響，如門窗與暖氣照明的開關以及百葉的開合等[1-3]。其中大部分研究僅停留在行為與能耗的相互作用關系上，鮮有涉及建筑設計層面。隨著傳感器技術、嵌入式系統(tǒng)以及無線傳感網(wǎng)絡技術的發(fā)展，室內(nèi)行為信息的采集技術與工具已獲得突破性進展，使成本越來越低，可靠性也逐漸提升。在既有環(huán)境中，非侵入性的精細顆粒度的長時間室內(nèi)行為及環(huán)境觀測逐漸成為可能。如何獲取和整合各類有效數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其中的模式規(guī)律，進而科學評估既有設計的不足并引導設計優(yōu)化，成為綠色建筑研究領域的新課題。

此次研究以某高校圖書館閱覽室為實驗樣本，借助高精度室內(nèi)定位系統(tǒng)及無線傳感網(wǎng)絡，對閱覽行為、室內(nèi)照度、溫濕度等物理參數(shù)進行了精細粒度的采樣；通過對采樣數(shù)據(jù)的可視化及統(tǒng)計分析，挖掘不同環(huán)境條件下的行為偏好和規(guī)律，再結合數(shù)字調(diào)查問卷，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有設計的不足；在此基礎上提出流線、功能布局等設計層面的改進策略，并對閱覽室空間進行設計優(yōu)化，展現(xiàn)了該研究從數(shù)據(jù)的采集、整理和分析到設計改進的完整流程。

2 數(shù)據(jù)采集環(huán)境與方法

作為此次研究樣本的閱覽室平面呈矩形，南北長16m，東西長18m，凈高4m（圖1，2）。該閱覽室東邊為實墻，其余三面均大面積開窗并配內(nèi)部遮陽簾。閱覽室主要出入口在東北角，室內(nèi)均勻排布三排閱覽桌椅，以走道間隔，東側靠墻有一排書架。觀測時段為2018年春季，室內(nèi)采用自然通風，未開啟空調(diào)，白天以自然采光為主、人工照明為輔，南側陽光較好時，為避免直射，遮陽簾常處于遮蔽狀態(tài)。閱覽室的使用者主要為自習或查閱資料的大學生。

研究主要采集了人員行為軌跡、室內(nèi)物理環(huán)境以及使用者個人背景信息三類數(shù)據(jù)。

人員行為軌跡數(shù)據(jù)采用東南大學建筑學院建筑運算與應用研究所研發(fā)的高精度室內(nèi)定位系統(tǒng)[4]，該系統(tǒng)基于超寬帶（Ultra-wide Band）技術，定位精度高（±20cm），可實現(xiàn)多目標同時跟蹤，具有可視化界面，操作簡便。設備主要由標簽、基站及運行于筆記本電腦的服務終端組成（圖3）。基站設置在室內(nèi)固定位置；標簽由被監(jiān)測人員隨身攜帶，定位頻率2Hz，標簽通過與三個基站三次測距，再應用TOA算法計算基站間的相對位置。實驗中，在閱覽室的四角及中心位置放置5個基站（圖4），并將其固定在2.5m水平儀三腳架上；標簽由管理人員在閱覽室入口處發(fā)放給被觀測者，在他們離開時回收。

室內(nèi)物理環(huán)境通過Lifesmart無線傳感網(wǎng)絡采集，其多功能傳感器集成了照度、溫度及濕度傳感模塊，體積小，可通過紐扣電池供電長期工作（圖3）。在閱覽室內(nèi)均勻布置18個多功能傳感器，以便采集室內(nèi)不同區(qū)域的環(huán)境參數(shù)（圖4）。

被監(jiān)測人員的背景信息以數(shù)字問卷的形式獲得，監(jiān)測人員在離開閱覽室歸還標簽時，用手機掃描問卷二維碼進行填寫。填寫內(nèi)容包括：所持標簽序號；個人基本信息，如性別、年級和院系等；行為偏好，如同行人數(shù)、來圖書館的目的以及座位的選擇偏好等。

數(shù)據(jù)收集從2018年5月10日開始至5月27日結束，歷時18天，共收集有效數(shù)據(jù)樣本473組，定位數(shù)據(jù)包180 000余條。最后將室內(nèi)定位數(shù)據(jù)、建筑物理環(huán)境數(shù)據(jù)以及用戶個人信息數(shù)據(jù)通過其時間戳一一對應，并錄入MySQL數(shù)據(jù)庫儲存，以便進行調(diào)取與數(shù)據(jù)分析。

3 數(shù)據(jù)可視化與統(tǒng)計分析

在數(shù)據(jù)分析過程中，首先對各類數(shù)據(jù)進行清理、匯總、數(shù)理統(tǒng)計，再將室內(nèi)定位數(shù)據(jù)分別與實時物理環(huán)境參數(shù)、用戶個人信息數(shù)據(jù)相結合，以獲取數(shù)據(jù)間的相互關系（圖5）。

1 閱覽室內(nèi)部環(huán)境

2 閱覽室位置

3 室內(nèi)定位基站、標簽及多功能傳感器

4 監(jiān)測設備安裝位置

5 數(shù)據(jù)分析融合框架

6 每日流線及總體分布

7 每日選座及總體分布圖

定位數(shù)據(jù)的可視化直觀地呈現(xiàn)了空間中人的行為活動狀態(tài)。數(shù)據(jù)實時反映了某一時刻空間中人群的分布狀態(tài)和聚集程度，并可通過一段時間內(nèi)空間位置數(shù)據(jù)的累積疊加，得出人群分布在時間維度上的變化[5]。通過可視化程序，從數(shù)據(jù)庫中調(diào)用定位點數(shù)據(jù)，并描繪出每日標簽的活動軌跡。將數(shù)據(jù)收集期間的所有軌跡數(shù)據(jù)疊加，得到該空間內(nèi)的流線密度分布圖。圖6中的環(huán)形主流線明顯、清晰，且能夠看出在靠近入口的部分人流經(jīng)過次數(shù)較多，臨近入口的南北向走道幾乎承擔了室內(nèi)所有的南北向人流；而遠離入口的西側部分使用次數(shù)相對較少，利用效率較低。

憑借足夠的定位精度，根據(jù)行為與位置的關聯(lián)性，將定位數(shù)據(jù)進一步轉(zhuǎn)譯為空間中的行為數(shù)據(jù)。使用定位系統(tǒng)所在的坐標系，為該閱覽室中的168個座位設定各自的坐標，使之與定位程序獲取的位置數(shù)據(jù)相對應，并設定當定位標簽在某一座位停留時間超過10min時，則認定持有該定位標簽的同學選擇了該座位。由此得到每一個定位標簽全天所選擇過的位置以及它在該位置所停留的時長，圖中方塊顏色越深，表示停留時間越長。進一步將整個數(shù)據(jù)收集期間每天被選擇的座位疊加，得到該閱覽室的座位偏好分布圖（圖7）。如圖所示，閱覽室南面靠窗中部、西面靠窗中部以及東面中部是相對更受使用者歡迎的座位，而北面靠窗、閱覽室中部以及入口以外的三個角落的座位，被選擇的次數(shù)則相對較少。

9 獨自自習與結伴自習的選座分布圖

10 室內(nèi)布局設計優(yōu)化

通過在閱覽室內(nèi)均勻布置環(huán)境傳感器，可以得到各項環(huán)境指標分別在時間維度（一天中的不同時刻）和空間維度（不同空間位置的分布）上的變化（圖8）。

（1）溫度。溫度的成因比較復雜，同時受到人員密度、光照、室內(nèi)外空氣交換的影響?？傮w上有西側和中部兩個高溫帶，東側靠墻位置始終是低溫區(qū)域，但總體溫度變化范圍在23.9～26.8℃，屬于比較舒適的溫度區(qū)間。因此，可以認為溫度與選座的關聯(lián)性不大。

（2）濕度。濕度總體呈現(xiàn)西低東高的趨勢，變化范圍在59.7%～78.1%之間。早8∶00時閱覽室開放時，經(jīng)過一晚的積累，濕度較大，隨后西側的濕度逐漸降低。春季50%的相對濕度較為適宜，由于閱覽室溫度不高，即使?jié)穸绕咭膊粫屓烁械綈灍??？傮w上看，濕度與選座的關聯(lián)性也不大。

（3）照度。照度的分布主要受朝向、自然采光和室內(nèi)照明的影響，其變化范圍在39.3～116.3lux。既有研究表明，閱讀所需最低照度是30lux，最適合的照度約為60lux。20∶00時以后的照明主要依賴室內(nèi)照明，因此，閱覽室燈光照明提供的照度相對偏低。白天閱覽室南面靠窗中部、西面靠窗中部和東面中部的照度較為合適，而北面靠窗、閱覽室中部照度偏低，入口以外的三個角落的座位白天照度偏高。這與選座信息產(chǎn)生了較高的耦合性，照度偏高和偏低區(qū)域的選座率都相對偏低，尤其是17∶00～19∶00時左右，因西曬西側靠窗座位出現(xiàn)大量空座。因此可以看出，光照是選座的主要影響因素。

（4）心理因素。除物理環(huán)境的影響外，心理因素也會對選座產(chǎn)生影響。心理學家德克·德·瓊治（Derk de Jonge）曾提出心理學中的“邊界效應”理論，即人們喜愛逗留在區(qū)域的邊緣，而區(qū)域開敞的中間地帶是最后的選擇。這是一種出于人的安全感和領域感的需求，它解釋了閱覽室中部選座率較低的現(xiàn)象。此外，個人偏好對座位選擇也有顯著的影響。研究小組對獨自和結伴而來的學生選座情況進行統(tǒng)計（圖9），紫色方塊表示獨自前往的同學選擇的座位，粉色方塊表示兩人或多人同來自習的同學選擇的座位?？梢钥闯?，獨自前往的同學更偏向于選擇靠近入口的座位，而結伴而來的同學則更傾向于選擇離入口較遠的對角位置，其原因可能是結伴而來的學生更需要可以進行私密交流的空間。

4 問題分析與設計優(yōu)化

經(jīng)過觀察和數(shù)據(jù)分析，可以發(fā)現(xiàn)既有室內(nèi)空間布局的不足：第一，座位排布方面，閱覽室中央部位的利用率明顯偏低，光照不足和中間部位缺乏安全感是主要原因。除入口附近以外的三個角部空間白天陽光直射，照度過量，影響了使用率。但如果室內(nèi)掛遮陽簾又不利于室外景觀的引入。第二，流線組織方面，現(xiàn)有的兩條平行走道末端使用率低，還占用了西側較受歡迎的靠窗空間。第三，桌椅設計方面，桌椅均質(zhì)排布缺少空間分隔，導致不同的空間私密性、安全感難以得到滿足。獨自前來的學生往往間隔座位而坐，導致席位資源的浪費。

11 設計優(yōu)化后的室內(nèi)透視

針對上述問題，研究小組嘗試提出對應的解決方案，并對室內(nèi)閱覽空間進行重新排布（圖10）。在主要流線組織方面，將原有西端走道向東偏移，形成環(huán)路，留出更多靠窗座位，同時分擔東側南北向走道的人流。實驗開始前，原設想入口處由于人流較多會降低此處座位的使用率，可能需要增加緩沖空間來降低影響。但實際上此處的使用率并不低，因為在閱覽室內(nèi)學生走路都很安靜，以避免對他人的閱讀產(chǎn)生較大影響。有些停留時間較短的同學，并不愿意深入閱覽室內(nèi)部，因而選擇臨近出入口的位置，以便隨時離開。因此，在設計優(yōu)化階段，入口處無需放大或進行緩沖處理；在平面布局方面，可在走道向內(nèi)一側布置低矮書架，在不影響采光的前提下使閱覽室中央?yún)^(qū)域的座位形成圍合感；在桌椅設計方面，可提供單人桌和多人桌等不同組合方式，以滿足不同的需求（圖11）；在采光方面，南側增設水平遮陽，西側增設垂直遮陽，避免陽光直射，閱覽室中部和東側靠墻部位增加人工光源，以彌補自然采光的不足。

5 結語

研究通過行為數(shù)據(jù)和性能數(shù)據(jù)的采集與分析，主要驗證了采光照明和使用者行為心理偏好在閱覽空間的交織影響。目前高校圖書館閱覽室普遍采用類似普通教室的均質(zhì)布局，這與其室內(nèi)性能和使用者的行為模式的非勻質(zhì)性存在明顯差異。研究小組的設計優(yōu)化實驗，從側面展示了公共建筑室內(nèi)空間布局在氣候性能與使用行為適應性的交織影響中展開精細化設計的潛力。

受空間和時間限制，研究還有諸多方面需要完善。首先，由于監(jiān)測時間較短，僅積累了春季時段的數(shù)據(jù)，在夏季或冬季需要使用空調(diào)調(diào)節(jié)室溫時，可能會呈現(xiàn)不同的狀態(tài)。如能獲取全季節(jié)數(shù)據(jù)，則可完整掌握氣候性能和使用行為交互影響的動態(tài)機制，并據(jù)此探索冬冷夏熱地區(qū)的建筑適應性設計策略。其次，優(yōu)化設計方案并未實施，因此缺乏實測對比數(shù)據(jù)來檢驗優(yōu)化手段是否有效。再次，在數(shù)據(jù)分析過程中，僅使用了數(shù)據(jù)可視化及常規(guī)統(tǒng)計方法來研究數(shù)據(jù)間的相互關系，并采用先假設后驗證的技術路徑。當數(shù)據(jù)類型增多時，各類數(shù)據(jù)間組合的可能性會急劇增加，因此需要運用機器學習中的非監(jiān)督式學習方法，使程序自動發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的關聯(lián)性[6]，從而處理更大規(guī)模的數(shù)據(jù)與其他潛在規(guī)律。

致謝

東南大學建筑學院2018屆本科戴思怡、魏云琪、王奕陽三位同學結合畢業(yè)設計參與了本次項目的數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)可視化分析，特此致謝。

圖片來源

所有圖片均為作者自繪。