劉潔 徐衛(wèi)國

清華大學建筑學院

1 動態(tài)建筑空間

所謂動態(tài)建筑空間是指建筑空間或建筑構(gòu)件可以隨著時間的變化而發(fā)生形態(tài)或者位置上的變化。這種變化并非是隨時間推移而產(chǎn)生的不易察覺的輕微變化，也并非是人主觀意愿作用于建筑使得建筑產(chǎn)生不可選擇的變化，而是一種建筑主動地、自主選擇地、每分每秒實時地對于人的行為和環(huán)境的狀態(tài)所作出的可被察覺的回應(yīng)或者反饋類的變化。

動態(tài)建筑空間并非是新生概念。事實上，建筑作為變幻莫測的自然環(huán)境與瞬息萬變的人類行為之間的靜態(tài)介質(zhì)，長久以來一直背負著建筑師們對其動態(tài)化的追求和期許。從古典建筑中對于千變?nèi)f化的光影的利用到巴洛克建筑中對于惟妙惟肖雕塑的塑造，從結(jié)構(gòu)主義對建筑動態(tài)雕塑化的嘗試到參數(shù)化主義對動態(tài)模擬與流線空間的倡導(dǎo)，一代又一代的建筑師前仆后繼地進行著將建筑動態(tài)化的實驗。如今，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在日常生活中的普及以及電子產(chǎn)品開發(fā)門檻的降級，動態(tài)建筑空間從幻想變成了可能，并越來越多地出現(xiàn)在公眾的視野之中。小至一個室內(nèi)裝飾，大至一個建筑立面，動態(tài)的建筑構(gòu)件及建筑空間成為了建筑師們設(shè)計的新方向。

2 空間建成前預(yù)體驗

所謂空間建成前預(yù)體驗指的是在建筑實際建造之前對建筑空間場景狀態(tài)的一種模擬或呈現(xiàn)，使設(shè)計者或使用者可以在建筑建成之前就能夠?qū)ξ磥斫ǔ傻慕ㄖ臻g有一個清晰、直觀的認識及感受。之所以要進行空間建成前預(yù)體驗，是由于建筑本身存在投資成本高、建造周期長的特點，建筑空間一旦建成就很難再進行更改，而建筑設(shè)計從設(shè)計階段的上帝旁觀視角到實際空間使用階段的切身參與視角之間存在偏差，容易導(dǎo)致空間建成效果與預(yù)期效果之間的差距。

傳統(tǒng)靜態(tài)建筑空間尚且存在設(shè)計空間與實體建成空間之間的偏差，而當建筑空間增加了時間維度之后，建筑空間每時每刻都會處于不同的形態(tài)、狀態(tài)之中，這種偏差會由于建筑師及使用者對于動態(tài)空間的想象不足而大大增加。因此對動態(tài)建筑空間進行建成前的預(yù)體驗則變得尤為重要。通過對動態(tài)建筑空間的預(yù)體驗，建筑師和使用者可以更準確地知道建筑空間的動態(tài)效果是否美觀，動態(tài)行為是否使人感到舒適，動態(tài)原理是否符合物理特性，以及空間在動態(tài)變化過程中可能存在的潛在問題等。

3 動態(tài)建筑空間建成前預(yù)體驗方法

動態(tài)建筑空間建成前預(yù)體驗可以分為兩大類：一種是基于虛擬空間模擬的預(yù)體驗，另一種是基于物理實體空間的預(yù)體驗。基于虛擬空間模擬的預(yù)體驗指通過電腦建模軟件或虛擬現(xiàn)實技術(shù)使得建筑師或使用者能夠從視覺上感知空間的動態(tài)效果，對動態(tài)效果有一個初步的直觀感受，并從中發(fā)現(xiàn)建筑空間建造過程中可能遇到的諸如動態(tài)紊亂、構(gòu)件碰撞等較為明顯的錯誤及問題。基于物理實體空間的預(yù)體驗指的是通過縮尺實體建造或足尺局部實體建造的方法來為建筑師或者使用者呈現(xiàn)出一個物理的真實動態(tài)空間，從而使體驗者可以獲得包括視覺、觸覺、聽覺等多維度的空間體驗感受，并從中發(fā)現(xiàn)因為材料、機械原理、信號傳輸?shù)仍蛐纬傻腻e誤及問題。

3.1 基于虛擬空間模擬的預(yù)體驗

與傳統(tǒng)的建筑設(shè)計階段建筑師借助Sketchup、Rhino、3Dmax等建模軟件進行三維的靜態(tài)建筑模擬建造不同，動態(tài)建筑空間的設(shè)計要求建筑師在設(shè)計階段就要通過模型軟件展現(xiàn)出四維的動態(tài)效果。因此，虛擬搭建環(huán)境需要具備軟件編程或者動畫制作的功能，將不同時刻的建筑空間形態(tài)變化可以連續(xù)、流暢地展現(xiàn)出來。根據(jù)體驗者在這個空間展現(xiàn)過程中視角的不同，基于虛擬空間模擬的預(yù)體驗又可以分成設(shè)計師視角的虛擬空間預(yù)體驗和參與者視角的虛擬空間預(yù)體驗。

3.1.1 設(shè)計師視角的虛擬空間預(yù)體驗

設(shè)計師視角的虛擬空間預(yù)體驗指的是建筑師或使用者借助電腦屏幕，通過電腦建模軟件完成對虛擬空間的體驗感受。這種預(yù)體驗方式與真實的空間體驗存在空間和時間的不同步性，體驗者與虛擬空間之間存在一定距離感，可以幫助體驗者更宏觀地、更快速地完成對空間動態(tài)效果的把控。

在這個預(yù)體驗過程中，建筑師常借助的電腦建模軟件平臺包括具有動畫編程制作功能的Rhino、Grasshopper和Maya等3D建模軟件平臺，還包括Processing、Cinema4D等用于動畫及特效實現(xiàn)的軟件平臺。

例如，由美國Hypersonic、Sosolimited、Plebian Design三家公司聯(lián)合設(shè)計的Diffusion Choir是一個由400個傘型折疊單元體組合而成的位于波士頓一棟辦公建筑中庭的單元集群式動態(tài)室內(nèi)裝置。所謂單元集群類動態(tài)裝置指的是由許多個相同或類似的、只能進行單一動態(tài)變化的小體量單元體，按照一定的邏輯關(guān)系排列組合形成的具有復(fù)雜的空間動態(tài)效果的大體量裝置。裝置中各個小單元體量的獨立動作均無不同，但由于多個小單元體量之間的動作存在時間先后或幅度大小的邏輯關(guān)系，使得原本簡單的動作邏輯產(chǎn)生出復(fù)雜的類似于“鳥群”“魚群”等動物集群現(xiàn)象的“涌現(xiàn)”效果。建筑裝置通過模仿鳥群在空中飛翔的狀態(tài)，希望能夠呈現(xiàn)出一種生物狀涌現(xiàn)的動態(tài)模樣。在建筑裝置的設(shè)計過程中，設(shè)計師同時使用了Processing、Grasshopper和Rhino作為其設(shè)計虛擬空間呈現(xiàn)的軟件平臺。其中，Processing主要用來模擬鳥群的飛翔效果與裝置整體之間的動態(tài)關(guān)系，以推敲尋找合適的整體動態(tài)效果（圖1，2）。Grasshopper和Rhino主要是用來聯(lián)合推敲每個單元體所形成的動態(tài)效果。由于在這個裝置的設(shè)計中，每個單元體都采用了“折紙”的原理實現(xiàn)單元體如“傘”一樣張開和收起的動作形態(tài)，所以設(shè)計師需要先在Rhino里進行形體建模，然后再通過Grasshopper對形體進行編程，模擬其在現(xiàn)實環(huán)境下形態(tài)的動態(tài)變化（圖3）。這樣可以保證在進行單元體加工和建造之前便對裝置的效果進行預(yù)體驗，對可能遇到的設(shè)計問題進行預(yù)處理。

3.1.2 參與者視角的虛擬空間預(yù)體驗

參與者視角的虛擬空間預(yù)體驗指的是建筑師或使用者借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)、增強現(xiàn)實技術(shù)完成對動態(tài)建筑空間沉浸式地體驗感受。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，人們可以沉浸式地體驗一個只存在于模型中的虛擬環(huán)境，并能從中感受到接近于現(xiàn)實的空間感；利用增強現(xiàn)實技術(shù)，可以將虛擬的模型和現(xiàn)實的環(huán)境融合在一起，更直觀地感受到設(shè)計作品在現(xiàn)實空間中的狀態(tài)。相較于設(shè)計師視角的虛擬空間預(yù)體驗，參與者視角可以讓人們置身于建筑空間之中，而不是抽離于建筑空間之外，進而幫助人們更直觀、更真實地感受到建筑構(gòu)件空間尺度的情況以及建筑空間的動態(tài)效果，并通過與真實情況無差別的視角對設(shè)計中可能存在的問題進行排查。

筆者在2019年亞洲計算機輔助建筑設(shè)計國際會議工作營中所進行的惠靈頓濱海廣場空間多知覺混合現(xiàn)實全景呈現(xiàn)研究中，通過混合現(xiàn)實技術(shù)完成了對動態(tài)建筑空間動態(tài)效果的預(yù)體驗。在這項研究中，首先通過360。全景掃描照相機對真實場景進行多時段圖像采集，然后將采集的圖像置于Unity3D軟件平臺之中作為虛擬模型建立的環(huán)境背景，并在此基礎(chǔ)上疊加場景模型和設(shè)計模型，使得真實的環(huán)境和虛擬的環(huán)境融合在一起，形成混合現(xiàn)實空間。同時，在混合現(xiàn)實空間中布置動態(tài)建筑空間模型，并對空間模型的動態(tài)效果進行程序編寫，配合在不同時間狀態(tài)下采集的現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)和聲音數(shù)據(jù)，讓體驗者頭戴虛擬現(xiàn)實眼鏡，沉浸式地體驗建筑動態(tài)空間在真實環(huán)境中的動態(tài)效果，進而對動態(tài)建筑空間的動作幅度及速度進行切身的感受與評估（圖4）。

3.2 基于物理實體空間的預(yù)體驗

基于物理實體空間的預(yù)體驗可以幫助建筑師和使用者與動態(tài)建筑空間之間產(chǎn)生一種可觸式的交互體驗。之所以要進行物理實體空間的預(yù)體驗主要有兩個原因。

（1）動態(tài)建筑空間在電腦軟件平臺中主要進行的是空間形態(tài)的虛擬呈現(xiàn)。事實上，動態(tài)建筑空間同時還包含機械、電子、編程等多方面的物理因素。機械結(jié)構(gòu)的力學狀態(tài)、材料的動態(tài)耐久性、電子芯片的信號穩(wěn)定性、通訊信息的響應(yīng)速度等類似問題都很難通過虛擬空間進行真實模擬，而這些問題也會大大影響到虛擬空間與真實空間之間動態(tài)效果的體驗偏差。于是，設(shè)計人員需要在真實的環(huán)境中將建筑空間進行物理實體模擬搭建，以幫助建筑師和使用者全面地獲知真實環(huán)境下的建筑空間動態(tài)效果。

（2）建筑空間作為一個真實的物理存在，其與使用者之間的交互是基于視覺、嗅覺、聽覺、觸覺等多知覺系統(tǒng)形成的，而在虛擬空間中的動態(tài)建筑空間模擬大多數(shù)情況只能夠基于視覺進行預(yù)體驗，而無法實現(xiàn)全感知系統(tǒng)下的動態(tài)空間體驗，因此，在這種情況下，對動態(tài)建筑空間進行實體的模擬搭建有助于讓使用者形成多知覺系統(tǒng)下的綜合體驗感受。由于在建筑空間建造前對動態(tài)建筑空間進行一個完整的搭建并不現(xiàn)實，因此，基于物理實體空間的預(yù)體驗又可以分為基于縮尺實體模型的動態(tài)空間預(yù)體驗和基于足尺局部實體建造的動態(tài)空間預(yù)體驗。

3.2.1 基于縮尺實體模型的動態(tài)空間預(yù)體驗

在傳統(tǒng)的建筑設(shè)計過程中，建筑師無論在概念推敲階段還是方案推進階段，都會選擇制作建筑模型來增強其對空間的理解，從多個角度對空間的構(gòu)成形態(tài)進行綜合分析和考量。而對于動態(tài)建筑空間而言，建筑師在設(shè)計階段進行建筑空間的縮尺模型實體搭建顯得更為重要。一方面可以直觀地感知到增加了材料屬性維度的動態(tài)建筑空間的動態(tài)效果；另一方面可以驗證增加了機械、電子等多個維度信息后建筑空間動態(tài)效果的可行性。在縮尺模型實體搭建階段，建筑師除了要掌控常用的模型材料之外，還需要使用諸如Arduino、Raspberry Pi等可以編寫程序的小型控制器配合各種電子元件來實現(xiàn)對建筑空間動態(tài)效果的控制。

由福斯特建筑事務(wù)所（Foster+Partners）和海德威克設(shè)計工作室（Heatherwick Studio）共同設(shè)計的上海外灘金融中心文化中心是一個外表皮可以動態(tài)旋轉(zhuǎn)的建筑。建筑表皮由三層“流蘇”形狀的不同長度的金屬管組成，每一層都以某一種速度勻速繞建筑外表面轉(zhuǎn)動，三層如帷幔般的“流蘇”相互錯動重疊交織，形成了多樣的動態(tài)視覺穿透效果和空間圍合效果。在這個建筑的設(shè)計過程中，為了推敲合理的表皮轉(zhuǎn)動速度以及因金屬管的間隔尺寸變化產(chǎn)生的動態(tài)效果，設(shè)計人員多次進行縮尺實體模型的搭建并為模型安裝了動力驅(qū)動系統(tǒng)，以使得模型呈現(xiàn)出如真實狀態(tài)一般的動態(tài)效果（圖5）。

在筆者所指導(dǎo)的交互式建筑裝置Kinetair設(shè)計中，設(shè)計者設(shè)計了一種可以與人進行交互的動態(tài)樓梯，它可以隨著人員在樓梯上的位置而自主改變樓梯的形態(tài)，在保證人員行走安全的前提下呈現(xiàn)出動態(tài)的、層次豐富的樓梯形式。在這個設(shè)計的推進過程中，設(shè)計者進行了1:10的縮尺模型實體搭建實驗。在實體搭建的過程中，模型采用了多個Arduino作為控制器，超聲波測距儀作為感應(yīng)器，步進電機作為響應(yīng)器。通過物理實體搭建實驗，除了可以幫助設(shè)計者從更多的角度進行模型的審視，以更直觀地體驗到樓梯在交互過程中的動態(tài)效果之外（圖6），同時也發(fā)現(xiàn)了諸如多組感應(yīng)器同時采集信號產(chǎn)生信號干擾、電機扭力由于材料摩擦力而導(dǎo)致動態(tài)延遲等多種問題，并進一步影響到設(shè)計的改進和下一步發(fā)展的方向。

1 Diffusion Choir 實體建成效果

2 Diffusion Choir 在Processing 軟件平臺下的動態(tài)效果模擬

3 設(shè)計師通過Rhino 和Grasshopper 軟件平臺對設(shè)計單元體動態(tài)效果進行推敲

4 體驗者通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)對Unity 中的動態(tài)建筑空間進行體驗

5 設(shè)計者通過多次縮尺模型搭建完成對上海外灘金融中心文化中心動態(tài)表皮空間的預(yù)體驗

6 Kinetair 的設(shè)計概念圖與縮尺實體模型

7 Hyposurface 設(shè)計人員進行足尺構(gòu)件的調(diào)試

8 Hyposurface 機械單元構(gòu)件細部

9 上海外灘金融中心文化中心動態(tài)建筑立面的局部足尺建造實驗

3.2.2 基于足尺局部實體建造的動態(tài)空間預(yù)體驗

建筑空間在由縮尺模型到真實空間之間進行轉(zhuǎn)換的過程中，必然會面臨由于構(gòu)件尺寸大小、機械設(shè)備大小等帶來的受力方式由量變積聚到質(zhì)變的問題，這將導(dǎo)致空間動態(tài)效果會發(fā)生某種程度上的改變。同時，由于縮尺模型并不能為使用者提供沉浸式的空間效果體驗，以至于使用者對于空間動態(tài)效果的理解和想象與真實空間狀態(tài)之間存在偏差，因此，動態(tài)建筑空間在真正建造之前還要進行局部實體足尺的建造以為使用者提供一個真實的動態(tài)空間環(huán)境，獲取最貼近于現(xiàn)實狀態(tài)的空間體驗感受。在足尺局部實體建造階段，所有電子產(chǎn)品都會被更換為工業(yè)級產(chǎn)品，例如控制器會采用PLC可編程邏輯控制器或者上位機等，機械元件會采用穩(wěn)定性更強的液壓桿、螺桿、傳送帶等。

由麻省理工學院的馬克·古爾多佩（Mark Goulthorpe）教授主導(dǎo)研發(fā)的交互式變形墻體Hyposurface，從設(shè)計到真實建造階段多次進行了從幾個單元的機械構(gòu)成搭建到幾組單元的真實狀態(tài)搭建（圖7，8）。通過對設(shè)計局部構(gòu)件的多次真實材料足尺實體搭建，設(shè)計者可以進一步確定機械單元構(gòu)件細部的設(shè)計；構(gòu)件形變尺度是否能給體驗者足夠的視覺和觸覺沖擊力；真實建造中構(gòu)件安裝的先后次序；影響機械效果的潛在因素及代碼運行邏輯的潛在問題等。

在上海外灘金融中心文化中心的設(shè)計階段，為了能夠了解到真實材料和真實體量下金屬管的動態(tài)效果及動態(tài)行為的可行性，設(shè)計人員也進行了足尺的局部實體加工建造（圖9）。雖然建造的實體依然有許多形態(tài)及材料的細節(jié)沒有全部展示出來，但是作為一組足尺的建筑構(gòu)件，加之配合以真實的機械動力構(gòu)件，可以讓體驗者切身感受到動態(tài)建筑構(gòu)件的尺寸比例關(guān)系及動態(tài)速度，還能夠使設(shè)計者直觀地驗證構(gòu)件在運動過程中是否會有卡頓、是否會存在慣性、是否可以抵抗風力等的外力以及是否產(chǎn)生無法忍受的噪音等現(xiàn)實問題。

4 動態(tài)建筑空間預(yù)體驗方法優(yōu)缺點對比

上文所提到的四種動態(tài)建筑空間預(yù)體驗方法，在實現(xiàn)難度、介入階段、制作成本、體驗真實度和知覺豐富度這幾個方面各有優(yōu)缺點。

首先，在實現(xiàn)難度方面，由于設(shè)計師視角的虛擬空間預(yù)體驗所借助的軟件多是設(shè)計工作中常用的軟件，如可視化編程軟件Grasshopper等，因此其實現(xiàn)難度相對較低。參與者視角的虛擬空間需要配合諸如Unity3D一類的軟件及Hololens、Oculus一類的硬件來實現(xiàn)，設(shè)計師除了需要通過C#一類的編程語言編寫構(gòu)件動作之外，還需要學習設(shè)置硬件控制方法，較常規(guī)設(shè)計工作有所不同，進而實現(xiàn)難度也有所增加。縮尺實體模型的動態(tài)空間體驗實現(xiàn)因牽扯到材料、機械、電子、編程等多專業(yè)的知識，設(shè)計師因此面臨的困難也相對較大，可能需要多領(lǐng)域人員共同合作才能完成。足尺局部實體建造的動態(tài)空間體驗的實現(xiàn)則需要借助專業(yè)的構(gòu)件加工團隊、代碼編寫團隊、電子控制團隊的共同配合才能完成。由于其不再僅是一個模型的一部分，而變成了一部分真實的建筑構(gòu)件，因此實現(xiàn)難度極大且制作持續(xù)時間較長。

其次，各種不同的預(yù)體驗類型在設(shè)計過程中介入階段也有所差別。設(shè)計師視角的虛擬空間預(yù)體驗伴隨著動態(tài)空間概念的生成一并產(chǎn)生，其介入階段最早。同時，由于需要驗證空間動態(tài)行為的可能性，因此設(shè)計師一旦確定了空間動態(tài)行為的機械原理，便要開始進行縮尺實體模型的搭建，以確?？臻g動態(tài)行為未來在物理世界中的可靠性。當動態(tài)原理在虛擬世界和物理世界同時被證明成立之后，設(shè)計師開始進行參與者視角的虛擬空間預(yù)體驗，浸入式地感受空間動態(tài)效果的舒適性和愉悅性。當設(shè)計工作幾乎要完成的時候，為保證建筑空間的最終建成效果與預(yù)期相同，設(shè)計師會在設(shè)計后期進行足尺局部實體建造。四種動態(tài)空間預(yù)體驗雖然在介入的階段有所差別，但是每當設(shè)計師在某種預(yù)體驗過程中發(fā)現(xiàn)問題時，都需要返回到前面的預(yù)體驗方法，以輔助設(shè)計的推敲和推進。

在制作成本上，由于虛擬空間模擬的預(yù)體驗沒有實體材料費用，往往會比基于物理實體空間的預(yù)體驗成本低。設(shè)計師視角的虛擬空間預(yù)體驗通常不需要額外的成本投入。參與者視角的虛擬空間體驗則由于需要借助VR或者AR設(shè)備，成本投入在幾千至幾萬元；縮尺實體模型的動態(tài)空間制作根據(jù)模型比例、模型材料和電子元件類型的不同，成本從幾百到幾萬元不等；足尺局部實體建造因為需要選擇與建成環(huán)境相同的材料、構(gòu)件和控制系統(tǒng)，其成本從幾千到幾十萬元不等。

從體驗真實度和知覺豐富度來看，知覺越豐富，視角越接近參與者視角，沉浸感會越強，體驗的真實度會越高。設(shè)計師視角的虛擬空間預(yù)體驗和縮尺實體模型的動態(tài)空間預(yù)體驗由于體驗者處于凌駕于空間之外的視角而很難形成浸入式的體驗，因此體驗真實度相對較低。相較于設(shè)計師視角的虛擬空間只有視覺一個維度的知覺體驗，縮尺實體模型由于具有視覺、觸覺兩個維度的感知，體驗的真實程度略優(yōu)于前者。參與者視角的虛擬空間預(yù)體驗由于為體驗者提供了一個沉浸式的環(huán)境，并可以同時從視覺和聽覺兩個知覺維度進行環(huán)境模擬體現(xiàn)，因此體驗真實度相對較高。足尺局部實體建造的動態(tài)空間由于其可以從視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等多種知覺維度進行體驗，并且可以近距離沉浸式地感受空間中的構(gòu)件實體，體驗的真實度最接近于建成環(huán)境。

5 結(jié)語

本文結(jié)合應(yīng)用案例介紹了四種動態(tài)建筑空間預(yù)體驗的實施方法和應(yīng)用目的，并分析了各種方法的優(yōu)缺點。動態(tài)建筑空間作為在現(xiàn)實中與體驗者不斷產(chǎn)生空間與個體交互行為的變化的物理存在，其面臨的設(shè)計問題和設(shè)計難點較傳統(tǒng)的建筑空間成倍數(shù)級增加。在實際動態(tài)建筑空間設(shè)計工作推進過程中，這四種預(yù)體驗方法可以從不同的角度幫助設(shè)計者發(fā)現(xiàn)設(shè)計中可能存在的問題，從而創(chuàng)造出動態(tài)行為合理流暢、體驗愉悅的空間形態(tài)。