張利，鄧慧姝，梅笑寒，謝祺旭/ZHANG Li, DENG Huishu, MEI Xiaohan, XIE Qixu

1 以人為核心的新型地下空間與城市人因工程學(xué)

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快，我國(guó)城市發(fā)展進(jìn)入城市更新的重要時(shí)期，由大規(guī)模增量建設(shè)轉(zhuǎn)為增量結(jié)構(gòu)調(diào)整[1]，地上地下空間“統(tǒng)籌”開(kāi)發(fā)利用成為緩解土地供需矛盾、促進(jìn)城鄉(xiāng)建設(shè)用地減量提質(zhì)和集約高效利用、構(gòu)建高效便捷的緊湊型城市的戰(zhàn)略舉措[2-3]。近年來(lái)，地下空間成為我國(guó)建設(shè)投資熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。2019年，全國(guó)地下空間新增建筑面積約2.57億m2，約占同期城市建筑竣工面積的19%，該比值在長(zhǎng)三角城市群達(dá)26%。我國(guó)逐漸成為地鐵、地下綜合體等多個(gè)方面地下空間發(fā)展最快的國(guó)家之一[4]。地下空間是未來(lái)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的重要一環(huán)，因此，以人為核心的新型城鎮(zhèn)化要求探索以人為核心的新型地下空間，中國(guó)工程院戰(zhàn)略咨詢(xún)中心[4]認(rèn)為“地下空間利用決定著城鎮(zhèn)化質(zhì)量與品質(zhì)，成為新型城鎮(zhèn)化一個(gè)重要的顯性特征”。

地下空間具有與地上空間不盡相同的特質(zhì)，對(duì)人的直觀體驗(yàn)的影響尤為顯著。一方面，傳統(tǒng)地下空間固有的一些問(wèn)題，如生物節(jié)律紊亂、白噪聲缺乏、自然環(huán)境缺失、方向迷失、濕度過(guò)高、換氣次數(shù)不足等，直接作用于身體感官，易造成不佳的直觀體驗(yàn)，影響用戶(hù)的日常生活。研究表明，地下空間濕度達(dá)60%時(shí)，工作效率較正常濕度狀態(tài)下降10%以上[5]；地下空間自然環(huán)境缺失、換氣次數(shù)不足等問(wèn)題則會(huì)引起輕度頭痛和咽喉干燥等生理反應(yīng)[6]。另一方面，針對(duì)地下空間的新技術(shù)研發(fā)不斷涌現(xiàn)，技術(shù)變革迅速，例如智能照明技術(shù)使地下空間模擬自然光環(huán)境成為可能，地下物流系統(tǒng)幫助完善城市立體化交通體系[7]。通過(guò)應(yīng)用融合新技術(shù)，新型地下空間具有突破固有問(wèn)題、改善空間品質(zhì)的潛力。

以人為核心的理念和地下空間的固有特質(zhì)都要求將地下空間研究的重心轉(zhuǎn)移到人的生活感受與人體的特性上來(lái)。城市人因工程學(xué)可以對(duì)這一議題提出有效應(yīng)對(duì)。城市人因工程學(xué)從人的身體特性、行為需求和感受體驗(yàn)出發(fā)，以改善用戶(hù)端使用效能為導(dǎo)向，關(guān)注城市空間在各層次與人行為的互動(dòng)。通過(guò)城市人因工程學(xué)方法，系統(tǒng)科學(xué)地研究地下空間界面設(shè)計(jì)與用戶(hù)端使用效能的耦合作用，有助于在人因?qū)用嫣嵘叵驴臻g品質(zhì)，幫助解決地下空間固有問(wèn)題，引導(dǎo)地下空間的設(shè)計(jì)決策向著提升人民城市生活的美感度、舒適度和幸福感的方向發(fā)展。

2 城市人因工程學(xué)導(dǎo)向的實(shí)證性地下空間研究發(fā)展動(dòng)態(tài)

2.1 研究領(lǐng)域：從單一學(xué)科到集成學(xué)科

在城市人因工程學(xué)視角下，以人體這一復(fù)雜系統(tǒng)為核心，地下空間的研究逐漸從單一的建筑學(xué)研究發(fā)展為集合了生理學(xué)、生物力學(xué)、心理學(xué)、認(rèn)知神經(jīng)學(xué)等多學(xué)科的交叉領(lǐng)域。

近30年來(lái)，針對(duì)地下空間特殊的物理屬性，借助生理學(xué)和認(rèn)知神經(jīng)學(xué)等學(xué)科的專(zhuān)業(yè)知識(shí)與技術(shù)工具，研究者們已經(jīng)初步發(fā)現(xiàn)部分地下空間元素與某些客觀人體指標(biāo)之間存在定量關(guān)系。如表1所示，針對(duì)地下空間的光元素，人體褪黑素水平被用于研究地下空間自然光缺失對(duì)人體生理節(jié)律的影響機(jī)制[8-9]；眼部瞳孔大小和面部表情參數(shù)等指標(biāo)可以反應(yīng)人執(zhí)行視覺(jué)任務(wù)時(shí)的表現(xiàn)[10-11]。針對(duì)地下空間的聲元素，聲環(huán)境研究用語(yǔ)言傳輸指數(shù)表示人聽(tīng)覺(jué)獲取的語(yǔ)言清晰度[12]。針對(duì)地下空間的空氣元素，腦電圖、心率、血壓和皮膚溫度等多項(xiàng)人體指標(biāo)被用于研究地下空氣環(huán)境對(duì)人體疲勞程度的影響[13-16]。針對(duì)地下空間的自然元素，皮膚電導(dǎo)水平能反映自然元素對(duì)人壓力水平的影響[17]。

現(xiàn)有的地下空間研究結(jié)合多專(zhuān)業(yè)知識(shí)，對(duì)地下空間中的各類(lèi)特性進(jìn)行了單項(xiàng)針對(duì)性客觀測(cè)量研究，盡管尚未建立起橫向的聯(lián)系，無(wú)法構(gòu)成對(duì)整體空間體驗(yàn)機(jī)制的解釋?zhuān)丫邆鋵⒍喾N空間特性進(jìn)行集成研究的基礎(chǔ)。城市人因工程學(xué)的方法倡導(dǎo)將多種空間特性理解為整體性系統(tǒng)，以全面地討論空間界面對(duì)人的全方位影響。在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步從人的整體空間體驗(yàn)入手，對(duì)多空間元素的相互關(guān)系和集成效果進(jìn)行研究。

2.2 研究方法：從主觀評(píng)價(jià)到客觀人因參數(shù)測(cè)量

另一方面，現(xiàn)有對(duì)人在地下空間中的整體空間體驗(yàn)研究，側(cè)重對(duì)用戶(hù)使用地下空間時(shí)的期望、意愿、體驗(yàn)性、滿(mǎn)意度等認(rèn)知心理因素的分析。主要用到的方法有案例評(píng)價(jià)分析[18-19]、用戶(hù)問(wèn)卷調(diào)查[20-22]、用戶(hù)訪談[23]，研究得到的結(jié)果也以概括性的設(shè)計(jì)策略為主，缺乏準(zhǔn)確的量化關(guān)系結(jié)論。盡管已經(jīng)有李克特量表、語(yǔ)義區(qū)分量表等定量分析工具的使用[24]，但當(dāng)前研究仍局限在被測(cè)對(duì)象或研究者主觀評(píng)價(jià)范疇，地下空間整體體驗(yàn)研究亟待可被客觀測(cè)量的人因參數(shù)的引入。

從整個(gè)建筑學(xué)領(lǐng)域看，客觀的人因參數(shù)測(cè)量開(kāi)始被引入到整體空間體驗(yàn)的研究中。隨著認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)、運(yùn)動(dòng)科學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等其他領(lǐng)域的理論發(fā)展和技術(shù)成熟，通過(guò)客觀的人因參數(shù)研究人的整體空間體驗(yàn)開(kāi)始具備可行性，并正在取代傳統(tǒng)的主觀評(píng)價(jià)方法，成為整個(gè)建筑學(xué)領(lǐng)域的新趨勢(shì)。人因參數(shù)可以分為生理參數(shù)和行為參數(shù)兩類(lèi)。生理參數(shù)方面，腦電圖、皮電活動(dòng)和皮質(zhì)醇水平被用于研究人在不同城市空間中的心理狀態(tài)變化[25-27]；肌電圖、皮膚溫度、心率等指標(biāo)被用于研究人在室內(nèi)空間中的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和舒適性[28]；功能性磁共振成像、事件相關(guān)電位、功能性近紅外光譜技術(shù)等認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的生理指標(biāo)也開(kāi)始被引入到建筑學(xué)的研究中[29]。行為參數(shù)方面，眼動(dòng)追蹤技術(shù)記錄的眼部數(shù)據(jù)可以反映人在空間中執(zhí)行視覺(jué)任務(wù)的模式[30]；動(dòng)作捕捉和分析可以衡量人執(zhí)行任務(wù)的準(zhǔn)確性[31]；人群的位置參數(shù)被用于研究空間中人際交流的模式[32]；人的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)被用于研究城市環(huán)境與人運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的關(guān)系[33]。這些新興的理論技術(shù)使地下空間整體性的客觀測(cè)量研究成為了可能。

2.3 研究目標(biāo)：?jiǎn)我豢臻g元素與人體單項(xiàng)指標(biāo)的關(guān)系到多空間元素與多人因參數(shù)的耦合作用

整體空間體驗(yàn)的研究對(duì)數(shù)據(jù)分析和設(shè)計(jì)決策提出了更高要求。以往的地下空間研究目標(biāo)以解釋單一空間元素與單項(xiàng)人體指標(biāo)關(guān)系為主。但一方面，現(xiàn)實(shí)空間涉及元素眾多，是典型的高維數(shù)據(jù)；另一方面，人體是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，使用效能是由多項(xiàng)人因參數(shù)構(gòu)成的多因子評(píng)價(jià)。機(jī)器學(xué)習(xí)和多屬性決策分析的發(fā)展為相關(guān)研究提供了基礎(chǔ)工具。借助機(jī)器學(xué)習(xí)可以預(yù)測(cè)多空間元素集成效果，已經(jīng)有研究利用支持向量機(jī)[34-35]、決策樹(shù)、自組織映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[26]、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[35]等機(jī)器學(xué)習(xí)模型，構(gòu)建空間變量和不同指標(biāo)之間的映射關(guān)系。借助多屬性決策分析方法可以輔助多因子設(shè)計(jì)決策，相關(guān)研究用到的方法主要有層次分析法[37]、理想解法[38]和復(fù)雜比例評(píng)價(jià)法[39]。借助計(jì)算技術(shù)，未來(lái)的研究有望揭示地下空間界面設(shè)計(jì)與人體之間復(fù)雜的耦合作用。

3 試提一種基于實(shí)證研究的地下空間界面設(shè)計(jì)決策優(yōu)化系統(tǒng)

城市人因工程學(xué)以設(shè)計(jì)為主動(dòng)因，以知識(shí)為從動(dòng)因，旨在為設(shè)計(jì)決策判斷提供實(shí)證性的依據(jù)[40]。它首先通過(guò)用戶(hù)調(diào)查定義關(guān)鍵問(wèn)題，然后通過(guò)量化實(shí)驗(yàn)深入研究關(guān)鍵問(wèn)題，最后將實(shí)驗(yàn)成果與設(shè)計(jì)實(shí)踐結(jié)合，形成相應(yīng)的設(shè)計(jì)決策模式和人因設(shè)計(jì)指南[41-42]。城市人因工程學(xué)的研究路徑可以針對(duì)設(shè)計(jì)流程“定義問(wèn)題—進(jìn)行設(shè)計(jì)—測(cè)試反饋”中的問(wèn)題定義與測(cè)試反饋兩個(gè)階段，探索一種從定性轉(zhuǎn)變?yōu)槎?、從完全依?jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)榫邆鋵?shí)證數(shù)據(jù)支持的設(shè)計(jì)方式。

依循城市人因工程學(xué)的研究路徑，本研究重點(diǎn)關(guān)注地下空間界面與客觀可測(cè)的人因參數(shù)之間的耦合作用，其核心是在已有的建筑物理環(huán)境與人因參數(shù)關(guān)系基礎(chǔ)上，將空間形態(tài)的變量納入考慮，并引入認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)、運(yùn)動(dòng)生理學(xué)、生物力學(xué)等相關(guān)的可測(cè)人因參數(shù)，衡量各類(lèi)情境下用戶(hù)端的使用效能，最終形成整體性地下空間設(shè)計(jì)決策優(yōu)化工具，以期在“問(wèn)題定義”和“測(cè)試反饋”環(huán)節(jié)，輔助建筑師、工程師、室內(nèi)設(shè)計(jì)師等進(jìn)行以用戶(hù)端為目標(biāo)導(dǎo)向的地下空間的設(shè)計(jì)決策優(yōu)化（圖1）。

3.1 地下空間界面變量和用戶(hù)端使用效能變量的界定

結(jié)合筆者團(tuán)隊(duì)完成設(shè)計(jì)正在建造的多個(gè)地下建筑項(xiàng)目和其他地下空間典型案例，通過(guò)實(shí)地采集建筑形體參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等空間數(shù)據(jù)，結(jié)合用戶(hù)調(diào)查、文本調(diào)研，能夠界定對(duì)地下空間界面和用戶(hù)端使用效能耦合作用產(chǎn)生影響的關(guān)鍵性變量（圖2）。

地下空間界面可以被分為人因空間變量和人因環(huán)境變量。人因空間變量包括空間認(rèn)知中的空間界面的形狀、位置、坡度、色彩、照度以及空間中自然元素的類(lèi)別、數(shù)量、間距等，用于對(duì)地下空間界面進(jìn)行解析，構(gòu)建建筑方案與變量之間的映射關(guān)系；人因環(huán)境變量包括熱環(huán)境指標(biāo)、聲環(huán)境指標(biāo)、空氣質(zhì)量指標(biāo)等，用于對(duì)地下空間的環(huán)境性能進(jìn)行解析，并匹配專(zhuān)用的調(diào)控技術(shù)和測(cè)量工具。

表 1 使用客觀測(cè)量人體指標(biāo)的地下空間研究選用指標(biāo)及代表性研究?jī)?nèi)容

用戶(hù)端使用效能可以被分為運(yùn)動(dòng)效能變量、心理效能變量和任務(wù)效能變量，以涵蓋用戶(hù)在日常生活中涉及的各個(gè)身體維度。運(yùn)動(dòng)效能變量包括速度、頻率、能量消耗、肌肉壓力指數(shù)等；心理效能變量包括心理壓力生理指數(shù)、情緒動(dòng)作等；任務(wù)效能變量包括任務(wù)執(zhí)行準(zhǔn)確度指數(shù)、任務(wù)執(zhí)行效率指數(shù)、行為多樣性、專(zhuān)注度等。

1 研究技術(shù)路線圖（制圖：鄧慧姝）

3.2 地下空間界面和用戶(hù)端使用效能耦合作用的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和參數(shù)建模

（1）數(shù)據(jù)獲?。夯谑褂们榫暗膶?shí)驗(yàn)室，結(jié)合地下空間案例數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)，以獲取地下空間界面變量與用戶(hù)端使用效能變量。為實(shí)現(xiàn)地下空間界面變量的可變性，本研究擬設(shè)置靈活可變的輕型實(shí)驗(yàn)室（圖3），應(yīng)用建筑形體參數(shù)和環(huán)境數(shù)據(jù)測(cè)量與模擬，輔助使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和沉浸式投影技術(shù)，模擬實(shí)現(xiàn)居住社區(qū)、休閑、交通、工作4類(lèi)生活情景。同時(shí)，運(yùn)用人體生理參數(shù)測(cè)量分析、心理生理學(xué)分析、動(dòng)作行為追蹤分析等人因參數(shù)測(cè)量技術(shù)，對(duì)用戶(hù)端使用效能數(shù)據(jù)進(jìn)行客觀量化地測(cè)量采集。

（2）數(shù)據(jù)分析：基于決策樹(shù)（REP-Tree）和自組織映射（Self-organizing map, SOM）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)模型，在計(jì)算機(jī)中構(gòu)建參數(shù)模型，模擬多變量之間的參數(shù)關(guān)系。通過(guò)構(gòu)建多個(gè)耦合作用參數(shù)模型，以形成地下空間界面變量與用戶(hù)端使用效能變量耦合關(guān)系的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.3 整體性地下空間設(shè)計(jì)決策優(yōu)化系統(tǒng)

基于多屬性決策分析（Multi Criteria Decision Analysis-MCDA），整合多個(gè)耦合作用參數(shù)模型，構(gòu)建以用戶(hù)端使用效能為決策判斷依據(jù)的設(shè)計(jì)決策化系統(tǒng)，使設(shè)計(jì)決策過(guò)程中的各項(xiàng)人因要素能夠被客觀量化、整體分析。

2 本團(tuán)隊(duì)完成設(shè)計(jì)的地下公共建筑-人因環(huán)境變量分析圖（繪圖：張利）

具體而言，設(shè)計(jì)決策優(yōu)化系統(tǒng)包括設(shè)定決策背景、輸入自變量、定義決策屬性、屬性參數(shù)提取和賦權(quán)、輸出結(jié)果5個(gè)步驟流程（圖4）。

（1）設(shè)定決策背景：區(qū)分使用情景，以提升情景中特定的用戶(hù)端使用效能為決策目標(biāo)。

（2）輸入自變量：某情景下建筑方案的多項(xiàng)空間界面設(shè)計(jì)參數(shù)為自變量。

（3）定義決策屬性：各項(xiàng)用戶(hù)端使用效能為因變量，即決策屬性，用于作為進(jìn)行決策的依據(jù)。

（4）屬性參數(shù)提取和賦權(quán)：基于耦合作用參數(shù)模型，得出空間設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)應(yīng)的用戶(hù)端使用效能參數(shù)，作為屬性參數(shù)；并基于兩者的相關(guān)性，結(jié)合建筑專(zhuān)業(yè)知識(shí)判斷、統(tǒng)計(jì)，給屬性賦予權(quán)重。

（5）輸出結(jié)果：基于fuzzy TOPSIS、fuzzy AHP、ELECTRE等多屬性決策分析工具對(duì)各項(xiàng)決策屬性進(jìn)行整合分析，考慮決策屬性與變量之間的耦合作用、決策屬性間的復(fù)雜干涉關(guān)系，輸出以用戶(hù)端使效能為判斷依據(jù)的對(duì)該設(shè)計(jì)方案的綜合評(píng)價(jià)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化處理，便于對(duì)多個(gè)方案進(jìn)行比較、分級(jí)。

3.4 設(shè)計(jì)決策優(yōu)化系統(tǒng)在實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用指南

在實(shí)際建筑項(xiàng)目中對(duì)此設(shè)計(jì)決策優(yōu)化系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性應(yīng)用，結(jié)合實(shí)踐情況與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，對(duì)地下空間設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)決策優(yōu)化系統(tǒng)兩者進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整和反饋，以探索地下空間設(shè)計(jì)決策優(yōu)化系統(tǒng)在設(shè)計(jì)實(shí)踐中可能的應(yīng)用路徑，如設(shè)計(jì)決策測(cè)評(píng)量表、設(shè)計(jì)決策優(yōu)化軟件或以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的地下空間設(shè)計(jì)方法等，并進(jìn)一步歸納總結(jié)針對(duì)地下空間的人因設(shè)計(jì)指南。

4 小結(jié)

以人為核心的理念和地下空間的固有特質(zhì)都要求地下空間研究關(guān)注人的生活感受與人體的特性，應(yīng)對(duì)這一要求，地下空間界面實(shí)證研究趨向從單一學(xué)科發(fā)展為集成學(xué)科，從主觀評(píng)價(jià)發(fā)展為客觀人因參數(shù)測(cè)量，從單一空間元素與人體單項(xiàng)指標(biāo)關(guān)系發(fā)展為多空間元素與多人因參數(shù)的耦合作用。城市人因工程學(xué)導(dǎo)向下的地下空間界面研究正是對(duì)這一發(fā)展趨勢(shì)做出回應(yīng)。

在研究對(duì)象方面，區(qū)別于著重單一建筑物理環(huán)境變量的研究，從城市人因工程學(xué)的視角切入，需要整合已有的物理環(huán)境變量和合理提取的空間形態(tài)變量，建立地下空間界面與人因參數(shù)的多項(xiàng)耦合作用模型，旨在對(duì)人體與空間界面互動(dòng)的復(fù)雜性進(jìn)行綜合、整體的解析。

3 小型情景實(shí)驗(yàn)室示意（繪圖：梅笑寒）

4 設(shè)計(jì)決策優(yōu)化系統(tǒng)工作流程示意圖（制圖：鄧慧姝）

在研究方法方面，區(qū)別于以主觀評(píng)價(jià)為主要依據(jù)的調(diào)查法和觀察法，借助穿戴式設(shè)備、皮電活動(dòng)（EDA）監(jiān)測(cè)技術(shù)、眼動(dòng)追蹤技術(shù)（ETM）等手段，通過(guò)人體生理參數(shù)測(cè)量分析、心理生理學(xué)分析、動(dòng)作行為追蹤分析等，人在地下空間中的使用效能可以被客觀測(cè)量，為從人因角度對(duì)地下空間設(shè)計(jì)進(jìn)行客觀量化評(píng)價(jià)提供可能。

在研究成果方面，區(qū)別于提出明確的設(shè)計(jì)策略或具體的空間形式的地下空間研究，城市人因工程學(xué)導(dǎo)向的研究趨向于為設(shè)計(jì)提供實(shí)證依據(jù)和量化分析工具。對(duì)此，本研究提出了建立一種整體性地下空間的設(shè)計(jì)決策優(yōu)化系統(tǒng)，并以設(shè)計(jì)應(yīng)用為導(dǎo)向，將決策優(yōu)化系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法、輔助設(shè)計(jì)決策軟件、人因設(shè)計(jì)指南等具有實(shí)踐應(yīng)用前景的成果?！?/p>