殷青，邵濱薈，韓昀松

1 建筑自適應(yīng)表皮概述

建筑室外環(huán)境的周期性和隨機(jī)性波動(dòng)，顯著影響著建筑室內(nèi)空間舒適度。為緩解室外氣候環(huán)境影響導(dǎo)致的室內(nèi)物理環(huán)境舒適度波動(dòng)，采暖、制冷、照明、通風(fēng)等設(shè)備在建筑運(yùn)維過(guò)程中被大量、頻繁使用，消耗了大量能源的同時(shí)，也增大了建筑全生命周期碳排放水平。傳統(tǒng)建筑表皮由于無(wú)法隨環(huán)境變化，動(dòng)態(tài)改變建筑表皮形態(tài)和材料屬性，對(duì)于環(huán)境波動(dòng)的響應(yīng)能力十分有限。如何實(shí)現(xiàn)建筑表皮對(duì)室外氣候影響的精確、動(dòng)態(tài)響應(yīng)，是節(jié)能減排戰(zhàn)略落實(shí)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

既有研究表明，建筑自適應(yīng)表皮因其形態(tài)、材料屬性的動(dòng)態(tài)可變能力，在響應(yīng)環(huán)境動(dòng)態(tài)波動(dòng)、調(diào)節(jié)室內(nèi)物理環(huán)境、降低建筑能耗與碳排方面具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，能以更低的能源代價(jià)維持更優(yōu)的室內(nèi)熱環(huán)境舒適度、光環(huán)境舒適度和空氣品質(zhì)[1-2]。近年來(lái)，人工智能技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，又為建筑自適應(yīng)表皮的智能化升級(jí)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

建筑表皮環(huán)境動(dòng)態(tài)響應(yīng)方法研究可追溯至1970年代[3]，但由于該領(lǐng)域涉及學(xué)科多、系統(tǒng)復(fù)雜度高，既有研究對(duì)該領(lǐng)域前沿成果的梳理多在系統(tǒng)性上存在不足，如2016年， Konstantoglou和Tsangrassoulis系統(tǒng)梳理了百葉類自適應(yīng)表皮環(huán)境響應(yīng)方法，對(duì)比分析了其能耗和照明負(fù)荷，但缺乏對(duì)于人體舒適度的綜合考慮[4]。2018年，Jain和Garg系統(tǒng)梳理了仿真模擬開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)及其應(yīng)用的智能技術(shù)，但未系統(tǒng)考慮閉環(huán)系統(tǒng)控制方法[5]。2020年，Tabadkani和Roetzel綜述了基于仿真模擬、模糊邏輯等算法的自適應(yīng)控制方法[2]，但并未考慮智能優(yōu)化計(jì)算等算法和技術(shù)在表皮控制方面的應(yīng)用。同時(shí)，既有綜述也未深入探討自適應(yīng)表皮形態(tài)、使用者參與方式對(duì)表皮環(huán)境響應(yīng)效果的影響。本文旨在通過(guò)對(duì)建筑自適應(yīng)表皮前沿成果的系統(tǒng)梳理，彌補(bǔ)既有研究的不足，為建筑自適應(yīng)表皮研究提供理論與方法指導(dǎo)?！敖ㄖ赃m應(yīng)表皮”是能基于環(huán)境數(shù)據(jù)感知，自主、動(dòng)態(tài)地改變表皮形態(tài)或構(gòu)造，響應(yīng)環(huán)境變化的建筑表皮，其強(qiáng)調(diào)對(duì)環(huán)境影響的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，是建筑表皮系統(tǒng)在人工智能時(shí)代語(yǔ)境下，由“靜態(tài)”向“動(dòng)態(tài)”的演化，是建筑與環(huán)境系統(tǒng)交互的重要媒介。

本文在web of science進(jìn)行關(guān)鍵詞檢索TS=(fa?ade* OR blind* OR building) AND TS=(Dynamic*OR Adaptive* OR Automatic* OR Automated) AND TS=(control* AND daylighting)，檢索時(shí)間為1998-2020，篩選出與本研究相關(guān)領(lǐng)域及交叉學(xué)科領(lǐng)域相關(guān)的文獻(xiàn)523篇（圖1），并發(fā)現(xiàn)自適應(yīng)表皮研究熱度在2010年后大幅提升，近年來(lái)呈現(xiàn)出持續(xù)上升趨勢(shì)。

對(duì)上述523篇文獻(xiàn)的術(shù)語(yǔ)共現(xiàn)分析表明（圖2）：早期相關(guān)研究多圍繞建筑百葉系統(tǒng)、照明設(shè)備控制系統(tǒng)構(gòu)建問(wèn)題展開(kāi)研究，自2014年節(jié)能相關(guān)問(wèn)題得到廣泛關(guān)注，其比重也逐漸增大；同時(shí)，技術(shù)、模型、模擬、集成、參數(shù)等關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次增加；近年來(lái)，使用者舒適、熱舒適等術(shù)語(yǔ)出現(xiàn)頻次增加，而能耗仍舊保持較高的被關(guān)注度?？梢?jiàn)，如何權(quán)衡改善建筑能耗與使用者舒適度，已成為當(dāng)下建筑自適應(yīng)表皮研究與發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。

1 建筑自適應(yīng)表皮相關(guān)文章數(shù)年度走勢(shì)，數(shù)據(jù)來(lái)源：web of science

2 標(biāo)題及摘要共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析，數(shù)據(jù)來(lái)源：web of science

2 建筑自適應(yīng)表皮系統(tǒng)構(gòu)成與環(huán)境響應(yīng)機(jī)理

2.1 建筑自適應(yīng)表皮系統(tǒng)構(gòu)成

建筑自適應(yīng)表皮包括感知、決策與執(zhí)行等系統(tǒng)，其通過(guò)感知系統(tǒng)獲得“室內(nèi)外溫濕度”“風(fēng)速風(fēng)向”等環(huán)境信息并反饋至決策系統(tǒng)；由決策系統(tǒng)將環(huán)境信息輸入到?jīng)Q策系統(tǒng)控制算法中，計(jì)算輸出環(huán)境響應(yīng)決策；最后通過(guò)執(zhí)行系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)表皮響應(yīng)環(huán)境波動(dòng)。

感知系統(tǒng)是決策與執(zhí)行系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，其通過(guò)多應(yīng)用傳感器實(shí)時(shí)采集室內(nèi)外物理環(huán)境信息，也可基于既有氣候數(shù)據(jù)庫(kù)獲取室內(nèi)外物理環(huán)境數(shù)據(jù)。決策系統(tǒng)是建筑自適應(yīng)表皮運(yùn)行的核心，其影響著表皮運(yùn)作效率和環(huán)境響應(yīng)效果。決策系統(tǒng)在基于閾值的準(zhǔn)則算法之外常采用遺傳算法、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)算法作為決策算法，在運(yùn)行過(guò)程中向決策算法輸入感知系統(tǒng)反饋的環(huán)境信息，由其制定自適應(yīng)表皮執(zhí)行系統(tǒng)的響應(yīng)方式、啟停時(shí)間窗口等決策，進(jìn)而實(shí)時(shí)控制建筑自適應(yīng)表皮系統(tǒng)響應(yīng)環(huán)境，避免延遲或超調(diào)，并確保環(huán)境響應(yīng)的穩(wěn)定性[6]。執(zhí)行系統(tǒng)是建筑自適應(yīng)表皮系統(tǒng)影響環(huán)境的具體手段，基于決策系統(tǒng)輸出實(shí)時(shí)或定時(shí)地改變建筑自適應(yīng)表皮的物理狀態(tài)，其響應(yīng)方式影響著建筑自適應(yīng)表皮對(duì)環(huán)境響應(yīng)的應(yīng)變能力及靈活性。建筑自適應(yīng)表皮的環(huán)境響應(yīng)還包括對(duì)建筑使用者行為的考慮，感知系統(tǒng)的遠(yuǎn)程識(shí)別設(shè)備可對(duì)建筑使用者行為進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)使用者也可以通過(guò)干預(yù)來(lái)調(diào)節(jié)建筑自適應(yīng)表皮對(duì)環(huán)境的響應(yīng)（圖3）。實(shí)踐應(yīng)用中，感知、決策、執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行，完成基于實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)反饋的自適應(yīng)表皮環(huán)境響應(yīng)。

3 使用者與自適應(yīng)表皮的交互

5 自適應(yīng)表皮開(kāi)環(huán)系統(tǒng)控制邏輯圖

6 自適應(yīng)表皮仿真開(kāi)環(huán)系統(tǒng)控制邏輯圖

2.2 建筑自適應(yīng)表皮環(huán)境響應(yīng)機(jī)理

根據(jù)感知系統(tǒng)與決策系統(tǒng)的交互方式，建筑自適應(yīng)表皮的環(huán)境響應(yīng)機(jī)理可分為閉環(huán)控制（圖4）和開(kāi)環(huán)控制（圖5）兩類。采用閉環(huán)控制環(huán)境響應(yīng)機(jī)理的建筑自適應(yīng)表皮常用于室內(nèi)光環(huán)境調(diào)節(jié)，其通過(guò)調(diào)光器和光傳感器來(lái)調(diào)節(jié)桌面照度，存在傳感器安裝工作量大、成本高、校準(zhǔn)困難等問(wèn)題[5]。既有研究表明，相比閉環(huán)控制，開(kāi)環(huán)控制的環(huán)境響應(yīng)和節(jié)能效果更優(yōu)[7]。傳統(tǒng)采用開(kāi)環(huán)控制環(huán)境響應(yīng)機(jī)理的建筑自適應(yīng)表皮多將傳感系統(tǒng)布置于表皮外部，對(duì)人工照明的感知不敏感[5]，且缺乏反饋機(jī)制，環(huán)境響應(yīng)精度仍待提升。

針對(duì)上述問(wèn)題，衍生出了基于仿真模擬的建筑自適應(yīng)表皮環(huán)境響應(yīng)方法（圖6）。仿真模型會(huì)根據(jù)日照變化及建筑表皮狀態(tài)實(shí)時(shí)更新室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，并將其輸入決策系統(tǒng)制定環(huán)境響應(yīng)決策。既有研究表明，基于仿真模擬的開(kāi)環(huán)控制方法能以仿真數(shù)據(jù)替代實(shí)測(cè)傳感器，可顯著降低自適應(yīng)表皮成本[2,5]。

3 自適應(yīng)表皮環(huán)境響應(yīng)方法研究熱點(diǎn)

自適應(yīng)表皮的環(huán)境響應(yīng)需依托感知、決策和執(zhí)行系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。近年來(lái)，圍繞著上述系統(tǒng)革新，自適應(yīng)表皮環(huán)境響應(yīng)方法也呈現(xiàn)出不同的研究熱點(diǎn)。研究將結(jié)合自適應(yīng)表皮系統(tǒng)演化趨勢(shì)，解析自適應(yīng)表皮環(huán)境響應(yīng)方法研究熱點(diǎn)。

3.1 基于智能感知的自適應(yīng)表皮環(huán)境響應(yīng)

感知系統(tǒng)輸出參數(shù)是自適應(yīng)表皮環(huán)境響應(yīng)的致動(dòng)因素，其決定著環(huán)境響應(yīng)的精度與效率。自適應(yīng)表皮環(huán)境感知系統(tǒng)經(jīng)過(guò)數(shù)十年發(fā)展，其智能化水平逐步提高（圖7）。2000年以前的自適應(yīng)表皮感知系統(tǒng)智能化水平較低，多依賴傳感器采集溫度、照度等物理量，在實(shí)踐應(yīng)用中所需傳感器數(shù)量多、成本高[8-10]。

7 自適應(yīng)表皮環(huán)境響應(yīng)方法系統(tǒng)研究熱點(diǎn)

隨著建筑性能模擬技術(shù)的發(fā)展，有學(xué)者嘗試基于少量室外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)性能模擬獲取大范圍建筑光熱環(huán)境數(shù)據(jù)，以便降低傳感器數(shù)量，形成了基于仿真模擬的自適應(yīng)表皮環(huán)境響應(yīng)方法[11]。該環(huán)境響應(yīng)方法顯著拓展了建筑自適應(yīng)表皮環(huán)境響應(yīng)致動(dòng)因素范圍，包括DGI[12]、UDI[13]、DGP[14-15]、PMV[16]等光熱環(huán)境性能指標(biāo)也可作為致動(dòng)因素支撐表皮進(jìn)行環(huán)境響應(yīng)，提高了自適應(yīng)表皮對(duì)建筑建成環(huán)境性能的改善能力和環(huán)境響應(yīng)精度。

隨著遠(yuǎn)程識(shí)別設(shè)備的發(fā)展，建筑自適應(yīng)表皮環(huán)境感知硬件平臺(tái)信息化水平日益提高，實(shí)現(xiàn)了對(duì)使用者脈搏等生理數(shù)據(jù)的定時(shí)、定向采集，實(shí)現(xiàn)了對(duì)使用者情緒的科學(xué)估測(cè)，進(jìn)一步強(qiáng)化了自適應(yīng)表皮環(huán)境響應(yīng)過(guò)程對(duì)使用者特征的考慮精度，也擴(kuò)展了自適應(yīng)表皮應(yīng)用場(chǎng)景[17]。

感知系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集類型和數(shù)量的大幅增長(zhǎng)，也對(duì)自適應(yīng)表皮環(huán)境響應(yīng)方法提出了更高的算力要求。由于建筑性能模擬計(jì)算耗時(shí)長(zhǎng)，基于仿真模擬的自適應(yīng)表皮環(huán)境響應(yīng)方法存在一定的滯后性。針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者逐步嘗試整合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)算法來(lái)提高環(huán)境響應(yīng)效率[18]。

3.2 基于智能決策的自適應(yīng)表皮環(huán)境響應(yīng)

決策系統(tǒng)是自適應(yīng)表皮環(huán)境響應(yīng)的核心，決定著表皮環(huán)境響應(yīng)的效果，數(shù)十年中自適應(yīng)表皮決策系統(tǒng)通過(guò)與智能技術(shù)結(jié)合，持續(xù)推動(dòng)了自適應(yīng)表皮環(huán)境響應(yīng)方法的發(fā)展（圖7）。2000年以前的自適應(yīng)表皮決策系統(tǒng)智能化程度較低，主要采用基于性能準(zhǔn)則的環(huán)境響應(yīng)方法，依據(jù)設(shè)計(jì)者指定的性能閾值來(lái)判斷是否改變表皮位置。例如，根據(jù)太陽(yáng)輻射和照度閾值來(lái)制定環(huán)境響應(yīng)決策，調(diào)整百葉高度，使室內(nèi)照度等環(huán)境參量不超過(guò)閾值，避免眩光[8]，但該方法缺乏對(duì)于使用者偏好的考慮，會(huì)影響天然采光效果，增加人工照明能耗。

隨著機(jī)器學(xué)習(xí)算法的發(fā)展和使用者干預(yù)決策需求的提高[19-20]，有學(xué)者通過(guò)分析使用者偏好[21]，在保留使用者偏好的同時(shí)剔除使用者不當(dāng)操作，實(shí)現(xiàn)了建筑自適應(yīng)表皮環(huán)境響應(yīng)對(duì)使用者偏好的回應(yīng)，增強(qiáng)了自適應(yīng)表皮環(huán)境響應(yīng)容錯(cuò)性。

建筑性能模擬技術(shù)的發(fā)展使感知系統(tǒng)輸出參量與優(yōu)化算法的結(jié)合成為可能。2003年，優(yōu)化算法被用于自適應(yīng)表皮決策系統(tǒng)中，建立了各采光性能罰函數(shù)加權(quán)之和的成本函數(shù)，以計(jì)算光性能相對(duì)最優(yōu)的百葉角度[11]，形成基于優(yōu)化算法的自適應(yīng)表皮環(huán)境響應(yīng)方法。2009年有學(xué)者針對(duì)建筑節(jié)能目標(biāo)，通過(guò)百葉角度變化響應(yīng)環(huán)境影響，同時(shí)結(jié)合空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)[22]。2015年有學(xué)者在能耗優(yōu)化的基礎(chǔ)上增加了光性能約束函數(shù)，有效實(shí)現(xiàn)了能耗與光舒適性能的權(quán)衡改善[13]?？梢?jiàn)，優(yōu)化算法的引入顯著提升了建筑自適應(yīng)表皮環(huán)境響應(yīng)精度。

建筑性能模擬技術(shù)可與更多篩選算法結(jié)合。2016年，有學(xué)者將模擬決策的表皮位置與上一次位置進(jìn)行對(duì)比，如果計(jì)算卷簾位置高于當(dāng)前位置且在過(guò)去的15分鐘內(nèi)位置有過(guò)變動(dòng)，則記錄次數(shù)但不改變卷簾位置，以此降低表皮的運(yùn)動(dòng)頻率[23]，有效減少表皮運(yùn)動(dòng)對(duì)使用者的干擾，延長(zhǎng)了表皮的使用壽命。隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，2020年有學(xué)者通過(guò)MQTT通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)負(fù)責(zé)不同性能的多模塊之間無(wú)線訊號(hào)傳輸，使在單獨(dú)決策的同時(shí)可以互相覆蓋決策，降低了模塊移動(dòng)頻率，減少了多模塊決策的誤差[24]。

綜上所述，智能技術(shù)的引入有效地提升了決策系統(tǒng)的決策精度與廣度，進(jìn)而促進(jìn)環(huán)境響應(yīng)方式的發(fā)展。

8 英國(guó)赫特福德郡（Hertfordshire United Kingdom）生態(tài)環(huán)境建筑單軸旋轉(zhuǎn)表皮，引自參考文獻(xiàn)[25]

9 荷蘭鹿特丹格倫內(nèi)達(dá)爾（Groenendaal Rotterdam Neth-erlands）159號(hào)建筑智能變色玻璃，引自參考文獻(xiàn)[26]

10 法國(guó)圖盧茲（Toulouse France）的自然通風(fēng)集成PV表皮，引自參考文獻(xiàn)[28]

11 縮放平移表皮，引自參考文獻(xiàn)[31]

13 阿布扎比塔單元響應(yīng)表皮，引自參考文獻(xiàn)[19]

3.3 基于執(zhí)行系統(tǒng)革新的自適應(yīng)表皮環(huán)境響應(yīng)

執(zhí)行系統(tǒng)的不同形變方式[14]影響自適應(yīng)表皮環(huán)境響應(yīng)的性能類型（圖7）。2000年以前執(zhí)行系統(tǒng)多通過(guò)改變卷簾或百葉的垂直位置、旋轉(zhuǎn)百葉板角度來(lái)進(jìn)行環(huán)境響應(yīng)（圖8），而且自適應(yīng)表皮的機(jī)械傳動(dòng)易產(chǎn)生較大噪聲。

材料技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了自適應(yīng)表皮環(huán)境響應(yīng)方法的多元化演進(jìn)，2002年變色玻璃被應(yīng)用于自適應(yīng)表皮執(zhí)行系統(tǒng)中，電致變色窗可通過(guò)改變電壓來(lái)調(diào)節(jié)玻璃透明度等物理性質(zhì)，具有成本低、能耗少的優(yōu)點(diǎn)（圖9），體現(xiàn)了基于智能材料的自適應(yīng)表皮環(huán)境響應(yīng)潛力[9]，而且智能材料在近年發(fā)展出更多元的光導(dǎo)及熱導(dǎo)物理性質(zhì)材料[27]。

隨著人們對(duì)熱環(huán)境調(diào)控需求的提升，2007年有自適應(yīng)表皮通過(guò)調(diào)節(jié)排風(fēng)裝置轉(zhuǎn)速來(lái)響應(yīng)室內(nèi)熱環(huán)境（圖10），既有實(shí)驗(yàn)證明：排風(fēng)耦合空調(diào)模塊比只使用空調(diào)模塊可有助于提升建筑能效[29]。

隨著環(huán)境響應(yīng)作用范圍的精度需求日益提升，自適應(yīng)表皮分別探索了以折疊變化[19]、雙軸旋轉(zhuǎn)[30]以及縮放平移[31]等方式進(jìn)行環(huán)境響應(yīng)（圖11），通過(guò)響應(yīng)太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡，調(diào)節(jié)太陽(yáng)日照光入射量[30]，提供更多日光的同時(shí)降低眩光概率[31]。

2010年，建筑自適應(yīng)表皮執(zhí)行系統(tǒng)多未進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，其環(huán)境響應(yīng)靈活性不足，無(wú)法隨太陽(yáng)位置變化[18]和使用者空間定位信息[31]進(jìn)行精確調(diào)控。2011年，有學(xué)者將自適應(yīng)表皮劃分為分段式百葉，其在垂直上分為3個(gè)部分，可分別針對(duì)低角度日光的透射、外部視野、防止過(guò)熱等需求進(jìn)行環(huán)境響應(yīng)（圖12）。阿布扎比塔也采用了單元式表皮，中央系統(tǒng)可以控制每個(gè)表皮單元獨(dú)立或分組進(jìn)行環(huán)境響應(yīng)，當(dāng)出現(xiàn)極端天氣時(shí)又可控制所有表皮全部打開(kāi)[19]（圖13）?？梢?jiàn)，自適應(yīng)表皮的模塊化發(fā)展進(jìn)一步提升了環(huán)境響應(yīng)精度與靈活性。

14 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用軟件

15 自適應(yīng)表皮系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)流程框架，引自參考文獻(xiàn)[32]

16 對(duì)照組辦公空間模型（單位/m），引自參考文獻(xiàn)[32]

17a 實(shí)驗(yàn)組1自適應(yīng)表皮環(huán)境響應(yīng)流程，引自參考文獻(xiàn)[32]

18 實(shí)驗(yàn)組辦公空間及自適應(yīng)表皮模型（單位/m），引自參考文獻(xiàn)[32]

4 實(shí)驗(yàn)分析

為解析自適應(yīng)表皮智能感知系統(tǒng)、智能決策系統(tǒng)及新型執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)行效果，研究基于上述文獻(xiàn)綜述構(gòu)建以下3種采用不同智能技術(shù)的自適應(yīng)表皮環(huán)境響應(yīng)方法，展開(kāi)了自適應(yīng)表皮環(huán)境響應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)，旨在分析驗(yàn)證基于3種不同智能技術(shù)的自適應(yīng)表皮對(duì)室內(nèi)光環(huán)境的改善效果。

實(shí)驗(yàn)采用的計(jì)算機(jī)CPU為6核，其內(nèi)存為16G，基于Rhinoceros進(jìn)行參數(shù)化建模，依托Grasshopper與Matlab平臺(tái)展開(kāi)編程，應(yīng)用Radiance、Daysim仿真建筑光環(huán)境，并在實(shí)驗(yàn)中整合了遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法（圖14）。3種環(huán)境響應(yīng)方法的流程框架及技術(shù)路線如圖15所示。

實(shí)驗(yàn)包含3組自適應(yīng)表皮和1組實(shí)驗(yàn)對(duì)照組，其中的自適應(yīng)表皮包含6個(gè)模塊，每個(gè)表皮有3個(gè)可變化角度。對(duì)照組是不設(shè)置建筑自適應(yīng)表皮、僅設(shè)有靜態(tài)采光窗口的辦公空間（圖16）；實(shí)驗(yàn)組1為基于室內(nèi)照度傳感器與準(zhǔn)則決策的環(huán)境響應(yīng)方法，實(shí)驗(yàn)組2為基于仿真模擬與優(yōu)化算法的環(huán)境響應(yīng)方法，其感知系統(tǒng)數(shù)據(jù)來(lái)自于基于radiance的建筑室內(nèi)光環(huán)境模擬，決策系統(tǒng)則基于遺傳算法制定設(shè)計(jì)決策；實(shí)驗(yàn)組3為基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與優(yōu)化算法的環(huán)境響應(yīng)方法，感知系統(tǒng)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)計(jì)算室內(nèi)照度，結(jié)合以Matlab優(yōu)化算法為核心的決策系統(tǒng)對(duì)表皮位置進(jìn)行優(yōu)化。為權(quán)衡室內(nèi)采光需求與眩光防護(hù)需求，實(shí)驗(yàn)組2與3的懲罰函數(shù)如公式（1），遺傳算法相關(guān)優(yōu)化參數(shù)設(shè)定如表1。以上環(huán)境響應(yīng)方法的具體環(huán)境響應(yīng)流程如圖17a、17b所示。

表1 遺傳算法相關(guān)優(yōu)化參數(shù)設(shè)定

實(shí)驗(yàn)以我國(guó)高緯度地區(qū)某單元辦公空間為例，其自適應(yīng)表皮布置于南立面（圖18）。首先基于參數(shù)化平臺(tái)構(gòu)建單元辦公空間與自適應(yīng)表皮參數(shù)模型，結(jié)合我國(guó)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范確定辦公空間界面材質(zhì)參數(shù)[33-35]。建筑使用時(shí)間為8:00am-17:00pm，基于epw全年氣象數(shù)據(jù)，計(jì)算上述建筑自適應(yīng)表皮環(huán)境響應(yīng)方法在3月21日、6月21日、9月21日、12月21日4個(gè)典型日的室內(nèi)光環(huán)境調(diào)節(jié)效果，其結(jié)果如圖19a、19b、19c、20所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明3個(gè)系統(tǒng)智能發(fā)展對(duì)室內(nèi)光環(huán)境均存在改善作用，且在技術(shù)上相互支撐：在感知系統(tǒng)方面，實(shí)驗(yàn)組2、3的智能感知系統(tǒng)通過(guò)對(duì)環(huán)境性能的量化計(jì)算，可為決策系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐；實(shí)驗(yàn)組3采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可有效提升建筑自適應(yīng)表皮環(huán)境響應(yīng)速度，實(shí)驗(yàn)3系統(tǒng)平均計(jì)算時(shí)長(zhǎng)均在2~4分鐘之間，基于仿真模擬的實(shí)驗(yàn)2平均計(jì)算時(shí)長(zhǎng)則約為4小時(shí)。在決策系統(tǒng)方面，采用優(yōu)化算法可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)照度在允許范圍內(nèi)的最大化，提高遠(yuǎn)窗處光環(huán)境品質(zhì)，對(duì)于降低建筑照明能耗具有積極意義，如圖19b、19c所示，基于準(zhǔn)則決策的實(shí)驗(yàn)組1近窗及遠(yuǎn)窗處照度均小于基于優(yōu)化決策的實(shí)驗(yàn)組2、3；在執(zhí)行系統(tǒng)方面，革新后的執(zhí)行系統(tǒng)具有更高的環(huán)境響應(yīng)靈活度，對(duì)比圖19a、19b、19c，設(shè)置了建筑自適應(yīng)表皮的實(shí)驗(yàn)組1、2、3均可有效降低室內(nèi)眩光時(shí)長(zhǎng)，圖20則說(shuō)明單元式多變化角度的執(zhí)行系統(tǒng)可結(jié)合優(yōu)化算法，對(duì)日照進(jìn)行多角度遮陽(yáng)響應(yīng)。

19a 對(duì)照組室內(nèi)照度，引自參考文獻(xiàn)[32]

19b 實(shí)驗(yàn)組1室內(nèi)近窗及遠(yuǎn)窗照度，引自參考文獻(xiàn)[32]

19c 實(shí)驗(yàn)組2、3室內(nèi)近窗及遠(yuǎn)窗照度，引自參考文獻(xiàn)[32]

20 6月21日實(shí)驗(yàn)組2、3的建筑自適應(yīng)表皮角度分布，引自參考文獻(xiàn)[32]

5 結(jié)論

自適應(yīng)表皮系統(tǒng)由感知系統(tǒng)、決策系統(tǒng)與執(zhí)行系統(tǒng)構(gòu)成，通過(guò)不同的方式與使用者及室內(nèi)外環(huán)境產(chǎn)生交互，維持室內(nèi)環(huán)境舒適度需求。感知系統(tǒng)通過(guò)傳感器或氣候數(shù)據(jù)獲取環(huán)境信息，將信息處理后輸入到?jīng)Q策系統(tǒng)，計(jì)算輸出環(huán)境響應(yīng)決策，最后通過(guò)執(zhí)行系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)表皮響應(yīng)環(huán)境。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：智能感知、智能決策與執(zhí)行系統(tǒng)互為技術(shù)支撐。采用仿真模擬的感知系統(tǒng)能為決策系統(tǒng)提供有效的數(shù)據(jù)支撐；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模技術(shù)可大幅降低優(yōu)化設(shè)計(jì)決策耗時(shí)，為建筑自適應(yīng)表皮的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)環(huán)境響應(yīng)提供了新的技術(shù)支點(diǎn)；基于優(yōu)化算法的智能決策可同時(shí)計(jì)算自適應(yīng)表皮多模塊的相對(duì)最優(yōu)位置，大幅提升了執(zhí)行系統(tǒng)的靈活度。

綜上所述，在人工智能技術(shù)語(yǔ)境下，建筑自適應(yīng)表皮將由基于傳感器感知環(huán)境，逐步發(fā)展為基于仿真模擬實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知，不斷降低表皮系統(tǒng)規(guī)模，并逐步引入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)算法，持續(xù)提高環(huán)境感知精度與效率；同時(shí)，決策系統(tǒng)也由基于閾值的準(zhǔn)則決策發(fā)展到多性能、多目標(biāo)導(dǎo)向的算法決策，可有效實(shí)現(xiàn)室內(nèi)多方面舒適性能權(quán)衡最優(yōu)；建筑自適應(yīng)表皮執(zhí)行系統(tǒng)的形變方式則不斷拓展，并通過(guò)單元式、模塊化發(fā)展，不斷提高建筑自適應(yīng)表皮的環(huán)境響應(yīng)靈活度。建筑自適應(yīng)表皮的發(fā)展將推動(dòng)建筑信息化轉(zhuǎn)型，助力建筑產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排和碳達(dá)峰、“碳中和”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)?！?/p>