韓昀松

0 引言

“表皮”源自生物學(xué)術(shù)語，原指生物體外側(cè)覆蓋的、與環(huán)境接觸且具有感知環(huán)境變化，調(diào)節(jié)自身以適應(yīng)外環(huán)境波動的組織?！敖ㄖ砥ぁ笔侵父采w在建筑空間外且與室外環(huán)境接觸的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)?！敖ㄖ赃m應(yīng)表皮” （adaptive fa?ade）是對建筑表皮的進(jìn)一步限定，指能基于環(huán)境數(shù)據(jù)感知，可自主、動態(tài)地改變表皮形態(tài)或構(gòu)造，響應(yīng)環(huán)境變化的智慧化建筑表皮。建筑自適應(yīng)表皮研究可追溯至1950-1960 年代[1]，涌現(xiàn)出自適應(yīng)表皮（adaptive fa?ade）[2-3]、動態(tài)表皮（kinetic fa?ade）[4]、響應(yīng)式表皮（responsive building envelope）[5]和主動式建筑表皮（active building envelope）[6]等概念（圖1），并在實踐應(yīng)用中揭示了建筑自適應(yīng)表皮在提升建筑能效、降低運維成本和優(yōu)化室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)等方面的巨大潛力[7]。

1 既有建筑自適應(yīng)表皮相關(guān)概念

1 方法

計算性思維（computational thinking）是計算性設(shè)計的思維基礎(chǔ)，其通過抽象（abstraction）和分解（decomposition）將復(fù)雜系統(tǒng)問題轉(zhuǎn)換為多個并行的求解進(jìn)程，實現(xiàn)對復(fù)雜系統(tǒng)問題的高效求解。而且，計算性思維能夠發(fā)揮大數(shù)據(jù)優(yōu)勢來加速計算過程，從而在時間和空間維度實現(xiàn)權(quán)衡提升[8]。計算性設(shè)計是基于計算性思維展開的創(chuàng)作活動，其在人居環(huán)境營造中，基于人居環(huán)境系統(tǒng)科學(xué)與復(fù)雜性科學(xué)，應(yīng)用人工智能技術(shù)，展開多性能目標(biāo)耦合考慮下的建筑設(shè)計元素自組織生成與自適應(yīng)優(yōu)化[9]。

人工智能時代語境為計算性設(shè)計的發(fā)展提供了新的支撐，加速了計算性設(shè)計的推廣應(yīng)用，為綠色建筑自適應(yīng)表皮創(chuàng)作注入了新動能。研究發(fā)揮計算性設(shè)計方法對復(fù)雜工程問題的求解優(yōu)勢，融合人工智能技術(shù)流程與綠色建筑自適應(yīng)表皮創(chuàng)作流程，綜合應(yīng)用圖像識別、聚類分析、進(jìn)化計算、深度學(xué)習(xí)建模等技術(shù)，展開了綠色建筑自適應(yīng)表皮使用者行為感知、形態(tài)計算性設(shè)計和模塊化智慧控制方法與技術(shù)研究（圖2），旨在提升綠色建筑自適應(yīng)表皮對局部地區(qū)環(huán)境波動和使用者光熱舒適個性需求的響應(yīng)精度，加強(qiáng)其對建筑綠色性能多目標(biāo)的權(quán)衡改善能力，并構(gòu)建了可感知使用者行為的綠色建筑自適應(yīng)表皮系統(tǒng)。

2 計算性設(shè)計賦能綠色建筑自適應(yīng)表皮研究

2 成果

2.1 綠色建筑自適應(yīng)表皮使用者行為感知方法與技術(shù)

通過使用者行為感知來預(yù)測建筑使用者個人熱需求，對于權(quán)衡改善綠色建筑熱舒適需求與高能效目標(biāo)具有重要意義。由于使用者行為具有顯著的隨機(jī)性和不確定性，其與個人熱需求的映射關(guān)系解析難度較高。計算性設(shè)計因融合了人工智能技術(shù)流程而善于對復(fù)雜系統(tǒng)行為進(jìn)行解析，為建筑使用者行為感知與分析帶來了新契機(jī)。團(tuán)隊?wèi)?yīng)用計算性設(shè)計方法研發(fā)了建筑使用者行為數(shù)據(jù)采集與分析方法與技術(shù)[10]，通過深度學(xué)習(xí)建模，可基于視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行建筑使用者行為動作采集、特征提取和動作分類，并通過集成多對象跟蹤算法，實現(xiàn)基于建筑使用者行為特征感知的個人熱需求預(yù)測（圖3）[11]。實測結(jié)果表明：該方法對建筑使用者是否進(jìn)行熱適應(yīng)行為的預(yù)測精度達(dá)到92%，使用者熱需求預(yù)測精度達(dá)到91%。

3 基于建筑使用者行為特征感知的個人熱需求預(yù)測方法與系統(tǒng)，引自參考文獻(xiàn)[11]

2.2 綠色建筑自適應(yīng)表皮形態(tài)計算性設(shè)計方法與技術(shù)

團(tuán)隊?wèi)?yīng)用計算性設(shè)計方法實現(xiàn)多性能目標(biāo)耦合下的建筑自適應(yīng)表皮設(shè)計元素自組織生成與自適應(yīng)優(yōu)化，耦合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）和多目標(biāo)進(jìn)化算法（MOEA），提出了建筑自適應(yīng)表皮計算性設(shè)計方法[12]，同步開發(fā)了自適應(yīng)表皮形態(tài)計算性設(shè)計工具，能夠基于“鑲嵌幾何”原理，生成建筑自適應(yīng)表皮形態(tài)；發(fā)揮計算性思維的并行計算優(yōu)勢，通過聚類分析將自適應(yīng)表皮高維數(shù)據(jù)空間映射到二維空間，從而在建筑自適應(yīng)表皮設(shè)計過程中實現(xiàn)對10 項以上建筑綠色性能的權(quán)衡改善。

2.3 綠色建筑自適應(yīng)表皮模塊化智慧控制方法與技術(shù)

建筑自適應(yīng)表皮控制計算量大、模塊化精準(zhǔn)控制難度高。團(tuán)隊?wèi)?yīng)用計算性設(shè)計方法，提出了融合整數(shù)規(guī)劃（integer programming）與代理建模（surrogate modelling）算法的建筑自適應(yīng)表皮模塊化智慧控制方法，能夠基于日照輻射分布信息，控制建筑自適應(yīng)表皮進(jìn)行多模塊形變，回應(yīng)開放辦公空間光熱環(huán)境差異化需求（圖4），有效改善了建成環(huán)境自然采光性能，降低了眩光風(fēng)險，相比傳統(tǒng)靜態(tài)表皮最高可實現(xiàn)15%的性能提升[13]。

4 建筑自適應(yīng)表皮模塊化智慧控制流程，引自參考文獻(xiàn)[13]

綜合應(yīng)用上述設(shè)計方法與關(guān)鍵技術(shù)，團(tuán)隊構(gòu)建了可感知使用者行為的綠色建筑自適應(yīng)表皮系統(tǒng)，旨在契合使用者個性化光熱舒適度要求，權(quán)衡改善建成環(huán)境光熱舒適性能和建筑能效[14]。

3 結(jié)論

雙碳戰(zhàn)略導(dǎo)向下，建筑綠色性能水平將持續(xù)提升，其性能目標(biāo)體系也將日益復(fù)合化，對綠色建筑自適應(yīng)表皮創(chuàng)作提出了新的挑戰(zhàn)?；谟嬎阈运季S的設(shè)計方法與技術(shù)發(fā)揮了人工智能技術(shù)優(yōu)勢，為綠色建筑自適應(yīng)表皮發(fā)展提供了有力支撐，使其能夠高效感知環(huán)境波動與使用者舒適度需求，精準(zhǔn)調(diào)控建筑能效與建成環(huán)境舒適性能?！靶禄ā睉?zhàn)略為我國“新城建”持續(xù)注入新動能。計算性設(shè)計也將通過賦能綠色建筑自適應(yīng)表皮創(chuàng)作，持續(xù)推動人居環(huán)境建設(shè)的信息化升級與工業(yè)化轉(zhuǎn)型。□