潘文特，李書頎，江家揚，王繼先

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 建筑學(xué)院，哈爾濱 150001）

引言

中國的月球探測規(guī)劃分為“探、登、駐”3個階段[1]，目前已完成“無人月球探測”中的“繞、落、回”三期任務(wù)[2]，并在2021年正式啟動了國際月球科研站項目[3]。月球科研站是進行月球探索和開發(fā)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是實現(xiàn)中國航天強國戰(zhàn)略的重要標(biāo)志，適時開展有關(guān)月球科研站建筑設(shè)計研究具有重要意義。駐人月球科研站的主要功能在于為精密探月設(shè)備提供掩蔽空間，為航天員提供穩(wěn)定生存環(huán)境，能夠?qū)崿F(xiàn)短期有人值守和長期自主運行。其建筑設(shè)計是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，在過程中具有大量復(fù)雜耦合信息，設(shè)計組成復(fù)雜、設(shè)計約束苛刻、設(shè)計驗證困難，具有周期長、風(fēng)險大、管理復(fù)雜等特點。因此，面對此復(fù)雜特殊的建筑系統(tǒng)，本文以系統(tǒng)工程學(xué)視角研究駐人月球科研站建筑設(shè)計，提供全新思路，指導(dǎo)設(shè)計從時空分離走向統(tǒng)一，從局部走向整體，從離散走向系統(tǒng)。

1 研究概述

1.1 駐人月球科研站

1959年人類首顆月球探測器的成功發(fā)射拉開了第一輪探月高潮的帷幕[4]，隨后，人類從未停止對月球的探索。伴隨航天科技的不斷發(fā)展、任務(wù)階段的不斷深入，世界各國及組織爭相提出相對切實可行的月球建筑實施計劃：2015年，歐洲航天局（European Space Agency，ESA）提出月球村倡議[5]，為月球可持續(xù)發(fā)展制定戰(zhàn)略，并開展一系列原位建造研究；2018年，美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）提出“阿爾忒彌斯”（Artemis）重返月球計劃[6]，計劃分別在2024年和2028年實施兩次載人登月，并建立較為長期的駐人月球基地；2021年，中國發(fā)布了《國際月球科研站路線圖》[3]，計劃于2035年前建成第一階段的月球科研站。隨著各國月球探索計劃的實施，航天機構(gòu)牽頭，高校與建筑事務(wù)所參與的月球建筑設(shè)計涌現(xiàn)出大量經(jīng)典方案（表1）。

表1 高校與建筑事務(wù)所參與的月球建筑設(shè)計方案Table 1 Universities and architectural firms participating in lunar habitat design scheme

1.2 系統(tǒng)工程

系統(tǒng)是由兩個以上相互聯(lián)系、相互作用的要素構(gòu)成的具有特定功能、結(jié)構(gòu)和環(huán)境的整體，具有整體性、關(guān)聯(lián)性、環(huán)境適應(yīng)性、目的性、層次性等特征[7]。系統(tǒng)工程學(xué)是對系統(tǒng)理論的應(yīng)用研究，為組織管理系統(tǒng)的規(guī)劃、研究、設(shè)計、制作、試驗和使用提供了一套科學(xué)的方法。系統(tǒng)工程最早出現(xiàn)在機械、通信、航天、軍事等以定量分析、設(shè)計、優(yōu)化為主的硬系統(tǒng)工程領(lǐng)域。從20世紀八九十年代開始，以社會、經(jīng)濟、管理等學(xué)科衍生的軟系統(tǒng)工程與中國科學(xué)家錢學(xué)森教授引領(lǐng)的東方系統(tǒng)方法論開始出現(xiàn)在人們的視野中。研究者通過大量工程問題的研究總結(jié)出一系列系統(tǒng)工程理論與方法，如硬系統(tǒng)代表的霍爾三維結(jié)構(gòu)[8]（圖1），以及軟系統(tǒng)工程代表的切克蘭德方法論（圖2）。新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)革命中，智能化與數(shù)字孿生的背景（物聯(lián)網(wǎng)、智能建造、元宇宙等）下衍生的智能制造系統(tǒng)工程成為數(shù)字技術(shù)、工業(yè)技術(shù)、管理技術(shù)等深度融合的復(fù)雜系統(tǒng)工程。

圖1 霍爾三維系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hall 3D system structure diagram

圖2 切克蘭德方法流程圖Fig.2 Flow chart of the Chekland method

本文所研究的駐人月球科研站建筑工程是軟硬兼具的復(fù)雜系統(tǒng)工程，既存在環(huán)境、結(jié)構(gòu)、材料等硬性要素，又存在政策、法規(guī)、管理等軟性要素，同時伴隨環(huán)境與功能的變化在長期發(fā)展上處于動態(tài)變化之中。因此本文旨在從系統(tǒng)工程視角解決月球建筑復(fù)雜系統(tǒng)總體設(shè)計問題。

2 駐人月球科研站建筑設(shè)計約束條件

2.1 宏觀層面地月戰(zhàn)略約束

世界航天現(xiàn)已進入以衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座、太空資源開發(fā)與利用、載人月球探測和大規(guī)模深空探測等為代表的新階段。各航天大國在近地空間、月球空間與地月轉(zhuǎn)移空間積極開展地月活動[9-10]，其戰(zhàn)略行為主要分為3個方面：在軌服務(wù)與維修、太空旅游、系統(tǒng)能源、太空醫(yī)療等太空經(jīng)濟戰(zhàn)略行為；空間站科學(xué)與技術(shù)實驗、行星探測與實驗等科技戰(zhàn)略行為[11]；法律政策、太空威懾架構(gòu)等安全戰(zhàn)略行為[12]。月球科研站的建設(shè)作為地月戰(zhàn)略系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，其建設(shè)過程受經(jīng)濟戰(zhàn)略、科技戰(zhàn)略、安全戰(zhàn)略三方面的促進與制約。經(jīng)濟戰(zhàn)略如穩(wěn)定低成本的基礎(chǔ)空間能力直接影響建設(shè)物資運輸與建筑建造，地月經(jīng)濟開發(fā)決定建筑的規(guī)模與成本；科技戰(zhàn)略如在月面微重力、高真空等空間環(huán)境下開展的有關(guān)研究在建筑結(jié)構(gòu)、能源、生保系統(tǒng)等中產(chǎn)生技術(shù)突破；安全戰(zhàn)略如月球資源開發(fā)、利用與治理等目標(biāo)對建筑本身的戰(zhàn)略意義、功能定位、建設(shè)周期等提出了要求。

2.2 中觀層面復(fù)雜環(huán)境約束

月球具有復(fù)雜的物理環(huán)境，如微重力、長晝夜、大溫差、強輻射、易發(fā)生流星撞擊等危險因素。其中，月球微重力環(huán)境雖對于結(jié)構(gòu)極限跨度、豎向功能組織等方面起到積極作用，但也對工程設(shè)計的可靠性與穩(wěn)定性、物理原件的實驗驗證、人體健康與行為模式的設(shè)計研究提出了挑戰(zhàn)。月表日間平均溫度107 °C，夜間平均溫度–153 °C，極端溫度條件對于建筑結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)變、熱穩(wěn)定性，以及建筑材料的隔熱與散熱性能有更高的要求。由于月球外層不存在大氣層的緩沖，輻射射線和微流星體不僅會破壞電子設(shè)備元器件、結(jié)構(gòu)與材料，同時威脅在月人員安全。此外，月球存在著許多可利用的資源，如月壤、稀有金屬與清潔能源等。原位資源可供開發(fā)利用于施工建設(shè)與后期運維，月壤、月巖可制造建材，氦–3可用于建設(shè)核電站以供給能源[13]。同時，月球具有復(fù)雜的地質(zhì)條件，起伏的月陸與月海，以及地下熔巖管道結(jié)構(gòu)，如月球赤道區(qū)域的高原洞穴、月海空穴[14-15]，為建筑設(shè)計抵御環(huán)境沖擊提供了更為有利的地形條件。

2.3 微觀層面關(guān)鍵技術(shù)約束

建筑運輸與建造、結(jié)構(gòu)與防護、建筑能源與生保相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)是實現(xiàn)駐人月球科研站從建立、運行到發(fā)展的基礎(chǔ)，技術(shù)發(fā)展也制約著建筑設(shè)計的結(jié)果。其中，物資運輸技術(shù)如重型運載火箭[16]、月球著陸器[17]等決定建筑尺寸與建造方式；結(jié)構(gòu)選型與圍護結(jié)構(gòu)材料開發(fā)等關(guān)鍵技術(shù)[18]、月壤混凝土加工技術(shù)[19]、原位建造技術(shù)[20-22]等影響建筑建造方式與性能；能源中的光伏表皮供能技術(shù)[23]、熱控制技術(shù)[24]、月壤溫差發(fā)電技術(shù)[25]、氦3核聚變發(fā)電[13]以及清潔能源轉(zhuǎn)化儲能技術(shù)[26]等影響建筑從建造到運維的能量來源，進而影響建筑與科研站其他分系統(tǒng)之間的空間與信息關(guān)系；建筑生命保障系統(tǒng)中的物質(zhì)流循環(huán)調(diào)控技術(shù)[27]、人體健康監(jiān)控技術(shù)等影響建筑功能的確定及其組織，以及內(nèi)部環(huán)境的適人性設(shè)計[28]。

3 駐人月球科研站建筑設(shè)計系統(tǒng)工程實施方法

3.1 總體目標(biāo)

駐人月球科研站建筑設(shè)計具有安全、可持續(xù)與智能等總體目標(biāo)（圖3）。

1）安全

駐人月球科研站建筑設(shè)計的首要目標(biāo)是確?？蒲姓救藛T的安全。月球環(huán)境對地球生命的生存極為不利，隕石、太陽風(fēng)和銀河宇宙射線、月塵、極端溫度都可能給人類生命造成威脅[29]。駐人月球科研站建筑設(shè)計需要對月表極端環(huán)境采取應(yīng)對措施，保障人員安全。同時應(yīng)具備一定的靈活性和冗余性，避免因某個艙段出現(xiàn)故障而影響到其它艙段的安全，要確保每個艙段進入安全區(qū)域的路徑盡可能短且途徑盡可能多[30]。

2）可持續(xù)

由于建設(shè)月球科研站是一項耗資巨大的工程，其設(shè)計達到資源、經(jīng)濟、環(huán)境等維度上的可持續(xù)十分必要。在建造和維護過程中盡可能利用月球原位資源，能夠減少對地球資源的依賴，節(jié)省高昂的運輸費用，有利于推動月球探索的可持續(xù)發(fā)展。從更長遠的角度上看，隨著地球資源逐漸枯竭，開發(fā)月球資源將不可避免，研發(fā)原位資源利用技術(shù)，也有利于地球環(huán)境的保護和人類社會的可持續(xù)發(fā)展[1]。3）智能

由于月球環(huán)境極端危險，大量人工干預(yù)的施工方式并不適用，因此月球科研站的建造過程需全部自主或半自主建造[1]，人機協(xié)同的遙操作建造技術(shù)是滿足智能建造目標(biāo)的基礎(chǔ)。此外，運維過程需借助大數(shù)據(jù)、云計算、數(shù)字孿生等先進技術(shù)，在信息世界構(gòu)建與物理世界對應(yīng)的數(shù)字模型，實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實的動態(tài)交互，反復(fù)優(yōu)化設(shè)計和建造過程，實現(xiàn)建筑全生命周期的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。

3.2 應(yīng)用思想

駐人月球科研站建筑設(shè)計系統(tǒng)工程應(yīng)用思想包括流程一體化、模型可視化、設(shè)計模塊化（圖4）。

圖4 駐人月球科研站建筑設(shè)計應(yīng)用思想Fig.4 Application of architectural design ideas for manned lunar research station

1）流程一體化

駐人月球科研站建筑設(shè)計采用系統(tǒng)工程的方法和手段，以需求分析、系統(tǒng)定義、系統(tǒng)設(shè)計、功能分解、產(chǎn)品實現(xiàn)、系統(tǒng)集成、驗證和確認、在月建造與運維等一系列完整流程逐步推進。同時，按照系統(tǒng)、分系統(tǒng)、單機和部組件的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，從上至下逐級傳遞、分解、補充和定義，從下至上逐級實施、反饋、確認和綜合[3]。

2）模型可視化

采用模型可視化的管理方式對項目進行計劃和控制，協(xié)調(diào)多專業(yè)交叉合作，涵蓋航天、建筑、結(jié)構(gòu)、材料、生保、能源、人因工程等專業(yè)領(lǐng)域，提升對項目周期、費效和質(zhì)量的控制。同時系統(tǒng)管理項目中的要素，如人員、物料、設(shè)備、知識、信息、過程等，從而實現(xiàn)信息和物理兩個維度的聯(lián)動。

3）設(shè)計模塊化

為了實現(xiàn)駐人月球科研站的靈活性和可擴展性，應(yīng)對其進行模塊化設(shè)計和管理。不僅有利于駐人月球科研站監(jiān)測和替換故障艙段，同時更好地與后期擴展艙段銜接配合。在研制期間，除了需要進行大量模擬仿真，也需對各模塊投產(chǎn)樣品進行實驗驗證和確認。

3.3 應(yīng)用優(yōu)勢

1）高效

基于各類模擬仿真工具，集合各領(lǐng)域知識，對建筑功能、性能、質(zhì)量、進度和造價等進行綜合權(quán)衡，為駐人月球科研站建筑設(shè)計系統(tǒng)工程高效決策提供數(shù)據(jù)支持。

2）準(zhǔn)確

從多學(xué)科視角和多實施階段建立高保真度建筑信息模型，并與現(xiàn)實場景聯(lián)動，保障駐人月球科研站建筑實體的特征、性能、全生命周期過程與在地驗證階段基本一致。

3）整合

根據(jù)系統(tǒng)級、分系統(tǒng)級、單機級、部組件級的不同建筑信息生成模型，通過分解與集成保持信息共享一致，便于不同專業(yè)人員的協(xié)同合作。

3.4 應(yīng)用框架

駐人月球科研站建筑設(shè)計系統(tǒng)工程的應(yīng)用框架由應(yīng)用層、模型層、數(shù)據(jù)層構(gòu)成（圖5）。

圖5 駐人月球科研站建筑設(shè)計系統(tǒng)工程的應(yīng)用框架Fig.5 Application framework of architectural design system for manned lunar research station

1）應(yīng)用層

建筑設(shè)計師、結(jié)構(gòu)工程師、機電工程師、暖通工程師、項目管理人員、生產(chǎn)與測試人員等駐人月球科研站建筑設(shè)計人員通過應(yīng)用層提供的各業(yè)務(wù)操作界面來完成各自任務(wù)。充分考慮參與人員的使用場景與操作需求，提供桌面應(yīng)用、Web應(yīng)用和移動類應(yīng)用的端口[31]。在需要時，可采用虛擬現(xiàn)實（VR）或增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)，模擬參與人員與虛擬建筑的交互[32]。

2）模型層

包括信息世界中設(shè)計開發(fā)所生成的定義模型和物理世界中實物生成的鏡像。建筑信息模型（BIM）是建筑信息數(shù)字化表達的關(guān)鍵技術(shù)，可集合建筑、結(jié)構(gòu)、機電、暖通、材料、能源等多學(xué)科信息，實現(xiàn)駐人月球科研站全生命周期信息的動態(tài)管理。同時，建筑信息模型可連接各專業(yè)的模擬仿真工具，打破各學(xué)科領(lǐng)域模型的鏈路，實現(xiàn)交互協(xié)同[33]。此外，建造建筑實體鏡像模型是駐人月球科研站研究的必要環(huán)節(jié)，在實驗環(huán)境下檢驗建造過程的合理性，積累實測數(shù)據(jù)，為在月建造積累經(jīng)驗。

3）數(shù)據(jù)層

包括建筑信息模型和建筑實體鏡像模型的有關(guān)數(shù)據(jù)。借助大數(shù)據(jù)和云計算技術(shù)，采集、存儲、處理與分析駐人月球科研站建筑、結(jié)構(gòu)、材料、環(huán)境等維度的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)智能決策。

4 駐人月球科研站建筑設(shè)計系統(tǒng)工程三維結(jié)構(gòu)模型

駐人月球科研站建筑設(shè)計的全過程包含著多專業(yè)技術(shù)人員的協(xié)作配合，也包含著全生命周期的系統(tǒng)復(fù)雜性與動態(tài)性，霍爾的系統(tǒng)工程三維結(jié)構(gòu)為其提供了系統(tǒng)展示各項工作內(nèi)容的立體結(jié)構(gòu)模型。對于駐人月球科研站建筑設(shè)計而言，總體三維結(jié)構(gòu)如圖6所示，其時間維是從設(shè)計初始到結(jié)束按照時間順序排列的任務(wù)流程；邏輯維是在每一階段內(nèi)為進行各項決策而遵循的思維程序；知識維是在各項任務(wù)中應(yīng)用的科學(xué)知識。

圖6 駐人月球科研站建筑設(shè)計系統(tǒng)工程三維結(jié)構(gòu)模型Fig.6 3D structural model of architectural design system of manned lunar research station

4.1 時間維

由于駐人月球科研站涉及多層次的約束條件與多專業(yè)的技術(shù)支撐，其建筑設(shè)計是一個廣義的設(shè)計過程，不僅指狹義上的建筑方案設(shè)計，還包含著前期的需求明確與建筑策劃，以及后期的技術(shù)驗證與方法優(yōu)化?？傮w而言，為形成清晰高效的設(shè)計流程指導(dǎo)，可以利用V字模型將駐人月球科研站建筑設(shè)計過程劃分為5個階段，包括策劃階段、設(shè)計階段、開發(fā)階段、驗證階段、優(yōu)化階段（圖7）。每一階段內(nèi)的任務(wù)仍可以繼續(xù)細分，其間的關(guān)系有串行、并行、耦合3種，因此，應(yīng)在設(shè)計開始前對所有工序盡可能做出具體安排，提前預(yù)測問題并留出動態(tài)調(diào)整的空間。

圖7 駐人月球科研站建筑設(shè)計流程V字模型Fig.7 V model of architectural design process of the manned lunar research station

在建筑方案策劃階段，需要以使用需求、宇航員人數(shù)、駐月天數(shù)以及駐月目標(biāo)為依據(jù)，以近月空間環(huán)境、月面環(huán)境以及地月距離等相關(guān)資料與數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，把駐人月球空間站建筑設(shè)計的規(guī)劃、設(shè)計、施工圖結(jié)合起來，進行可行性分析，從而制定綜合了安全、可持續(xù)、智能等建設(shè)目標(biāo)，并將總體目標(biāo)逐層細化，最后集成科研艙、生活艙、生物艙等各項功能。進行建筑方案設(shè)計時，工程師需要在策劃的基礎(chǔ)上形成物化方案，BIM可以將各種信息整合于一個三維模型信息數(shù)據(jù)庫中，這一階段建立的駐人月球科研站建筑信息模型不僅包含了建筑工程的各項構(gòu)件幾何信息、專業(yè)屬性等內(nèi)容，還為后續(xù)階段的多方協(xié)同工作過程中提供了高度集成的共享平臺。為優(yōu)化信息與空間建設(shè)的參數(shù)關(guān)聯(lián)，需要進行整體方案與關(guān)鍵技術(shù)的驗證，因此，后續(xù)的開發(fā)、驗證、優(yōu)化需要基于設(shè)計階段的BIM模型進行仿真分析以及實體模型制造。一方面，搭建月面原位環(huán)境鏡像平臺，輔以系統(tǒng)仿真、動態(tài)模擬等技術(shù)手段，進行初步的力學(xué)與熱力學(xué)性能模擬，以及建造全流程的可視化驗證，從而調(diào)整設(shè)計方案。另一方面，建立局部以及全尺度的實體模型。通過實驗平臺實現(xiàn)月球環(huán)境要素的在地模擬，針對真空、微重力環(huán)境下的月壤混凝土與砌塊制造、機械臂3D打印與砌塊建造、剛性與柔性折展結(jié)構(gòu)的展開等進行材料制備技術(shù)與建造技術(shù)的驗證實驗，從而分析建造方法的可行性。接下來進行圍護結(jié)構(gòu)的力學(xué)與熱力學(xué)性能測試，從而可以優(yōu)化構(gòu)造的相關(guān)參數(shù)。在局部大樣優(yōu)化測試后，進行全過程整體建筑的建造與運行。完成在地遠程操作的無人建造后，驗證整體安全性與可靠性，并派航天員進行在地測試，對生理、心理、社會健康進行封閉式模擬并優(yōu)化內(nèi)部環(huán)境。最終，以全方位模擬在月運行狀態(tài)，建立數(shù)字孿生物理–信息交互模型保證未來在月的順利建設(shè)。

4.2 邏輯維

邏輯維是進行時間維中各階段工作的程序和步驟，在每一任務(wù)階段遇到的問題都應(yīng)有明確的解決問題從而做出決策的邏輯，具有邏輯性的框架能夠為項目的推進提供思路，同時，可以根據(jù)過程的動態(tài)性，不斷完善整體的三維結(jié)構(gòu)。結(jié)合系統(tǒng)工程與建筑學(xué)研究邏輯，駐人月球科研站建筑設(shè)計的邏輯維由問題形成、理論研究、方法研究、技術(shù)研究、決策明確、計劃實施6個邏輯過程構(gòu)成。

在邏輯維中，除前期的問題形成與后期的決策明確、計劃實施以外，中間的理論、方法、技術(shù)3個層次的研究是解決問題的核心步驟。理論研究重要的是通過厘析影響要素、影響機制等問題形成后續(xù)操作的指導(dǎo)基礎(chǔ)。例如在策劃階段，通過解析包括月球位置資源、環(huán)境資源、物質(zhì)資源在內(nèi)的不同層次的約束條件，以及既有地月關(guān)系下各國探月工程的目標(biāo)、現(xiàn)狀、趨勢，以建筑策劃工作流程為支點，進行地月建設(shè)差異的對比分析。從適用原則、應(yīng)用原理等方面深入分析復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)、環(huán)境適應(yīng)、智能建造等相關(guān)理論，確定設(shè)計目標(biāo)體系集，并解析人、建筑、環(huán)境間的互構(gòu)協(xié)同模式，從功能關(guān)系、形態(tài)關(guān)系、位置關(guān)系等層面研究人–建–環(huán)體系內(nèi)的互饋關(guān)系，構(gòu)建信息集成框架，解析各要素間的聯(lián)結(jié)基礎(chǔ)及互動內(nèi)涵，建立耦合關(guān)系模型。方法研究中旨在提供計劃實施的具體操作。其中，在設(shè)計階段，為得到設(shè)計方案，需在理論研究的基礎(chǔ)上，對每一子系統(tǒng)均提出具體的設(shè)計策略與方法。例如，對于圍護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)而言，綜合利用涌現(xiàn)生成、性能模擬、評價優(yōu)化等技術(shù)手段，確定全方位設(shè)計導(dǎo)向，包括多層耦合、智能應(yīng)變等。技術(shù)研究旨在分析各階段的實施方法是否合理有效，比如在設(shè)計階段，需要開發(fā)利用多層表皮的材料技術(shù)、可部署結(jié)構(gòu)技術(shù)等；在驗證階段，虛擬模型的建立需利用數(shù)字孿生、仿真模擬等計算機技術(shù)，同時，實體模型的建立也需利用機械臂建造路徑生成、雙機械臂聯(lián)動協(xié)同操作等建造技術(shù)。

4.3 知識維

駐人月球科研站作為擁有眾多子系統(tǒng)的復(fù)雜系統(tǒng)，在知識維層面，為了實現(xiàn)時間維中不同階段的有序推進，實現(xiàn)邏輯維中不同程序的研究決策，其設(shè)計過程需要多專業(yè)、多學(xué)科的協(xié)同配合[34]。亞里士多德從人類的實踐活動出發(fā)把知識分為理論之學(xué)（theoria）、實踐之學(xué)（praxis）和創(chuàng)制之學(xué)（poiesis）三大類[35]。

其中，理論之學(xué)是純粹理性的對不變的事物的認識，在駐人月球科研站建筑設(shè)計過程中，包括數(shù)學(xué)、物理學(xué)等。在前期策劃階段，空間科學(xué)為建筑設(shè)計提供了月球這一極端復(fù)雜環(huán)境的有關(guān)參數(shù)，從而影響建筑選型、圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計、空間組織等問題。在后期驗證與優(yōu)化階段，數(shù)學(xué)、物理學(xué)等知識為環(huán)境性能、結(jié)構(gòu)性能的仿真與數(shù)字孿生提供了計算基礎(chǔ)。實踐之學(xué)是關(guān)于人類行動，即所做之事的認識，包括政治學(xué)、管理學(xué)等。探月工程的路線制定涉及政策支撐、法規(guī)制定的相關(guān)問題，因此駐人月球科研站的建筑設(shè)計會受政治、經(jīng)濟、法律等約束，從而影響空間尺寸、建筑材料、建造方式等問題。此外，駐人月球科研站建設(shè)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要航天總體設(shè)計以及系統(tǒng)工程管理的有關(guān)知識。創(chuàng)制之學(xué)是關(guān)于創(chuàng)作與生產(chǎn)，即所造之物的認識，在駐人月球科研站建筑設(shè)計過程中，包括航天工程、建筑工程、結(jié)構(gòu)工程、材料工程、能源與動力工程等多個領(lǐng)域的工程技術(shù)。具體而言，在結(jié)構(gòu)與材料層面需驗證充氣與機械折展等結(jié)構(gòu)技術(shù)以及高性能材料的應(yīng)用，智能建造中需驗證空間環(huán)境中利用月壤等原位資源進行3D打印、機械臂砌筑等建造技術(shù)，在機電與能源層面需驗證不同地形環(huán)境下的月面移動技術(shù)、建筑圍護結(jié)構(gòu)折展與應(yīng)變技術(shù)以及多源供能技術(shù)，生命保障與后期運維的系統(tǒng)中需驗證物質(zhì)循環(huán)技術(shù)以及相關(guān)信息技術(shù)。

5 結(jié)語

本文以建筑學(xué)視角對駐人月球科研站設(shè)計這一復(fù)雜系統(tǒng)工程開展研究，引入系統(tǒng)工程研究方法對這一復(fù)雜問題中的關(guān)鍵要素進行解構(gòu)和系統(tǒng)梳理，以明晰其所含要素及其耦合關(guān)系。本文通過梳理既往研究，分析約束條件，建立實施方法，從而構(gòu)建包含時間維、邏輯維、知識維的駐人月球科研站建筑設(shè)計系統(tǒng)工程三維結(jié)構(gòu)模型，為未來駐人月球科研站建設(shè)提供新視角和新思路。