基于視覺感知和行走行為的室內(nèi)空間形態(tài)研究

陳 星，劉 義

(1.揚州大學 建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225127；2.西安建筑科技大學 建筑學院，陜西 西安710055；3.揚州大學 水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州，225127)

1964年世界衛(wèi)生組織就提出了居住滿意度包括：安全(safety)、健康(health)、便捷(efficiency or convenience)和舒適(amenity or comfort)主要類別.而室內(nèi)空間設計的恰適性-spatial design adequacy(SDA)則代表了與這些內(nèi)容相關的空間設計質(zhì)量.SDA除了被室內(nèi)空間所影響外，更與人體的感知體驗息息相關[1].依據(jù)“行為設置理論”，人、環(huán)境和行為被有機組織在1個相互關聯(lián)的系統(tǒng)里[2].室內(nèi)空間形態(tài)和家具布置等會直接影響人的感知、感知范圍和由此所導致的行為方式[3-4].因此，提高建筑室內(nèi)空間的SDA尤為重要.但是，SDA所涉及的感知與行為的關系卻很少被研究,且都集中在了交通空間共享、立體空間組合、功能空間的整合與壓縮和空間外放等手法上[5-6]，并結合折疊家具以使傳統(tǒng)居室的功能可以在狹小空間中實現(xiàn)，這些設計方法普遍注重空間的功能性和可操作性，人體行為成為了實現(xiàn)空間功能的工具，忽視了人體感知和行為之間的因果關系.例如：勒·柯布西耶的海岬小木屋和倫佐·皮亞諾的6 m2蝸居房的平面均由普通家具分隔，核心交通空間被各個功能區(qū)間共用，功能空間彼此整合且同時被極度壓縮；XXS House[7]和麥克·佩奇的立體房屋進行了立體空間的組合；Sleep Box[8]用折疊桌板將上網(wǎng)等工作功能空間融入到就寢空間內(nèi)等.這些設計實踐都普遍忽視了人體感知，特別是視覺感知在狹小空間的局限性以及這種局限性對人體行為的影響[9]，視覺感知是很多行為發(fā)生的原因和目的，而存在于室內(nèi)空間的視覺感知局限性以及這種局限性對人體行為的影響則需要深入的研究與探索[10]，且這一問題與SDA所涉及的“安全”、“健康”、“便捷”和“舒適”關系密切.

1 在建筑室內(nèi)空間中進行的視覺感知局限-人體行走碰撞觸粉試驗

研究顯示，80%～90%的外界信息是由人眼獲取的，因此人們在室內(nèi)空間中的活動必然需要極大地依靠視覺感知來獲取必要的信息[11].視角與視距是影響視覺感知的兩大因素，室內(nèi)空間一般會使人擁有較小的視距，而較小的視距一方面能夠使人得到較為清晰的視覺感知，但在另外一方面，則會限制人眼所感知的實際視野范圍.因此，室內(nèi)空間中可能存在著明顯的視覺空間障礙問題，而這一問題有可能造成人體視覺感知的局限性，即對運動行為所需要的空間特征無法判斷或判斷失誤，從而進一步造成碰撞行為的發(fā)生，而碰撞行為則與居住滿意度關系密切.因此，有必要對這種室內(nèi)空間中視覺障礙的產(chǎn)生，及其對人體行為的影響進行驗證，并在此基礎上獲得更好的空間設計方法，提升建筑空間的SDA.

1.1 測試條件與測試內(nèi)容

本研究團隊以1∶1的比例搭建了一座示范性建筑，如圖1.示范性建筑選用木材搭建，采用現(xiàn)代榫卯和部分鋼制節(jié)點構造.由于小空間更容易形成視覺空間障礙，所以將建筑層高設置為2.20 m，開間設置為3.00 m，進深設置為2.00 m，室內(nèi)面積僅為6.00 m2.衛(wèi)生間、書桌和床頭各開1個采光窗，室內(nèi)布置隔墻、床、吊柜、櫥柜、置物架等家具.室內(nèi)家具和隔墻形體均采用倒角、曲線及曲面設計，減少因為物體形體設計問題造成的碰撞概率增加的情況，用以營造人體在室內(nèi)空間中的自然行走情境.

圖1 建筑平面及色粉布局Fig.1 Architecture prototype plan and the distribution of color powder

視覺感知局限——人體行走碰撞觸粉試驗采用真實空間的使用后評價方法(POE)，將室內(nèi)各個貼臨人體活動區(qū)間的物體表面涂以色粉(不同色粉有助于辨別碰撞部位和碰撞次數(shù))，進行人體碰撞觸粉測試，重點關注時間、碰撞次數(shù)和碰撞部位這3個指標，如圖2[12].實驗人員選用66位身體健康的大學生，包括33位男生和33位女生.男生身高為1.60～1.75 m，平均身高接近中國男性平均身高1.67 m，體重為60.0～70.0 kg，平均體重接近中國男性平均體重66.2 kg；女生身高為1.50～1.65 m，平均身高接近中國女性平均身高1.56 m，體重為50.0～60.0 kg，平均體重接近中國女性平均體重體57.3 kg；實驗人員高矮、胖瘦適中，身體靈活度及視力良好，盡可能降低個體差異對于測試結果的影響.每位測試主體身著深藍色連褲服，如圖2.根據(jù)測試觀察，實驗主體悠閑活動一圈的時長平均為28 s，較為緊湊的活動時長平均為23 s，十分匆忙的活動時長平均為17 s.為每個實驗主體設置這3個時長，結合對實驗過程的觀察，衣服的觸粉情況和實驗主體的記憶，對每位實驗主體在相應時長內(nèi)的碰撞頻率和碰撞部位進行數(shù)據(jù)收集.

圖2 建筑內(nèi)部測試場景Fig.2 Impacting and contacting powder test in the architecture prototype

1.2 測試結果與步行行為分析

關于這3個時間周期，總體碰撞次數(shù)隨時間的縮短而增加.特別對于平均23 s到平均17 s這2個時長，碰撞次數(shù)急劇上升，如圖3.

關于碰撞的主要方位，除去視線絕對無法達到的身體后部的碰撞，身體側(cè)面碰撞次數(shù)占總碰撞次數(shù)的85.38%，而身體正面碰撞次數(shù)占總碰撞次數(shù)的14.62%，如圖4.

圖3 3個時間區(qū)域內(nèi)的碰撞次數(shù)Fig.3 The number of impact times on the body in different three time periods

圖4 人體正面和側(cè)面的碰撞次數(shù)及比例關系Fig.4 The number of impact times on the front of the body and the sides of the body in all time periods and the proportion of each

關于身體的側(cè)面碰撞，人體的上半部分和下半部分的側(cè)面碰撞次數(shù)鮮明地分成了2個有規(guī)律的區(qū)域.身體上半部分的側(cè)面碰撞次數(shù)明顯地高于身體下半部分的側(cè)面碰撞次數(shù)，并且這兩部分的碰撞次數(shù)明顯隨著身體部位高度的降低而急劇增加，其中下臂側(cè)和小腿側(cè)被碰撞的次數(shù)最多，如圖5.身體上半部分的側(cè)面碰撞次數(shù)明顯地高于身體下半部分這一現(xiàn)象，據(jù)觀察有部分原因可能是因為人體行走時肩腰等身體部位首先發(fā)生偏移，因此身體上半部分容易首先發(fā)生側(cè)面碰撞，造成身體停頓，在一定程度上削弱了身體下半部分發(fā)生碰撞的幾率.

圖5 人體側(cè)面碰撞次數(shù)與碰撞的身體部位Fig.5 The number of impact times on the sides of the body and the impact body parts

關于身體的正面碰撞，基本隨著身體部位高度的降低，碰撞次數(shù)呈明顯增長態(tài)勢，如圖6.而就具體數(shù)據(jù)來說，66名測試者胸部和腹部總的碰撞次數(shù)都僅有6次，而大腿為30次、膝部為22次、小腿為26次、腳部為24次，碰撞次數(shù)相對持平.這一現(xiàn)象，據(jù)觀察有部分原因可能是由于人體行走時一般都先抬大腿，在一定程度上削弱了小腿和腳部的碰撞.

綜上所述，在6.00 m2較小室內(nèi)空間中，步行行為的碰撞，在悠閑、較為緊湊和十分匆忙的活動時長內(nèi)都是一種常態(tài)，而這些測試結果雖然有一部分可以由人體行走的方式來解釋，但仍有一些主要問題需要借助視覺感知理論進一步分析與研究.此外，在6.00 m2以上的空間，包括8 m2、10 m2、12 m2等單一功能居室空間中，也進行了居住體驗研究，對碰撞的次數(shù)和部位進行了統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)碰撞幾率顯著減少，但碰撞部位仍然集中在6.00 m2較小室內(nèi)空間中人體行走碰撞觸粉試驗所檢測到的碰撞部位.碰撞原因也相似，碰撞多發(fā)生于門框和家具等區(qū)域.

圖6 人體正面碰撞次數(shù)與碰撞的身體部位Fig.6 The number of impact times on the front of the body and the impact body parts

2 建筑室內(nèi)空間中視覺感知局限性對人體步行行為的主要影響

結合測試結果和人眼視野理論，分析在較小室內(nèi)空間中，人體視覺感知局限性對人體步行行為的影響.

2.1 人體正面和側(cè)面碰撞與視覺感知局限性的關系

理論上，由于在較小的室內(nèi)空間中，人體行為所需的反應時間受到限制，在活動時可能經(jīng)常來不及低頭，因此人體的正面碰撞受垂直視野影響較大.同理，人體在活動時可能也經(jīng)常來不及轉(zhuǎn)頭，因此，人體的側(cè)面碰撞則要同時受到水平和垂直視野的雙重影響.

正常人體的視野極限在垂直方向約為130°(視水平線上方60°，視水平線下方70°)；在水平方向約為120°(兩眼內(nèi)側(cè)視野重合約60°，外側(cè)各30°)[13]，如圖7.對于人體正向視覺感知，如按照亞洲人一般水平視線高度為1.5 m來計算，人體無需低頭就可以看到小腿及腳部前方0.546 m范圍外的障礙物，如圖7(a).而人體的最佳視距一般根據(jù)物體的大小與形狀，在0.38～0.76 m中選擇.因此，在較小的室內(nèi)空間中，人眼也往往能夠得到較好的正向視距，這也就能在一定程度上解釋正面碰撞幾率較少這一現(xiàn)象了.

對于人體側(cè)向視覺感知，在極限水平視野條件下，人眼兩側(cè)30°區(qū)域基本都屬于盲區(qū)，如圖7(b).這也就是說，人體在不轉(zhuǎn)頭的情況下，人眼是看不到肩部和臂部等身體側(cè)面情況的.另外人體側(cè)向的視覺感知還要受到垂直視野的影響，這就可以在一定程度上解釋身體側(cè)面碰撞幾率遠大于正面碰撞幾率這一現(xiàn)象了.

2.2 人體正面碰撞與側(cè)面碰撞機理

在人體的極限視野邊緣部分，人眼對物體的形狀與色彩感知有明顯的削弱.人體有效視野在垂直方向約為40°(視水平線上方10～視水平線下方30°)；在水平方向約為30°(左右兩眼與視中心線各15°)，如圖8.

人體的正面碰撞與人體正向視覺感知局限有著直接關系.縱向視野對人體正向視覺感知的影響有著明顯的高度局限，即高度越低且離身體越近的物體，人眼越難觀察到.對于極限垂直視野，在不轉(zhuǎn)頭的情況下，按照亞洲人1.5 m水平視線高度，小腿及腳部前方0.546 m范圍內(nèi)的物體基本很難被看到，而有效垂直視野的2.598 m間距要求，在較小的室內(nèi)空間中實現(xiàn)的難度較大.這也就能在較大程度上解釋身體正面碰撞的原因和碰撞次數(shù)基本會隨著身體碰撞部位高度的降低呈明顯增長態(tài)勢這一現(xiàn)象了.

人體的側(cè)面碰撞與人體側(cè)向視覺感知局限有著直接關系.水平視野對側(cè)向視覺感知有著決定性的影響，在不轉(zhuǎn)頭的情況下，人眼是看不到身側(cè)的，而在有效水平視野條件下，僅有身體前方40°區(qū)域內(nèi)的物體能被人眼較好地感知到，如圖7(b)，8(b).另外，垂直視野對側(cè)向視覺感知也帶來了明顯的高度局限，這也就能較好地解釋身體側(cè)面碰撞的原因和身體上下兩部分的側(cè)面碰撞次數(shù)明顯隨著身體碰撞部位高度的降低而急劇增加這一現(xiàn)象了.

圖7 人體極限視野Fig.7 Extreme visual range of the body

圖8 人體有效視野Fig.8 Effective visual range of the body

3 基于人體視覺感知和步行行為特性的建筑室內(nèi)空間設計要點

3.1 針對人體側(cè)面碰撞問題的建筑室內(nèi)空間設計要點

從測試結果可以看出，人體側(cè)面碰撞的次數(shù)幾乎是人體正面碰撞次數(shù)的6倍.因此，側(cè)面碰撞應是建筑室內(nèi)空間設計最應關注的問題.針對人體側(cè)面碰撞問題的室內(nèi)空間設計要點分為3點，且這3點可以獨立或同時應用：

(1) 行走區(qū)域外緣下臂高度區(qū)間的柔性設計

從測試結果來看，人體的下臂側(cè)是碰撞次數(shù)最多的部位，其次是小腿側(cè)、上臂側(cè)和肩側(cè).下臂側(cè)對于家具設備、建筑隔墻及圍護結構的碰撞很難避免，尤其是下臂處的高度區(qū)間恰好是工作臺面集中的區(qū)域，例如餐桌、書桌和烹飪臺等.因此，可以依據(jù)人體平均或居住者的個人身高體征，在設計中將人體行走范圍外側(cè)下臂處高度區(qū)域內(nèi)的物體側(cè)面或側(cè)沿進行軟包等柔性化處理，減輕碰撞的沖擊及傷害，如圖9.

圖9 人體通行空間橫向斷面形態(tài)Fig.9 Shape of the circulation space cross-section of the body

高度區(qū)間公式為

H=h1-h2+0.05

(1)

其中：H為需要柔性設計的高度區(qū)間，h1為人體臂肘到地面高度，h2為人體指尖到地面高度,0.05 m為人體行走存在的最大垂直移動距離[14].在設置時，以h2為起點高度，向上進行軟包等柔性化處理.

(2) 行走區(qū)域外緣小腿高度區(qū)間的空間消減

小腿側(cè)的碰撞問題，聯(lián)系建筑及家居布置并依據(jù)人體平均或居住者的個人身高體征，在設計中將人體行走范圍外側(cè)小腿高度區(qū)域的空間完全留出或留出一定寬度.設計可結合正面碰撞問題一道解決，留出接近人體步寬的較大寬度，或留出的寬度由高往低依次遞增，來順應極限垂直視野的下側(cè)視野界限的角度70°或小于70°的角度，以此可在人體極為貼近物體的情況下，降低小腿側(cè)與物體產(chǎn)生碰撞的幾率，如圖9.

一側(cè)消減空間面積公式為

(2)

(3)

式中：d1為人體步寬或室內(nèi)空間允許寬度.當θ1=0°，屬于空間完全留出狀態(tài).在設置時，以h3為起點高度，向下消減空間.

(3)行走區(qū)域外緣上臂及以上高度區(qū)間的空間消減

上臂側(cè)和肩側(cè)的碰撞問題，聯(lián)系建筑及家居布置并依據(jù)人體平均或居住者的個人身高體征，將人體行走范圍外側(cè)的臂肘高度及以上的空間完全留出或留出一定寬度，以此降低肩側(cè)和上臂側(cè)產(chǎn)生碰撞的幾率.該寬度由垂直線從胯部高度向外側(cè)旋轉(zhuǎn)5°或大于5°得出，符合行走時人體骨盆的運動幅度.該方法可在人體極為貼近物體的情況下，降低上臂側(cè)和肩側(cè)與物體產(chǎn)生碰撞的幾率，如圖9[15].

一側(cè)消減空間面積公式為

(4)

式中：S2為一側(cè)消減空間面積，h4為人體肘部到地面高度，h5為人體肩部到地面高度，θ2≤85°.當三角形底邊L2=(h5-h4+0.05)×cotθ1超過室內(nèi)空間允許寬度時，可應用如下公式：

(5)

當θ1=0°，屬于空間完全留出狀態(tài).在設置時，以h4為起點高度，向上消減空間.

3.2 針對人體正面碰撞問題的建筑室內(nèi)空間設計要點

從測試中可以看出，正面碰撞的次數(shù)較少，但也應進行相應的空間處理，提高人體空間活動的舒適性.依據(jù)圖6所表明的大腿及大腿向下的部位是人體正面碰撞頻率最高的區(qū)域，而人體行走時是由大腿帶動膝部、小腿和腳部的，因此能夠避免大腿區(qū)域的碰撞相當重要.針對人體正面碰撞問題的建筑室內(nèi)空間設計要點分為2點，且這2點可以獨立或同時應用：

(1)行走區(qū)域外側(cè)腿部高度區(qū)間的空間消減

對于人體正面碰撞的問題，可以在設計中將人體行走區(qū)域外側(cè)大腿及以下高度區(qū)間的空間完全留出或留出一定寬度.留出寬度可直接留出接近人體步寬的較大寬度，或留出的寬度由高往低依次遞增，來順應極限垂直視野的下側(cè)視野界限的角度70°或小于70°的角度，以此可在人體極為貼近物體的情況下，降低腿部與物體產(chǎn)生的正面碰撞的幾率，如圖10.

圖10 人體通行空間縱向斷面形態(tài)Fig.10 Shape of the circulation space cross-section of the body

這一種方法在理論上較好，一是因為這種空間設計方法從根本上排除了身體下部視野盲區(qū)；二是可以同時解決小腿側(cè)和大腿側(cè)的碰撞問題；三是因為可能會有有70°或小于70°以下的斜度，腿部碰撞也不會過于劇烈.

一側(cè)消減空間面積公式為

(6)

式中：S3為一側(cè)消減空間面積，h6為人體胯部到地面高度，θ1≤70°.當三角形底邊L3=(h6+0.05)×cotθ1超過人體步寬或室內(nèi)空間允許寬度時，可應用如下公式：

(7)

式中：d1為人體步寬或室內(nèi)空間允許寬度.當θ1=0°，屬于空間完全留出狀態(tài).在設置時，以h6為起點高度，向下消減空間.

(2)行走區(qū)域?qū)挾仍O置

在空間允許的條件下，人體行走區(qū)域的最小寬度或長度最好為極限垂直視野底部盲區(qū)距離的兩倍加人體足長(如按照亞洲人一般水平視線高度為1.5 m，足長0.3 m來計算，則為2×0.546+0.3=1.392 m)，如圖7(a)和圖10.這樣可使人體站在行走區(qū)域的中部能夠看到底部家具設備的邊沿，減少正面碰撞的幾率.但是，這一種方法跟人體的站位有較大關系，不能完全排除視野盲區(qū)，例如人體沒有站在行走區(qū)域的中間位置，就會造成一側(cè)的極限垂直視域受限.

人體行走區(qū)域最小寬度或長度公式為

D=2×h7+d2

(8)

式中：D為人體行走區(qū)域最小寬度或長度，h7為極限垂直視野底部盲區(qū)距離，d2為人體足長.

4 結論

空間對人的影響包含行為和情感等多方面問題[16-17]，建筑則應適時地針對人體空間感知、體驗的個性化和即時性進行調(diào)整[18]，而這也正是建筑室內(nèi)空間設計所面臨的一項挑戰(zhàn)和機遇.觀察、碰撞、行走是本文研究的3個緊密關聯(lián)的內(nèi)容，包含了視覺、觸覺和動覺[19]三種人體感知及人體運動學等方面的內(nèi)容.

(1)理論的整合應用

針對人體正面和側(cè)面碰撞問題的設計要點可以彼此整合應用，且設定高度區(qū)間時應考慮人體行走存在的最大5 cm的垂直移動.

(2)理論的個性應用

根據(jù)住戶個人的身高體征來進行個性化的室內(nèi)空間設計，則是最為理想的.因此，公式(1)～(8)中的h1～h7和d1～d2可以為人體平均尺寸，也可以是住戶個人尺寸，同時應適當考慮個人著裝影響.

(3)理論的綜合應用

可以依據(jù)設計要點，適當拓寬應用范圍，除應用于室內(nèi)空間形體設計外，也可用于家具在室內(nèi)空間的布置，及家具形體設計等.

綜上所述，本研究能夠更好地改善室內(nèi)空間形體，特別是提高一些小型公寓類空間設計的恰適性(SDA).