探析響應式建筑發展

秦 俊[上海市建筑科學研究院（集團）有限公司， 上海 200032]

控制論與建筑物的相互融合催生了一類新的建筑技術研究與工程應用，即響應式建筑(Responsive Architecture,RA)。由于兼具實用與藝術性，RA 受到了建筑領域學者和技術人員的密切關注。然而，不同于傳統建筑，RA 具有較多動態和非固定的結構與形態，其應用目標、結構、復雜程度也從業人員帶來了新的挑戰。國內外有關 RA 領域的研究已經取得了一定的進展，但工程實踐應用成果仍較少。

伴隨著快速城鎮化進程，我國的智慧城市建設提出以改善城市人居環境質量、優化城市管理和生產生活方式為目的。更智慧、更宜居的建筑是智慧城市基礎且重要的組成，RA 的應用目標側重“以人為中心”的理念，強調通過自適應的建筑建立人與環境之間和諧可持續的適配，提高建筑物可持續性和多功能擴展能力。同時減少重復投入，這使其將演化為一種靈活、全面服務于人的生產生活基礎環境與支撐平臺，成為未來重要的建筑模式。

1 RA 概述

1.1 RA 的含義

目前，對響應式建筑(RA)尚無統一定義。在對經典文獻分析的基礎上，本文從實現與應用的角度提出描述性定義：RA 是通過建筑設計與建造、通信、計算機與控制等相關技術的有機與深度融合，實現建筑物的自適應化，對以人與環境為主的情境進行感知與響應的智能復雜系統。

響應的規模可分為微觀、中觀和宏觀 3 個層次。

在微觀層面，建筑對內部與周圍局域環境和用戶活動進行響應。通過在建筑物中融合響應式自動化建筑構件、感知與執行、通信與計算單元，實現信息內核對建筑與環境的狀態感知，以及對物理構件動作的實時控制與協調。

中觀層面在微觀的基礎上擴展至建筑群之間的響應協同。通過在相鄰空間范圍多建筑的集群化，各建筑的信息內核通過區域骨干通信網絡相互協調工作，實現對區域環境的整體感知與調控。

宏觀層面的響應規模則進一步擴展至不同的時空范圍，實現更廣闊區域的響應協同，包括建筑物的遷移，以動態地適應環境與生產生活資源的變化。

由此，建筑的響應能力既涉及空間的范疇，又包含時間的概念。對 RA 響應實現層次的需求，由不同歷史階段與地理區域的實際決定。

1.2 RA 的體系結構

從整體視角來看，RA 是運行在不同時空范圍的分布式協同系統，感知、決策和響應執行的行為，很可能發生在不同的位置。從單建筑視角來看，RA 是持續運行在較為集中的空間范圍的閉環系統，其感知、決策和執行子系統具有較高的集成性。大量基本功能單元，包括響應式建筑自動化構件、傳感與執行、智能核心等，通過嵌入的高性能通信網絡，在邏輯上和物理上緊密耦合，實現高效、可靠的動態響應動作。

一般來說，RA 體系結構由建筑對象層、感知與執行層、決策層組成。建筑對象層是基礎，包含各種相關的建筑基礎與自動化物理構件、建筑所處的環境等，是狀態感知的對象，也是控制對象和實際執行者。感知與執行層居中，是建筑對象的代理，向決策層傳遞大量實時狀態數據、向建筑自動化構件傳達上層的控制指令。決策層從頂層視角，通過統一、融合的語義和上下文，感知情境信息、計算與編排響應動作，實現建筑構件行為的協調與建筑物間的協同。

2 RA 的支撐理論與技術體系

RA 是建筑、環境、社會、交通、信息等多學科的交叉領域，其主要的支撐理論與技術體系可分為城市規劃、建筑設計與建造、普適計算與物聯網、自動化與智能化 4 個層次，如圖 1 所示。

圖 1 RA 的理論與技術體系

2.1 城市規劃理論與技術

城市規劃理論與技術是 RA 實現的根本基礎。建筑的設計與建造不僅是工程或技術問題，也是綜合性的社會經濟問題[1]。城鎮化是當前經濟社會發展的大趨勢，城市是 RA 最重要的應用范圍。城市是一個有機集合體，根據經濟、生態和社會目標的要求，城市規劃對各種要素在空間與時間維度上做出有預見的、綜合性的部署。一方面，RA 的發展需要符合城市規劃對城市發展目標、土地使用、空間布局的總體安排。另一方面，RA 應該發揮其城市土地和空間安排和使用的合理性和效率提升的作用。此外，由于城市的水平和垂直空間規模、用地功能布局等方面，會隨著時間發生變化，具有動態性，城市的演化會對 RA 的發展方向產生影響。加之建筑發展與城市演化本身的復雜性，兩者之間的相互作用關系不僅是城市地理學的范疇，還包括城市交通、城市經濟、城市規劃、城市人口、社會學等，都是 RA 研究與應用發展的基礎。

2.2 建筑設計與建造技術

以建筑工業化與智慧建造為核心的新型設計與建造技術是實現 RA 的重要途徑。建筑工業化建造強調體系化、標準化、數字化、自動化和裝配化，在生產方式上通過數字化與信息化，借助智能建造系統平臺，實現通用批量建造方式向具有較好產能的定制建造轉變[2]。智慧建造作為建筑產業現代化過程中的新興工程建造模式，旨在運用信息技術實現工程建造全過程的信息化和智慧化，應用于建筑工程設計與優化、工廠化加工、精密測控、智能化安裝、動態監測、信息化管理等方面[3]。一方面，建筑工業化與智慧建造各有側重、相輔相成。另一方面，兩者具有共同的支撐性理論與技術，包括數字化模型、虛擬設計、協同設計、虛擬建造、裝配式建筑、構件制造等。

2.3 普適計算與物聯網技術

普適計算與物聯網技術是實現 RA 的重要手段。普適計算的核心是為生產生活中所需的物理對象提供對應用情境進行感知和處理的能力，物聯網的本質是為具有相關性的物理對象之間提供廣泛的信息共享與交互能力。兩者都促進著物理與信息世界的融合，其共同的技術基礎包括移動無線傳感器網絡、無線通信網絡、云計算、邊緣計算、移動和嵌入式計算等。移動無線傳感器網絡通過大量傳感器節點協作感知建筑和環境狀態，廣泛的傳感覆蓋是 RA 充分獲取情境感知數據、產生正確響應行為的基礎和前提。無線通信網絡的覆蓋范圍包括局域、區域和廣域網絡，以適配不同層面的響應規模。新興的 5G 通信網絡，既能提供廣域網接入服務，也能為本地網絡提供群組高速交換接口支持。數據和指令的準確和高效傳輸是實現 RA 的關鍵基礎。云計算設施作為傳感網和物聯網的后端，通過計算與數據資源集中共享、統一提供服務，是提供通用、群集計算任務保障的重要基礎。邊緣計算通過對數據的處理與分析向產生源數據的終端與建筑構件靠攏，提高計算和響應的效率。移動和嵌入式計算能夠減少計算機設備尺寸和部署難度限制，匹配邊緣計算的模式與場景，此外，通過在無線傳感器節點之上集成執行器，將進一步提高執行能力與效率。

2.4 自動化與智能化技術

自動化與智能化技術是實現 RA 的核心要素。主要的領域包括自動控制理論、建筑機電設備自動控制技術，以及分布式計算、自主計算、大數據計算、人工智能理論與技術等。自動的、響應式的建筑構件是 RA 的基本組成單元。自動控制理論和自動化技術廣泛應用與工業界，指導機器設備的自動、優化運行過程，是現代工業化和工業系統的基礎，其核心是解決多變量系統的最優控制問題。自動化理論和技術的運用，也正是 RA 建筑構件的設計和制造，以及建筑工業化的前提。RA 的智慧核心承載對情境的正確分析與響應行為的產生任務，其設計與實現由智能化理論與技術支撐。智能化是基于自動化的發展，更側重發展機器的自主推理和決策能力，智能地從數據中提取知識、制定方案、解決問題。分布式計算的核心是將復雜問題交由計算實體進行，其應用場景包括獨立數據自治域之間的協同、主動問題分解與機器負載均衡等，主要目標都是形成合力、提高系統總體效率。自主計算包括自優化、自保護和自恢復技術，以提高系統的可靠性。大數據計算主要解決海量異構數據的處理等問題，其主要目標是提高效率與保證正確性。人工智能的主要分支領域包括機器視覺、自然語言理解、機器學習、問題求解與專家系統等，位于智能化的中心。

綜上所述，目前很多相關領域的理論與技術發展均為RA 的實現提供了一定的基礎，但基于 RA 自身的特點，其研究與發展還面對著許多挑戰。

3 RA 的發展與挑戰

3.1 RA 的產生與進展

RA 的概念在 1975 年由計算機科學家提出，并指出 RA是對人和外部世界進行響應的智能化環境，而引發其產生響應的最根本情境是居住者的需求和感受。作為一種先進的理念，RA 最初的目標是實用性，然而，由于其自身的復雜性，以及當時較為樸素的自動化、智能化技術水平與建筑師知識結構，RA 從設計到實現都具有相當的難度。

隨著技術的發展，RA 從概念形成以來經歷了從實用性到藝術性，再到實用與藝術并重的發展過程。除可用性外，RA 在應用和實現等方面也取得了一定的成果。

從應用的角度，其目標主要有建筑內部環境改善、建筑物自身健康、空間利用率三大類，其共同的途徑是通過建筑形態的改變，對環境的變化進行反應。現有工作主要考慮的因素包括陽光、風、沙、雨水等自然氣候條件，以及承重、震動等結構荷載，以降低能耗、改善建筑內部環境、提高建筑物安全性和實用效率。

在實現上，RA 的構建基于結構組件，通過巧妙的設計對動態結構進行集成，以實現應用目標。已采用的結構包括外殼、外墻、表皮、各式遮蔽結構，以及可變空間單元等。比較有代表性的有阿布扎比中央市場可變遮陽結構、巴塞羅那當代藝術博物館可變遮陽系統、薩福克可伸縮滑動房屋、德黑蘭可旋轉新型住宅 Sharifi-ha House等。亦有人對動態結構進行了分類。此外，也有基于建筑材料可變性的 RA 設計，但這方面的工作仍較少。

現有圍繞可變性的工作展現了建筑物實體可具有的能力。然而，在響應規模上，現有工作主要集中在微觀層面，即獨棟建筑范圍，建筑群應用尚待探索與實踐，其變化亦主要集中在外部形態方面。

在控制策略方面，隨著建筑的智慧化，RA 研究開始從被動響應向主動自適應發展，從被動收到外界刺激發生改變到主動感知外界采取應對策略。技術和應用的發展，尤其是近年來在裝配式建筑、新材料、無線通信、物聯網、智能化等領域取得的進步，為 RA 領域注入了新的能量。

RA 的目的不是全盤代替現有建筑，而是一類具有較大潛力的新型建筑。然而，目前的成果仍具有一定的局限性，要取得較大發展，還面臨著許多挑戰。

3.2 RA 面對的挑戰

建筑設計與構造是一種體系、一種系統性思維，結構、材料、智慧組件是建筑的有機組成部分，不可分割。控制、計算機信息技術元素、人、建筑的深度融合以及系統的規模與復雜性是 RA 面臨挑戰的根本原因。

（1）存在基礎分歧。RA 建立在城市規劃和建筑學基礎之上，地理功能區域的布局和建筑物的功能定位等，很大程度上受到城市規劃方法論的限定，而建筑工程在傳統上以連續穩定為主。如何實現動態的、可變的、自適應的建筑物對象，并兼具穩定性和連續性，對城市意義的理解和設想、傳統建筑到新建筑模式的轉變，是 RA 研究和應用的根本性挑戰。

（2）缺乏協同設計。目前建筑設計、建模與仿真、建造、維護各階段之間存在較大的阻隔，缺乏必要的協同設計和分析。在建設過程中的分離使得難以評估設計決策的影響，進而導致制造與組裝的準確性不足，不能完全地反映和捕捉到建筑構件對象之間的相互依賴性，而這是 RA 運行和維護的關鍵前提。

（3）系統設計與驗證的挑戰巨大。由于 RA 包含了大量不同的建筑與計算組件，以及系統之間的交互，因此健壯性、可靠性、效率和實時性相關設計成為一個關鍵問題。并且由于系統復雜性的增加，設計、建造、制造的時間極大地增加。RA 的模型包含了構件、材料、軟件和物理環境中的各種細節以及不同系統的異構性，導致了工程規模的膨脹，為工程及系統的驗證帶來了巨大的挑戰，極大地增加了驗證成本。

（4）信息傳遞存在瓶頸。目前的建筑智能化通信網絡主要是基于有線網絡建立的，對于高動態性要求的 RA 應用而言，施工和維護的難度較高，很難保證經濟性和有效性。由于通信網絡存在的各種復雜因素，如果線路質量造成了指令和狀態數據傳輸的阻滯，將嚴重阻礙建筑響應的動態行為執行，最終影響建筑的性能，甚至導致建筑結構的不穩定性。

（5）安全性的挑戰大。RA 的特性為建筑的結構和信息安全帶來了許多新的問題。首先，如何同時保證 RA 在通信網絡質量降低時的實時性與可靠性需求是個難題。其次，RA 為通信網絡設施部署難度降低引入了無線網絡因素，而這一因素極易受到干擾和影響。更重要的是，開放的網絡接入在一定程度上向攻擊者暴露了系統的入口，如果攻擊者成功攻破并利用 RA 的控制系統，會造成嚴重后果。現有的計算機安全技術尚無足夠的能力保證 RA 的安全性。

（6）系統融合的復雜性高。未來 RA 的集群化、協同化、交互化，以及自主網絡架構的異構性，需要兼容大量的物理感知器、執行器和分布式的計算系統，這需要提高數據與系統標準化能力為中心，滿足互操作與融合的應用需求。目前，即便在發展較為成熟的建筑智能化領域，仍存在各廠商的智能控制系統不兼容的情況。對于 RA 所需的高層次全局信息視角，以及復雜分布、高度自主的決策和控制系統而言，目前的智能控制系統是不適用的。

綜上所述，RA 面臨著建筑設計與建造、計算機與控制技術等的理論基礎、關鍵領域和應用技術等方面的重要挑戰與制約。為了解決這些挑戰，需要多領域的深度和廣泛協同，開展深入的研究。

4 結 語

響應式建筑(RA)是能夠改變人與建筑及環境交互方式的一種未來的建筑模式，可將控制論與建筑物相融合與協調。作為建筑的演進，RA 應該得到更加廣泛的關注。本文闡述了 RA 的含義與體系結構，對 RA 的理論與技術體系、研究進展以及 RA 的發展對城市規劃、建筑和信息技術等相關領域帶來的挑戰進行了討論。在未來，RA 具有較大的影響力和經濟潛力，對人類社會的和諧可持續發展具有重要意義。由于目前 RA 的實用性研究剛剛起步，相關研究和應用成果有限，并且仍然缺乏系統的科學基礎和工程原理。在未來需要通過城市規劃、建筑和信息技術和眾多相關學科領域的全面努力，加快和促進 RA 的研究與發展，最終實現人類與建筑及環境相互協調與可持續發展的愿景。