人因工程學導向的循證設計方法在主動健康環境營造中的整體設計路徑初探

褚英男，宋曄皓，趙金彥，金海燕/CHU Yingnan, SONG Yehao, ZHAO Jinyan, JIN Haiyan

1 研究背景

隨著極端天氣、大氣升溫等天氣現象逐步加劇，氣候變化問題已成為當今國際關注的焦點問題。2016年中國總體碳排放總量達97億噸，位于世界首位，人均碳排放6.91噸/年，已超過法國、英國等歐洲國家，成為碳排放大國[1]。我國自“十一五”期間提出“節能減排”的發展目標，并承諾將于2030年使CO2排放達到峰值，單位國內生產總值CO2排放比2005年下降60%～65%。而2020年9月，習近平總書記在第75屆聯合國大會一般性辯論上進一步提出了“努力爭取2060年前實現碳中和”的宏偉目標，這對我國全行業碳排放提出了更高的要求。

另一方面，人類社會活動多至90%的時間都身處室內環境[2]，室內空氣質量、聲光熱等物理環境與健康水平直接相關。我國在2016年底頒布的 《“健康中國2030”規劃綱要》將提高我國人民健康水平作為國家戰略，突出建設健康環境的重要性，要求把健康融入城鄉規劃、建設、治理的全過程，促進城市與人民健康協調發展。建筑與人居環境對人體健康影響的關鍵作用逐步凸顯。此外，習近平總書記在2016年全國衛生與健康大會上提出“大健康、大衛生”的核心理念[3]，強調將尚未患病的老人、兒童、亞健康人群等疾病易感人群也包含進服務范圍中，這將健康領域從疾病管理拓展到被動防治與主動恢復相結合的范圍，擴展了健康服務的內涵[4]。

因此，針對城市人居環境，在合理降低資源消耗的前提下，降低建筑環境的被動致病風險，提升空間環境的主動健康促進潛力，將是當前建筑研究的重點內容。

當前針對降低建筑環境致病性風險的研究已不斷深入，諸如在室內空氣質量、溫度濕度環境水平、聲光物理環境限制等領域，均有相對豐富的研究。2017年，我國發布并實施健康建筑技術標準《健康建筑評價標準》（T/ASC 02-2016），結合我國建筑產業發展現狀，對建筑室內環境在空氣、水、舒適、健身、服務、人文等6個領域存在致病性風險的關鍵指標進行了系統梳理與限值要求。

另一方面，當前健康的定義已突破疾病癥狀的緩解，例如，世界衛生組織對健康的定義強調了主動積極的生活狀態：健康是一種狀態，包含了人體、精神和生存社會的舒適度，而不僅僅限于沒有生病或身體虛弱[5]。在主動健康研究方面，傳統對單一的溫度、濕度指標的控制則并不具有顯著優勢，而從建筑整體角度出發的整合設計，則可以起到通過整體環境優化，從而對內部適用人群具有積極影響的條件[6]。

因此，針對建筑環境主動式恢復性特征及設計策略的研究將有效補充建筑健康領域的理論及外延，探索建筑作為改善人體精神狀態及行為績效的可行路徑及核心整合策略，是當前建筑研究領域的前沿問題。在綜合平衡能源資源消耗的基礎上，探索建筑空間如何更好地促進主動健康水平，促進高質量健康室內環境，是建筑與環境未來重要的結合點。

2 人因工程學導向的循證設計方法

2.1 基于實踐的早期探索

人居環境對主動健康的影響研究，早期以建筑師結合自身經驗進行的建筑實踐探索為主。其中知名度較高的應屬阿爾瓦·阿爾托（Alvar Aalto）設計的芬蘭帕米歐結核病療養院項目（Paimio Sanatorium）。該項目通過充分結合自然采光、通風環境，并結合建筑顏色及細部構造設計[7]營造出舒適感極高的健康恢復空間。

隨著維生素D的發現以及“日光療法”的興起，人們對日光及自然環境的健康效應產生了濃厚的興趣，這也是建筑師的設計出發點之一。在早期的一系列設計草圖上，可以清晰地看到每個病房單元的空間、門窗、病床布局等細節均充分考慮對日光的充分利用，保障病人能夠充分享受日光環境。清晨的陽光可以照射到整個病床；午后的陽光則照亮病房的前部與中部休息區。木質雙層玻璃窗整合帶有垂直開啟的窗格實現自然通風，外部遮陽百葉可以調節進光[8]（圖1、2）。

此外，建筑空間作為實驗環境的思想同樣開始萌芽。20世紀初期歐文·威廉姆斯爵士（Sir Owen Williams）設計了先鋒建筑中心（Pioneer Health Centre），將自然通風、充足光線作為核心建筑要素，為著名的佩克漢姆實驗（Peckham Experiment）行為健康恢復實驗提供了長期的建筑載體，探索建筑環境作為自愈空間有無影響醫學觀測的可行性[9]。該建筑采用當年最新的結構形式及玻璃幕墻屋蓋系統，營造了一個充滿自然陽光的室內空間，兩側設置側高窗，使得新鮮空氣可以流入室內。此外，建筑專門設置了供科研工作者進行觀察的實驗房間，使得實驗人員可以在不干擾被試群體活動的條件下開展觀測，記錄被試者的活動特征，為健康實驗研究提供了物理條件。雖然由于外部條件變化與實驗手段的限制，該項目于1950年結束，但其在建筑技術與社會實驗耦合、以及人因導向的環境設計上具有開拓性。（圖3、4）

1960年代，隨著世界各地醫療服務設施的大規模建設，英國的著名學者及醫院建筑師理查德·盧埃林-戴維斯勛爵（Lord Richard Llewelyn-Davies） 結合多年英國本土醫療機構設計及后評估的經驗及數據，系統地提出包含自然光、噪聲、自然光線及熱舒適等建筑物理環境在醫院建筑及人員健康恢復中的重要意義[10]，并強調建筑作為集成的復雜系統，在考慮各指標的參數限值同時應注重建筑整合策略的有效性[11]。結合他與納菲爾德 （Nuffield）基金會多年的合作及醫院調研工作的基礎上，整理出版了《醫院功能與設計研究》（Studies of the Functions and Design of Hospitals），為醫院的建設提供了系統的指導。在醫院本體發展、醫療活動組織開展等基礎的醫院設計內容之上，增加了醫院室內物理環境提升的專題內容，對舒適的醫院病房環境營造策略進行了系統性梳理，并強調自然通風采光、舒適安靜的室內環境有助于患者的改善。

2.2 建筑環境的循證設計方法

循證設計方法（Evidence-Based Design，EBD）基于烏爾里希（R. S. Ulrich）等學者開展的針對環境與人體生理相互作用的定量研究而提出，強調環境的設計與營造應基于實證而非模糊的經驗決策。最著名的研究是烏爾里希教授在1984年對英國某醫院恢復病房病人的調研[12]，通過對比兩個術后恢復病房內病人的止痛劑用藥劑量及室內外環境特征差異表明，窗外景色為自然景色比窗外景色為磚墻的房間患者止痛劑攝入量顯著降低，即窗外的自然風景緩解了術后病人的疼痛感，這也提供了環境對人體生理影響的直接證據。

近年，隨著科研手段的豐富、衛生醫療以及環境監測手段的發展，圍繞建成環境健康影響的研究取得了一系列重要成果。

一方面，室內物理環境的改善，能夠緩解致病因素條件，降低疾病發生的風險。世界衛生組織研究表明，充足的室內自然光可以有效降低發霉、細菌滋生等情況[13]，從而使哮喘和呼吸道疾病發病率減半[14]，同時自然光可以促進維生素D的吸收，改善疲勞、消極情緒等[15]。高溫、寒冷、溫差過大的室內熱環境與心腦血管疾病有較強關聯[16]，適宜的室內溫度環境有助于降低心腦血管疾病的發病率和致死率[17]。

1 帕米歐療養院病房剖面設計草圖

2 帕米歐療養院病房實景（1.2圖片來源：參考文獻[8]）

另一方面，建筑適宜的自然光環境、熱舒適度、空氣質量參數控制，有效促進學習效率和工作質量，相關研究已經證明核心參數之間的影響效果。靠近外窗并有良好自然光接獲得，其工作效率較在內部無自然光獲得時高20%[18]。而處在自然光環境下比人工光環境下工作的人具有更好的睡眠質量及精神狀態，具有較高的覺醒度[15]，平均睡眠時間增加46分鐘；良好景觀視野及植物景色可以使人對壓力和疲勞的恢復程度顯著提高[16]。此外，室內CO2濃度較高時，人的注意力會急速下降[19]。優化的空氣質量條件下，人的工作效率及任務完成能力有大幅提升的潛力[20]。

2.3 建筑評價體系的健康關注

當前國際國內已有一系列建筑評價標準體系，各標準中有一系列涉及健康主動的相關參數與要求，例如，主動式建筑評價體系、WELL建筑評價體系對建筑健康環境進行了限值要求，我國綠色建筑評價體系中也有相關涉及主動健康環境的內容。

主動式建筑（Active House）起源于歐洲布魯塞爾，其核心是在建筑的設計、施工、運營等全壽命周期內，在關注能源和環境的前提下，以建筑室內的健康性和舒適性為核心，以實現人的主動健康（well-being）為目標的一種建筑類型。該建筑理念以室內充足自然光線、環境均勻光分布、舒適溫濕度水平及空氣污染物限值為健康主要相關因素[21]。我國在2020年頒布了《主動建筑評價標準》（T/ASC 14-2020），對評價體系內部各參數進行了優化，適合我國國情特點與氣候環境。

美國WELL健康建筑標準則是當前國際影響力較高的綜合健康建筑評價標準，包含關注空氣、水、光、舒適在內的環境指標以及營養、鍛煉、頭腦在內的主觀緩解指標，促進低致病風險、健康的生活環境。針對已有健康建筑的后評估問卷調研發現，健康建筑由于其對環境參數的控制，內部使用人員在環境滿意度、合作創新性、工作效率等方面得到了提升[22]。

3 先鋒健康中心室內中庭（圖片來源：https://www.ribaj.com/buildings/peckham-pioneer-health-centre）

4 被試活動觀察與特點記錄（圖片來源：https://www.iconeye.com/opinion/icon-of-the-month/pioneer-healthcentre-in-peckham）

我國的《綠色建筑評價標準》中綠色建筑定義在“四節一環保”的基礎上增加了健康、適用、高效的使用空間要求，加強了對健康的關注，并在健康舒適部分提出了室內空氣品質、水質、聲環境與光環境、室內濕熱環境4個評分項，為室內環境健康降低疾病發生幾率提供了指標限值。另外，我國發布并實施的健康建筑技術標準《健康建筑評價標準》（T/ASC 02-2016），結合我國建筑產業發展現狀，對建筑室內環境在空氣、水、舒適、健身、服務、人文等6個領域存在致病性風險的關鍵指標進行了系統梳理與限制要求[23]。對已通過認證的健康建筑的實地檢測數據表明，室內控制質量、污染物水平較普通建筑有明顯的控制，環境品質及舒適度均有所提高[24]。

3 結合實證研究的整體設計路徑

基于人因工程學方法及循證設計理論引入了人的相關指標與健康狀態作為作用目標，是對傳統的“建筑空間—物理環境”的研究框架的拓展。依托當前科研領域在“建筑空間—物理環境”的耦合影響及“物理環境—生理活動”的定性研究基礎，嘗試建立“建筑空間—生理活動”的影響因素體系，進而探索有效建筑設計策略。相應的，主動健康環境營造的建筑策略研究應分解為核心要素、影響特征、耦合策略3個部分：首先，通過已有數據庫研究與文獻調研，將建筑參數與環境和人體生理參數建立聯系，梳理主動健康環境的核心要素；其次，建立相應實驗平臺，開展定量實驗梳理人體生理環境與相關參數間的耦合特征；第三，利用智能算法與建筑物理性能模擬技術，針對確立的優化目標與任務開展多目標導向的策略耦合研究，技術路線如圖5所示。

3.1 主動健康環境核心建筑要素提取

首先應對已有數據庫項目進行歸納總結，識別與主動健康影響較大的關鍵建筑要素。依托主動式建筑數據庫、高性能建筑實踐數據庫及各類項目開展數據采集與收集并進行模擬分析，通過環境數據采集、建筑形體參數與設備系統采集與建模、建筑物理性能模擬分析等手段，結合文獻調研與綜述，針對建筑空間形態、物理環境、使用控制等方面厘清健康環境與可持續性能相關核心要素與建筑要素的耦合關系特征，梳理可持續性能關鍵建筑參數，為主動健康維持相關參數的研究提供空間與環境數據信息支撐。

3.2 實驗平臺建立與定量實驗研究

5 主動健康導向的建筑室內環境整合設計研究技術路線（繪制：褚英男）

基于已有主動健康建筑設計成果及相關因素的歸納，建立基于實際情景的可調節主動健康建筑實驗平臺，量化研究建筑環境要素對人體健康機能影響的關鍵特征。實驗平臺整合聲、光、熱等物理環境調節工具及各類環境監測傳感器，并利用標準空間模擬會議情景、展覽情景、辦公情景、戶外情景以及密閉空間等典型空間類型及情景環境，并設置對比組，保障環境條件一致的變量控制對比實驗。

考慮不同氣候區的核心差異與示范性特征，首個實驗平臺擬在寒冷地區建立，實驗平臺相關平面及空間效果（圖6-8）。該實驗平臺外圍護在立面、屋面等處設置可調遮陽通風智能控制表皮，對室內環境進行精確化控制。內部設置辦公空間、開放空間、高空間、半室外空間等8組典型公共建筑空間對比實驗區，并整合溫濕度、室內空氣質量、等一系列環境傳感系統，滿足針對人體健康相關實驗的主要實驗條件（圖9）。

依托不同的建筑空間形態及使用場景，結合各對比組對建筑物理環境因素的差異化控制，利用面部微表情智能識別系統、人體生物電指標測量系統以及壓力恢復及任務評估相關心理學量表，開展針對使用人群生理指標、行為模式以及任務處理能力的量化對比實驗，厘清人體生理指標的差異規律，并梳理建筑環境要素對人體健康機能影響的量化關鍵特征。

3.3 基于多參數空間原型的多目標耦合優化

由于建筑為復雜性系統，實際項目往往并非室內環境的單一目標任務，而是兼顧造價、能耗、舒適等多個因素。這其中不同目標也存在負相關等情況。因此研究建筑整體設計策略時應探索多目標導向的復雜決策方式。依托Rhino軟件，建立公共建筑典型空間原型的多變量模型，并利用Grasshopper平臺中的Ladybug及Honeybee、DIVA等插件對多參數模型進行可持續性能模擬分析，生成相應結果。另一方面，針對人體健康影響相關特征，歸納整理主動健康環境主要優化目標耦合關系及參數變量范圍，并確立多目標優化任務。利用Grasshopper平臺結合遺傳算法的Octopus等插件進行多目標優化計算，通過迭代計算獲得各優化目標的Pareto非支配解集，并梳理非支配解集中各模型變量的分布范圍，梳理相應設計策略及組合規律，并最終得到主動健康導向的整合設計策略。

梳理主動健康導向的整合設計策略，調節現有建筑實驗平臺相關要素指標，并進一步開展情景體驗實驗，實測驗證相關策略的有效性。同時進行相關策略的優化調整，提高相關設計策略的必要性。最后系統梳理有效建筑設計策略體系，形成可以指導實踐的促進主動健康的整合策略，為今后建筑工作提供有效的數據及策略。同時整理與之相關的建筑環境要素與人體機能作用特征，為今后進一步深入研究建筑主動健康影響提供路徑指引。

6 實驗平臺東立面效果

7 實驗平臺室內大廳效果

8 實驗平臺二層回廊效果（6-8繪制：孫菁芬）

4 結論

針對建筑對人體健康影響的關注的不斷提升，從人因工程學導向的循證設計方法的發展歷程來看，主動健康導向的建筑設計策略與傳統物理環境優化導向的策略研究路徑存在差異，一方面由于其關注點為人本體的生理改善，復雜性有所提升；另一方面，健康環境往往與其他諸如能耗、環境等目標存在關聯性，單一變量研究較難形成有效的設計策略體系。因此，包含主動健康環境核心建筑要素提取、實驗平臺建立與定量實驗研究、基于多參數空間原型的多目標耦合優化3個關鍵環節的建筑主動健康環境營造整體策略研究的基本路線顯得尤為重要，是開展主動健康環境營造的可行路線指引。□（致謝：感謝清華大學建筑設計研究院有限公司孫菁芬主任對本研究的支持并提供相關圖紙。）

9 實驗平臺內部情景實驗空間分布（繪制：褚英男）