機構養老設施空間定向性能參數研究

張澤銳，衛大可

（哈爾濱工業大學建筑學院，寒地城鄉人居環境科學與技術工業和信息化部重點實驗室，哈爾濱 150006）

0 引言

自主尋路對于維護老人的自我效能感、社交活動以及生活質量至關重要。然而，年齡上升帶來的能力減退，尤其是罹患失智癥，使尋路這一高度復雜的空間導航任務變得愈發困難，造成機構化照護依賴。因此，從建成環境設計的視角出發，探究老年人的空間定向支持問題具有重要的現實意義。

1 研究背景和目的

老人的定向障礙分為對時間、空間、人物和自身狀況幾大類[1]，其空間定向障礙有著獨特成因和表現。視覺功能和肢體、器官機能的減退，造成老人對長距離和大尺度空間尋路的不耐受性；認知損傷引發的記憶力、注意力和認知功能衰退，導致老年人執行尋路任務時多方面的缺陷：更加依賴視線可及的空間信息；多使用以自我為中心的尋路策略和點到點的尋路模式；難以進行基于記憶甚至推斷的高階決策，僅能完成基于明顯的環境信息或日常行為的簡單決策。

研究表明[2,3]，對于環境適應能力較弱的失智老人而言，控制環境壓力是促進其能力提升的重要舉措，即使是處于病程中后期，他們也大都保留一定的空間定向能力，清晰合理的環境設計仍然可以支持他們自主完成某些尋路任務[4]。

然而，當前國內鮮有空間定向視角下的老年居住環境設計研究，國外針對環境空間定向性能的研究則缺乏定量化的研究結論，這使得我國老年建筑設計行業標準中尚未形成對失智單元在空間層面上的量化規定，致使大量工程實踐忽略失智友好設計，建成環境往往與使用需求錯位，甚至背道而馳。

文中基于對失智及有失智傾向老人的尋路行為的剖析，以機構養老設施照料單元平面為主要研究對象，希望達到如下目的：①確定機構養老設施空間定向性能目標，表征性能參數；②確定各參數下的具體考察維度，建構計算模型；③結合性能參數評價實際平面案例，闡明參數應用方法。同時，通過發展環境定量化考察工具，為機構養老設施單元平面的性能化設計及優化提供一種新的思路。

2 總體性能參數表征

2.1 空間定向性能目標確立

尋路行為是環境空間定向性能最基本的考察載體。尋路是指通過一個連續且循環的過程到達目的地的行為，分為決策制定、決策執行、空間信息處理和識別目的地幾部分。其中，決策的制定與執行是在空間信息處理的基礎上反復進行并不斷修正的，識別目的地同樣依賴空間信息處理[5]。可見，尋路時個體與環境不斷互動，攝取清晰有效的空間信息并完成結構性加工對于成功尋路至關重要。

文中基于老人空間定向需求，結合文獻循證整理空間定向相關環境影響要素及支持設計策略，綜合確立了空間定向性能目標，其映射關系如圖1。

圖1 性能目標確立映射關系

2.2 總體性能參數表征

基于既有研究成果[6,7]，從性能目標出發，研究將空間定向性能參數表征：①空間可達性，衡量搜索與到達空間各個部分的難易程度；②空間可視性，衡量空間系統及重要區域及節點處的視覺開敞程度；③空間參照性，衡量參照空間能夠多大程度地發揮參照作用；④空間異質性，衡量空間系統的不同部分的視覺異化程度。

3 指標定義與計算模型建構

3.1 空間句法理論的引入與研究指標分類

空間句法是用數理量化的方式呈現空間幾何特征與人對空間的認知二者關系，進而輔助分析和評價空間環境的理論。研究引入了空間句法理論輔助計算模型建構，建立了句法參數與空間定向及尋路行為的關聯性，探究了空間句法的空間定向屬性。文中所涉及的指標分為系統值和目標值，前者考察整個空間系統，用于平面的整體評價和選型；后者考察部分，用于局部評價和針對性優化。

3.2 空間可達性

3.2.1 平面布局復雜性

該系統值用以考察尋路視角下單元平面流線和功能組織的復雜程度，是最為關鍵的空間定向性能指標。復雜性上升有兩個內在原因：①空間組織關系復雜；②空間單元數量多。以往學者對于這一指標量化方式及其局限如表1 所示[8-11]。

表1 已有平面布局復雜性指標的量化方式及其局限

在此基礎上，文中使用空間句法線段分析中各線段平均深度與長度系數（線段長/系統最長線段長）乘積的總和量化布局復雜性。平均深度能直接反應到達目標空間的難易程度，且適用跨系統比較。如圖2 所示，相比軸線圖，線段圖分割空間的方式和對尋路決策的模擬更為精細。長度系數的引入充分考慮了尺度帶來的復雜性貢獻差異，這使得指標值更符合實際空間使用規律并貼近尋路視角。

圖2 線段分析與長度系數的作用

3.2.2 核心空間可達性

該目標值著重關注度量值（距離、角度）對行動力和認知能力受損老人的特殊影響。研究表明老人在尋路時更傾向于進入整合度較高（視線通達度高）的空間，進入核心空間的距離和轉角成本越小，表明環境越支持尋路。

研究選取視線整合度加總值前10%～50%的節點集合定義為五級核心空間，選定核心空間的節點集合分別進行最短路徑度量深度和最短路徑角度深度計算，以核心空間以外的網格點集合的全局度量深度和角度深度的均值表征核心空間可達性。

3.3 空間可視性

3.3.1 系統互視率

該系統值用以考察任意節點對空間系統視覺掌握的平均水平，指標值為系統中各節點連接度占所有可能連接數比例的均值。將計算范圍限定為交通空間，即得到交通空間互視率。

3.3.2 核心空間可視性

該目標值用以考察核心空間的視線通達程度。核心空間可視性同樣分為五級，以可直接看到核心空間節點集合的節點數與系統節點總數的比值量化該指標。

3.3.3 決策可視效用

該系統值用以考察空間系統中的可視空間信息分布在多大程度上支持尋路決策。視覺聚合系數度量了在節點附近移動時視域變化的速率或視覺信息的穩定程度，數值越小意味著該位置越容易發生決策。文中以節點視線整合度值和視覺集聚系數的二次回歸擬合優度作為決策可視效用指標值。

3.4 空間參照性

3.4.1 參照空間可視效用

該目標值用以考察在空間系統中起參照作用的空間多大程度地被視線直達，包含3個層次的內容：①覆蓋度r1，系統中能視線直達參照空間的節點數占比；②可見度r2，視線直達參照空間的節點平均能夠多大程度地看到參照空間（局域值），反映了參照空間的開敞程度；③參照空間在系統中的面積占比rs。r1和r2的乘積表示參照空間在全系統的可視性平均水平V0（參照空間可視性），V0與rs的乘積即為參照空間可視效用（VEoL）。當以上目標值的計算范圍為所有參照空間的節點集合時，結果為系統值。該指標表達式如下：

式中，Cni為第i個網格點的連接度值；n 為空間系統網格點總數；n1為目標參照空間一步視覺深度范圍內的網格點總數；nL為目標參照空間的網格點總數；ni為目標參照空間一步視覺深度范圍內第i個網格點可見的參照空間網格點數目。

3.4.2 參照空間系統性

該目標值用以考察參照空間之間的相互關系，進而衡量它們協同發揮作用的能力。參照空間系統性的考察分為互視度和間距兩個方面。研究以目標參照空間與其它參照空間的平均互視性表示系統性的可視因素（SoL1），以目標參照空間與其它參照空間的平均距離表示系統性的距離因素（SoL2）。該目標值的加權平均值（均值）即為參照空間系統性的整體水平（系統值，OSoL），SoL2值可進一步標準化（除以一步視線深度覆蓋面積）以排除實際服務范圍和空間尺度兩方面的影響。具體表達式：

式中，ni為第i個網格點（目標參照空間以外的參照空間網格點）可見目標參照空間網格點的數量；nr為目標參照空間以外的參照空間網格點總數；nL為目標參照空間的網格點總數；SoL1j為第j個參照空間的SoL1值；N 為第j個參照空間的柵格點總數；nAL為所有參照空間的網格點總數。

式中，Di為第i個參照空間網格點集合到所選參照空間的平均度量距離；MeDj為第i個參照空間中第j個網格點到所選參照空間的度量距離；SoL2m為第m個參照空間的SoL2值；k 為參照空間的數量；ni為第i個參照空間的網格點數量。

3.5 空間異質性

該目標值用于考察空間系統中不同觀測點在視覺感受上的異化程度。文中以對視域的考察為落腳點，引入空間句法中視域面積和緊湊度這兩個屬性分別衡量視域在尺度和形狀上的差異性。有兩種基本的考察方法：第一種方法主要針對由岔路口不同方向相似視域帶來的影響決策的同質性，分別考察面向各分岔方向的子視域單元（120°視線掃掠角）的差異性；第二種方法適用于相似布局帶來的空間同質，例如無差別的走廊、重復縱列式單元布局或對稱布局。研究以視域面積的和緊湊度的離散系數分別表示空間尺度和形狀的異質性。

在視域形狀尺度接近時，空間感受還受到觀察點在視域中所處的位置和觀察點到最鄰近空間邊界的距離的影響。據此，研究發展出另外兩個輔助指標—觀測位置異質性和視域最小半徑異質性，分別采用視域游離度和最小半徑的離散系數表示。

4 參數體系的驗證應用

基于以上參數體系，文中以不同類型的單元平面為載體，通過分析指標計算結果，討論它們在空間定向性能不同方面的優劣，為該參數體系在復雜建筑環境中的應用提供了示范。

4.1 分析樣本的選取

平面樣本選取遵循以下原則：①相對簡單清晰，功能配置類似；②具有典型性和代表性；③考慮在布局上的差異化。如圖3 所示，文中選取了包括《＜老年人照料設施建筑設計標準＞圖示》（在編）中的平面示例和周燕珉工作室實際設計項目等在內共6個單元平面作為主要分析對象[12-14]。

圖3 考察樣本平面及功能分區

4.2 空間可達性的分析評價

4.2.1 平面布局復雜性指標分析

如圖4 所示，復雜性排序為一型＜L 型＜E 變型＜回型＜L 字型＜環型，一型在空間數量和組織復雜性方面指數最低，環形平面極高的復雜性來源于曲線形走廊引發的空間單元數量劇增，帶來大量轉移于空間單元間的拓撲深度值。模型計算結果與既有實證研究結論基本吻合。

圖4 平面布局復雜性計算結果

4.2.2 核心空間可達性指標分析

由圖5 分析可知，回型布局的核心空間可達性最優，但其核心空間分散分布，任一處與全局空間視覺聯系水平較低，因此對老人決策能力要求較高，不適合以失智老人為主體的照料環境。相比之下，一型的核心空間由塊狀到條狀的集中分布方式更適合失智護理單元。

圖5 各樣本的五個等級核心空間分布圖

結合圖6 數據分析表明，環繞式中廳布局對于降低到達核心空間的距離成本有利，凹龕、分支短廊和曲線走廊是角度深度的主要來源；L 型和環型平面的折線圖呈現降幅較小甚至不降反增的變化趨勢，意味著核心空間呈塊狀過度集中分布，高整合度空間在一定程度上將低整合度空間孤立，尋路的距離和轉向成本多集中于低整合度段，這將帶來潛在的環境壓力，因此在設計時應特別強化轉折處，尤其是次轉折點處的標識設置。

圖6 核心空間可達性計算結果

4.3 空間可視性的分析評價

4.3.1 系統互視率指標分析

如圖7 所示，計算結果較為反常的是無彎折的一型系統互視率略低于L 型。數據拆解后發現，一型走廊面積占比為49.29%（可視率34.52%），相比L 型41.86%（25.42%）更為優越，這表明無彎折的走廊布局在可視性上占據優勢；但一型的中央公共空間面積占比為50.71%（50.40%），較L 型58.14%（56.65%）的指標值體現出劣勢，這導致其系統互視率反而較低。僅計算交通空間的互視率后，一型在可視性方面的優越性得以體現，然而僅55%的指標值說明走廊凹龕對視線存在較強的遮擋。環型樣本的規模較大，且曲線走廊嚴重遮擋視線，造成互視率僅有11%。

圖7 系統互視率指標計算結果

4.3.2 核心空間可視性指標分析

如圖8 所示，L 型的核心空間可視性水平隨等級變化不敏感，這源于其核心空間隨等級上升的擴張都緊貼在上一等級核心空間的外圍，在覆蓋的區域范圍上并未有本質提升，這也造成了南側走廊被視覺孤立。從可視性角度來看，整合核心分散布置優于集中條狀，優于集中塊狀布置。回型2 相較于回型的優勢表明，淺凹龕和寬凈寬的搭配是一種既保證走廊順暢通行，又在一定程度減少凹龕對可視性影響的設計方法。

圖8 核心空間可視性計算結果及圖示

4.3.3 決策可視效用指標分析

如圖9 所示，以L 型為例，其散點圖底側大量水平分布的數據點（南側分走廊和走廊凹龕）和左下方大量低視覺聚合系數低整合度的數據點（北側分走廊）不符合擬合曲線的整體走勢，去掉這些網格點后，L 型布局的視覺可視效用得到了大幅度提升。

圖9 L 型去除分走廊后的決策可視效用變化

進一步計算發現兩個回型布局的差異也是由平面類似部位導致見圖10，這表明小尺度走廊和凹龕是造成視覺可視效用降低的重要原因。

圖10 影響回型決策可視效用的網格點空間分布示意

4.4 空間參照性的分析評價

4.4.1 參照空間可視效用指標分析

如圖11 所示，以E 字變型為例，集中分布的參照空間在核心位置形成了大面積占比的開放空間，可視性水平V0較高，然而容易造成孤立區域（r1較低），在南北兩側添加兩處參照空間后，視覺盲區減少，系統r1值大幅度提升，參照可視效用也獲得提升。

圖11 E 變型優化前后參照空間可視性指標值變化

因此，參照空間的位置分布應協調好集中與分散的關系，大面積集中加小面積分散的布局形式較為理想。

4.4.2 參照空間系統性指標分析

如圖12、圖13 所示，參照空間系統性整體呈現中央集中分布優于分散分布，E 變型最優，回字型最差。然而，過于集中分布的參照空間也使E 變型的覆蓋度（r1）和可達性均為最低。此外，由于各參照空間的一步視線深度范圍的完全重合區域無需利用參照空間作為錨點，因此非完全重合區域才是參照空間的真實服務范圍，E 變型的參照空間真實服務范圍面積占比僅為10.2%。文中所提出的E 變型優化方案雖降低了其系統性，卻大幅提升了真實服務范圍。這表明參照空間的位置分布應統籌考慮系統性、可達性、覆蓋度以及真實服務范圍的平衡，以往文獻中提出的一味集中布置參照空間的設計策略具有局限性。

圖12 參照空間系統性計算結果

圖13 E 變型優化前后真實服務范圍變化

4.5 空間異質性的分析評價

如圖14 和表2 所示，以一型樣本為例，走廊（包括凹龕部分）觀測點集合的視域形狀和尺度非常接近，但觀察位置指標差異較大，這意味著辨別居室時，自我定位的主要空間信息來源是與盡端或中心空間的相對位置，這對于遠端幾何信息敏感度較低的老人而言十分不利。兩側走廊對稱位置的視域相似程度較高，誤入走廊后難以獲得差異化的空間信息主動糾錯。而中心決策點兩側子視域的同質化程度也很高，表明這種高度同質化的一型平面存在較大的連續定向錯亂隱患。

圖14 空間異質性網格點采樣方式

表2 一型空間異質性計算數據

5 結語

研究在文獻梳理的基礎上提出了與環境的空間定向性能相關的可達性、可視性、參照性以及異質性4個主要性能參數，建立了層次分明的性能參數指標體系，生成了對應計算模型。計算模型的分析效果明顯，對于不同環境的數據變化敏感，計算結果與既有實證研究的結論也基本吻合。同時，結合多個平面樣本，并在參數驗證應用的基礎上提出了針對照料單元的若干設計策略，失智單元應首選一型走廊布局，同時注意避免單調重復的空間外觀，可在局部設置差異化的空間節點或在室內設計層面加以區分；走廊凹龕雖然利于減少開關居室門對通行的干擾，但不利于空間定向，淺凹龕搭配寬走廊是一種相對理想的解決方式；參照空間的位置分布應結合計算模型統籌考慮系統性、可達性、覆蓋度以及真實服務范圍等因素的平衡，建議采用大面積集中結合小面積分散的布局方式。

在新冠疫情防控大局下，進入國內養老設施開展失智老人尋路行為實驗較為困難，使得進一步的實證研究受阻，參數的驗證和評價值區間劃定或將成為該研究下一步的深化方向。