基于粗糙集理論的徽州天井空間情感評價研究

趙夢蘭 宣曉東 劉 源

天井空間一般是指建筑房屋之間或是房屋與圍墻圍合起來的露天空地，從天井內向上看采光口類似于井口。在傳統徽州建筑中都會設有這樣的“天井”空間，它是傳統徽州民居最為重要的組成部分，也是圍合空間的代表。傳統天井空間面積雖小，但其作為建筑的“氣口”在采光通風、雨水收集、調節氣候等方面發揮著重要作用，也是承載徽州人活動的重要場所[1]。但隨著現代化建筑思想的發展以及全球化的影響，地域建筑特色逐漸在消失，現代建筑利用新材料和新技術重新詮釋了天井空間，并在尺度上突破了傳統的小尺度空間。

一直以來人們對現代建筑風格與傳統建筑風格之間存在著強烈的爭辯，而在最近的研究中發現相比于現代風格的建筑，人在情感上更傾向于傳統風格的建筑[2]。因此在傳統天井空間特色逐漸消失之際，我們要思考現代天井空間形式是否能完全滿足人的情感需求，以及如何進行傳統天井空間現代化設計?；诖耍疚膶娜藢鹘y與現代的天井空間的情感評價中，探索天井空間設計要素與情感之間的關系，從而為天井空間現代化設計提供理論依據。

1 理論綜述與研究方法

1.1 建筑空間情感影響因素的相關研究

情感在《心理學大辭典》中被定義為人對周圍事物以及行為的態度，是人們對客觀事物的一種特殊反映形式，是主體對外界刺激給予的心理反應，也是對客觀事物是否符合自己需求的態度和體驗[3]。在建筑空間設計中，情感主要源于兩個方面，一是建筑設計師對于建筑作品和空間的情感體現在設計的作品中，并以此喚起使用者的情感體驗；二是使用者在空間里，對空間的直接反應和感受。

越來越多的研究表明建筑空間環境影響著人的情感。Hanyu（1997）提出建筑環境的視覺外觀影響人的情感反應[4]；Lindal和Hartig（2013）證明建筑環境中的物理特征（屋頂輪廓、表面裝飾）對我們的心理生理狀態有影響[5]；Johansson等（2016）研究發現良好的秩序和維護以及空間開放性與人的情感呈正相關[6]；Mouratidis（2018）提出人們對城市空間環境會產生情緒反應，建筑環境有助于提高人的主觀幸福感[7]，Wioletta（2020）驗證了建筑空間的照明、比例以及房間和家具的顏色會對人對情感有影響[8]；《環境心理學》一書中也提到視覺、聽覺、嗅覺、觸覺以及溫度和氣流等感覺影響著人的空間環境體驗，進而影響人的心情，感覺之間也會相互影響，需要考慮不同感覺之間的影響[9]。

但這些研究多是探討建筑空間要素對情感的影響，而很少研究各因素的影響力大小，在研究方法上也多以傳統的拍攝照片和小組訪談等進行調查。因此，本文將要探討各要素在影響情感上發揮的作用大小，同時采用更加完善和新穎的方法來進行研究。全景圖就是一種比照片更真實、更全面地反映場景內容的方式，同時能讓用戶沉浸在展示的環境中，操作也較為簡單，可適用于廣泛的用戶[10]。

1.2 粗糙集理論

在過往的相關研究中發現樣本量對數據的統計分析有很大的影響。由于實驗樣本量小和所需要收集信息的定性，傳統的統計工具因此難以應用，但粗糙集方法很好地解決小樣本問題[11-12]。粗糙集理論是波蘭數學家Z Pawlak在1982年提出的一種處理不確定性和模糊性的不完美數據的方法，可以用來描述屬性之間的依賴關系，評估屬性的重要性，提取屬性之間的因果模式[13]。之后，波茲南大學實驗室開發研究了rose軟件包，它實現了基于粗糙集對變量數據的挖掘[14]。因此，本文將應用粗糙集數據資源管理器rose系統對數據統計分析，按照以下幾個步驟進行，包括：①準備相關數據并構建信息表；②屬性約簡和重要度計算；③發現決策規則；④知識的評價。

綜上所述，本文將利用全景圖技術和粗糙集理論探索人對天井空間的情感與天井空間物理要素之間的關系。研究內容分為5個部分（圖1）。

圖1 研究框架

2 實驗設計

2.1 實驗樣本選取和全景圖的構建

實驗選取徽州明清時期的傳統天井空間，同時選取現代建筑中仍然保留徽州地域文化特征的以及現代建筑中完全不具有徽州建筑特色的現代天井空間作為研究對象。對樣本進行拍攝照片和實地測量數據，還選取了國外的現代化天井空間作為實驗樣本，由于實地調研的局限性，因此通過網絡資料的收集，得到相關數據。從中共選出12個較為典型的天井空間作為實驗對象。

考慮到徽州傳統建筑的維護比現代建筑的差，會對人的情感評價有影響[6]，因此本次實驗將基于sketchup進行場景建模，根據測量數據和采集的貼圖與紋理，再現逼真的天井空間環境，并協同enscape渲染器得到全景圖。其中構建全景圖涉及以下幾個步驟：①將場景環境設置在6月某一天的11：00，天氣晴朗，且場景外沒有其他建筑物；②在每個天井場景設置相機高度為1.6m；③相機的位置設置在每個天井空間的中間；④最后由enscape渲染得到全景圖像，每張全景圖的尺寸為長4096、寬2048，圖像長寬比為2∶1。之后將所有的全景圖像上傳轉換成動態的全景圖，用戶可通過電腦網頁或者手機打開觀看。

2.2 被試者選取

本次實驗在合肥某高校招募，為了避免年齡、性別、專業背景等因素的影響，實驗在挑選被試者時做了篩選，將每種組合方案均勻分布人數。最終有效被試人數為30人，被試者中有15名建筑專業背景（AS）和15名非建筑專業背景（NAS）的，男女比例也是均勻分布。其中非專業背景的人對徽州文化并不了解，專業背景的人對徽州文化較為了解。

2.3 情感評價問卷

為了獲取參與者對天井空間的情感評價，本文采用了韓愈（19 9 7）的情感評價量表[4]。這個量表是基于Russel和P ratt（1980）的情感質量理論改編而成[15]。量表包括了以下情緒量詞：愉悅—不愉悅、興奮—無聊、放松—壓抑、安全—不安全、有趣—無趣、活躍—不活躍。問卷通過五點李克特量表來評估，每個情緒量詞之間對應賦值“2、1、0、－1、－2”這五個分值。本文僅以情感詞“愉悅—不愉悅”為例進行實驗研究。

2.4 實驗流程

實驗安排在較為封閉的工作室內，房間內僅放置一臺筆記本、一個桌子和一個椅子，實驗樣本通過電腦播放。為了避免可能的偏見，參與者不會被告知實驗的具體目的，只是被告知將看到12個不同的天井空間。具體步驟如下：被試者坐在舒適的椅子上，保持眼睛與屏幕60cm的距離觀看全景圖，并按照順序依次觀看體驗12個場景（圖2），每個場景停留觀看時間為30～60s之間。被試者可以從從各個方向自由觀看場景，每個場景觀看完畢后在電腦上填寫問卷，之后再觀看下一個場景，直至場景觀看完畢，每個場景完整的體驗流程時間約為120s。

圖2 不同天井空間場景圖

3 數據分析與結果

根據情感評價結果可知（圖3），專業背景和非專業背景的兩組樣本數據在空間情感評價上有很大的差異。圖3中編號5、7、9為傳統的徽州天井空間，其他的則為現代天井空間。專業建筑學背景的人對傳統的天井空間愉悅值評分明顯高于非專業背景的分值，而對于現代天井空間，則是非專業背景的人愉悅值評分更高。表明不同知識基礎影響人對空間的情感評價。因此，本研究將從專業背景與非專業背景兩組數據進行分析。

圖3 天井空間愉悅值得分

3.1 數據信息表建立

在應用rose軟件進行數據處理之前，我們需要建立一個包含條件屬性和決策屬性的信息表。根據調研的信息和相關文獻，從建筑材料、尺度、形式和文化等角度，提取出在天井空間中與情感相關的9個主要的物理要素，作為條件屬性，每個條件屬性下還有子類別屬性，對這些屬性進行定義和編號分類（表1）。由于情感評價的數據是連續的，需要對數據進行離散化處理，連續屬性離散化的處理方法有3種，分別是S法、H法、L法，本研究采用L法[16]，結果在[-2，0）以1表示，[0，1]以2表示，（1，2]以3表示。將離散化后的數據作為決策屬性。由此得到天井空間情感評價的信息表，其中信息表的部分數據參看表2。

表1 影響情感的天井空間要素的定義和分類

表2 信息表

3.2 屬性約簡和重要度計算

將建立好的信息決策表輸入到軟件rose中，采用差別矩陣法進行約簡處理，計算出兩組被試者約簡結果中每個屬性出現的頻率，可以得出不同屬性在影響人對天井空間愉悅值評價的重要度排序。兩組數據約簡后屬性的頻率范圍表現出較為相似的結果（圖4～5）：①約簡后沒有核心屬性出現，雖然天井空間的寬度（E）屬性有100%的約簡頻率，但是并不是每次約簡結果都是100%，意味著沒有哪個單一屬性是必要且完美靠近決策結果；②約簡結果顯示每個屬性在每次約簡結果中占有一定的比例，表明每個屬性在影響愉悅感上都發揮了一定的作用。此外，從兩組數據中可以發現天井空間的寬度（E）在兩組約簡結果出現的頻率較大，在影響愉悅感中起到十分重要的作用。其次，圍合界面的曠奧度（F）、天井空間長寬比（H）和傳統性要素（G）也表現出較為重要的地位，而墻面材料（A）和細部裝飾（C）在兩組約簡數據中出現頻率較低，重要性最弱。因此，在天井空間中，影響人愉悅感的主要因素是天井空間寬度、圍合界面的曠奧度、天井空間長寬比和傳統性要素，地面材質、門窗材料和D/H值的影響力一般，而圍合墻面的主要材料和細部裝飾影響力較弱。

圖4 AS數據在約簡中各屬性的出現的頻率

圖5 NAS數據在約簡中各屬性出現的頻率

3.3 決策規則的提取

決策規則是可以有效地發現條件屬性和決策屬性之間的關系，一個決策規則可以是精確的，也可以是近似的，它被描述為一個條件語句，用“如果條件屬性是什么，那么決策屬性是什么”來表示。實驗數據在rose軟件中利用最小覆蓋算法對數據進行規則提取，根據決策規則進行相關歸納得出相關規律。例如表3是一個具有專業背景的被試者數據所產生的規則，這些規則的相對強度都大于40%，有著較高的強度。這些規則可以代表著天井空間的物理元素與人對天井空間的情感評價之間的因果關系。事實上，這些規則描述了哪些天井空間讓人較為愉悅，哪些天井空間不能讓人覺得愉悅，這也是我們需要關注的。因此本文重點研究規則中決策屬性為1和3的條件屬性類型，歸納出天井空間中讓人覺得愉悅的積極特征和不愉悅的消極特征。

表3 AS01的決策規則

3.4 知識的評價

表4～5給出兩組被試者數據所得到的規則，所有的規則都有著100%的可識別度。決策規則都是由兩到三個屬性組合而成，由于相同的規則較少，很難從30個人的規則中提取出一個固定的特征，但可以追蹤一個元素并在規則中找到它的位置，也可以提取出隱藏的可傾向的特征。

表4 決策屬性為1的規則

（1）影響人愉悅感的消極特征

從表4可得出，天井長寬比值大于2.8（H3）在決策屬性為1的規則中占有很大比例，是影響人愉悅感的消極特征。這是由于天井空間不像院落一般寬闊明亮，較大的長寬比則會讓天井空間更為高大狹長，容易讓人產生壓抑感。此外，對于專業背景被試者，門窗材料是鋁合金玻璃（B2）也是愉悅感不高的一個因素，相比于傳統的木質門窗，他們對完全現代化的玻璃材料情感評價不高。對于非專業背景的被試者，圍合界面的低曠奧度（F1）在規則中出現有一定的頻率但不顯著，墻面材料（A）出現頻率較高，其中A1出現較多，表明他們對圍合界面的墻面材料有著一定的關注和傾向性。但大面積的木質材料是會讓他們覺得愉悅感不高，主要因為木質空間帶給人的心理感受呈現倒“U”型[17]，即隨著木材比例的增加心理舒適感不斷增加，并在達到一定程度有最好的心理狀態，此后隨著木材比例的再增加，人的舒適感會逐漸降低[18]。但總體A1對愉悅性的負面影響力較小。

（2）影響人愉悅感的積極特征

從表5中可以得出，對于專業背景的被試者，D/H值在0.5～1之間（D2）和豐富的傳統性元素（G3）在決策規則中出現的頻率高，是影響愉悅感的積極特征，天井空間的寬度小于6m（E1）也在規則表中出現了一定的頻率，這些表明專業背景的人在較為開敞但寬度不大的傳統天井空間中容易產生愉悅感，主要因為專業背景的人對徽州地域文化較為了解，徽州傳統的小尺度天井空間喚起他們的親切感，從而影響著對天井空間的情感評價[19-20]。對于非專業背景的被試者，圍合界面較高的曠奧度（F3）是影響愉悅感的積極特征，天井空間的寬度（E）在規則中也發揮了重要作用，天井空間寬度在6～15m（E2）和大于15m（E3）出現頻率較高，說明寬度大于6m的天井空間是提高愉悅感的重要因素，但是對于大于15m之后，是否越大越好，還需要進一步研究。同樣D/H值在0.5～1之間（D2）和大于1（D3）也出現較多，表明D/H值大于0.5有助于提高。

表5 決策屬性為3的規則

結語

本文采用了全景圖像偏好的方法，調查人對傳統的與現代的天井空間的愉悅感評價，基于粗糙集理論對數據結果進行處理，得到天井空間物理要素與人情感評價的因果關系。根據本次實驗樣本數據，得到表6的研究結果。研究表明：影響人在天井空間中愉悅感的主要因素是天井空間的寬度、圍合界面的曠奧度、長寬比和傳統性要素，而地面材質、D/H值和門窗材料的影響一般，圍合墻面的主要材料與細部裝飾影響較弱。其中天井長寬比值大于2.8在影響愉悅感上是最顯著的消極特征，對于非專業背景的人，天井空間的寬度大于6m和較高曠奧度的界面、D/H值大于0.5是提高愉悅感的積極特征。對于專業背景的人，天井空間有豐富的傳統性元素、寬度小于6m以及D/H值在0.5～1之間是影響愉悅感的積極特征。

表6 影響天井空間愉悅感的因素

本文研究結論也可為徽州天井空間現代化設計提供啟示：①考慮不同社會文化背景的人的需求。人對天井空間的情感評價因不同的知識背景而相異，專業建筑學背景的人在情感上更傾向于小尺度的傳統天井空間，而非建筑學背景的人則是對大尺度且開敞明亮的天井空間情感評價較高。因此在設計開始之前，應對居住者進行詳細調查，了解居住者的年齡、社會屬性等，確定居住者的需求，以此作為天井空間設計的依據。

②保持空間圍合界面的通透性?？赏ㄟ^調整傳統的隔扇窗和格扇門的窗欞的密度，或者與現代的玻璃材料相結合，既可以采光通風，又可以提高空間的空透感；對于密封的磚墻可以鑲入如透空的磚產生曠奧度。在建筑形式上，還可以通過底層架空的方式，讓人有更廣闊的視野。

③適宜性空間尺度設計。一方面，由于天井空間的長寬比顯著影響著人愉悅感，因此要適當控制長寬比大小，讓天井空間不過于狹長。另一方面，傳統徽州天井空間的D/H值一般是低于0.5，可通過增加天井空間的寬度，提高天井空間的D/H值，讓天井空間更為開敞和明亮，從而提高人的情感體驗。但是不能過于增大D/H值，讓天井空間失去本身的空間內涵而與院落空間無異[20]。

④徽州傳統文化的傳承。傳統要素是影響情感評價的一個重要因素，但不是簡單地對徽州建筑符號的復制，而是與現代化技藝結合，實現在精神層面上的徽文化傳承。例如天井空間中的細部裝飾對人愉悅感影響不大，因此對于傳統元素如斗拱、雀替、撐拱和門窗等有繁復裝飾的構件，可通過現代化的技術和材料將其簡化和轉譯，讓天井空間既具有傳統文化內涵又具有現代建筑特色。

資料來源：

文中所有圖表均為作者自繪。