人因情景驅動下適老化的物聯網建筑空間設計嬗變及實踐研究

作者 | Author：劉少瑜 LAU Siu-Yu,Stephen/ 深圳大學、香港大學 Shenzhen University,The University of Hong Kong

董璐 DONG Lu/ 香港大學 The University of Hong Kong

陶伊奇 TAO Yichi/ 深圳大學 Shenzhen University

苗奕佳 MIAO Yijia/ 香港大學 The University of Hong Kong

賴鴻展（通訊作者）LAI Hongzhan (corresponding author)/ 澳門科技大學、梁黃顧建筑師(香港)事務所有限公司 LWK &Partners (HK) Ltd

一、基于人因情景的設計轉變

1.基于日常生活活動的人因場景設計

圖1：人體日常生活基本動作表[6]

圖2：3D 人體姿勢 [10]

日常生活活動（Activities of daily living，以下簡稱ADL)的概念最初在1935年由美國瑪喬麗·謝爾頓（Marjorie P.Sheldon）提出[1]，她將這些日常活動稱為“每日生活所必需的日常活動”。1949年，伊迪絲·布赫瓦爾德 (Edith Buchwald) 首次將“日常生活活動”用作治療評估的一部分[2]，常規臨床評估范圍擴大至包括評估患者能夠進行的日常生活活動類別，進而輔助診斷和治療。日常生活活動可分為“自我照顧”的基本日常生活活動以及“幫助獨立生活”的工具性日常生活活動[3,4]。目前來說，ADL作為一個術語，統稱為獨自照顧自己所需的基本特征[5]，也指代了獨立生活中每天必須反復進行的、最基本的有共性的身體動作群組[6]（即人因要素），例如吃飯、洗澡和步行等等。如果無法完成日常生活中的基本活動，可能會引起不安全或較差生活狀況。

為了更好提供幫助和協助完成ADL，學者宋海燕研究日常生活活動和身體基本動作的關系，對40項頻繁的ADL進行匯總并歸納提出分解動作，得到包括上肢和下肢的17 項人體日常生活基本動作，如下圖所示（圖1）[6]。人體關節的各個自由度若都能滿足下列基本動作需求，即認定可順利地進行日常生活活動。

圖3：檢測、分類和跟蹤老年人 [10]

2.適老化的人因場景研究

在上世紀五十年代之后，ADL的研究開始發展，特別用在年長者的照顧上[7]。2011年美國全國健康訪談調查確定，20.7%的85歲或以上的老年人、7%的75至84歲的人和3.4%的65至74歲的人需要ADL的幫助[8-9]，再次強調了滿足老年人日常生活活動需求的必要性。Nadia Zouba等人則通過認知視覺技術，利用視頻分析組件和活動識別組件，識別家中老年人的一系列日常生活活動 (ADL)（圖2）[10]。視頻分析組件包含人物檢測、人物跟蹤和人體姿勢識別。人體姿勢識別由一組姿勢模型和專用的人體姿勢識別算法組成，并提出檢測人體姿勢的十種關鍵3D精細描述（3D Posture Models），如下圖所示（圖3-4）。借此，通過對老年人日常生活活動不同人體姿勢的檢測、分類和跟蹤，從而定義和建模與老年人日常生活活動相關的場景，實時檢測和識別老年人的活動情景。

圖4：跌倒場景的識別（3D 可視化和真實場景 ）[10]

圖5：步行姿態的檢測、分割、追蹤、提取和比對識別 [11]

二、物聯網技術背景下建筑空間的革新

1.物聯網技術介入適老化建筑空間

人工智能、物聯網和大數據作為新興顛覆性技術，正在釋放科技革命和產業變革積蓄的巨大能量，對城市各行業的發展和進步產生重大而深遠的影響。自2019年新冠肺炎席卷全球后，每個人都被限制在家工作和學習，網絡及虛擬世界已成為了新的生活載體。在此，建筑師及有關設計人員是時候開始重新考慮“后疫情時代”的社會活動空間的重組和轉型了。

對于建筑師及有關設計人員而言，面對物聯網、數據傳感和人工智能等新科技時代的到來，建筑實踐的革新面臨著同樣的挑戰。以往物聯網及傳感器技術的介入往往是在建筑設計完成之后，缺乏對建筑空間和人因情景的提前考量，不能更好整體考慮建筑交互設計過程中融合傳統和新科技技術。在未來的建筑設計時，有必要將ADL與建筑場景緊緊結合，用建筑空間滿足老年人的生活需求。首先，根據老年人的ADL的行為活躍程度由低至高分類為姿勢（Posture）、物品互動（Interaction）、行動(Motion)、運動(Sport)等四大類型，后期根據設計需要可細分為四十個或更多的子類型，再利用物聯網和機器學習識別和監測老年人在這些場景中的動作行為，結合使用到的建筑空間進行改造和提升，同時也可識別和判斷老年人的行為活動是否在正常預設內容中，判定“常態”或“非常態”，起到了日常監護的作用。例如，可采取步態識別生物行為特征作為設計的主要識別技術，通過檢測步行姿態進行身份識別。該技術與其他的生物識別技術相比，具有非接觸、遠距離和不容易偽裝的優點[11]，尤其是對老年人的日常行為活動的檢測、追蹤和識別起到重要作用（圖5），可廣泛應用于公共安全和應急管理等建筑場景。

除了反應日常生活活動實時狀態，輔助監控技術對于照顧老年人和幫助其獨立生活也發揮一定重要作用。Marco Buzzelli等人通過利用計算機視覺技術和視覺傳感器，對現有用于動作識別的視頻數據集進行了徹底分析和行為分類（圖6-7）[12]。在輔助生活監控服務應用架構之下，對日常生活活動的需求通過“由長到短的時間導航（時間范圍和時間線視圖）、主體行為的實時描述（快照）、自動事件分區和描述（故事板情景視圖）、所選時間范圍的全局統計數據（全局視圖）、用戶可自定義的過濾器和通知”等工具實現，并在客戶端應用程序界面中展示，以此進一步了解老年人的日常生活活動需求。

2.多感官刺激環境的場景構建

多感官刺激環境（Multisensory stimulation environments，以下簡寫為MSE）是基于計算機模擬體驗環境營造的人工場所，由計算機游戲或模擬提供的以計算機為媒介的游戲體驗，用于探索虛擬空間對人的情感刺激和影響。目前MSE已收到諸多關注，尤其是在殘疾人群或弱勢人群的干預模式中[13]。MSE通過人工定制的干預平臺，依靠人工智能技術，可對用戶行為、場景簡單（用詞有問題）、環境條件等方面來誘發普遍的放松和幸福感，從中追求休閑、職業或治療的目標。依托于（什么）進行識別和反饋[14-15]。

“天地墻”作為建筑基礎的三維界面，可劃定為圍合空間的主要構成要素，本次的設計研究將感知層和執行層的物聯網架構體系功能，與頂面、地面、墻體進行結合，實現人與建筑的交互體驗，營造出適老化的多感官刺激空間。

(1)頂面作為物聯網架構感知層和執行層的改造

“天地墻”的“天”，作為建筑空間的頂部界面，在建筑設計中具有改變室內凈空、優化空間、安裝和遮擋建筑管線和構件等功能。目前多數的設計改造中將建筑界面的頂面定義為物聯網網絡架構應用的載體（即實施設備和天花板的綜合一體化設計），用以感知用戶并收集用戶數據。當建筑界面的頂面作為物聯網的執行層時，用戶可以通過天花板既有形態、顏色、畫面等變化，完成有形的互動，從而增強長者視覺、聽覺的互動體驗。基于機械性復健活動和小范圍社交活動這類用戶需求和建筑空間功能需求，設計者在公共多功能活動廳增加可變形態的室內頂棚，借助人體紅外感應器和聲音感應器，收集人數、行為、空間噪聲級等信息，并傳遞信息至Arduino開發板（是一個開源嵌入式硬件平臺，用來供使用者制作可交互式的嵌入式項目），形成驅動交互式的升降立體天花板，從而實現空間用戶行為感知、氛圍營造和特定空間分割等功能情景，以此進行空間柔性分割，并與建筑空間的實時氛圍相匹配，從而改善長者的心理情緒，激活老人的注意力、自主性和認知能力。

(2) 墻體光影互動及微氣候適應性改造

“天地墻”的“墻”，在建筑空間中發揮承重、圍護或分隔空間的功能，兼備保溫、隔熱、隔聲、防火、防水等作用。墻體在物聯網架構設計中同樣可承擔感應層和執行層的功能，作為傳感、數據和分析的互動對象，增加空間互動的沉浸感。

墻體構件也是重要的建筑空間微氣候調節裝置。傳統設計手段通過遮陽格柵、濾光玻璃等緩解環境空間舒適，借助物聯網技術可以有效控制這些墻體構件的位置及形態，從而滿足更靈活的舒適調節需求。如“會呼吸的健康樂園”在半戶外空間增設了微氣候調節墻體，通過傳感器檢測風環境和光環境，來調節旋轉玻璃的角度、變色玻璃透明度等，緩解長者用戶的體感舒適和視覺舒適。墻體額外配有空氣清新和氣味釋放裝置，當體驗者靠近裝置，觸發傳感器后攜帶香氣分子的空氣被釋放出來，形成體驗者嗅覺與建筑墻面的交互。此外還有智能控制的遮陽構件，如“看得見的聲音”和“智慧廊道”中都選擇設置了可以根據光照條件實時反饋變化的遮陽裝置，在緩解室內熱舒適的同時，部分遮陽構件還配備了太陽能板，兼具了太陽能的收集利用功能。另外在特定需求下，物理環境要素的監測有高度限制，從關注居住者健康方面考慮，例如參考WELL健康建筑標準要求，在地板表面以上1.2-1.8m處測量二氧化碳含量來反饋室內通風，若在天花板安裝此類傳感器顯然不具備監測價值。

(3) 地面壓力感應及微氣候改造

“天地墻”的“地”，直接承擔建筑空間的物理負荷，經常受到壓力、摩擦、清掃和沖洗等，滿足用戶安全和環境舒適的基本需求。在物聯網建筑設計中，通過鋪設特殊構造的“智能地磚”來收集用戶位置信息和執行指令，置入的傳感器可以獲取壓力信息以分析步態、路徑等，實現精確定位以用于互動。此外，感應系統通過分析壓力值狀態，還可提供障礙物燈光提醒、跌倒警報，并配合跌倒安全氣囊、3D影像識別等附加設計，輔助長者緊急安全救助和實時影像監控。

在傳統設計觀點中，“天地墻”是圍合空間的基本要素，被認為是建筑空間的邊界，往往并不受到太多的關注。本次設計研究中將智能化技術與“天地墻”進行結合與一體化再設計，不僅重新詮釋和定位了這三要素的原始定義與功能，還“以人為本”的構建了多感官刺激下的建筑空間聯動場景，探索了物聯網數字化發展下的設計新路徑。本次研究體現了作者把人因物聯網數據看作是建筑設計依據的新嘗試，通過將5G通訊時代中的人因交互與建筑行業相契合，誘發建筑設計手法的跨時代嬗變。

圖6：輔助生活監控服務的應用架構 [12]

圖7：客戶端 Web 應用程序的界面 [12]

三、基于適老化人因情景的設計實踐

1.設計實踐的內容及目標

本次設計研究借助深圳大學建筑學研究生一年級的設計課程進行實踐與探索。根據實施內容分為三個階段（共3年）進行實施。第一階段為2021年4月-6月，已完成深圳養老院的智慧化改造設計。第二階段為2022年4月-6月，已完成居家養老下的建筑改造設計。第三階段為2023年4月-6月，計劃完成老齡化下城市社區的改造與設計。

本次設計實踐的將完成兩個研究目標。第一個研究目標是探索以人為本的物聯網情景需求。在此項研究中，深入了解、調研、學習和觀察特定建筑里的老年人行為習慣，梳理提煉各類相關通用及特殊個人需求，通過監測和追蹤老年人的日常生活活動，利用物聯網感知技術和機器學習識別、調校和預測常態或非常態等情景狀況，優化老人、護理人員、醫生、家人等用戶的體驗，解決傳統痛點問題。

第二個研究目標是構建以智慧建筑為本的物聯網空間場景。未來建筑將會是智慧化和定制化，運用萬物互聯互通的理念，構建宜居、智能、環保、安全、舒適的生活和工作環境。以智慧建筑為本是關注傳感技術、機器和人工智能等革新技術去創造和設計建筑，強調智慧建筑與用戶的交互。

2.設計實踐的創新點

本次課程教學為了讓學生感同身受老年人的日常互動的交往形式，創新的采用了體驗式教學法引導學生建立與設計對象的雙邊情感連接。教學過程中讓學生沉浸式（IMMERSION）體驗到老年人日常生活情景，身體衰老及環境變化的情感，要求學生尊重老年人的人格，重視、體會和傾聽老年人的意見，接納和包容老年人的缺點。在體驗接受后通過分享經驗和歸納需求，制定作業中建筑設計的主題。通過這種先體驗后設計的沉浸式創新教學，讓學生以角色互換的方式（ROLE CHANGING），設身處地的體驗老人年的親身感受，促使學生從老年人的實際需求出發進行設計，也進一步讓設計結果體現以人為本的人因設計內涵。

四、結語

本次設計研究中，建筑立足于老年人日常生活活動的需求，結合物聯網技術，通過ADL物聯網架構和流程圖表的編寫，在多感官空間營造和人因情景需求之間建立新的專業橋梁。研究借助課程，構建“以研究指導設計，以設計結合研究”的設計范式，用沉浸式的設計研究方法讓學生去感知未來，以智慧設計的理念，完善的養老服務設施和體系，提出因地制宜的人文指標；同時，倡導新一代建筑師，在關注美學、理論、空間、文化遺產、環保、可持續之外，將“大數據傳感設計” 作為設計教育及實踐的新方向。

目前，智慧建筑交互設計已在前期設計階段就介入干涉，并滲透于建筑整個生命周期。在未來智慧養老方面，建筑的設計方式和方法也會發生重大轉變，愈加重視多感官的交互性設計，最終逐漸形成基于用戶日常使用需求，借助新技術和媒介，實現建筑和人因信息的交互聯動，以及通過建筑使用去評估反饋和提升交互設計的封閉式設計路徑。設計借助數字虛擬技術，實現減少建造紕漏和降低整體成本，整合建筑設計成果與投資業主、各專業人員、用戶及其他相關體驗者交互的目的，切實的促使建筑行業向人工智能領域的交叉發展與應用方向發展。