數(shù)字建筑設(shè)計與研究
——一種廣義的空間認知

黃蔚欣，王露瑩

關(guān)鍵字：人機結(jié)合，空間認知，視頻數(shù)據(jù)分析，算法輔助設(shè)計，編織結(jié)構(gòu)

0 引言

把數(shù)字化和信息化的技術(shù)用在建筑設(shè)計和建筑建造中，是過去十幾年中數(shù)字建筑領(lǐng)域的學(xué)者一直在探索的重要議題。圖1 是建筑設(shè)計全生命周期的循環(huán)：以理解空間為基礎(chǔ)，在設(shè)計中創(chuàng)造空間，再通過建造將其實現(xiàn)出來。這個過程始終與人的認知活動有關(guān)。首先，人們在日常生活中對建成空間形成認知；其次，基于對空間的理解，建筑師創(chuàng)造性地設(shè)計空間[1]；最后，恰當?shù)慕ㄔ旒夹g(shù)也成為設(shè)計思維的理性延伸。如何在這些與人的認知相關(guān)的活動中，充分利用當代先進的計算機技術(shù)，是眾多國內(nèi)外學(xué)者探討的有趣問題。最近數(shù)年，我們團隊也分別在3 個階段開展了不同的研究。

1 建筑設(shè)計全生命周期

1 理解空間：基于時空軌跡數(shù)據(jù)的環(huán)境行為分析

理解空間環(huán)境與人的關(guān)系，常采用環(huán)境行為學(xué)的實證方法。近10 年來大數(shù)據(jù)的發(fā)展，使得我們可以更深入分析復(fù)雜空間系統(tǒng)中紛繁多變的人員行為。在建筑室內(nèi)可以使用的人員軌跡數(shù)據(jù)包括Wi-Fi 數(shù)據(jù)[2]、UWB（超寬帶）數(shù)據(jù)[3]和視頻數(shù)據(jù)等，其中，通過計算視覺的方法從監(jiān)控視頻里提取比較復(fù)雜的、大量移動人群的軌跡，是未來非常有潛力的研究方向。為此，我們提出了一種兩階段的人群時空軌跡提取方法，并且使用動態(tài)卷積的方法實現(xiàn)了行人重識別與軌跡提取（圖2）。

2 跨鏡頭行人重識別結(jié)果示例

利用該算法對天津某大型商場144 個點位的監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)集進行分析，從兩天的數(shù)據(jù)中共識別出29881 條軌跡（占商場顧客數(shù)55%）。在此基礎(chǔ)上，可以做頻繁項集分析（圖3）找出區(qū)域的聯(lián)系，也可分析空間關(guān)系（圖4）以及人員在空間中的分布，還可做空間網(wǎng)絡(luò)聚類（圖5）得出空間的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

3 頻繁項集分析

4 各樓層人群轉(zhuǎn)移相關(guān)性分析

5 各類簇節(jié)點人流量轉(zhuǎn)移可視化

2 創(chuàng)造空間：設(shè)計生成與認知

設(shè)計是建筑學(xué)的核心工作。我們嘗試用深度學(xué)習(xí)方法來輔生成建筑設(shè)計，例如用生成對抗網(wǎng)絡(luò)（GAN）來實現(xiàn)建筑平面的理解與生成[4]（圖6）。研究基于一個既有框架，使用較少數(shù)據(jù)就取得了不錯的效果。在此基礎(chǔ)上，Chaillou 提出了ArchiGAN——一個三階段的建筑平面生成方法[5]。

6 使用生成對抗網(wǎng)絡(luò)（GAN）的建筑平面理解與生成結(jié)果

我們新研究了FloorplanGAN 算法，它在GAN 算法中加入了可微渲染與注意力機制，實現(xiàn)了矢量格式住宅平面圖的生成（圖7）。該方法突破了傳統(tǒng)GAN 只能基于柵格圖生成建筑圖的局限，更加符合建筑設(shè)計的需求[6]。

7 FloorplanGAN的算法原理流程示意圖

當然，用深度學(xué)習(xí)生成建筑設(shè)計是一種“黑箱”對“黑箱”的做法，并不利于對設(shè)計思維中復(fù)雜機制的深入理解。因此，我們探索了深度學(xué)習(xí)模型的可解釋性，嘗試了顯著性分析、卷積層可視化、線性分類器探針以及注意力圖等方法。初步實驗發(fā)現(xiàn)了一些可能合理的結(jié)論，例如客廳是重要的，房間的類型屬性對方案結(jié)果有顯著影響等。通過注意力機制，還能分析空間之間的相互聯(lián)系強度。其中很有意思的是，我們發(fā)現(xiàn)機器學(xué)習(xí)的思維方式與人類很可能是不同的。

此外，建筑師與算法的協(xié)作，也是一種具有潛力的模式，不僅可以發(fā)揮人與算法各自所長的工作，也能有效把握設(shè)計的方向。一些早期的研究仍然具有啟發(fā)，相關(guān)的模式也值得進一步的探索[7-8]。

3 建造空間：編織結(jié)構(gòu)空間網(wǎng)殼

空間的建造（materialise）是實體建筑與元宇宙建筑的本質(zhì)區(qū)別。在數(shù)字建造領(lǐng)域，近20 年各種創(chuàng)造性的自由曲面建造方法將形態(tài)、幾何、結(jié)構(gòu)和制造融為一體，是建筑師設(shè)計思維的延伸，也成為一種廣義的認知系統(tǒng)。我們提出的編織結(jié)構(gòu)空間網(wǎng)殼系統(tǒng)，具有豐富的造型能力、良好的結(jié)構(gòu)性能，以及建造的便捷性（圖8）[9]。為2022 年冬奧會設(shè)計并建造的水立方南廣場 “雪絨星”雕塑，實現(xiàn)了空間結(jié)構(gòu)與燈光藝術(shù)較理想的結(jié)合（圖9）[10]。

8 編織結(jié)構(gòu)系統(tǒng)實現(xiàn)的多種自由曲面形態(tài)

9 “雪絨星”夜景拍攝

4 小結(jié)：人機結(jié)合的空間認知

在機器智能快速發(fā)展的時代，如何以一種更具前瞻性的架構(gòu)，理解計算智能與建筑學(xué)的融合，對于學(xué)術(shù)體系的發(fā)展與技術(shù)進步都有助益。在理解空間、設(shè)計空間和建造空間的領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者和建筑師眾多創(chuàng)新性的工作，既是對機器智能的深度應(yīng)用，也離不開人的全程參與，可以認為人機協(xié)作是一種具有重要意義的基本模式；同時，隨著信息化與虛擬世界在人類日常生活空間中的普及，“建筑”問題可以被拓展為更廣義的“空間”問題。因此，我們提出了“人機結(jié)合的空間認知”[11]，在這里“認知”被視作核心概念，因為它既是建筑與人的關(guān)系中最動人的部分，也聯(lián)系著當代數(shù)字技術(shù)的核心——智能。這里的“認知”是一個廣義的概念，包含一般意義的空間認知，也包含設(shè)計認知[1]，以及融入設(shè)計的創(chuàng)新工程系統(tǒng)；同時，認知的主體也可以是廣義的——除了人以外，算法及人與算法的結(jié)合都可以被理解為認知的主體。以“認知”為框架，并打破人與機器智慧的界限，我們有可能將潛在關(guān)聯(lián)的智慧活動連接起來，探索建筑學(xué)的邊界，也拓展空間營造的新維度。□