計(jì)算性設(shè)計(jì)賦能綠色建筑自適應(yīng)表皮創(chuàng)作

韓昀松

0 引言

“表皮”源自生物學(xué)術(shù)語(yǔ)，原指生物體外側(cè)覆蓋的、與環(huán)境接觸且具有感知環(huán)境變化，調(diào)節(jié)自身以適應(yīng)外環(huán)境波動(dòng)的組織。“建筑表皮”是指覆蓋在建筑空間外且與室外環(huán)境接觸的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。“建筑自適應(yīng)表皮” （adaptive fa?ade）是對(duì)建筑表皮的進(jìn)一步限定，指能基于環(huán)境數(shù)據(jù)感知，可自主、動(dòng)態(tài)地改變表皮形態(tài)或構(gòu)造，響應(yīng)環(huán)境變化的智慧化建筑表皮。建筑自適應(yīng)表皮研究可追溯至1950-1960 年代[1]，涌現(xiàn)出自適應(yīng)表皮（adaptive fa?ade）[2-3]、動(dòng)態(tài)表皮（kinetic fa?ade）[4]、響應(yīng)式表皮（responsive building envelope）[5]和主動(dòng)式建筑表皮（active building envelope）[6]等概念（圖1），并在實(shí)踐應(yīng)用中揭示了建筑自適應(yīng)表皮在提升建筑能效、降低運(yùn)維成本和優(yōu)化室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)等方面的巨大潛力[7]。

1 既有建筑自適應(yīng)表皮相關(guān)概念

1 方法

計(jì)算性思維（computational thinking）是計(jì)算性設(shè)計(jì)的思維基礎(chǔ)，其通過(guò)抽象（abstraction）和分解（decomposition）將復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題轉(zhuǎn)換為多個(gè)并行的求解進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題的高效求解。而且，計(jì)算性思維能夠發(fā)揮大數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)來(lái)加速計(jì)算過(guò)程，從而在時(shí)間和空間維度實(shí)現(xiàn)權(quán)衡提升[8]。計(jì)算性設(shè)計(jì)是基于計(jì)算性思維展開的創(chuàng)作活動(dòng)，其在人居環(huán)境營(yíng)造中，基于人居環(huán)境系統(tǒng)科學(xué)與復(fù)雜性科學(xué)，應(yīng)用人工智能技術(shù)，展開多性能目標(biāo)耦合考慮下的建筑設(shè)計(jì)元素自組織生成與自適應(yīng)優(yōu)化[9]。

人工智能時(shí)代語(yǔ)境為計(jì)算性設(shè)計(jì)的發(fā)展提供了新的支撐，加速了計(jì)算性設(shè)計(jì)的推廣應(yīng)用，為綠色建筑自適應(yīng)表皮創(chuàng)作注入了新動(dòng)能。研究發(fā)揮計(jì)算性設(shè)計(jì)方法對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題的求解優(yōu)勢(shì)，融合人工智能技術(shù)流程與綠色建筑自適應(yīng)表皮創(chuàng)作流程，綜合應(yīng)用圖像識(shí)別、聚類分析、進(jìn)化計(jì)算、深度學(xué)習(xí)建模等技術(shù)，展開了綠色建筑自適應(yīng)表皮使用者行為感知、形態(tài)計(jì)算性設(shè)計(jì)和模塊化智慧控制方法與技術(shù)研究（圖2），旨在提升綠色建筑自適應(yīng)表皮對(duì)局部地區(qū)環(huán)境波動(dòng)和使用者光熱舒適個(gè)性需求的響應(yīng)精度，加強(qiáng)其對(duì)建筑綠色性能多目標(biāo)的權(quán)衡改善能力，并構(gòu)建了可感知使用者行為的綠色建筑自適應(yīng)表皮系統(tǒng)。

2 計(jì)算性設(shè)計(jì)賦能綠色建筑自適應(yīng)表皮研究

2 成果

2.1 綠色建筑自適應(yīng)表皮使用者行為感知方法與技術(shù)

通過(guò)使用者行為感知來(lái)預(yù)測(cè)建筑使用者個(gè)人熱需求，對(duì)于權(quán)衡改善綠色建筑熱舒適需求與高能效目標(biāo)具有重要意義。由于使用者行為具有顯著的隨機(jī)性和不確定性，其與個(gè)人熱需求的映射關(guān)系解析難度較高。計(jì)算性設(shè)計(jì)因融合了人工智能技術(shù)流程而善于對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)行為進(jìn)行解析，為建筑使用者行為感知與分析帶來(lái)了新契機(jī)。團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用計(jì)算性設(shè)計(jì)方法研發(fā)了建筑使用者行為數(shù)據(jù)采集與分析方法與技術(shù)[10]，通過(guò)深度學(xué)習(xí)建模，可基于視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行建筑使用者行為動(dòng)作采集、特征提取和動(dòng)作分類，并通過(guò)集成多對(duì)象跟蹤算法，實(shí)現(xiàn)基于建筑使用者行為特征感知的個(gè)人熱需求預(yù)測(cè)（圖3）[11]。實(shí)測(cè)結(jié)果表明：該方法對(duì)建筑使用者是否進(jìn)行熱適應(yīng)行為的預(yù)測(cè)精度達(dá)到92%，使用者熱需求預(yù)測(cè)精度達(dá)到91%。

3 基于建筑使用者行為特征感知的個(gè)人熱需求預(yù)測(cè)方法與系統(tǒng)，引自參考文獻(xiàn)[11]

2.2 綠色建筑自適應(yīng)表皮形態(tài)計(jì)算性設(shè)計(jì)方法與技術(shù)

團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用計(jì)算性設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)多性能目標(biāo)耦合下的建筑自適應(yīng)表皮設(shè)計(jì)元素自組織生成與自適應(yīng)優(yōu)化，耦合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）和多目標(biāo)進(jìn)化算法（MOEA），提出了建筑自適應(yīng)表皮計(jì)算性設(shè)計(jì)方法[12]，同步開發(fā)了自適應(yīng)表皮形態(tài)計(jì)算性設(shè)計(jì)工具，能夠基于“鑲嵌幾何”原理，生成建筑自適應(yīng)表皮形態(tài)；發(fā)揮計(jì)算性思維的并行計(jì)算優(yōu)勢(shì)，通過(guò)聚類分析將自適應(yīng)表皮高維數(shù)據(jù)空間映射到二維空間，從而在建筑自適應(yīng)表皮設(shè)計(jì)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)10 項(xiàng)以上建筑綠色性能的權(quán)衡改善。

2.3 綠色建筑自適應(yīng)表皮模塊化智慧控制方法與技術(shù)

建筑自適應(yīng)表皮控制計(jì)算量大、模塊化精準(zhǔn)控制難度高。團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用計(jì)算性設(shè)計(jì)方法，提出了融合整數(shù)規(guī)劃（integer programming）與代理建模（surrogate modelling）算法的建筑自適應(yīng)表皮模塊化智慧控制方法，能夠基于日照輻射分布信息，控制建筑自適應(yīng)表皮進(jìn)行多模塊形變，回應(yīng)開放辦公空間光熱環(huán)境差異化需求（圖4），有效改善了建成環(huán)境自然采光性能，降低了眩光風(fēng)險(xiǎn)，相比傳統(tǒng)靜態(tài)表皮最高可實(shí)現(xiàn)15%的性能提升[13]。

4 建筑自適應(yīng)表皮模塊化智慧控制流程，引自參考文獻(xiàn)[13]

綜合應(yīng)用上述設(shè)計(jì)方法與關(guān)鍵技術(shù)，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了可感知使用者行為的綠色建筑自適應(yīng)表皮系統(tǒng)，旨在契合使用者個(gè)性化光熱舒適度要求，權(quán)衡改善建成環(huán)境光熱舒適性能和建筑能效[14]。

3 結(jié)論

雙碳戰(zhàn)略導(dǎo)向下，建筑綠色性能水平將持續(xù)提升，其性能目標(biāo)體系也將日益復(fù)合化，對(duì)綠色建筑自適應(yīng)表皮創(chuàng)作提出了新的挑戰(zhàn)。基于計(jì)算性思維的設(shè)計(jì)方法與技術(shù)發(fā)揮了人工智能技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為綠色建筑自適應(yīng)表皮發(fā)展提供了有力支撐，使其能夠高效感知環(huán)境波動(dòng)與使用者舒適度需求，精準(zhǔn)調(diào)控建筑能效與建成環(huán)境舒適性能。“新基建”戰(zhàn)略為我國(guó)“新城建”持續(xù)注入新動(dòng)能。計(jì)算性設(shè)計(jì)也將通過(guò)賦能綠色建筑自適應(yīng)表皮創(chuàng)作，持續(xù)推動(dòng)人居環(huán)境建設(shè)的信息化升級(jí)與工業(yè)化轉(zhuǎn)型。□