基于人因工程學的月球建筑空間設計框架構建

李書頎，梅洪元

月球是距離地球最近的天體，具有天然的位置優勢和豐富的資源價值。為了實現對月球的科研和利用、對其他天體的觀測、乃至人類的生存遷移，建立月球建筑已成為人類文明進化的必然選擇。1960 年代，美國、蘇聯率先開展人類探月活動。1990 年代起，包括中國、歐盟、日本等在內的各國家及地區的航空航天組織掀起新一輪的探月熱潮。中國探月工程，又稱“嫦娥工程”，分為“探、登、駐”3 個階段。目前，第一階段的“繞、落、回”任務已完成。2021 年，我國發布《國際月球科研站路線圖》，提出將于2035 年建成月球科研站，從而實現月面的“勘、研、建”，為載人登月和月面駐留提供基礎保障。世界各國探月工程的深化也使月球建筑的建設從設想成為現實。在當下的發展階段，月球建筑受運載、生保、建造等技術的制約，其空間原型構建仍需以航天員工作、生活使用為基礎條件。月球和地球的物理環境差異巨大，如何在全新的環境下為探月工程任務提供人員駐留的支持，成為亟待解決的問題。在復雜極端環境、交叉技術制約的背景下，人因工程學為月球建筑空間設計提供了科學理論與技術支撐。

1 人因工程學概述

1.1 月球建筑空間設計范疇下的定義

國際人因工程學會（International Ergonomics Association）定義人因工程學為：研究人在某種工作環境中的解剖學、生理學和心理學等方面的因素，研究人和機器及環境的相互作用，研究在工作中、生活中和休閑時怎樣統一考慮工作效率、人的健康、安全和舒適等問題的學科[1]。人因工程學就是按照人的特性設計改進“人—機—環境系統”的科學。在“人—機—環系統”工程學（Man-Machine-Environment System Engineering）中，“人”是指作為工作主體的人（如操作人員或決策人員）；“機”是指人所控制的一切對象（如工具、機器、計算機、系統和技術）的總稱；“環境”是指人與機所處在的特定工作條件（如外部作業空間、物理環境、生化環境、社會環境等）；“人—機—環系統”是指由共處于同一時間和空間的人與其所使用的機器以及它們所處的周圍環境所構成的系統[2]。

遷移概念在月球建筑設計中，即在月球建筑的“人—建—環系統”中，“人”指航天員或居住者；“建”指駐人月球建筑；“環”泛指人、建所處的周圍環境，包括月球環境、人造環境和社會環境等；“人—建—環系統”是指由共處同一時間和空間的人與其所處的建筑以及周圍環境所構成的系統。由此可以總結出，月球建筑空間設計范疇內的人因工程定義，即在月球特殊建設條件下，利用以人因技術為基礎的設計科學，運用相關理論、原理、數據與方法開展系統設計，解析人的因素與建筑、環境之間的相互作用，以安全高效、舒適可居為目標，使月球建筑空間的設計符合使用者生理、心理、行為等特點。

1.2 相關研究發展動態

國際上，人因工程學已廣泛應用于大量行業，其中與空間緊密相關的研究在國防建設上包括艦船[3]、航天艙[4]空間設計，在交通運輸上包括飛機、火車、汽車等空間設計，在工業生產上包括生產空間設計。月球建筑空間設計與艦船、飛機駕駛艙等密閉空間設計的關聯之處在于其涉及領域安全風險較高、所處環境較為特殊、空間相對封閉狹小，因此研究思路可以相互借鑒。對于人體參數的研究，美國航空航天局（NASA）對大量人體數據和行動經驗進行總結，形成了《人機整合設計手冊》等設計標準規范，成為各類航天器設計的重要依據標準[5]；中國面向長期空間飛行的人的能力規律與機制研究[6]，研發了我國首個航天員建模仿真系統（AMSS）[7]，建立了較完善的評價技術、方法、流程和規范。此外，在建筑學領域，人因工程學研究也得到了一定應用。例如，在建筑設計中，日本學者長期在環境行為和心理學中的研究，已形成數據庫，在建筑標準制訂、建筑設計等方面起到了比較重要的作用；在城市設計中，可利用人因工程相關技術，從宏、遠、中、近、微5 個層次制定空間干預尺度框架，提供一種發展設計科學的新路徑[8]。

在月球建筑人因問題上，Celentano 等學者對月球建筑宜居性給出定義并提出包括環境控制、生活空間設計、計劃制定等內容的宜居性指數[9]，Harrison 和Sherwood 提出人因設計目標，包括生理、心理支持和社會文化支持[10]。基于人體尺度優化尺寸的研究開始得較早，目前已從最小化設計發展到最優化設計[11]，并提出了充氣式居住艙高效且舒適的室內空間組織方案[12]。但目前的研究中缺失系統性的策略提出與完整的方案設計。新技術的發展對空間環境下的心理健康起到了促進作用，Schlacht 提出太空建筑室內的視覺需求、太空環境下的視景改造、太空工程設計要求并提出月球基地視景設計方案[13]；Bannova 從個人、公共、社會3 個層面分別描述了如何使用混合現實技術（MR），通過激發所需情感反應和創造新場景來傳遞刺激，在最小空間體積內減弱負面心理影響[14]；國內學者張冠華等提出月球建筑的光環境設計原則[15]。綜上，月球建筑的人因工程研究在國外的發展較早，但呈現碎片化狀態，在國內的研究中基本處于空白。基于人因工程學的月球環境下建筑空間設計不僅有助于我國建立高標準的駐人月球科研站，也為未來的空間移民提供研究基礎。

2 月球建筑空間設計中應用人因工程學的基本邏輯

月球建筑圍護結構將外部環境與航天員進行分隔，月球建筑內部空間則是物理實體圍合后保障航天員可用可居的過渡部分。在極端復雜的環境下，適宜的溫濕度與氣壓、限量的輻射、充足的氧氣等條件是保障人員生命安全的基礎，清晰的警報設備、冗余的逃生系統是設計的必要條件。此外，航天員作為使用的主體，在科研任務的完成中既需嚴格縝密又需靈活機動，在生活休閑時需獲得有效的放松療愈，因此，高效地工作與舒適地生活是基本的安全保障之上的目標。

在月球建筑研究的“人—建—環系統”中，“環”為客觀存在的要素，約束著人的行為與建筑的設計，為首要解析的要素；“人”為空間使用的主體，在環境的影響下于建筑空間內工作生活，需解析環境對人的影響機制；“建”是在外應對極端環境、在內尊重使用者特性的設計結果，是人與環之間的過渡層，其基本研究問題與其他兩者的關聯關系應做進一步解析。由此，在研究方法論層面，首先解析“環”的特征，對月球建筑而言，其存在的環境主要有兩方面特殊性，一是地月距離帶來的運載限制與隔絕孤立的環境；二是微重力、節律延長等空間環境。接下來是“人”的基礎特性與環境影響機制。在太空環境下，人員生理、心理、態勢的參數變化在后續空間設計過程中均有定性以及定量的影響（表1）。

表1 地月差異下的人因影響

由于目前只有12 人登陸過月球，人類目前對月球環境的直接經驗很少，雖然空間站、太空飛行等短期任務積累了部分經驗，但處在空間環境下的時長不同，對人體的影響也不同，且航天員因通過醫學、心理學、特殊環境訓練等選拔，其人體特征和大眾群體存在較大差異。因此，為向后續建筑空間設計提供輸入條件，還需要大量在地模擬的人員數據與空間環境下的實測數據相結合。在人員的生理特性上，可運用皮電、肌電測試數據建立參數模型；心理特性上，可運用問卷、評價量表等方法對極端環境（ICE）中不同空間內心理健康水平、人與人之間的互動模式、認知覺變化與決策變化等問題進行定量評估；運動參數上，可通過態勢感知模型對微重力條件下不同行為的活動尺寸范圍建立行為數據庫。結合人因交互技術，綜合這些數據，可以輔助月球建筑設計師在空間設計過程中進行更精準的決策。

對“環”與“人”進行解構后，月球建筑空間設計的基本問題集中在空間功能組織、空間形態構建、空間環境營造上。每一項問題都有相應的約束條件與設計目標，且二者通常呈矛盾狀態，需設計工作的協調權衡。空間功能的設計內容主要為構成與布局的確定，在探月任務需求下，功能需首要滿足航天員安全高效地進行相應研究工作，還需滿足航天員對休閑、私密的需求；空間形態的設計內容主要為形式與尺寸的確定，受運載能力限制，形態在滿足設備裝載以及航天員心理健康的基礎上應較為集約；空間環境的設計內容主要為界面、物理環境的確定，面對無方向感、無日升日落的認知覺變化，環境旨在綜合視、聽、觸等感官體驗，順應航天員認知習慣、保持航天員愉悅心情。綜上總結出人因工程應用的基本邏輯與建筑空間設計的主要問題如圖1 所示。

3 基于人因工程學的月球建筑空間設計構想

將月球建筑空間設計研究體系拆分成功能、形態、環境3 個方面，人因工程學均可在其中提供科學指導。在設計過程中，建筑設計亟需進行跨學科合作，如與運動醫學、心理學等學科聯合協同，在人因設計上取得創新性成果[33]。

1 月球建筑空間設計中應用人因工程的基本框架

表2 功能需求

2 連接矩陣，引自參考文獻[35]

3 功能氣泡，引自參考文獻[37]

4 樹形結構，引自參考文獻[38]

5 微重力下人體包絡線尺寸示意，引自參考文獻[39]

3.1 基于流程拓撲的多層次空間功能

人為因素不僅局限于工作范疇，還包括在月球建筑中的自我維持功能，如睡眠、飲食、個人衛生，以及休閑娛樂功能。良好的功能確定與組織是滿足安全、高效、舒適的人因環境的基礎。多層次的空間功能支持工作環境中的高效表現、生活空間中的互動社交、私人休息空間中的個人行為。因此在設計前期確定功能需求時，應綜合任務完成目標下與航天員適用目標下的所需功能。將Apollo、Salyut、Skylab 等航天器的實踐案例作為功能設施研究基礎，以少量人數、短期時長的任務為例，拓展月球建筑空間功能列表（表2）。為保障航天員健康工作、生活的基礎，睡眠、衛生、飲食功能設計應塑造私密且個性化的睡眠與衛浴空間，舒適的備餐、用餐流線。科研區域要兼具實驗操作的單人工作功能與交流培訓的公共功能。休閑區域可設置健身、娛樂等活動設施，有效幫助航天員減輕因工作或長期處于地球以外的空間而產生的壓力，既可以營造日常熟悉的生活場景，又可以輔助航天員在微重力條件下維持良好的身體機能，對抗肌肉萎縮的影響。醫療功能應進行日常健康監測和突發情況處理。輔助功能主要包括各項設備、交通空間、氣閘艙的設置，在月球極端環境下完成內部空間的封閉循環，其中，出入口的氣閘艙不僅有效維持室內的氣壓，也減少室內的月塵存在。整體功能的多層次設置原則包括可用性、宜居性、靈活性[34]：可用性指能夠使用并方便實用，月球建筑用戶友好、使用高效是完成探測任務的必須條件；宜居性指符合航天員生存的主觀和客觀指標，如私密感、社會氛圍感的需求與生理感知的需求；靈活性指空間可以根據航天員要求進行調整，以完成變化的任務。

在功能的組織布局中應考慮操作流程、頻率、依賴關系、兼容性，此外，還需考慮空間使用上的干擾性，如不同功能區之間的交通干擾，以及氣味、噪音、眩光等物理干擾。首先可通過連接矩陣（Adjacency Matrix，圖2）[35-36]建立各功能關系，得到功能間關聯關系的數據結構，與在地建筑相似，需要注重公共與隱私的隔離。隨后，連接關系可轉化成氣泡圖進行可視化展示，圖3 所示為Howe 與Sherwood 通過方案調研與宇航員訪談得到的月球建筑功能關系示意圖[37]。同時，由于功能組織不僅是二維橫向平面上的，且微重力條件致使豎向交通更為便捷，縱向體積上的空間利用是更為高效的，可以通過功能拓撲關系生成組織布局（圖4）[38]。

3.2 基于行為包絡的極限空間形態

為了確定空間形態，航天員的行為參數采集是必要的。為確保適應性、兼容性和可操作性，除了人體常規尺度的測量數據外，根據月球建筑的不同建造方式，采集不同環境條件下人體長度、圍度、姿態等數據是必要的（圖5）[39]。首先，在地預制的核心艙通常會被作為航天員在發射過程中的載體，因此核心艙不能僅根據微重力或者地球重力進行設計，還需考慮3G 的加速度以及手臂、手指可能經受的更大的重力條件。其次，若進行長期任務，在月建造的擴展部分應包括微重力空間以及人工重力空間[40]，為了建立不同重力條件下的行為數據庫，可通過在地模擬微重力下行為活動，如在水下穿著航天服進行活動和數據采集，也可通過空間站、月面上等視頻影像進行行為提取，繪制不同姿態下的人體模型。此外，在氣閘艙內，航天員會對航天服進行穿脫，因此需要根據穿著航天服后的行為參數設計氣閘艙內部空間形態。以上各功能空間基本形態的確定主要依照人體行為的包絡面，在前述功能拓撲關系的基礎上，各功能空間之間的連接空間形態同樣依賴于使用者的行為參數，這一部分的約束參數主要包括視野、關節舒適度、操作極限等。

6 基于行為參數的空間形態設計技術路線

7 熟悉性色彩，引自參考文獻[44]

8 自然性色彩，引自參考文獻[45]

9 人造光系統，引自參考文獻[48]

綜上，功能空間與連接空間的形態設計均需以人體行為活動參數為基礎，Pore、JACK 等工具均提供了利用虛擬人（Virtual Human/Computer Synthesized Characters）進行人因仿真（Human Factors Simulation）的技術手段，利用仿真技術分析空間形態[41]的技術路線如圖6。首先，需要對兩個要素進行建模，一是根據航天員身體數據建立數字人模型，二是根據數字人體包絡面建立月球建筑內部初步模型。其次，對于功能空間而言，根據任務建立動作，進行肢體可達域與受力、強度、舒適度等工效分析。接下來，對于連接空間而言，可視是安全保障的基本，可視化視野范圍有助于確定空間連接的方式。最后，基于以上的人因仿真中的生理行為分析結果進行空間形態優化，且在優化過程中需補充心理狀態分析，如在極限空間內執行長期任務的心理健康評價。此外，微重力下的人體仿真需要進行后續的研發，我國已經通過人體反向運動學算法對JACK 平臺進行了二次開發以適應我國航天任務[42]。

3.3 基于認知覺調控的健康空間環境

月球建筑空間環境的設計要素包括光熱環境、視景、聲景等，總體原則應為基于認知覺調控下的健康環境營造。在環境的感知過程中，各感官通道包含著大量不可計算的要素，評價結果不能簡單加權，同時存在著大量無法解釋的黑箱過程，有關研究需要聯同醫學、心理學等多專業領域共同進行。

視覺占認知覺中最為重要的部分，且因為影響因素復雜，其研究是較為困難的。在月球上，這一困難更為顯著，由于重力條件變化，視覺感知在色度水平、強度、銳度、視角上均發生了改變[43]。此外，前庭系統紊亂會導致航天適應綜合征（Space Adaptation Syndrome），從而影響人們的空間方向感與平衡感。因此，在視覺環境設計中，應對此問題進行回應。界面顏色會輔助航天員增強方向性，歐美的航天器內部通常是以白色與淺藍色為主的冷感顏色，俄羅斯航天器內部通常是在地建筑內部讓人熟悉的界面設置，包括棕色地板、白色天花板、綠色墻壁。通常情況下，俄羅斯的設置被認為是更為積極、宜居的，可以有效增強方向性（圖7）[44]，Transhub 的一個概念方案中便是在垂直方向上模擬地球自然全景的內飾顏色（圖8）[45]。另一方面，多樣化的形狀、顏色，以及可自主操作調節等界面特征可以產生感官刺激，激發人類的創造力，從而對抗由于工作內容枯燥、環境封閉狹小而產生的單調、無聊[33]。

月球節律、光源角度等條件與地球不同，需要采用人工照明與自然采光相結合的方案，最大限度保持與地球環境的相近[46]。此外，適當開窗有助于幫助航天員對抗消極情緒、疲勞與壓力，一方面可以減少離家的距離感，增加安全感，另一方面，在窗前欣賞和拍攝不斷變化的風景成為一種有趣味性的休閑活動。但由于輻射防護和材料成本的原因，月球建筑上較難進行開窗設計，若是執行兩周以上的空間任務，狹小、封閉的空間會影響航天員的心理健康。其解決方法一是通過視覺營造空間環境的寬敞感和豐富感[47]，二是利用新技術還原自然熟悉的地球景象，例如意大利I-Guzzini 團隊開發的人造光系統通過自然顏色變化模擬了生物陽光效應（圖9）[48]。綜上，應對月球建筑內部的視覺環境需求，提出各項指標下的內容與作用對象（表3）。

對人類聽覺而言，太空環境下的聲環境營造和地球上類似，狹小空間內的噪聲不僅影響航天員的生理與心理健康，同樣影響工作績效。連續性的噪聲源主要是環控設備（電機、電泵等）與航空電子設備（變壓器、振蕩器等），間歇性噪聲主要是由閥門、艙門等瞬時動作產生的，在工作區、生活區的噪聲暴露類別、聲壓與持續時間均為設計過程中需要考量的因素，且可以通過地面上的模擬進行數據收集，標準可參考NASA 在《太空人體系統標準》中的聲學設計要求[49]。

表3 視覺環境需求

4 結論

空間探索，是航天強國博弈的焦點目標，是科學技術進步的創新場域，是人類生存空間拓展的重大路徑。在月球建筑空間設計的三大基礎問題——空間功能、空間形態、空間環境的設計上，人因工程學對其研究架構進行了總體方法論的引領，為人因相關技術與方法提供了科學有效的指導。在多學科交融的背景下，結合我國航天戰略，人因工程學將輔助建筑師在月球建筑設計前期對空間需求進行判斷，在后期進行數據采集與反饋優化，使月球建筑空間成為設計科學干預的成果。在這一過程中，仍有諸多問題有待進行進一步探究，例如，輕質高強與健康高效等多目標約束的定量分析、空間對認知覺的影響機制、各空間要素的耦合關系等。以上問題仍需各專業協同攻關，在太空版圖“一帶一路”建設的過程中，創造月球建筑設計的新理論、新方法、新技術，提供設計科學發展的新路徑。