人因情景驱动下适老化的物联网建筑空间设计嬗变及实践研究

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

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

陶伊奇 TAO Yichi/ 深圳大学 Shenzhen University

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

赖鸿展（通讯作者）LAI Hongzhan (corresponding author)/ 澳门科技大学、梁黄顾建筑师(香港)事务所有限公司 LWK &Partners (HK) Ltd

一、基于人因情景的设计转变

1.基于日常生活活动的人因场景设计

图1：人体日常生活基本动作表[6]

图2：3D 人体姿势 [10]

日常生活活动（Activities of daily living，以下简称ADL)的概念最初在1935年由美国玛乔丽·谢尔顿（Marjorie P.Sheldon）提出[1]，她将这些日常活动称为“每日生活所必需的日常活动”。1949年，伊迪丝·布赫瓦尔德 (Edith Buchwald) 首次将“日常生活活动”用作治疗评估的一部分[2]，常规临床评估范围扩大至包括评估患者能够进行的日常生活活动类别，进而辅助诊断和治疗。日常生活活动可分为“自我照顾”的基本日常生活活动以及“帮助独立生活”的工具性日常生活活动[3,4]。目前来说，ADL作为一个术语，统称为独自照顾自己所需的基本特征[5]，也指代了独立生活中每天必须反复进行的、最基本的有共性的身体动作群组[6]（即人因要素），例如吃饭、洗澡和步行等等。如果无法完成日常生活中的基本活动，可能会引起不安全或较差生活状况。

为了更好提供帮助和协助完成ADL，学者宋海燕研究日常生活活动和身体基本动作的关系，对40项频繁的ADL进行汇总并归纳提出分解动作，得到包括上肢和下肢的17 项人体日常生活基本动作，如下图所示（图1）[6]。人体关节的各个自由度若都能满足下列基本动作需求，即认定可顺利地进行日常生活活动。

图3：检测、分类和跟踪老年人 [10]

2.适老化的人因场景研究

在上世纪五十年代之后，ADL的研究开始发展，特别用在年长者的照顾上[7]。2011年美国全国健康访谈调查确定，20.7%的85岁或以上的老年人、7%的75至84岁的人和3.4%的65至74岁的人需要ADL的帮助[8-9]，再次强调了满足老年人日常生活活动需求的必要性。Nadia Zouba等人则通过认知视觉技术，利用视频分析组件和活动识别组件，识别家中老年人的一系列日常生活活动 (ADL)（图2）[10]。视频分析组件包含人物检测、人物跟踪和人体姿势识别。人体姿势识别由一组姿势模型和专用的人体姿势识别算法组成，并提出检测人体姿势的十种关键3D精细描述（3D Posture Models），如下图所示（图3-4）。借此，通过对老年人日常生活活动不同人体姿势的检测、分类和跟踪，从而定义和建模与老年人日常生活活动相关的场景，实时检测和识别老年人的活动情景。

图4：跌倒场景的识别（3D 可视化和真实场景 ）[10]

图5：步行姿态的检测、分割、追踪、提取和比对识别 [11]

二、物联网技术背景下建筑空间的革新

1.物联网技术介入适老化建筑空间

人工智能、物联网和大数据作为新兴颠覆性技术，正在释放科技革命和产业变革积蓄的巨大能量，对城市各行业的发展和进步产生重大而深远的影响。自2019年新冠肺炎席卷全球后，每个人都被限制在家工作和学习，网络及虚拟世界已成为了新的生活载体。在此，建筑师及有关设计人员是时候开始重新考虑“后疫情时代”的社会活动空间的重组和转型了。

对于建筑师及有关设计人员而言，面对物联网、数据传感和人工智能等新科技时代的到来，建筑实践的革新面临着同样的挑战。以往物联网及传感器技术的介入往往是在建筑设计完成之后，缺乏对建筑空间和人因情景的提前考量，不能更好整体考虑建筑交互设计过程中融合传统和新科技技术。在未来的建筑设计时，有必要将ADL与建筑场景紧紧结合，用建筑空间满足老年人的生活需求。首先，根据老年人的ADL的行为活跃程度由低至高分类为姿势（Posture）、物品互动（Interaction）、行动(Motion)、运动(Sport)等四大类型，后期根据设计需要可细分为四十个或更多的子类型，再利用物联网和机器学习识别和监测老年人在这些场景中的动作行为，结合使用到的建筑空间进行改造和提升，同时也可识别和判断老年人的行为活动是否在正常预设内容中，判定“常态”或“非常态”，起到了日常监护的作用。例如，可采取步态识别生物行为特征作为设计的主要识别技术，通过检测步行姿态进行身份识别。该技术与其他的生物识别技术相比，具有非接触、远距离和不容易伪装的优点[11]，尤其是对老年人的日常行为活动的检测、追踪和识别起到重要作用（图5），可广泛应用于公共安全和应急管理等建筑场景。

除了反应日常生活活动实时状态，辅助监控技术对于照顾老年人和帮助其独立生活也发挥一定重要作用。Marco Buzzelli等人通过利用计算机视觉技术和视觉传感器，对现有用于动作识别的视频数据集进行了彻底分析和行为分类（图6-7）[12]。在辅助生活监控服务应用架构之下，对日常生活活动的需求通过“由长到短的时间导航（时间范围和时间线视图）、主体行为的实时描述（快照）、自动事件分区和描述（故事板情景视图）、所选时间范围的全局统计数据（全局视图）、用户可自定义的过滤器和通知”等工具实现，并在客户端应用程序界面中展示，以此进一步了解老年人的日常生活活动需求。

2.多感官刺激环境的场景构建

多感官刺激环境（Multisensory stimulation environments，以下简写为MSE）是基于计算机模拟体验环境营造的人工场所，由计算机游戏或模拟提供的以计算机为媒介的游戏体验，用于探索虚拟空间对人的情感刺激和影响。目前MSE已收到诸多关注，尤其是在残疾人群或弱势人群的干预模式中[13]。MSE通过人工定制的干预平台，依靠人工智能技术，可对用户行为、场景简单（用词有问题）、环境条件等方面来诱发普遍的放松和幸福感，从中追求休闲、职业或治疗的目标。依托于（什么）进行识别和反馈[14-15]。

“天地墙”作为建筑基础的三维界面，可划定为围合空间的主要构成要素，本次的设计研究将感知层和执行层的物联网架构体系功能，与顶面、地面、墙体进行结合，实现人与建筑的交互体验，营造出适老化的多感官刺激空间。

(1)顶面作为物联网架构感知层和执行层的改造

“天地墙”的“天”，作为建筑空间的顶部界面，在建筑设计中具有改变室内净空、优化空间、安装和遮挡建筑管线和构件等功能。目前多数的设计改造中将建筑界面的顶面定义为物联网网络架构应用的载体（即实施设备和天花板的综合一体化设计），用以感知用户并收集用户数据。当建筑界面的顶面作为物联网的执行层时，用户可以通过天花板既有形态、颜色、画面等变化，完成有形的互动，从而增强长者视觉、听觉的互动体验。基于机械性复健活动和小范围社交活动这类用户需求和建筑空间功能需求，设计者在公共多功能活动厅增加可变形态的室内顶棚，借助人体红外感应器和声音感应器，收集人数、行为、空间噪声级等信息，并传递信息至Arduino开发板（是一个开源嵌入式硬件平台，用来供使用者制作可交互式的嵌入式项目），形成驱动交互式的升降立体天花板，从而实现空间用户行为感知、氛围营造和特定空间分割等功能情景，以此进行空间柔性分割，并与建筑空间的实时氛围相匹配，从而改善长者的心理情绪，激活老人的注意力、自主性和认知能力。

(2) 墙体光影互动及微气候适应性改造

“天地墙”的“墙”，在建筑空间中发挥承重、围护或分隔空间的功能，兼备保温、隔热、隔声、防火、防水等作用。墙体在物联网架构设计中同样可承担感应层和执行层的功能，作为传感、数据和分析的互动对象，增加空间互动的沉浸感。

墙体构件也是重要的建筑空间微气候调节装置。传统设计手段通过遮阳格栅、滤光玻璃等缓解环境空间舒适，借助物联网技术可以有效控制这些墙体构件的位置及形态，从而满足更灵活的舒适调节需求。如“会呼吸的健康乐园”在半户外空间增设了微气候调节墙体，通过传感器检测风环境和光环境，来调节旋转玻璃的角度、变色玻璃透明度等，缓解长者用户的体感舒适和视觉舒适。墙体额外配有空气清新和气味释放装置，当体验者靠近装置，触发传感器后携带香气分子的空气被释放出来，形成体验者嗅觉与建筑墙面的交互。此外还有智能控制的遮阳构件，如“看得见的声音”和“智慧廊道”中都选择设置了可以根据光照条件实时反馈变化的遮阳装置，在缓解室内热舒适的同时，部分遮阳构件还配备了太阳能板，兼具了太阳能的收集利用功能。另外在特定需求下，物理环境要素的监测有高度限制，从关注居住者健康方面考虑，例如参考WELL健康建筑标准要求，在地板表面以上1.2-1.8m处测量二氧化碳含量来反馈室内通风，若在天花板安装此类传感器显然不具备监测价值。

(3) 地面压力感应及微气候改造

“天地墙”的“地”，直接承担建筑空间的物理负荷，经常受到压力、摩擦、清扫和冲洗等，满足用户安全和环境舒适的基本需求。在物联网建筑设计中，通过铺设特殊构造的“智能地砖”来收集用户位置信息和执行指令，置入的传感器可以获取压力信息以分析步态、路径等，实现精确定位以用于互动。此外，感应系统通过分析压力值状态，还可提供障碍物灯光提醒、跌倒警报，并配合跌倒安全气囊、3D影像识别等附加设计，辅助长者紧急安全救助和实时影像监控。

在传统设计观点中，“天地墙”是围合空间的基本要素，被认为是建筑空间的边界，往往并不受到太多的关注。本次设计研究中将智能化技术与“天地墙”进行结合与一体化再设计，不仅重新诠释和定位了这三要素的原始定义与功能，还“以人为本”的构建了多感官刺激下的建筑空间联动场景，探索了物联网数字化发展下的设计新路径。本次研究体现了作者把人因物联网数据看作是建筑设计依据的新尝试，通过将5G通讯时代中的人因交互与建筑行业相契合，诱发建筑设计手法的跨时代嬗变。

图6：辅助生活监控服务的应用架构 [12]

图7：客户端 Web 应用程序的界面 [12]

三、基于适老化人因情景的设计实践

1.设计实践的内容及目标

本次设计研究借助深圳大学建筑学研究生一年级的设计课程进行实践与探索。根据实施内容分为三个阶段（共3年）进行实施。第一阶段为2021年4月-6月，已完成深圳养老院的智慧化改造设计。第二阶段为2022年4月-6月，已完成居家养老下的建筑改造设计。第三阶段为2023年4月-6月，计划完成老龄化下城市社区的改造与设计。

本次设计实践的将完成两个研究目标。第一个研究目标是探索以人为本的物联网情景需求。在此项研究中，深入了解、调研、学习和观察特定建筑里的老年人行为习惯，梳理提炼各类相关通用及特殊个人需求，通过监测和追踪老年人的日常生活活动，利用物联网感知技术和机器学习识别、调校和预测常态或非常态等情景状况，优化老人、护理人员、医生、家人等用户的体验，解决传统痛点问题。

第二个研究目标是构建以智慧建筑为本的物联网空间场景。未来建筑将会是智慧化和定制化，运用万物互联互通的理念，构建宜居、智能、环保、安全、舒适的生活和工作环境。以智慧建筑为本是关注传感技术、机器和人工智能等革新技术去创造和设计建筑，强调智慧建筑与用户的交互。

2.设计实践的创新点

本次课程教学为了让学生感同身受老年人的日常互动的交往形式，创新的采用了体验式教学法引导学生建立与设计对象的双边情感连接。教学过程中让学生沉浸式（IMMERSION）体验到老年人日常生活情景，身体衰老及环境变化的情感，要求学生尊重老年人的人格，重视、体会和倾听老年人的意见，接纳和包容老年人的缺点。在体验接受后通过分享经验和归纳需求，制定作业中建筑设计的主题。通过这种先体验后设计的沉浸式创新教学，让学生以角色互换的方式（ROLE CHANGING），设身处地的体验老人年的亲身感受，促使学生从老年人的实际需求出发进行设计，也进一步让设计结果体现以人为本的人因设计内涵。

四、结语

本次设计研究中，建筑立足于老年人日常生活活动的需求，结合物联网技术，通过ADL物联网架构和流程图表的编写，在多感官空间营造和人因情景需求之间建立新的专业桥梁。研究借助课程，构建“以研究指导设计，以设计结合研究”的设计范式，用沉浸式的设计研究方法让学生去感知未来，以智慧设计的理念，完善的养老服务设施和体系，提出因地制宜的人文指标；同时，倡导新一代建筑师，在关注美学、理论、空间、文化遗产、环保、可持续之外，将“大数据传感设计” 作为设计教育及实践的新方向。

目前，智慧建筑交互设计已在前期设计阶段就介入干涉，并渗透于建筑整个生命周期。在未来智慧养老方面，建筑的设计方式和方法也会发生重大转变，愈加重视多感官的交互性设计，最终逐渐形成基于用户日常使用需求，借助新技术和媒介，实现建筑和人因信息的交互联动，以及通过建筑使用去评估反馈和提升交互设计的封闭式设计路径。设计借助数字虚拟技术，实现减少建造纰漏和降低整体成本，整合建筑设计成果与投资业主、各专业人员、用户及其他相关体验者交互的目的，切实的促使建筑行业向人工智能领域的交叉发展与应用方向发展。