基于人因工程学的月球建筑空间设计框架构建

李书颀，梅洪元

月球是距离地球最近的天体，具有天然的位置优势和丰富的资源价值。为了实现对月球的科研和利用、对其他天体的观测、乃至人类的生存迁移，建立月球建筑已成为人类文明进化的必然选择。1960 年代，美国、苏联率先开展人类探月活动。1990 年代起，包括中国、欧盟、日本等在内的各国家及地区的航空航天组织掀起新一轮的探月热潮。中国探月工程，又称“嫦娥工程”，分为“探、登、驻”3 个阶段。目前，第一阶段的“绕、落、回”任务已完成。2021 年，我国发布《国际月球科研站路线图》，提出将于2035 年建成月球科研站，从而实现月面的“勘、研、建”，为载人登月和月面驻留提供基础保障。世界各国探月工程的深化也使月球建筑的建设从设想成为现实。在当下的发展阶段，月球建筑受运载、生保、建造等技术的制约，其空间原型构建仍需以航天员工作、生活使用为基础条件。月球和地球的物理环境差异巨大，如何在全新的环境下为探月工程任务提供人员驻留的支持，成为亟待解决的问题。在复杂极端环境、交叉技术制约的背景下，人因工程学为月球建筑空间设计提供了科学理论与技术支撑。

1 人因工程学概述

1.1 月球建筑空间设计范畴下的定义

国际人因工程学会（International Ergonomics Association）定义人因工程学为：研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的因素，研究人和机器及环境的相互作用，研究在工作中、生活中和休闲时怎样统一考虑工作效率、人的健康、安全和舒适等问题的学科[1]。人因工程学就是按照人的特性设计改进“人—机—环境系统”的科学。在“人—机—环系统”工程学（Man-Machine-Environment System Engineering）中，“人”是指作为工作主体的人（如操作人员或决策人员）；“机”是指人所控制的一切对象（如工具、机器、计算机、系统和技术）的总称；“环境”是指人与机所处在的特定工作条件（如外部作业空间、物理环境、生化环境、社会环境等）；“人—机—环系统”是指由共处于同一时间和空间的人与其所使用的机器以及它们所处的周围环境所构成的系统[2]。

迁移概念在月球建筑设计中，即在月球建筑的“人—建—环系统”中，“人”指航天员或居住者；“建”指驻人月球建筑；“环”泛指人、建所处的周围环境，包括月球环境、人造环境和社会环境等；“人—建—环系统”是指由共处同一时间和空间的人与其所处的建筑以及周围环境所构成的系统。由此可以总结出，月球建筑空间设计范畴内的人因工程定义，即在月球特殊建设条件下，利用以人因技术为基础的设计科学，运用相关理论、原理、数据与方法开展系统设计，解析人的因素与建筑、环境之间的相互作用，以安全高效、舒适可居为目标，使月球建筑空间的设计符合使用者生理、心理、行为等特点。

1.2 相关研究发展动态

国际上，人因工程学已广泛应用于大量行业，其中与空间紧密相关的研究在国防建设上包括舰船[3]、航天舱[4]空间设计，在交通运输上包括飞机、火车、汽车等空间设计，在工业生产上包括生产空间设计。月球建筑空间设计与舰船、飞机驾驶舱等密闭空间设计的关联之处在于其涉及领域安全风险较高、所处环境较为特殊、空间相对封闭狭小，因此研究思路可以相互借鉴。对于人体参数的研究，美国航空航天局（NASA）对大量人体数据和行动经验进行总结，形成了《人机整合设计手册》等设计标准规范，成为各类航天器设计的重要依据标准[5]；中国面向长期空间飞行的人的能力规律与机制研究[6]，研发了我国首个航天员建模仿真系统（AMSS）[7]，建立了较完善的评价技术、方法、流程和规范。此外，在建筑学领域，人因工程学研究也得到了一定应用。例如，在建筑设计中，日本学者长期在环境行为和心理学中的研究，已形成数据库，在建筑标准制订、建筑设计等方面起到了比较重要的作用；在城市设计中，可利用人因工程相关技术，从宏、远、中、近、微5 个层次制定空间干预尺度框架，提供一种发展设计科学的新路径[8]。

在月球建筑人因问题上，Celentano 等学者对月球建筑宜居性给出定义并提出包括环境控制、生活空间设计、计划制定等内容的宜居性指数[9]，Harrison 和Sherwood 提出人因设计目标，包括生理、心理支持和社会文化支持[10]。基于人体尺度优化尺寸的研究开始得较早，目前已从最小化设计发展到最优化设计[11]，并提出了充气式居住舱高效且舒适的室内空间组织方案[12]。但目前的研究中缺失系统性的策略提出与完整的方案设计。新技术的发展对空间环境下的心理健康起到了促进作用，Schlacht 提出太空建筑室内的视觉需求、太空环境下的视景改造、太空工程设计要求并提出月球基地视景设计方案[13]；Bannova 从个人、公共、社会3 个层面分别描述了如何使用混合现实技术（MR），通过激发所需情感反应和创造新场景来传递刺激，在最小空间体积内减弱负面心理影响[14]；国内学者张冠华等提出月球建筑的光环境设计原则[15]。综上，月球建筑的人因工程研究在国外的发展较早，但呈现碎片化状态，在国内的研究中基本处于空白。基于人因工程学的月球环境下建筑空间设计不仅有助于我国建立高标准的驻人月球科研站，也为未来的空间移民提供研究基础。

2 月球建筑空间设计中应用人因工程学的基本逻辑

月球建筑围护结构将外部环境与航天员进行分隔，月球建筑内部空间则是物理实体围合后保障航天员可用可居的过渡部分。在极端复杂的环境下，适宜的温湿度与气压、限量的辐射、充足的氧气等条件是保障人员生命安全的基础，清晰的警报设备、冗余的逃生系统是设计的必要条件。此外，航天员作为使用的主体，在科研任务的完成中既需严格缜密又需灵活机动，在生活休闲时需获得有效的放松疗愈，因此，高效地工作与舒适地生活是基本的安全保障之上的目标。

在月球建筑研究的“人—建—环系统”中，“环”为客观存在的要素，约束着人的行为与建筑的设计，为首要解析的要素；“人”为空间使用的主体，在环境的影响下于建筑空间内工作生活，需解析环境对人的影响机制；“建”是在外应对极端环境、在内尊重使用者特性的设计结果，是人与环之间的过渡层，其基本研究问题与其他两者的关联关系应做进一步解析。由此，在研究方法论层面，首先解析“环”的特征，对月球建筑而言，其存在的环境主要有两方面特殊性，一是地月距离带来的运载限制与隔绝孤立的环境；二是微重力、节律延长等空间环境。接下来是“人”的基础特性与环境影响机制。在太空环境下，人员生理、心理、态势的参数变化在后续空间设计过程中均有定性以及定量的影响（表1）。

表1 地月差异下的人因影响

由于目前只有12 人登陆过月球，人类目前对月球环境的直接经验很少，虽然空间站、太空飞行等短期任务积累了部分经验，但处在空间环境下的时长不同，对人体的影响也不同，且航天员因通过医学、心理学、特殊环境训练等选拔，其人体特征和大众群体存在较大差异。因此，为向后续建筑空间设计提供输入条件，还需要大量在地模拟的人员数据与空间环境下的实测数据相结合。在人员的生理特性上，可运用皮电、肌电测试数据建立参数模型；心理特性上，可运用问卷、评价量表等方法对极端环境（ICE）中不同空间内心理健康水平、人与人之间的互动模式、认知觉变化与决策变化等问题进行定量评估；运动参数上，可通过态势感知模型对微重力条件下不同行为的活动尺寸范围建立行为数据库。结合人因交互技术，综合这些数据，可以辅助月球建筑设计师在空间设计过程中进行更精准的决策。

对“环”与“人”进行解构后，月球建筑空间设计的基本问题集中在空间功能组织、空间形态构建、空间环境营造上。每一项问题都有相应的约束条件与设计目标，且二者通常呈矛盾状态，需设计工作的协调权衡。空间功能的设计内容主要为构成与布局的确定，在探月任务需求下，功能需首要满足航天员安全高效地进行相应研究工作，还需满足航天员对休闲、私密的需求；空间形态的设计内容主要为形式与尺寸的确定，受运载能力限制，形态在满足设备装载以及航天员心理健康的基础上应较为集约；空间环境的设计内容主要为界面、物理环境的确定，面对无方向感、无日升日落的认知觉变化，环境旨在综合视、听、触等感官体验，顺应航天员认知习惯、保持航天员愉悦心情。综上总结出人因工程应用的基本逻辑与建筑空间设计的主要问题如图1 所示。

3 基于人因工程学的月球建筑空间设计构想

将月球建筑空间设计研究体系拆分成功能、形态、环境3 个方面，人因工程学均可在其中提供科学指导。在设计过程中，建筑设计亟需进行跨学科合作，如与运动医学、心理学等学科联合协同，在人因设计上取得创新性成果[33]。

1 月球建筑空间设计中应用人因工程的基本框架

表2 功能需求

2 连接矩阵，引自参考文献[35]

3 功能气泡，引自参考文献[37]

4 树形结构，引自参考文献[38]

5 微重力下人体包络线尺寸示意，引自参考文献[39]

3.1 基于流程拓扑的多层次空间功能

人为因素不仅局限于工作范畴，还包括在月球建筑中的自我维持功能，如睡眠、饮食、个人卫生，以及休闲娱乐功能。良好的功能确定与组织是满足安全、高效、舒适的人因环境的基础。多层次的空间功能支持工作环境中的高效表现、生活空间中的互动社交、私人休息空间中的个人行为。因此在设计前期确定功能需求时，应综合任务完成目标下与航天员适用目标下的所需功能。将Apollo、Salyut、Skylab 等航天器的实践案例作为功能设施研究基础，以少量人数、短期时长的任务为例，拓展月球建筑空间功能列表（表2）。为保障航天员健康工作、生活的基础，睡眠、卫生、饮食功能设计应塑造私密且个性化的睡眠与卫浴空间，舒适的备餐、用餐流线。科研区域要兼具实验操作的单人工作功能与交流培训的公共功能。休闲区域可设置健身、娱乐等活动设施，有效帮助航天员减轻因工作或长期处于地球以外的空间而产生的压力，既可以营造日常熟悉的生活场景，又可以辅助航天员在微重力条件下维持良好的身体机能，对抗肌肉萎缩的影响。医疗功能应进行日常健康监测和突发情况处理。辅助功能主要包括各项设备、交通空间、气闸舱的设置，在月球极端环境下完成内部空间的封闭循环，其中，出入口的气闸舱不仅有效维持室内的气压，也减少室内的月尘存在。整体功能的多层次设置原则包括可用性、宜居性、灵活性[34]：可用性指能够使用并方便实用，月球建筑用户友好、使用高效是完成探测任务的必须条件；宜居性指符合航天员生存的主观和客观指标，如私密感、社会氛围感的需求与生理感知的需求；灵活性指空间可以根据航天员要求进行调整，以完成变化的任务。

在功能的组织布局中应考虑操作流程、频率、依赖关系、兼容性，此外，还需考虑空间使用上的干扰性，如不同功能区之间的交通干扰，以及气味、噪音、眩光等物理干扰。首先可通过连接矩阵（Adjacency Matrix，图2）[35-36]建立各功能关系，得到功能间关联关系的数据结构，与在地建筑相似，需要注重公共与隐私的隔离。随后，连接关系可转化成气泡图进行可视化展示，图3 所示为Howe 与Sherwood 通过方案调研与宇航员访谈得到的月球建筑功能关系示意图[37]。同时，由于功能组织不仅是二维横向平面上的，且微重力条件致使竖向交通更为便捷，纵向体积上的空间利用是更为高效的，可以通过功能拓扑关系生成组织布局（图4）[38]。

3.2 基于行为包络的极限空间形态

为了确定空间形态，航天员的行为参数采集是必要的。为确保适应性、兼容性和可操作性，除了人体常规尺度的测量数据外，根据月球建筑的不同建造方式，采集不同环境条件下人体长度、围度、姿态等数据是必要的（图5）[39]。首先，在地预制的核心舱通常会被作为航天员在发射过程中的载体，因此核心舱不能仅根据微重力或者地球重力进行设计，还需考虑3G 的加速度以及手臂、手指可能经受的更大的重力条件。其次，若进行长期任务，在月建造的扩展部分应包括微重力空间以及人工重力空间[40]，为了建立不同重力条件下的行为数据库，可通过在地模拟微重力下行为活动，如在水下穿着航天服进行活动和数据采集，也可通过空间站、月面上等视频影像进行行为提取，绘制不同姿态下的人体模型。此外，在气闸舱内，航天员会对航天服进行穿脱，因此需要根据穿着航天服后的行为参数设计气闸舱内部空间形态。以上各功能空间基本形态的确定主要依照人体行为的包络面，在前述功能拓扑关系的基础上，各功能空间之间的连接空间形态同样依赖于使用者的行为参数，这一部分的约束参数主要包括视野、关节舒适度、操作极限等。

6 基于行为参数的空间形态设计技术路线

7 熟悉性色彩，引自参考文献[44]

8 自然性色彩，引自参考文献[45]

9 人造光系统，引自参考文献[48]

综上，功能空间与连接空间的形态设计均需以人体行为活动参数为基础，Pore、JACK 等工具均提供了利用虚拟人（Virtual Human/Computer Synthesized Characters）进行人因仿真（Human Factors Simulation）的技术手段，利用仿真技术分析空间形态[41]的技术路线如图6。首先，需要对两个要素进行建模，一是根据航天员身体数据建立数字人模型，二是根据数字人体包络面建立月球建筑内部初步模型。其次，对于功能空间而言，根据任务建立动作，进行肢体可达域与受力、强度、舒适度等工效分析。接下来，对于连接空间而言，可视是安全保障的基本，可视化视野范围有助于确定空间连接的方式。最后，基于以上的人因仿真中的生理行为分析结果进行空间形态优化，且在优化过程中需补充心理状态分析，如在极限空间内执行长期任务的心理健康评价。此外，微重力下的人体仿真需要进行后续的研发，我国已经通过人体反向运动学算法对JACK 平台进行了二次开发以适应我国航天任务[42]。

3.3 基于认知觉调控的健康空间环境

月球建筑空间环境的设计要素包括光热环境、视景、声景等，总体原则应为基于认知觉调控下的健康环境营造。在环境的感知过程中，各感官通道包含着大量不可计算的要素，评价结果不能简单加权，同时存在着大量无法解释的黑箱过程，有关研究需要联同医学、心理学等多专业领域共同进行。

视觉占认知觉中最为重要的部分，且因为影响因素复杂，其研究是较为困难的。在月球上，这一困难更为显著，由于重力条件变化，视觉感知在色度水平、强度、锐度、视角上均发生了改变[43]。此外，前庭系统紊乱会导致航天适应综合征（Space Adaptation Syndrome），从而影响人们的空间方向感与平衡感。因此，在视觉环境设计中，应对此问题进行回应。界面颜色会辅助航天员增强方向性，欧美的航天器内部通常是以白色与浅蓝色为主的冷感颜色，俄罗斯航天器内部通常是在地建筑内部让人熟悉的界面设置，包括棕色地板、白色天花板、绿色墙壁。通常情况下，俄罗斯的设置被认为是更为积极、宜居的，可以有效增强方向性（图7）[44]，Transhub 的一个概念方案中便是在垂直方向上模拟地球自然全景的内饰颜色（图8）[45]。另一方面，多样化的形状、颜色，以及可自主操作调节等界面特征可以产生感官刺激，激发人类的创造力，从而对抗由于工作内容枯燥、环境封闭狭小而产生的单调、无聊[33]。

月球节律、光源角度等条件与地球不同，需要采用人工照明与自然采光相结合的方案，最大限度保持与地球环境的相近[46]。此外，适当开窗有助于帮助航天员对抗消极情绪、疲劳与压力，一方面可以减少离家的距离感，增加安全感，另一方面，在窗前欣赏和拍摄不断变化的风景成为一种有趣味性的休闲活动。但由于辐射防护和材料成本的原因，月球建筑上较难进行开窗设计，若是执行两周以上的空间任务，狭小、封闭的空间会影响航天员的心理健康。其解决方法一是通过视觉营造空间环境的宽敞感和丰富感[47]，二是利用新技术还原自然熟悉的地球景象，例如意大利I-Guzzini 团队开发的人造光系统通过自然颜色变化模拟了生物阳光效应（图9）[48]。综上，应对月球建筑内部的视觉环境需求，提出各项指标下的内容与作用对象（表3）。

对人类听觉而言，太空环境下的声环境营造和地球上类似，狭小空间内的噪声不仅影响航天员的生理与心理健康，同样影响工作绩效。连续性的噪声源主要是环控设备（电机、电泵等）与航空电子设备（变压器、振荡器等），间歇性噪声主要是由阀门、舱门等瞬时动作产生的，在工作区、生活区的噪声暴露类别、声压与持续时间均为设计过程中需要考量的因素，且可以通过地面上的模拟进行数据收集，标准可参考NASA 在《太空人体系统标准》中的声学设计要求[49]。

表3 视觉环境需求

4 结论

空间探索，是航天强国博弈的焦点目标，是科学技术进步的创新场域，是人类生存空间拓展的重大路径。在月球建筑空间设计的三大基础问题——空间功能、空间形态、空间环境的设计上，人因工程学对其研究架构进行了总体方法论的引领，为人因相关技术与方法提供了科学有效的指导。在多学科交融的背景下，结合我国航天战略，人因工程学将辅助建筑师在月球建筑设计前期对空间需求进行判断，在后期进行数据采集与反馈优化，使月球建筑空间成为设计科学干预的成果。在这一过程中，仍有诸多问题有待进行进一步探究，例如，轻质高强与健康高效等多目标约束的定量分析、空间对认知觉的影响机制、各空间要素的耦合关系等。以上问题仍需各专业协同攻关，在太空版图“一带一路”建设的过程中，创造月球建筑设计的新理论、新方法、新技术，提供设计科学发展的新路径。