郭志鵬，張芮，馬云天，馬明睿，劉曉霖

（1.西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院；2.西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院）

1 引言

隨著參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件發(fā)展與數(shù)字化建造技術(shù)改革的進(jìn)行，建筑設(shè)計(jì)在觀念、方法和過程方面發(fā)生了較大改變，建筑表皮設(shè)計(jì)結(jié)果因此展現(xiàn)出了更為靈活自由的立面效果。例如利用Grasshopper軟件中的分形、干擾、縮放等功能為建筑表皮設(shè)計(jì)非線性的立面紋理樣式。即便如此，目前大多數(shù)建筑表皮依舊停留在靜止?fàn)顟B(tài)，動態(tài)化的互動建筑表皮是目前打破靜止的主要手段之一。

建筑互動需要以數(shù)字傳輸為核心，以交互裝置為主體，融合以建筑構(gòu)造、建筑美學(xué)以及其他相關(guān)技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)令建筑得以實(shí)時接收外部信息，控制改變表皮互動裝置的幾何形狀、分布情況或表層物理屬性，以對周圍環(huán)境做出反應(yīng)，適應(yīng)不同要求。作者在參與大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目“基于無人系統(tǒng)的智能化建筑表皮研究”過程中，結(jié)合無人系統(tǒng)與交互設(shè)計(jì)技術(shù)，利用Grasshopper、Python軟件與Raspberry Pi系統(tǒng)建立裝置模型，探索了一種為實(shí)現(xiàn)智能化建筑表皮系統(tǒng)的一種有效方案[1]。

2 互動表皮構(gòu)造

2.1 表皮模塊化處理

表皮模塊化處理是本次設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。由于互動式建筑表皮需實(shí)時針對外部變化因子作出反應(yīng)，表皮整體的變化自由度決定了表皮可適應(yīng)外界環(huán)境的復(fù)雜程度，模塊化表皮的設(shè)計(jì)策略可在很大程度上提高互動表皮的應(yīng)用潛力[2]。

模塊化表皮的基本組成單位是模塊表皮單元，其作為系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，自身結(jié)構(gòu)性能完好，各模塊單元之間無干擾，且模塊可拆卸，便于更新與維護(hù)。本次設(shè)計(jì)中的表皮模塊單元外板輪廓呈方形，單個模塊具有35°空間角活動范圍與150mm最大直線行程，各模塊單元可獨(dú)立接收運(yùn)動指令，模塊群體依據(jù)一定邏輯重組，可實(shí)現(xiàn)指定函數(shù)曲面的擬合從而完成對于環(huán)境變化的響應(yīng)（見圖1）。

圖1 智能表皮模塊化處理

2.2 表皮模塊單元模型設(shè)計(jì)

如圖2所示，表皮模塊單元模型分為亞克力背板和PVC外板，背板固定時，外板可由4個MG996R舵機(jī)控制而靈活運(yùn)動。

圖2 可動表皮模型

如圖3所示，4個舵機(jī)通過扎帶與背板相連，舵機(jī)臂、延長臂通過螺絲與舵機(jī)相連，定位銷與延長臂相連，延長臂通過導(dǎo)軌與外板相連，導(dǎo)軌通過螺絲與外板相連。直線軸承固定在背板上，與光軸相連，光軸與KFL08帶座球面軸承相連，軸承通過連接板與外板相連。

圖3 模型背面結(jié)構(gòu)

（其中：1、3mm亞克力背板；2、MG996R舵機(jī)；3、舵機(jī)臂；4、舵機(jī)線纜；5、亞克力延長臂零件；6、7mm PVC外板；7、KFL08帶座球面軸承；8、亞克力軸承連接板；9、亞克力導(dǎo)軌零件；10、亞克力導(dǎo)軌墊；11、8x300mm光軸；12、1.7mm扎帶；13、LMK8LUU直線軸承；14、線纜孔）

執(zhí)行動作時，4個舵機(jī)旋轉(zhuǎn)至對應(yīng)角度，使延長臂相對背板伸出一定距離，延長臂上的定位銷與導(dǎo)軌產(chǎn)生滑動；同時固定在外板上的球面軸承保證外板的角度能夠變化，而外板的中心高度不變，與球面軸承相連的光軸通過直線軸承與背板相連，保證外板能夠前后活動。4個定位銷的空間位置決定外板的位置，光軸隨外板自由滑動，球面軸承也隨之自由轉(zhuǎn)動。光軸、直線軸承、球面軸承組成的體系能夠承受外板及附屬配件的重力，保證外板在動作角度不同時板中心的垂直高度不變。

舵機(jī)2的安裝方向安排為旋轉(zhuǎn)對稱式，保證延長臂的中心都在外板的對角線上，還能保證安裝時舵機(jī)的所有配件方向相同、舵機(jī)的控制方式相同，簡化安裝流程和控制程序。

由于外板采用較軟的PVC材質(zhì)，與外板連接的所有零件均采用直徑較小的M2螺絲固定，并且導(dǎo)軌、導(dǎo)軌墊采用4顆螺絲，以保證螺絲與PVC板的接觸面積充足，連接牢固。導(dǎo)軌墊10的厚度采用2mm，保證延長臂的邊緣不剮蹭外板，防止產(chǎn)生阻力。延長臂與舵機(jī)臂的連接孔有一個半開放，以避免零件公差影響，并簡化安裝流程。延長臂與定位銷的連接孔設(shè)兩個，保證意外斷裂時有備份可用。球面軸承連接板的厚度為5mm，一方面防止球面軸承上的大尺寸螺絲直接安裝在外板上產(chǎn)生滑絲，另一方面為球面軸承預(yù)留轉(zhuǎn)動空間，防止外板大角度轉(zhuǎn)動時偏離外板平面的球面軸承剮蹭、破壞外板。

導(dǎo)軌和導(dǎo)軌墊與背板僅通過定位銷接觸，接觸面積小，且滑軌雙面都為亞克力材質(zhì)，滑動阻力很小。雖然理論上支滑軌就能確定外板的位置，但為穩(wěn)定性和與外板方形的形狀契合，本技術(shù)方案采用支滑軌。

3 程序設(shè)計(jì)

在本結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，相關(guān)程序主要分為兩類：識別程序與控制程序。

3.1 識別程序

在實(shí)際的應(yīng)用場合中，表皮結(jié)構(gòu)需要根據(jù)外界不同變化而做出相應(yīng)的運(yùn)動，以達(dá)到設(shè)計(jì)時要求的智能交互。在識別方面，我們主要考慮兩方面：對外界環(huán)境變動的識別，如運(yùn)動物體，對特定物體的識別，如人臉，特定手勢。

對運(yùn)動物體的識別，我們主要運(yùn)用幀差法與背景減法相結(jié)合的改進(jìn)方法識別：幀差法指對相鄰幀進(jìn)行差分，相同背景部分會被抵消，如果存在運(yùn)動物體，便會被檢測出，但受到運(yùn)動物體速度的影響，易于出現(xiàn)空洞或重影；背景減法指將當(dāng)前幀與背景幀相減，并且進(jìn)行二值化處理，最終得到運(yùn)動物體的形狀與位置信息，但易于受到環(huán)境光線變化影響，并且不易檢測出色彩過近的運(yùn)動物體。因此，我們綜合兩種方式，對結(jié)果進(jìn)行邏輯異或運(yùn)算，得到最終結(jié)果，其實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。

圖4 檢測流程

對于人臉或特定手勢的識別，我們主要擬采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識別方式，對視頻中出現(xiàn)的人臉或特定手勢進(jìn)行判斷識別，反饋給控制程序進(jìn)行相應(yīng)表皮變化[3-6]。

3.2 控制程序

對于我們所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，其姿態(tài)的變化主要取決于每個單元四個舵機(jī)的控制角度。在實(shí)際控制中，對于一個給定的姿態(tài)，我們需要得到舵機(jī)角度，與每個舵機(jī)角度的變化速度，以使每一時刻均滿足該結(jié)構(gòu)的物理特性。

通過分析物理特性，我們可以發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：中心位置僅在一個維度發(fā)生變化；對角線始終互相垂直，并交于中心。因此，我們在實(shí)際控制時，將四個舵機(jī)角度轉(zhuǎn)化為三個參量，即：中心伸出度h，對角線角度θ1，對角線角度θ2。事實(shí)上，兩個對角線角度的結(jié)構(gòu)特性是統(tǒng)一的，因此我們以一例進(jìn)行說明。

如圖5所示，當(dāng)給定單側(cè)參數(shù)h與α1時，通過求解如下方程，即可得到對應(yīng)角度θ1與θ2。

圖5 單側(cè)示意

需要注意的是，為保證盡快得到預(yù)定姿態(tài)，在存在多解時，θ1取較小值，θ2取較大值。

4 互動特性

4.1 互動類型

1）從行為模式角度分類

在揚(yáng)·蓋爾的《交往與空間》[7]中將戶外活動分為三種類型，分別是必要性活動、自發(fā)性活動和社會性活動。建筑智能表皮裝置設(shè)計(jì)就是激發(fā)建筑表皮的自發(fā)性活動的問題，對應(yīng)人群在建筑外的活動行為將智能建筑表皮的互動特性設(shè)計(jì)成離散型和目標(biāo)型兩類。

①根據(jù)揚(yáng)·蓋爾的理論，離散型的單個活動可以相互激發(fā)，離散型交互針對的目標(biāo)人群相對較廣，人與表皮間的交互也具有隨機(jī)性特征，交互信息比較模糊。因而對交互信息處理時不做過多的篩選。

②目標(biāo)型交互針對的是明確的個體或群體，往往適用于人流量比較低的情形，通過沉浸式體驗(yàn)，目標(biāo)強(qiáng)化等形式刺激交互行為的發(fā)生，強(qiáng)化目標(biāo)的感官體驗(yàn)和趣味性。

2）從智能表皮功能屬性角度分類

在《體驗(yàn)經(jīng)濟(jì)》中約瑟夫·派恩站在體驗(yàn)和人之間的關(guān)聯(lián)的方向上，利用坐標(biāo)系的方法對體驗(yàn)進(jìn)行分類，他將體驗(yàn)劃分為四種，分別為娛樂、教育、逃避以及審美這四種感知行為。分析我們的智能表皮，可根據(jù)功能劃分為娛樂休閑型交互和教育紀(jì)念型交互[8]。

①娛樂休閑型交互是滿足人們的娛樂休閑功能，與智能表皮的交互本身就具有游戲娛樂的屬性，用戶體驗(yàn)較強(qiáng)烈、刺激。

②教育紀(jì)念型交互功能是教育紀(jì)念性的，整個墻壁都是對當(dāng)今科技發(fā)展的一種呈現(xiàn)，表皮還可以嵌入一些其他元素以達(dá)到展示效果。

4.2 智能表皮互動方式

1）動態(tài)法

通過對于外界使用者行動變化的實(shí)時捕捉分析，智能表皮的形狀與狀態(tài)可根據(jù)系統(tǒng)反饋信息進(jìn)行改變。動態(tài)法互動方式利用表皮構(gòu)造的動態(tài)形式最直接地做到了吸引注意的效果。在本次智能表皮設(shè)計(jì)當(dāng)中，表皮模塊單元可以根據(jù)程序命令改變舵機(jī)角度從而調(diào)整自身狀態(tài)，例如圖6塌陷與突出、空間角旋轉(zhuǎn)等。

圖6 模塊單元塌陷與突出、空間角旋轉(zhuǎn)示意圖

2）強(qiáng)調(diào)法

在動態(tài)法交互方式的基礎(chǔ)上，對智能表皮使用外設(shè)光源或外設(shè)設(shè)備可以引導(dǎo)人的注意力集中于某一片區(qū)域附近，因而更好地展示智能表皮所額外嵌入的元素。

5 結(jié)語

將傳統(tǒng)建筑學(xué)理論與程序設(shè)計(jì)、電子信息等多學(xué)科技術(shù)融合，建筑表皮向自感應(yīng)、自控制、自響應(yīng)的高集成度動態(tài)化無人系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，其為建筑本身創(chuàng)造更為靈活的功能環(huán)境，實(shí)現(xiàn)更為豐富的空間形態(tài)。同時無人系統(tǒng)與傳統(tǒng)建筑的融合將有利于突破傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)思維界限，為建筑學(xué)進(jìn)一步探索提供思路，為未來高智能化建筑的實(shí)現(xiàn)提供契機(jī)。