CN114036623B - 一种基于建成空间人因数据的图解设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于建成空间人因数据的图解设计方法。所述方法包括以下步骤：对建成空间进行领域分割；归纳建成空间拓扑关系；赋予各部分空间基础时长；绘制人因量谱图_[线框]；将实测收集的人因数据X填充进人因量谱图_[线框]，形成人因量谱图_[填充.X]；使用人因量谱图进行设计方案比选、优化。本发明所述方法，相较以定性为主的城市及建筑传统设计方法，具有更高的精准度，以及更严谨的由实证数据向空间设计方案转化的过程，可更有效地满足人对建成空间的实际需求，使建成空间的更新改造更好地为人服务。

Description

一种基于建成空间人因数据的图解设计方法

技术领域

本发明属于建筑设计领域，尤其涉及一种基于建成空间人因数据的图解设计方法。

背景技术

在以人为核心的城镇化背景下，城市发展需求从“有没有”转向以人为核心的“好不好”，技术的快速发展使得以定性为主的城市及建筑传统设计方法精准度欠缺和实证依据不足的问题日益凸显，难以满足使用者日益增长的高品质生活需求。

长时间以来，在城市-建筑传统设计方法中，设计决策以定性判断为主，多依赖观察、访谈、问卷等带有很强主观性的过程。自20世纪中期以来，在场调查被认为是了解人的生活方式的主要工具，扬·盖尔(Jan Gehl)在《如何研究公共生活》中系统总结了这一工具：以计数、地图定位、拍摄、日记、漫步)等对现场状况进行主观选择性记录，从中归纳总结人与空间的互动规律，进而结合设计实践经验，形成设计导则。长期以来，这一方法在城市与建筑设计中占据主导地位，被广泛使用。但进入21世纪后，城市品质问题在世界主要城市仍然未得到根本解决。

客观数据与空间形态设计的有效衔接是突破传统城市-建筑设计方法局限的难点所在。近年，随着技术、特别是大数据技术的发展，一些尝试嫁接数据-几何形态的桥梁性设计工具开始出现。它们或难以应用于城市-建筑空间设计的主要尺度，或以数据的可视化异化空间形态设计。例如，空间句法(Space Syntax)运用图论建立城市形态模型，结合拓扑计算方法对空间构形进行量化解析，其量化指标侧重空间数据，非人体数据。建筑学借用人机工程学(Ergonomics)研究，通过工作流程图、运动轨迹图、肌肉激活程度图等，指导家具及室内界面设计。参数化设计直接通过数据的可视化算法生成空间形态，并不强调数据变量与人的实际生活需求之间的关系。

发明内容

针对以定性为主的城市及建筑传统设计方法精准度欠缺和实证依据不足的问题，本发明提供了一种基于建成空间人因数据的图解设计方法及其应用。

人因量谱法是一种以人在空间中游历的空间-时间关系为基础描述空间基本人因属性的图解方法。它认为人在空间中所获取信息量和在该空间游历的时间正相关，因而在空间中游历的时间，成为人与空间界面交互强度的衡量基础。这一方法剥离了主观审美形态因素，能将城市空间形态审美体验中的主观因素剥离开，以及由于附加“信息”而带来的驻留感受。

本发明提供了一种基于建成空间人因数据的图解设计方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)对建成空间进行领域分割；

2)归纳建成空间拓扑关系；

3)赋予各部分空间基础时长；

4)绘制人因量谱图_[线框]；

5)将实测收集的人因数据填充进人因量谱图_[线框]，形成人因量谱图_[填充.X]；

6)使用人因量谱图进行设计方案比选、优化。

根据一种实施方式，本发明所述图解设计方法包括：

1)对建成空间进行领域分割，包括依据基本的建筑空间关系，将建筑平面划分为多个连续的领域；

2)归纳建成空间拓扑关系，包括依据平面各部分空间的关系，将领域分割后各空间的基础时长所对应的矩形以线段和/或倒角折线相连；

3)赋予各部分空间基础时长，包括依据领域形式，分别对线状空间和面状空间赋予基础时长；

4)绘制人因量谱图_[线框]，包括对应步骤2的拓扑空间关系，以矩形线框表达每一空间领域的基础时长；

5)将实测收集的人因数据X填充进人因量谱图_[线框]，形成人因量谱图_[填充.X]，包括填充人因问题的量化指标，将实测收集的人因数据X表示在人因量谱图_[线框]中，其中人因数据X包括心率、皮电、脑电、肌电、眼动、肢体姿态、停留时长、注视时长；

6)使用人因量谱图进行设计方案比选、优化，包括对建成空间或建筑设计方案绘制人因量谱图，可直观反映不同空间形态设计所具备的不同人因属性，协助针对客观可测的空间品质所开展的精准评估，指导设计者与决策者对具体空间设计进行精准优化。

根据本发明的一种实时方式,人因量谱法通常分为6个步骤：

第一步：领域分割。依据基本的建筑空间关系，将建筑平面划分为多个连续的领域。领域主要存在两种形式：线状空间和面状空间，分别对应以通行为主的空间，和以休闲活动为主的空间。当面状空间M中包含面状空间N时，则对空间M基于空间N进行分解，将分解后的以通行为主的空间视为线状空间，将能够休闲活动的空间仍视为面状空间。

第二步：空间拓扑关系归纳。依据平面各部分空间的关系，将领域分割后各空间的基础时长所对应的矩形以线段/倒角折线相连。以实线表示慢行可达，以虚线表示仅车行可达。线段仅代表连接关系，无距离信息。

第三步：基础时长赋值。依据领域形式，分别对线状空间和面状空间赋予基础时长。其中，线状空间的基础时长t_l为移动距离d_l和速度v的比值；面状空间的基础时长t_p则按照人在该空间的休闲活动类型，选择相应的参考时长；不同物理环境条件所对应的参考速度v与不同休闲活动对应的参考时长t，可参照表1和表2。

第四步：人因量谱图_[线框]绘制。对应第二步的拓扑空间关系，以矩形线框表达每一空间领域的基础时长。根据领域形式，线状空间的基础时长t_l与面状空间的基础时长t_p以矩形面积S_l和S_p表示。

(1)对一线状空间：

S_l＝k·t_l＝k·([D/d₀+1/2]·d₀)·1/v

式中，S_l——线状空间对应的矩形面积

D——实际距离

d₀——单位距离

v——该空间对应的参考步速

k——比例系数。

其中，单位距离d₀、比例系数k可根据具体案例确定。

由于在同一条路线上人的行进方向有前后之别，因而制图将遵循左手原则，使得基础时长t_l与前进方向路线左侧的面积S_l始终对应。

(2)对一面状空间，通过极坐标计算将其基础时长转化为一矩形的面积S_p，有：

S_p＝k·t_p＝L_p·H_p

式中，S_p——面状空间对应的矩形面积

t_p——该面状空间对应的基础时长

k——比例系数

L_p——矩形的长度

H_p——矩形的高度

以极坐标计算方法，将面状空间转化，以求得矩形相应的长度L_p和高度H_p。如图1所示，设面状空间的外接矩形一组对边与主要人流方向平行，以外接矩形的中心为极点O(当面状空间中存在实际生活所公认的一代表性标志物，如纪念碑、高塔、大型雕塑等时，则将标志物作为极坐标极点进行以上计算)，向主要人流方向的顺时针90°方向引射线为极轴O_x；以极点0为端点、以θ(θ＝360°/n，n∈N^*)为角度引射线，将原面状空间划分为n个类扇形区域。每条射线与面状空间外轮廓线的交点为M_i(i＝1，2，3，4...n)，其中极轴上的交点为M₁；

取

因此，矩形长为

式中，L_p——矩形的长度

ρ_i——每个类扇形区域的最长侧边长度

d₀——单位距离

矩形高为

式中，H_p——矩形的高度

ρ_i——每个类扇形区域的最长侧边长度

d₀——单位距离

k——比例系数。

通过以上步骤，建筑平面空间系统完全转化为带有基础时长的拓扑图解，即人因量谱图_[线框]，为人因量化指标的比较提供了必要基础条件。

表1参考步速

表2参考时长

第五步：实测人因数据填充。将实测收集的人因数据X(如心率、皮电、脑电、肌电、眼动、肢体姿态、停留时长、注视时长等)表示在人因量谱图_[线框]中，得到人因量谱图_[填充.X]。实测时长以填充矩形面积表示；其他人因数据以填充颜色灰度表示。

第六步：使用人因量谱图进行设计方案比选、优化。对建成空间或建筑设计方案绘制人因量谱图，可直观反映不同空间形态设计所具备的不同人因属性，协助针对客观可测的空间品质所开展的精准评估，指导设计者与决策者对具体空间设计进行精准优化。

本发明提供了所述基于建成空间体验人因数据的图解设计方法的应用，其中所述图解设计方法用于建筑设计，从而能够比较所述建筑方案不同空间的实测体验量，为具体空间的设计优化提供参考方向。

附图说明

有关本发明的上述简要介绍以及下述的详细描述，结合附图会得到更好的理解。

图1为面状空间极坐标示意图；

图2为一种基于建成空间人因数据的图解设计方法流程图；

图3为古杨树场馆群平面图；

图4为古杨树场馆群人因量谱图_[线框]；

图5为填充停留时长的古杨树场馆群人因量谱图，即古杨树场馆群人因量谱图_{[填充.停留时长]}；

图6为填充注视时长的古杨树场馆群人因量谱图，即古杨树场馆群人因量谱图_{[填充.注视时长]}。

具体实施方式

图1为面状空间极坐标示意图，其中面状空间取自北京钟鼓楼文化广场。

为了使本发明的技术方案、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示并通过以下具体实施方式对本发明作进一步的阐述和说明。

图2为本发明一种基于建成空间人因数据的图解设计方法流程图。

图3为古杨树场馆群平面图。以古杨树场馆群为例，介绍本发明具体实施方式。

第一步：领域分割。依据基本的建筑空间关系，将古杨树场馆群平面划分为多个连续的领域。领域主要存在两种形式：线状空间和面状空间，分别对应以通行为主的空间，和以休闲活动为主的空间。

第二步：空间拓扑关系归纳。依据平面各部分空间的关系，将领域分割后各空间的基础时长所对应的矩形以线段/倒角折线相连。以实线表示慢行可达，以虚线表示仅车行可达。线段仅代表连接关系，无距离信息。

第三步：基础时长赋值。依据领域形式，分别对线状空间和面状空间赋予基础时长。。其中，线状空间的基础时长参考值t_l为移动距离d_l和速度v的比值；面状空间的基础时长t_p则按照人在该空间的休闲活动类型，选择相应的参考时长。不同物理环境条件所对应的参考速度v与不同休闲活动对应的参考时长t，可参照表1和表2。

第四步：人因量谱图_[线框]绘制。对应第二步的拓扑空间关系，以矩形线框表达每一空间领域的基础时长。取单位距离d₀＝20m，单位角度θ＝45°，比例系数k＝15m²/s，根据领域形式，线状空间的时间参考值t_l与面状空间的参考值t_p以矩形面积S_l和S_p表示。

(3)对一线状空间：

S_l＝k·t_l＝k·([D/d₀+1/2]·d₀)·1/v

式中，S_l——线状空间对应的矩形面积

D——实际距离

d₀——单位距离

v——该空间对应的参考步速

k——比例系数。

由于在同一条路线上人的行进方向有前后之别，因而制图将遵循左手原则，使得基础时长t_l与前进方向路线左侧的面积S_l始终对应。

(4)对一面状空间，通过极坐标计算将其基础时长转化为一矩形的面积S_p，有：

S_p＝k·t_p＝L_p·H_p

式中，S_p——面状空间对应的矩形面积

t_p——该面状空间对应的基础时长

k——比例系数

L_p——矩形的长度

H_p——矩形的高度

以极坐标计算方法，将面状空间转化，以求得矩形相应的长度L_p和高度H_p。如图1所示，设面状空间的外接矩形一组对边与主要人流方向平行，以外接矩形的中心为极点O，向主要人流方向的顺时针90°方向引射线为极轴O_x。以极点O为端点、以θ＝45°为间隔角度引射线，将原面状空间划分为8个类扇形区域。每条射线与面状空间外轮廓线的交点为M_i(i＝1，2，3，4...8)，其中极轴上的交点为M₁。

取

因此，矩形长为

式中，L_p——矩形的长度

ρ_i——每个类扇形区域的最长侧边长度

d₀——单位距离

矩形高为

式中，H_p——矩形的高度

ρ_i——每个类扇形区域的最长侧边长度

d₀——单位距离

k——比例系数

通过以上步骤，古杨树场馆群平面空间系统转化为带有时间参考值的拓扑图解，即古杨树场馆群人因量谱图_[线框]，如图4。

第五步：实测人因数据填充。将实测停留时长，表示在古杨树场馆群人因量谱图_[线框]中，以填充矩形面积表示，得到古杨树场馆群人因量谱图_{[填充.停留时长]，}如图5。将实测注视时长，以填充颜色灰度表示，得到古杨树场馆群人因量谱图_{[填充.注视时长]，}如图6。

第六步：使用人因量谱图进行设计方案比选、优化。通过比较基础时长与实测停留时长，反映古杨树场馆群设计优化需求；通过比较古杨树场馆群不同空间的注视时长，指导具体空间设计的精准优化。

在本文的描述中，对本发明一些实施方式进行了细节描述，以及针对一些具体实施例提供了一些具体参数。然而，应该理解这些细节描述或具体参数不应被解释为对发明范围的限制；亦即，本领域技术人员应当能够理解，有关上述特征或参数可以根据实际需要进行适当的调整、变通或组合，从而仍然属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于建成空间人因数据的图解设计方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)对建成空间进行领域分割，包括依据基本的建筑空间关系，将建筑平面划分为多个连续的领域；

2)归纳建成空间拓扑关系，包括依据平面各部分空间的关系，将领域分割后各空间的基础时长所对应的矩形以线段和/或倒角折线相连；

3)赋予各部分空间基础时长，包括依据领域形式，分别对线状空间和面状空间赋予基础时长；

4)绘制人因量谱图_[线框]，包括对应步骤2的拓扑空间关系，以矩形线框表达每一空间领域的基础时长；

5)将实测收集的人因数据X填充进人因量谱图_[线框]，形成人因量谱图_[填充.X_]，包括填充人因问题的量化指标，将实测收集的人因数据X表示在人因量谱图_[线框]中，其中人因数据X包括心率、皮电、脑电、肌电、眼动、肢体姿态、停留时长、注视时长；

6)使用人因量谱图进行设计方案比选、优化，包括对建成空间或建筑设计方案绘制人因量谱图，可直观反映不同空间形态设计所具备的不同人因属性，协助针对客观可测的空间品质所开展的精准评估，指导设计者与决策者对具体空间设计进行精准优化。

2.根据权利要求1所述的图解设计方法，其中在所述步骤1中：

所述领域存在两种形式：线状空间和面状空间，分别对应以通行为主的空间，和以休闲活动为主的空间；当面状空间M中包含面状空间N时，则对面状空间M基于面状空间N进行分解，将分解后的以通行为主的空间视为线状空间，将能够休闲活动的空间仍视为面状空间。

3.根据权利要求1所述的图解设计方法，其中在所述步骤2中：

以实线表示慢行可达，以虚线表示仅车行可达；所述线段将仅代表连接关系，无距离信息。

4.根据权利要求1所述的图解设计方法，其中在所述步骤3中：

线状空间的基础时长t_l为移动距离d_l和速度v的比值；面状空间的基础时长t_p则按照人在该空间的休闲活动类型，选择相应的参考时长。

5.根据权利要求1所述的图解设计方法，其中在所述步骤4中：

根据领域形式，线状空间的基础时长t_l与面状空间的基础时长t_p以矩形面积S_l和S_p表示；其中：

(a)对一线状空间：

S_l＝k·t_l＝k·([D/d₀+1/2]·d₀)·1/v

式中，S_l——线状空间对应的矩形面积

D——实际距离

d₀——单位距离

v——该空间对应的参考步速

k——比例系数；

其中，单位距离d₀、比例系数k可根据具体案例确定；

由于在同一条路线上人的行进方向有前后之别，因而制图将遵循左手原则，使得基础时长t_l与前进方向路线左侧的面积S_l始终对应；

(b)对一面状空间，通过极坐标计算将其基础时长转化为一矩形的面积S_p，有：

S_p＝k·t_p＝L_p·H_p

式中，S_p——面状空间对应的矩形面积

t_p——该面状空间对应的基础时长

k——比例系数

L_p——矩形的长度

H_p——矩形的高度

以极坐标计算方法，将面状空间转化，以求得矩形相应的长度L_p和高度H_p。

6.根据权利要求5所述的图解设计方法，其中在所述步骤4(b)中进一步包括：

设面状空间的外接矩形一组对边与主要人流方向平行，以外接矩形的中心为极点O，向主要人流方向的顺时针90°方向引射线为极轴Ox；以极点O为端点、以θ为角度引射线,其中θ＝360°/n,n∈N^*，将原面状空间划分为n个类扇形区域；每条射线与面状空间外轮廓线的交点为M_i，其中i＝1,2,3,4…n，极轴上的交点为M₁；

取

因此，矩形长为

式中，L_p——矩形的长度

ρ_i——每个类扇形区域的最长侧边长度

d₀——单位距离

矩形高为

式中，H_p——矩形的高度

ρ_i——每个类扇形区域的最长侧边长度

d₀——单位距离

k——比例系数。

7.根据权利要求1所述的图解设计方法，其中在所述步骤5中：

实测时长以填充矩形面积表示；其他人因数据以填充颜色灰度表示。

8.一种权利要求1-7任一项所述的基于建成空间人因数据的图解设计方法的应用，其中所述图解设计方法用于建筑设计，从而能够比较建筑方案不同空间的实测体验量，为具体空间的设计优化提供参考方向。