基于云模型的健康体育建筑评价方法研究.pdf

48-53.筑，2 0 2 3(3)型的健康体育建筑评价法研究J.时代建引文格式：谷梦，郭旗，姜楠，等.基于云模48时代建筑Time+Architecture2023/3谷梦郭旗姜楠陆诗亮GUMeng,GU Qi,JIANG Nan,LUShiliang基于云模型的健康建筑评价方法研究Research on Evaluation Method of Health and SportsBuildings Based on Cloud Model摘要提升全民健康水平作为当代体育建筑发展的重要目标已成为共识，健康体育建筑评价倡导以人的身心健康作为核心价值，这也成为实现这一目标的关键路径。文章介绍了将不确定性人工智能研究范畴的云模型，引入建筑研究领域，建立统筹考虑主观感受模糊性与个体差异随机性的健康体育建筑评价方法，并以国家游泳中心为例，检验了方法的适用性及科学性，分析结果表明，该方法有助于深入挖掘评价数据，提升评价准确性，可为出台健康体育建筑评价标准提供支撑。关键词健康体育建筑；云模型；评价方法；人工智能ABSTRACTIt has becomeaconsensusthat improving the health level of the whole1引言1.1健康已成为体育建筑新的着眼点自18 世纪法国哲学家伏尔泰（Voltaire）提出“生命在于运动”，体育运动对人体健康的重要性便逐渐成为社会共识。近年来，全球疫情引发了关于健康与运动问题的再思考，“健康中国2030”规划纲要全民健身计划（2 0 2 1一2 0 2 5年）“十四五”国民健康规划中屡次强调“体育促健康”。作为承载体育运动的重要空间载体，健康体育建筑已成为当代体育建筑发展新的着眼点，这种趋势已蔓延全球。2 0 2 0 年，国际奥委会与世界卫生组织在日内瓦签订新的合作协议，协议主要内容是促进世界各国健康开展体育活动。由此可见，如何更好地促进大众开展健康体育运动已成为体育建筑设计的根本目的之一。然而中国体育建筑研究以工程建设开启，具有极强的应用学科特征，长久以来体育建筑的研究大多关注建筑技术、体育工艺及大跨peopleis an importantdevelopmentgoalofcontemporary sports architecture.The evaluationof healthand sportsarchitectureadvocatestaking peoples physical and mental health asthe core value and key to achieve this goal.Inthis study,the cloud model of uncertain artificialintelligence research categoryis introducedinto the field of architectural research,and ahealth and sports building evaluation methodconsidering the fuzziness of subjective feelingsand the randomness of individual differences isestablished.Taking the National Aquatics Centeras an example,the applicability and scientificityof the method are tested.The results show thatthe method is helpful for an in-depth mining结构等内容，忽略了体育建筑的健康支持作用。当前中国社会主要矛盾已发生转变，紧扣国家需求的体育建筑发展也应随之变化，逐步推动体育建筑物权研究向人权研究的过渡，将研究重点转向体育建筑的健康服务功能。健康体育建筑的提出，是对现代以来体育建筑发展的拓展和升级，旨在将与生活息息相关的体育建筑空间转化为提升和改善人类健康的支持系统，进而探索健康中国战略在建筑领域的落实途径。体育建筑建设与健康建筑理念的有机融合，赋予体育建筑“以人为本”的属性，呼唤人本需求导向下建筑本质的回归，重新审视人与体育建筑的内在互动关系，突破当代体育建筑健康使用的难题，希冀在当代人类赖以生存的生态、技术和空间环境发生变革的状况下，使体育建筑发展更具系统性和科学性。21.2体育建筑健康性提升的固有难题建筑的健康性能提升已引起国内外广泛关of theevaluation data,which improvestheaccuracy of evaluation and provides support forthe introduction of health and sports buildingevaluation standards.KEY WORDS Health and Sports Building;CloudModel;Evaluation Method;Artificial Intelligence中图分类号：TU245;TU17文献标识码：AD0l:10.13717/ki.ta.2023.03.048文章编号：10 0 5-6 8 4 X(2023)03-0048-06注，健康评价在其中起到了极其重要的引领和支撑作用。从世界范围看，继2 0 14 年美国国际健康建筑研究院颁布世界第一部针对建筑健康性能评价的标准“WELL建筑标准”后，各国陆续出台健康建筑评价方法，例如中国的健康建筑评价标准、英国的“英国建筑研究院环境评估方法”（BREEAM），都试图通过对空气、水、舒适等指标进行定量约束，3 有效规范体育建筑设计行为，促进使用者的生理、心理和社会健康。然而，目前针对健康体育建筑的定制化评价仍为空白。体育建筑作为集体育比赛、健身、集会、演出等专业活动与复杂功能为一体的大型公共建筑，在内涵、对象及指标方面与建筑类普适性评价具有差异，不能一以贯之。我们函待设立健康体育建筑专项评价方法，针对体育建筑的环境交互方式、室内行为特征、心理健康诉求等特殊性，进行靶向指标梳理与评价；时代建筑Time+Architecture2023/3491.健康体育建筑评价指标体系1.Evaluation index system of health and sports building规范健康体育建筑建设行为，提升体育建筑健康性能，推动健康人居环境建设，促进健康体育建筑的科学决策及健康体育产业的发展，服务于国家高质量发展之战略和人类生境之未来。展示，更加全面、细致、直观地评价体育建筑的健康性，有助于深入挖掘健康体育建筑优势特色及薄弱环节，为其健康性能优化提供改善途径，为相关标准、规范的出台提供技术支撑。1.3健康体育建筑云模型评价适用性健康是体育建筑一种跨学科、泛流派的目的，既包括了传统意义上的体育建筑研究范畴，也结合社会发展特点，吸纳了部分强相关学科，形成新的建筑研究领域。涉及社会、心理、文化等多个维度，使得评价指标的多元性与不确定性得到充分的体现。然而，常见的评价方法利用隶属函数计算，以单一确定的解析表达式代替了评价数据中的不确定性概念，存在对评价中主观感受模糊性、个体差异随机性处理的局限，难以准确地处理健康体育建筑评价。云模型属于不确定性人工智能研究范畴，由工程院院士李德毅教授在概率论和模糊数学的基础上提出，5 已成功应用于智能控制6、数据挖掘闪、系统评估8 等领域。不同于以往评价方法的函数计算，云模型认为评价结果不是确定的数值，而是一个包含随机变量的分布，通过算法完成评价云模型与各标准云模型的云相似度映射，避免了以往隶属函数评价过程中造成的数据信息损失，有助于解决健康体育建筑评价等级的随机性、模糊性、复杂性等问题。此外，云模型可以进行分级评价与可视化云图2健康体育建筑评价方法2.1建立评价指标体系健康体育建筑以人对健康的需求为切入点，研究重心由建筑本体的节能降耗向建筑体验的健康关怀转移。为关注使用者的切实感受，前序研究基于知觉现象学，以感官知觉体验描述空间健康性，建立了健康体育建筑为目标层，以视觉舒适、听觉舒适、嗅觉舒适、触觉舒适为准则层，包含19个评价指标的健康体育建筑评价指标体系(图1)。9)2.2确定评价指标权重层次分析法广泛应用于建筑评价领域，求解评价指标权重。本研究以健康体育建筑评价指标体系为层次结构模型，构建包含19个评价指标的判断矩阵。采用1 9 标度法赋值，将各层次评价指标两两比较，通过充分分析专家经验信息，判断评价指标间的相对重要程度，即评价指标权重，并运用和积法，得到指标层对于总目标层的综合权重值直（表1)。2.3建立健康体育建筑评价云模型健康体育建筑评价中普遍存在着不确定性，表1.各层评价指标权重值Table1.Weightvalueof each evaluation index目标层准则层权重要素层层次权重综合权重指标层层次权重综合权重天然光光环境0.8530.200光环境0.6390.235照明光环境0.1470.035视线通视0.4310.040视觉视线明视0.3080.0280.367视线环境0.2520.092舒适视线真实0.1840.017视线舒适0.0770.007功能性设施色彩0.7220.029色彩环境0.1090.040辅助性设施色彩0.2780.011光环境噪声控制0.5070.132热环境天然光环境蓝明光环境健康体育通风视觉舒适视线环境搜线通视建筑听觉0.260声环境0.2600.260最大声压级0.2120.055视线明视人体工程学舒适娱视线真卖混响和清晰度0.1410.037运动场地及器材视线舒适观众座桥色彩环境声场不均匀度0.1400.036功睫性设施色彩铺助性设薄色彩嗅觉消极气味控制0.6390.1450.227气味环境0.2270.227舒适积极气味0.3610.082膜觉舒适湿度0.7000.081气味环境声环境声控制热环境0.7860.115温度0.2120.024积保味控制惠场不均匀度触觉0.146通风0.0880.010舒适运动场地及器材0.6740.021人体工程学0.2140.031观众座椅0.3260.0104.国家游泳中心综合评价云图3.国家游泳中心实景图2.云模型与常规评价方法机理对比示意图50日时代建筑Time+Architecture2023/3常见的评价方法借助统计学和模糊学，依据专家评分概率来假设其发生的可能性，或通过单一确定的隶属函数来刻画其亦此亦彼性，10 然而，对独立随机事件及隶属函数不确定性的忽略，将造成信息损失，导致评价结果的偏差。基于云模型的健康体育建筑评价方法，借助人工智能技术，对有限的专家评分进行数据挖掘，学习评价样本间的随机性、模糊性及其关联性，采用云发生器，生成数量足够且符合评价样本特征规律的云滴，再由众多云滴构成表征不确定性评价结果的云，完成健康体育建筑从专家打分到等级评价的映射（图2）。健康体育建筑评价云模型用数字特征（Ex，En，H。）及健康等级隶属度表征评价结果，评价期望值E是最能代表体育建筑健康评价得分的点。熵E，用以度量评价的不确定程度，滴越大，代表评价的个体差异性与随机性越大。超熵H。由熵的随机性和模糊性决定，表现为云滴的凝聚程度，超滴越大，云图离散性强，反映了健康等级隶属度的不确定性越大。为验证云模型在健康体育建筑评价中的适用性，本研究以国家游泳中心为实例，进行实证检验。3国家游泳中心评价实例在健康体育建筑理念引领下，当代体育建筑显示出强烈的多使用场景支持、与自然环境互动的特征。例如国家游泳中心作为承办北京奥运会、北京冬奥会的双奥场馆，创新性实现了“冰一水”转换使用场景和ETFE膜结构利用（图3），被国际奥委会巴赫主席盛赞“奥运场馆可持续发展的典范”。然而，与外界环境、使用需求的高度交融与匹配，为国家游泳中心的健康性能提供了先机，却也留有挑战。本文借助云模型对国家游泳中心的健康等级进行评价，明确国家游泳中心的健康性能优势与提升潜力，有助于充分发挥双奥场馆的健康导向推介作用，也为挖掘其复杂功能、环境引发的健康挑战提供有效途径。3.1综合隶属度云模型本研究依据健康建筑评价标准，评价等级分为不健康、基本级、一星级、二星级、三星级11】（表2)，邀请国家游泳中心的设计、科研、施工、运维专家15位，对国家游泳中心的19项评价指标进行打分，结合指标权重，运用云模型评价方法，根据云图及最大隶属度确定其健康等级。计算所得国家游泳中心健康等级综合评价期望值E,=79.60，焰En=9.60，超H=3.34，隶属度（表2），绘制综合评价云图（图4)，云模型评价结果更偏向于二星级。表明国家游泳中心的健康等级为二星级，评价期望值处于二星级与三星级的临界值（Ex=80.00)，具有较高的健康性，通过场馆健康性能优化，有望突破临界值，达到健康体育建筑三星级。国家游泳中心视觉舒适(Ex=81.05)、听觉舒适舌（E=77.01）、觉舒适（Ex=8 1.4 6)、触觉舒适（Ex=77.65）均在二星级和三星级的临界期望值附近上下浮动，其中视觉舒适、嗅觉舒适为三星级，听觉舒适、触觉舒适为二星级。结表2.国家游泳中心健康等级隶属度Table 2.Health Level Membership of National Aquatics Center评价等级分值区间隶属度不健康0-40分4.44E-18基本级40-50分2.74E-94一星级50-60分4.09E-46二星级60-80分0.0159三星级80-100分0.0077不健康基本级一星级二星级三星级0.80.60.40.20020406080100评价期望值43.2准则层隶属度云模型2.Schematic diagram of mechanism comparison between cloudmodel and conventional evaluation.method3.NationalAquatics Center4.Comprehensive evaluation cloud map of National AquaticsCenter1NBNMNSPSPMPB常规评价信息损失统计学：概率统计事件可能性的假设模糊学：隶属函数,:U 0,1,xH,(x)e0,10.5解析表达式0忽略隶属函数的不确定性-3-2-10123单一确定值二维隶属函数云发生器0.90云模型评价0.80.70.6兴湖数据挖掘0.5040302云滴生成算法01不确定性映射1015202530535考虑模糊性、随机性及其关联性云图（期望值，超）二维云模型2时代建筑Time+Architecture2023/3351合综合权重值来看，在三星级感官体验中光环境、气味环境的贡献最为突出，在二星级感官体验中声环境、热环境对场馆健康体验的影响较大（表3）。应聚焦光环境、气味环境、声环境、热环境进行云模型评价结果分析，有助于显著提升国家游泳中心的健康性。视觉舒适方面，包含光环境E=81.54、视线环境E=78.19、色彩环境Ex=84.81，其中光环境评价期望值处于三星级且权重最大，表明了国家游泳中心优异的光环境对场馆健康营造的显著贡献。自然光线透过ETFE膜结构顶棚进入室内，使室内环境更轻、更亮，为游泳运动创造了明亮愉悦的自然光环境，为阳光下的室内健康运动提供了可能，同时光与膜结构交织出变幻的光影，触发了使用者强烈的感官体验，产生舒适、放松的视觉体验。嗅觉舒适方面，聚焦于气味环境Ex=81.46，健康等级处于三星级。气味环境对生理机能与心理感知的影响，在“气味医学”中已形成共识。由于体育运动时，人体旺盛的代谢与呼吸，会强化身体对气味的敏感性，其在体育建筑中的作用更为突出。为保证泳池水质及气味舒适，国家游泳中心采用臭氧消毒的水处理技术，可有效避免常规氯化物消毒引发的异味。听觉舒适方面，聚焦于声环境Ex=77.01，健康等级处于二星级。北京冬奥会后，游泳和冰壶运动成为国家游泳中心运维的核心场景，其声环境不仅要满足游泳运动，还应兼顾冰壶运动，给声环境设计带来了前所未有的挑战。游泳、冰壶运动之间存在显著的声学诉求、空间容积、反射回声差异：（1）冰壶比赛的运动员通过自然声进行战术配合，较游泳运动而言，对比赛大厅的语言清晰度提出了更高的诉求；12（2）比赛大厅建筑、看台调整带来的容积改变对混响时间、扩声系统最大声压级产生极大影响；场馆依据使用需求，将原有游泳比赛大厅空间进行面积缩减，奥运会的17 0 0 0 个座席，也减为冬奥会时的4 50 0 个座席；（3）泳池水面和冰壶冰面虽均为强反射面，但对声波的反射强度、面积、角度区别较大，为此冬奥会筹办期间，国家游泳中心在看台、侧墙、玻璃隔断等位置增设了吸声材料，但仍可对场馆声学进行更为场景化、精细化的声学设计，满足不同使用场景下声环境模式的转换，匹配需求。触觉舒适方面，包含了人体工程学Ex=80.14和热环境Ex=76.97，热环境权重为0.7 9占比较大，表明国家游泳中心触觉舒适提升应重点关注热环境的优化。国家游泳中心作为世界上最大的ETFE膜应用工程，拥有覆盖面积超过10万m，透光率高达90%的膜体系。透光膜结构为自然采光提供了条件，却向场馆热环境的赛事保障、稳定舒适、节能调控提出了挑战。（1）膜结构顶棚对太阳辐射的衰减作用较低，太阳辐射能量进入室内产生显著的热增益，会造成冰壶场地融化。（2）膜结构与外界环境不断进行热传递，受季节、天气、日照，以及围护结构气密性波动影响显著，为维持室内热环境稳态提出更高的要求。（3）ETFE膜结构引发了冰面制冷负荷与空气调节能耗的增加。面对上述挑战，国家游泳中心为提升室内热环境舒适，在膜顶棚加装了可拆除遮阳膜，然而调控模式仅有铺设移除两种，难以同时满足自然采光与热环境稳态需求，且无法实现光热环境的灵活调控与动态平衡。为此，可引入光谱分频光热环境节能调控技术，13 筛选进入室内的太阳光谱，阻隔辐射热效应显著的红表3.国家游泳中心准则层评价云图及综合权重Table 3.Criterion layer evaluation cloud map and comprehensive weight of National Aquatics Center健康等级感官体验评价云图要素层权重不福本捷人体热工程学0.80.120.03光0.80.240.60.60.4视线三星级0.4声0.090.20.260.2色彩0.0420406080100。20406080气味评价期望值100评价期望值0.23视觉舒适(Ex=81.05)嗅觉舒适(E,=81.46)综合权重值热工隆学0.12光0.080.80.80.240.60.6F二星级0.40.4视线声0.090.20.20.26色彩0.042040608010020406080100气味评价期望值评价期望值0.23听觉舒适(E,=77.01)触觉舒适(E,=77.65)综合权重值52日时代建筑Time+Architecture2023/3外线，并为室内照明保留可见光，通过与气候更好的互动来达到使用者的健康需求。3.3指标层隶属度云模型为进一步明确国家游泳中心健康性的突出优势与薄弱环节，重点关注国家游泳中心综合评价期望Ex=85.2的正向、负向偏差超过4.5%的指标进行云模型期望值和隶属度分析。如图5所示，折线表示期望值Ex，柱状图为评价指标处于二星级或三星级的隶属度。正向偏差指标为功能性设施色彩Ex=85.2、辅助性设施色彩Ex=83.8、运动场地及器材Ex=83.2具有较高期望值，偏向于隶属三星级。负向偏差指标为观众座椅Ex=73.8、视线通视Ex=75.5、混响和清晰度Ex=75.9，期望值低于8 0，偏向隶属于二星级。正向偏差指标是国家游泳中心优异健康性能的代表性体现，将其示范作用加以推广，可助力更多体育建筑走上健康发展之路。（1）设施色彩方面，运动场地、观众座席、室内装饰等设施均以蓝色和白色为主色调，与“水立方冰立方”的设计理念相得益彰（图6)。例如观众座席通过不规则的蓝白色彩排布，模拟浪花形态，营造舒适的空间感受，同时纯粹的色彩搭配，又避免了对运动员的视觉干扰。（2）运动场地及器材方面，通过在泳池上搭建可拆装的冰壶赛道，实现运动场地的“水冰转换”（图7）。运动场地转换支撑体系和移动式制冰技术，展现出了优异的先进性，使其成为世界首个游泳和冰壶项目均可运行、灵活切换的双奥场馆。负向偏差指标处于健康等级二星级，有较大提升空间，深入剖析此类指标，可以明确场馆面临的挑战与提升潜力，如图8 所示。（1)观众座椅为评价指标中的最低期望值指标，且云图离散，代表强烈的随机性与不确定性，反映出明显的个体感知差异，结合综合权重，观众座椅的舒适度为权重低的指标类型，其优化对场馆整体健康性能的提升较小。探讨其低期望值原因，本质为更舒适的观赛体验与可持续的场馆建设间的辩证问题。以往奥运场馆建设往往给承办城市带来沉重的财政负担，直接导致近年来奥运会申办城市锐减。国际奥委会提出“奥运瘦身计划”试图缓解过度追求建设高标准场馆的现象，在此背景下，经济制约与观赛舒适间的矛盾仍有待商榨。（2）视线通视方面，受限于中国建筑安全与设计规范要求，国家游泳中心栏杆高度为112 0 mm，过高的栏杆高度对首排座席视线产生了遮挡。从国际视野来看，同样的栏杆高度问题，在运动场地安全指南(Guideto SafetyatSports Grounds）一书中要求不低于8 0 0 mm即可。另外，中国冬奥会新建场馆国家速滑馆应用了玻璃护栏（图9），避免了栏杆造成视线遮挡，保障视觉感受、观赛氛围。（3）混响和清晰度方面，以往体育建筑扩声系统设计时，多以混响阈值为控制标准，对信噪比考虑不足，然而国家游泳中心顶棚为膜材（图10），材料吸声、隔声效果弱且为保障室内设计效果制约了吸声材料的铺设面积，导致室内背景噪声过大，对语言清晰度产生较大影响。在进行膜结体育场馆声学设计时，可增加对信噪比的考量，提升其听觉舒适度。不健康基本级一星级二星级三星级10.80.60.40.20五020406080100评价期望值84结语本文尝试将不确定性人工智能范畴的云模型，引入建筑评价领域，是推动庞杂的健康体育建筑研究进程的有效尝试。健康体育建筑评价集合了云模型的数据信息挖掘和统筹不确定性等优势，简化了评价的方式、提升了评价准确度、优化了结果展示性，完成了国家游泳中心从小样本专家打分到健康性评价等级的映射，0.686840.5820.48079.6（综合期望值）780.3760.274720.170068湿度温度视线通视视线明视视线真实视线舒适噪声控制积极气味消极气味控制视觉舒适听觉舒适觉舒适触觉舒适正向偏差指标负向偏差指标期望值二星级隶属度三星级隶属度5研、施工和运营单位专家，共计15人进行专家评分。取国家游泳中的主要建筑设计师、冬奥会场馆改造科保障该方法在建筑领域首次应用的可靠性，本研究选据6 8 份评价样本量即可计算出较为准确的结果。为依小样本处理和数据挖掘是云模型评价的优势之准由笔者担任主要编制成员，目前仍在编制过程中。中国建设工程标准化协会标准健康体育建筑评价标注释：9BEING2022时代建筑Time+Architecture2023/33535.评价指标期望值偏差及隶属度分析图6.比赛大厅色彩设计7.运动场地功能转换8.观众坐席评价云图9.国家速滑馆玻璃护栏10.国家游泳中心膜结构顶棚5.Analysis diagram of expected value deviation and membershipdegreeofevaluation index6.Color design of the competition hall7.Functionalconversionof thesports venue8.Audience seat evaluation cloudmap9.Glass guardrail of National Speed Skating Oval10.Membrane-structure ceiling of National Aquatics Center并通过分析评价结果，明晰了与使用需求、外界环境的高度互动，给其健康性能带来的优势与挑战。评价实例验证了该方法的可行性及优异性，可为明确体育建筑健康等级和潜在问题提供新途径，为体育建筑的健康、永续发展提供新方法，为建筑评价的研究提供新思路。（图表来源：表1 表3 作者自绘，图1、图2、图4、图5、图8、图10 作者自绘/自摄，图3、图6、图7 由郑方提供，图9由孙卫华提供）期望值：Ex=X=Z-1xi（X分别代表样本均n值；x表示样本数据）10:En=2超焰：He=ZF-;(xuj-Ex)-En2Vn-1(x-Ex)隶属度：=exp2En2参考文献：1郭旗，梅洪元，陆诗亮，等.基于CiteSpace的中国体育建筑研究溯源及流变.新建筑，2 0 2 0（3）：112-117.2李兴钢.关于“工程建筑学”.当代建筑，2 0 2 1（10)：4-5.3王清勤，孟冲，李国柱，等.我国健康建筑发展理念、现状与趋势.建筑科学，2 0 18，3 4（9）：12-17.4李德毅，刘常昱，杜鹤，等.不确定性人工智能J.软件学报，2 0 0 4（11）：158 3-1594.5LI D 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spectrumsplitting sunshade technologyJ.Renewable Energy,2022(191):571-579.作者单位：哈尔滨工业大学建筑学院寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室作者简介：谷梦，女，哈尔滨工业大学建筑学院博士生郭旗，女，哈尔滨工业大学建筑学院讲师、硕士生导师姜楠，女，哈尔滨工业大学建筑学院硕士生陆诗亮（通讯作者），男，哈尔滨工业大学建筑学院教授、博士生导师收稿日期：2 0 2 3-0 5-15基金项目：国家自然科学基金面上项目（5197 8 191）国家博士后科学基金面上项目（2 0 2 1M701004）