“创新思维与现代设计” 创新设计项目报告 楼房面北房间采光问题 小组成员：朱昊来（组长） 于谨铭 陈瑞捷 日期：2017年12月18日 1
1 “创新思维与现代设计” 创新设计项目报告 楼房面北房间采光问题 小组成员：朱昊来（组长） 于谨铭 陈瑞捷 日期：2017 年 12 月 18 日
目录 1.优秀设计案例分析… 3 1.1案例1：东北地区的中国高铁（完成人：于谨铭） …3 1.2案例2：现代图书形式设计的两端（完成人：朱昊来）…………4 1.3案例3：手机摄像的双镜头设计（完成人：陈瑞捷）……5 2.问题与需求发现 …6 2.1背景… …6 2.2问题/需求… 6 2.3初步设想 …6 3创新设计实践…… 6 3.1功能分析与方案… 6 3.2详细设计及实施效果评估 …7 3.3小组分工 …12 4.思考和体会…… …13 2
2 目 录 1. 优秀设计案例分析……………………………………………………………………………………………………………3 1.1 案例 1 : 东北地区的中国高铁（完成人：于谨铭）…………………………………………………… 3 1.2 案例 2：现代图书形式设计的两端（完成人：朱昊来）…………………………………………… 4 1.3 案例 3：手机摄像的双镜头设计（完成人：陈瑞捷）…………………………………………………5 2. 问题与需求发现………………………………………………………………………………………………………………6 2.1 背景……………………………………………………………………………………………………………………………… 6 2.2 问题/需求………………………………………………………………………………………………………………………6 2.3 初步设想………………………………………………………………………………………………………………………..6 3.创新设计实践……………………………………………………………………………………………………………………6 3.1 功能分析与方案……………………………………………………………………………………………………………6 3.2 详细设计及实施效果评估…………………………………………………………………………………………… 7 3.3 小组分工……………………………………………………………………………………………………………………… 12 4.思考和体会……………………………………………………………………………………………………………………….13
1.优秀设计案例分析 1.1案例1：东北地区的中国高铁（完成人：于谨铭） 东北地区作为新中国最早的解放区，在上个世纪的四五十年代，是支持全国的解放事业 和新中国的建设事业的重要力量，全国90%的重工业基地扎根于此。而如今，走重工业的老 路子已经难以跟上时代的步伐，转型发展的要求迫在眉睫。于是在2004年，时任国务院总 理温家宝提出了振兴东北老工业基地的战略。在这十几年的转型建设中，交通系统的建设为 东北地区的发展注入了新动力：而在交通网的建设中，高速铁路的建设自然是重要的一环。 但是与其他地区不同的是，东北地区具有中国其他地区没有的冬季高寒气候，以及几乎 全国最大的气温年较差。冬季零下三、四十度的低温，以及每年东北地区土壤的冰融循环” 现象对轨道的严重破坏成了东北地区高铁建设的最大障碍。 除此之外，东北平原上还有一个横在哈尔滨与牡丹江之间、阻挡了高铁建设的障碍 “林海雪原”（如图1）。 图1“林海雪原"张广才岭 因此，施工建设团队除了需要解决冬季低温中混凝土无法固化、通风管和排水管极易上 冻的问题，还需要在林海雪原"上打通出一条贯通东西的隧道。但是在这片地区里，地下含 水层占了很大的面积，这也是隧道施工所面临的最大问题。 为了解决冰融循环的问题，施工建设团队对土壤进行了强夯与冲击碾压，这样可以有效 的增大土壤的坚实程度，防止了土壤像海绵一样吸水；同时，工程师们改造了轨道路基的构 造，采用了长短桩交错、并用垫层配合钢筋混凝土预制板的全新设计模式（如图2）。这种 模式的采用，极大的降低了“冰融循环"现行对轨道的破坏， 提高了承载力，减小了沉降量。 垫层 短桩 长雄 工作区I工作区Ⅱ 工作区 3
3 1. 优秀设计案例分析 1.1 案例 1：东北地区的中国高铁（完成人：于谨铭） 东北地区作为新中国最早的解放区，在上个世纪的四五十年代，是支持全国的解放事业 和新中国的建设事业的重要力量，全国 90%的重工业基地扎根于此。而如今，走重工业的老 路子已经难以跟上时代的步伐，转型发展的要求迫在眉睫。于是在 2004 年，时任国务院总 理温家宝提出了振兴东北老工业基地的战略。在这十几年的转型建设中，交通系统的建设为 东北地区的发展注入了新动力；而在交通网的建设中，高速铁路的建设自然是重要的一环。 但是与其他地区不同的是，东北地区具有中国其他地区没有的冬季高寒气候，以及几乎 全国最大的气温年较差。冬季零下三、四十度的低温，以及每年东北地区土壤的“冰融循环” 现象对轨道的严重破坏成了东北地区高铁建设的最大障碍。 除此之外，东北平原上还有一个横在哈尔滨与牡丹江之间、阻挡了高铁建设的障碍—— “林海雪原”（如图 1）。 图 1 “林海雪原”张广才岭 因此，施工建设团队除了需要解决冬季低温中混凝土无法固化、通风管和排水管极易上 冻的问题，还需要在“林海雪原”上打通出一条贯通东西的隧道。但是在这片地区里，地下含 水层占了很大的面积，这也是隧道施工所面临的最大问题。 为了解决冰融循环的问题，施工建设团队对土壤进行了强夯与冲击碾压，这样可以有效 的增大土壤的坚实程度，防止了土壤像海绵一样吸水；同时，工程师们改造了轨道路基的构 造，采用了长短桩交错、并用垫层配合钢筋混凝土预制板的全新设计模式（如图 2）。这种 模式的采用，极大的降低了“冰融循环”现行对轨道的破坏，提高了承载力，减小了沉降量
图2长短桩与垫层配合钢筋混凝土板的设计 在应对施工时低温导致的管道冻结与混凝土无法固结的问题时，施工人员用热水拌混 凝土，并另外设置了加热装置，在混凝土浇筑区域，又盖上了一层“大棉被”，保证了施工区 的温度在5℃以上，既可以使混凝土顺利固结，使得高铁施工顺利进行（如图3）。 图3覆盖了保温层的虎峰岭隧道 东北地区高铁的建设，打通了东北地区与华北地区交流的重要通道，它使从沈阳到北 京的时间缩短了几个小时、从哈尔滨到北京的时间缩短了近半天，使东北地区与其他地区 的交流变得更加便捷。 1.2案例2：现代图书形式设计的两端：极简与极繁（完成人：朱昊来） 1.2.1极繁案例：《S.忒修斯之船》 《S.式修斯之船》由美国知名编剧J】.艾布拉姆斯与美国知名小说家道格道斯特共同 打造的小说，故事发生在图书馆的一本旧书《试修斯之船》，主角名为「S.」。借由两个读者 在《试修斯之船》上的笔记及多达23个配件，读者需要靠阅读这两名笔友的笔记和配件， 解谜出《试修斯之船》的谜样作者是谁。 这样繁复的设计给读者带来了前所未有的阅读形式与阅读体验，阅读过程繁复而不乏层 次感，更能引人入胜：同时本书内容上因为其复杂多元的结构，可以糅合经典、悬疑、惊悚、 解谜与神秘主义等等，最大程度满足各类图书爱好者。而除了本书的核心线索以外，剩余的 大信息量也为读者留下极大自主探索的空间： 本书的创新设计使其作为一本商业图书获得了不菲的成绩：美国首刷20万册立刻断货， 被亚马逊书店读者选为「最想拥有的小说」冠军。 1.2.2极简案例：《男人脑中除了性还有什么》 与上述《S》形成鲜明对比，这本书除了封面上印有博人眼球的“男人除了性还想什么" 外，书内200页都是白纸，同时售价依旧达4.69英镑。除了买作礼物外，很多学生用它当 笔记本。《男人除了性还在想什么》的作者是39岁毕业于牛津大学的作家、表演家以及企业 家赛莫夫。他说：“他们把我的书填满证明我是错的。但是我在想有多少人的脑子在课程结 4
4 图 2 长短桩与垫层配合钢筋混凝土板的设计 在应对施工时低温导致的管道冻结与混凝土无法固结的问题时，施工人员用热水拌混 凝土，并另外设置了加热装置，在混凝土浇筑区域，又盖上了一层“大棉被”，保证了施工区 的温度在 5℃以上，既可以使混凝土顺利固结，使得高铁施工顺利进行（如图 3）。 图 3 覆盖了保温层的虎峰岭隧道 东北地区高铁的建设，打通了东北地区与华北地区交流的重要通道，它使从沈阳到北 京的时间缩短了几个小时、从哈尔滨到北京的时间缩短了近半天，使东北地区与其他地区 的交流变得更加便捷。 1.2 案例 2：现代图书形式设计的两端：极简与极繁（完成人：朱昊来） 1.2.1 极繁案例：《S.忒修斯之船》 《S.忒修斯之船》由美国知名编剧 J.J. 艾布拉姆斯与美国知名小说家道格·道斯特 共同 打造的小说，故事发生在图书馆的一本旧书《忒修斯之船》，主角名为「S.」。借由两个读者 在《忒修斯之船》上的笔记及多达 23 个配件，读者需要靠阅读这两名笔友的笔记和配件， 解谜出《忒修斯之船》的谜样作者是谁。 这样繁复的设计给读者带来了前所未有的阅读形式与阅读体验，阅读过程繁复而不乏层 次感，更能引人入胜；同时本书内容上因为其复杂多元的结构，可以糅合经典、悬疑、惊悚、 解谜与神秘主义等等，最大程度满足各类图书爱好者。而除了本书的核心线索以外，剩余的 大信息量也为读者留下极大自主探索的空间； 本书的创新设计使其作为一本商业图书获得了不菲的成绩:美国首刷 20 万册立刻断货， 被亚马逊书店读者选为「最想拥有的小说」冠军。 1.2.2 极简案例：《男人脑中除了性还有什么》 与上述《S》形成鲜明对比，这本书除了封面上印有博人眼球的“男人除了性还想什么” 外，书内 200 页都是白纸，同时售价依旧达 4.69 英镑。除了买作礼物外，很多学生用它当 笔记本。《男人除了性还在想什么》的作者是 39 岁毕业于牛津大学的作家、表演家以及企业 家赛莫夫。他说：“他们把我的书填满证明我是错的。但是我在想有多少人的脑子在课程结
束后马上会跳转到性话题上。" 事实上，本书极简的形式设计反而赋予了本书别样的内涵，更发人深思；同时，这样一 种别开生面的尝试更富有极大的趣味性，使本书展现出一种独特的魅力。 该书至今销售火爆，一度超过《哈里波特》和《达芬奇密码》。同时，它也被诸多媒体 称为一部哲学经典。不论从商业性还是价值性的角度，这都是一部成功之作。 1.2.3启示与思考： 虽然两本书的设计一为极简，一为极繁，但两者在设计理念上可谓殊途同归。这启示我 们，未来图书形式的发展可能会更加欢迎突破常规的变革。同时在电子书的强势竞争之下， 纸质图书势必要在电子书无法实现或取代的特质上寻求突破，而依托于实体和纸面的形式创 新正是有利的选择之一。另外我们可以推测，未来图书的价值评判可能不再百分之百取决于 内容，形式设计也可以成为图书设计的关键部分之一；或者我们可以说，形式本身也将称为 内容的一部分。 1.3案例3：双摄像头技术在手机中的应用 1.3.1背景及需求 随着2000年第一台携带摄像头的手机的面世，人们对手机拍照效果的要求也逐渐增高， 从最初能够简单的成像，到能够拍出效果尚可的照片，到现如今取代消费级数码相机。最初， 像素的提升有着立竿见影的效果，但随着像素突破1000万大关，单纯的提高像素对画质的 影响显得收效甚微，此时就需要做出一些革命性的创造，双摄像头技术也应运而生。 1.3.2之前的不足 在大小有限的CMOS内仅仅通过提高像素，一来效果并不明显，二来会显著地缩小像 素点的大小，造成暗光条件下的进光不足，也促成了有一定倒退意义的超像素技术。而通过 扩大摄像头模块尺寸，则会对手机的外观和便携性提出挑战。 1.3.3设计源头 HTC和LG在2011推出过使用双摄像头以达到三维摄像效果的产品，如图4所示。但 当时的技术条件下效果并不理想，因而该想法被暂时搁置。然而，稍作改变，将双摄平行摄 像改为主摄像头+景深摄像头的模式，即为其最早的实际应用。 百9回售E 图4早期双镜头应用 5
5 束后马上会跳转到性话题上。” 事实上，本书极简的形式设计反而赋予了本书别样的内涵，更发人深思；同时，这样一 种别开生面的尝试更富有极大的趣味性，使本书展现出一种独特的魅力。 该书至今销售火爆，一度超过《哈里·波特》和《达芬奇密码》。同时，它也被诸多媒体 称为一部哲学经典。不论从商业性还是价值性的角度，这都是一部成功之作。 1.2.3 启示与思考： 虽然两本书的设计一为极简，一为极繁，但两者在设计理念上可谓殊途同归。这启示我 们，未来图书形式的发展可能会更加欢迎突破常规的变革。同时在电子书的强势竞争之下， 纸质图书势必要在电子书无法实现或取代的特质上寻求突破，而依托于实体和纸面的形式创 新正是有利的选择之一。另外我们可以推测，未来图书的价值评判可能不再百分之百取决于 内容，形式设计也可以成为图书设计的关键部分之一；或者我们可以说，形式本身也将称为 内容的一部分。 1.3 案例 3：双摄像头技术在手机中的应用 1.3.1 背景及需求 随着 2000 年第一台携带摄像头的手机的面世，人们对手机拍照效果的要求也逐渐增高， 从最初能够简单的成像，到能够拍出效果尚可的照片，到现如今取代消费级数码相机。最初， 像素的提升有着立竿见影的效果，但随着像素突破 1000 万大关，单纯的提高像素对画质的 影响显得收效甚微，此时就需要做出一些革命性的创造，双摄像头技术也应运而生。 1.3.2 之前的不足 在大小有限的 CMOS 内仅仅通过提高像素，一来效果并不明显，二来会显著地缩小像 素点的大小，造成暗光条件下的进光不足，也促成了有一定倒退意义的超像素技术。而通过 扩大摄像头模块尺寸，则会对手机的外观和便携性提出挑战。 1.3.3 设计源头 HTC 和 LG 在 2011 推出过使用双摄像头以达到三维摄像效果的产品，如图 4 所示。但 当时的技术条件下效果并不理想，因而该想法被暂时搁置。然而，稍作改变，将双摄平行摄 像改为主摄像头+景深摄像头的模式，即为其最早的实际应用。 图 4 早期双镜头应用
1.3.4设计方案 正如前文所说，最早安装在手机上用于平面成像的双摄像头是按照主摄像头-景深摄像 头的模式成像的，主摄像头提供主要的信息，主摄像头正上方一定位置有一颗像素较低的景 深摄像头记录景深信息，这样一来可以保证成本不会太高，二来可以方便对照片进行后期对 焦等处理。其后，又发展出了黑白-彩色、广角-长焦等模式，前者是通过一个黑白镜头来补 充细节信息，后者则是通过不同的焦距来扩充位置信息，并提供较为可靠的光学变焦，可以 视作是主-景深的一种发展，但无一例外，这些技术的实现都离不开软件的支持，成像算法 的优秀与否直接关系着成像的质量，并且无一例外，这些算法都会消耗大量的系统资源。 1.3.5设计创新 1+1>1,当一个问题已发展到瓶颈，无法用常规手段解决时，就需要一些革命性的改变， 甚至需要一些之前看起来完全不实用的技术。双摄像头的使用从一开始就解决了单摄像头的 一些局限性，虽然技术依旧不够成熟，但仍有着不错的发展前景。 2.问题与需求发现 2.1背景： 我国是一个位于北半球的国家，楼房北面常年难以得到日照，因此楼房的北面也常被称 为“背阴面”。对于大部分居民公寓楼或别墅洋房，由于常采取东西走向设计或南北两面开窗， 该问题并不显得十分突出。但是当前绝大部分宿舍楼及旅馆酒店等采取南北面向的设计， 并且由于追求更大的居民容量将房间分划为南北两列，导致面北房间终年阳光不足。 2.2造成的问题： 面北房间住宿日常生活不便，比如衣物晾晒较为困难。同时，由于阳光缺失，尤其在东 南沿海一带容易形成室内阴潮的情况。冬天室内则尤其寒冷。并且至今我们极少看到有针对 北边房间采光问题的实用阶段的方法出现。 2.3初步设想： 首先可以考虑改变楼型设计，提高楼内各个房间采光的平均度；其次可以尝试在屋顶靠 南面安置太阳能板，为面北房间内设置的人工小太阳提供能源；最后可以考虑利用物理方法 引导自然光。 3.创新实践设计 3.1功能分析与初步方案 经过小组讨论分析，我们认为初步设想1在短时间内实现可能性不大，且可能符合要 求的楼型空间利用率不高，建造难度较大，其他方面的实用率较低，因此排除。 而初步设想2太阳能板供能不够稳定且可采能量较少，难以满足实际需求。若考虑加 以电能辅助，则所需功率较大，在宿舍楼等楼房中难以实现。另外，室内安装小太阳此类 高强光热源，安全性成很大问题。因此排除。 6
6 1.3.4 设计方案 正如前文所说，最早安装在手机上用于平面成像的双摄像头是按照主摄像头-景深摄像 头的模式成像的，主摄像头提供主要的信息，主摄像头正上方一定位置有一颗像素较低的景 深摄像头记录景深信息，这样一来可以保证成本不会太高，二来可以方便对照片进行后期对 焦等处理。其后，又发展出了黑白-彩色、广角-长焦等模式，前者是通过一个黑白镜头来补 充细节信息，后者则是通过不同的焦距来扩充位置信息，并提供较为可靠的光学变焦，可以 视作是主-景深的一种发展，但无一例外，这些技术的实现都离不开软件的支持，成像算法 的优秀与否直接关系着成像的质量，并且无一例外，这些算法都会消耗大量的系统资源。 1.3.5 设计创新 1+1>1，当一个问题已发展到瓶颈，无法用常规手段解决时，就需要一些革命性的改变， 甚至需要一些之前看起来完全不实用的技术。双摄像头的使用从一开始就解决了单摄像头的 一些局限性，虽然技术依旧不够成熟，但仍有着不错的发展前景。 2. 问题与需求发现 2.1 背景： 我国是一个位于北半球的国家，楼房北面常年难以得到日照，因此楼房的北面也常被称 为“背阴面”。对于大部分居民公寓楼或别墅洋房，由于常采取东西走向设计或南北两面开窗， 该问题并不显得十分突出。 但是当前绝大部分宿舍楼及旅馆酒店等采取南北面向的设计， 并且由于追求更大的居民容量将房间分划为南北两列，导致面北房间终年阳光不足。 2.2 造成的问题： 面北房间住宿日常生活不便，比如衣物晾晒较为困难。同时，由于阳光缺失，尤其在东 南沿海一带容易形成室内阴潮的情况。冬天室内则尤其寒冷。并且至今我们极少看到有针对 北边房间采光问题的实用阶段的方法出现。 2.3 初步设想： 首先可以考虑改变楼型设计，提高楼内各个房间采光的平均度；其次可以尝试在屋顶靠 南面安置太阳能板，为面北房间内设置的人工小太阳提供能源；最后可以考虑利用物理方法 引导自然光。 3. 创新实践设计 3.1 功能分析与初步方案 经过小组讨论分析，我们认为初步设想 1 在短时间内实现可能性不大，且可能符合要 求的楼型空间利用率不高，建造难度较大，其他方面的实用率较低，因此排除。 而初步设想 2 太阳能板供能不够稳定且可采能量较少，难以满足实际需求。若考虑加 以电能辅助，则所需功率较大，在宿舍楼等楼房中难以实现。另外，室内安装小太阳此类 高强光热源，安全性成很大问题。因此排除
最终采用设想3。初步方案以功能图展示，如图5： 采用透镜、面镜集 光、光纤导光 0 另外建设设施引光 0 楼体北面的采光 从阳光充足的 →充足的光照 地方引阳光 个 楼顶、楼 侧用面镜 反射 图5功能图 3.2详细设计及实施效果评估 3.2.1曲面镜反射导光 利用光反射原理，使用曲面镜反射太阳光令其折向楼房北面。 1.概念模型 如图6-8所示。其中棕色体表示楼房(57*18*26单位：)，银白色体表示反射用曲面 镜。曲面镜采用S型面，确保最大程度利用反射光并提高楼房受光面积。 金快巴醉 图6概念模型正视图 7
7 最终采用设想 3。初步方案以功能图展示，如图 5： 图 5 功能图 3.2 详细设计及实施效果评估 3.2.1 曲面镜反射导光 利用光反射原理，使用曲面镜反射太阳光令其折向楼房北面。 1. 概念模型 如图 6-8 所示。其中棕色体表示楼房（57*18*26 单位：m），银白色体表示反射用曲面 镜。曲面镜采用 S 型面，确保最大程度利用反射光并提高楼房受光面积。 图 6 概念模型正视图
图7概念模型侧视图 图8概念模型俯视图 2.实体效果模拟 为检验该设计实效，我们将该模型按1000：1缩小，利用近似平行光照射该模型，观察 模型背光面接受反射光的情况。其中镜面我们采用铝箔代替，而近似平行光源为灯面略 宽于模型总宽度的LED手电筒，实物如图9所示。实验实况如图10-11。 8
8 图 7 概念模型侧视图 图 8 概念模型俯视图 2. 实体效果模拟 为检验该设计实效，我们将该模型按 1000：1 缩小，利用近似平行光照射该模型，观察 模型背光面接受反射光的情况。其中镜面我们采用铝箔代替，而近似平行光源为灯面略 宽于模型总宽度的 LED 手电筒，实物如图 9 所示。实验实况如图 10-11
图9实体模型 图10光照下实体模型“阳面” 9
9 图 9 实体模型 图 10 光照下实体模型“阳面
图 图11光照下实体模型背阴面" 以上实验表明，该设计能使楼房背阴面接受相当量的反射光。 3.2.2光纤导光 在光纤导光的问题上，我们采用透镜折射、平面镜反射集光后，用光纤导光的模式。 1.详细方案与设计细节 集光会设置一个专用的集光装置，由若干个透镜或平（凹）面镜做成一组，或者是相互 分散开，形式较为灵活。这种集光装置可以设置一些类似于光伏路灯的小型集光设施（如 图12)，也可以设置专门设置大型的集光塔（如图13），还可以集合在高压电塔上或者 房屋顶部，节省了占地面积，而且不影响之前的两种采光方式，可以与之前的采光方式互 为补充。 图12将要设置在校园里的小型集光发电设施 10
10 图 图 11 光照下实体模型“背阴面” 以上实验表明，该设计能使楼房背阴面接受相当量的反射光。 3.2.2 光纤导光 在光纤导光的问题上，我们采用透镜折射、平面镜反射集光后，用光纤导光的模式。 1. 详细方案与设计细节 集光会设置一个专用的集光装置，由若干个透镜或平(凹)面镜做成一组，或者是相互 分散开，形式较为灵活。这种集光装置可以设置一些类似于光伏路灯的小型集光设施（如 图 12），也可以设置专门设置大型的集光塔（如图 13），还可以集合在高压电塔上或者 房屋顶部，节省了占地面积，而且不影响之前的两种采光方式，可以与之前的采光方式互 为补充。 图 12 将要设置在校园里的小型集光发电设施