石 峰

劉 江

朱雨潔

1 研究背景

建筑與氣候的關系，是建筑設計領域中永恒的話題之一，全球不同地區(qū)各異的氣候條件也產(chǎn)生了形態(tài)各異，適應各地氣候的建筑形式。正如G.勃羅德彭特所言：“建屋的基本理由是改變大自然所給的氣候，方便舒適地進行一些人類活動”[1]。但是隨著人們對建筑環(huán)境要求的提高，低技術條件下的建筑形態(tài)無法滿足建筑室內舒適性的需求，導致了采暖、空調等高能耗設備的廣泛使用；而隨著現(xiàn)代主義建筑運動的發(fā)展，建筑形體與能耗之間的關系往往被建筑師所忽視，導致各地的建筑千篇一律，不能與當?shù)氐臍夂颦h(huán)境相適應，同時也導致建筑能耗急劇增加。因此，亟需探索能與環(huán)境相適應，積極地利用氣候變化，更具氣候適應性的建筑形式。

建筑表皮是建筑與外部環(huán)境的分界面，1923年柯布西耶在《走向新建筑》一書中闡述將建筑劃分為“表皮、體量和平面”三個要素，首次定義了把表皮作為體量的外皮。表皮不僅是建筑立面形象的載體，是建筑與使用者、城市之間溝通的介質，同時也是建筑調節(jié)外部氣候環(huán)境的主要媒介?！皠討B(tài)建筑表皮”的概念最早見于William Zuk的著作 Kinetic Architecture[2]中，這種建筑表皮可感知外界環(huán)境信息的變化，并且可據(jù)此來改變建筑表皮自身的結構、形狀和物理性能等特征參數(shù)，通過滑動、旋轉折疊、重構等不同的運動形式形成不同的功能，維持建筑內部空間的舒適性，與不斷變化的建筑室外環(huán)境之間保持動態(tài)平衡。動態(tài)建筑表皮技術與智能控制技術、機械技術、計算機技術等多學科之間交叉融合，具有智能、動態(tài)等特點，能為氣候適應性建筑的設計提供新的思路。

在氣候適應性建筑的設計研究中，動態(tài)可變一直是一個重要的研究方向。1972年，Charles Eastm提出“適應性的建筑理論”，主張利用機械技術來實現(xiàn)建筑的動態(tài)可變和互動性[3]；1981年，由英國建筑師Michael Davies首次提出建筑皮膚的概念[4]。而建筑雙層表皮立面形式的出現(xiàn)可以看作動態(tài)建筑表皮的開端。近年來，隨著技術的進步，國際上逐漸出現(xiàn)了一些可變建筑表皮的研究機構，例如歐洲專門從事適應性表皮研究的學術組織COST Action TU1403[5-7]、美國哈佛大學的熱力學建筑研究組、荷蘭代爾夫特理工大學從事“環(huán)境參數(shù)化”表皮設計研究的建筑界面研究小組（FRG）[8-9]等。

關于可變建筑表皮運動形式的研究方面，Ali Malkawi使用控制點位移的方法來實現(xiàn)建筑表皮對氣候的適應性[10]；Scbastain Mammen基于集群智能的方法，利用Processing編程平臺探討了建筑表皮形態(tài)對外界環(huán)境響應的可能性[11]。

在實踐案例方面，近年來也出現(xiàn)了一些運動形式和功能各異的可變表皮案例，如英國建筑師Aedas設計的巴哈爾塔，分為三層的動態(tài)建筑表皮伸縮折疊控制光線和熱量；英國薩福克郡的滑動住宅設計的可滑動木質外殼，控制表皮滑動以調控室內的熱環(huán)境；讓·努維爾設計的阿拉伯世界研究中心，可調控式光圈的表皮自動調控開合大小控制自然光的進入等。這些案例中的可變表皮能對各項建筑環(huán)境因素進行調節(jié)，起到了較好的示范效應。

圖1 氣候適應性可變建筑表皮的原理圖

圖2 可變建筑表皮的控制系統(tǒng)原理圖

圖3 表皮運動形式分類圖解

從上可見，關于可變建筑表皮的研究正在逐漸展開，并逐漸成為建筑設計中的一個前沿實踐方向，但是相關研究整體上尚處于初級階段，仍需對其各方面進行進一步的理論探討。本文借鑒了Jae Wan Park的節(jié)點法表示方法[12]，對可變建筑表皮的運動形式進行分類探討。

2 可變建筑表皮的運動機理

可變建筑表皮一方面作為室內外建筑空間的分界面；另一方面可以根據(jù)使用者的需求和氣候條件的變化，動態(tài)地調節(jié)室內的聲、光、熱、風等環(huán)境因素，維持舒適的室內物理環(huán)境。根據(jù)人體皮膚的調節(jié)機理，在外界氣候環(huán)境發(fā)生變化時，可通過毛孔收縮、排汗、打冷顫等多種方式來調節(jié)人體與外界之間的換熱，維持人體熱平衡；與此類似，氣候適應性可變建筑表皮可以根據(jù)外界環(huán)境條件（風、光、熱、聲等）或者使用者對建筑的不同功能需求，利用多種手段來調節(jié)表皮的形態(tài)和功能，根據(jù)不同需要來改變表皮的性能，能夠像人體皮膚一樣主動地控制室內與外界物質能量的交換，形成一種“可呼吸式”的建筑皮膚，其原理如圖1所示。

根據(jù)運動機理的不同，氣候適應性建筑表皮的運動形式可分為宏觀運動和微觀運動兩種不同的類別[13]。宏觀形式的運動往往利用機械系統(tǒng)來控制建筑表皮的形態(tài)，機械系統(tǒng)通常由傳感器、信息處理器、驅動器等部分構成。傳感器用于感應外部環(huán)境參數(shù)的變化，并將信號傳輸至信息處理器，信息處理器是表皮系統(tǒng)的大腦，能處理傳感器傳來的信號，并對不同的信息進行綜合處理，據(jù)此來控制驅動器的運動；驅動器是系統(tǒng)的運動執(zhí)行部分，根據(jù)信息處理器的指令完成相應的運動；系統(tǒng)各部分之間通過通訊端口以及特定的通訊協(xié)議進行聯(lián)系，實現(xiàn)智能控制的功能[14]（圖2）。

微觀形式的運動則是利用特殊的表皮材料，如熱敏金屬、濕敏材料等，這些材料可以感應環(huán)境因素的變化，并改變材料內部的微觀結構，進而改變材料的形狀，這些材料可以通過改變熱物理性能、透明度或者相變來實現(xiàn)對外界環(huán)境的響應，這種自適應行為是由環(huán)境因素（溫度、相對濕度、降水量等）的變化自動觸發(fā)的，不需要傳感器等設備，可稱為“自適應材料”。

本文借鑒Jae Wan Park 對可變建筑表皮單元的研究方法，加以重新歸納和創(chuàng)新，采用節(jié)點法將不同運動形式的可變建筑表皮進行圖形化的表達，同時每一種運動形式都有從簡單到復雜的控制模式，利用該方法，系統(tǒng)地將不同運動形式的可變建筑表皮單元進行了整理和歸納。如果將表皮單元抽象為一個正方形，則表皮的運動可以表示為正方形中某些關鍵點和邊的運動。關鍵點用于控制表皮單元在運動中的形態(tài)，這些關鍵點主要有三類：運動點（表皮單元中心點）、控制點（運動軸的兩端與正方形邊線的交點）和標準點（控制形體邊界）。根據(jù)運動形式的不同，表皮單元中的邊線可以形成六種不同的狀態(tài)，其中：保持固定不變的邊稱為固定邊；表皮旋轉運動的轉軸稱為鉸接邊；隨著表皮單元的運動，被折斷而失去完整性的邊稱為不閉合邊；表皮單元進行滑動運動的邊界稱為滑動邊；表皮單元進行變形運動，以及自適應材料發(fā)生變形運動的邊界稱為變形邊。

利用這種節(jié)點法表示方法，可將各種可變表皮形式表示為上述關鍵點和邊的組合進行圖示化表達，有助于深入了解可變表皮的運動機理，同時也能為更為復雜的表皮運動系統(tǒng)設計打下基礎。根據(jù)可變建筑表皮的運動形式，可分為旋轉、滑動、折疊、變形、材料自適應五個類別，如圖3所示。其中前面四種屬于宏觀形式的運動，而材料自適應運動屬于微觀形式的運動（表1）。

表1 可變建筑表皮單元的運動形式

續(xù)表1 可變建筑表皮單元的運動形式

3 可變建筑表皮的運動形式

3.1 旋轉運動

旋轉運動形式是機械運動中最基本的形式之一。在可變建筑表皮中，常用耐候性好的材料制成平板、棱狀體等不同形式的構件，利用機械系統(tǒng)或手動控制進行圓周運動，實現(xiàn)對日光、氣流等環(huán)境因素的控制。根據(jù)節(jié)點表示法，可將旋轉運動的表皮單元抽象為一個正方形，用標準點控制形體邊界，使之在一個固定范圍內進行運動；旋轉軸作為鉸接邊，軸的兩端與邊的交點為控制點，兩者控制形體單元進行一定范圍內的旋轉。在運動中固定邊保持靜止，不閉合邊隨著旋轉運動被折斷而失去原有形態(tài)；表皮運動單元的幾何中心作為旋轉的運動點，也是設計表皮運動形式時需要考慮的主要受力點。

旋轉運動可變建筑表皮的典型案例有阿拉伯世界研究中心（表1A）、日本梨縣的樹葉教堂（表1B）、英國紐卡斯爾大學的德文希爾樓南立面（表1C）和意大利貝加莫市的Nembro圖書館（表1D）等。其中英國紐卡斯爾大學的德文希爾樓的南立面采用可自動調節(jié)光環(huán)境的動態(tài)旋轉百葉系統(tǒng)建筑高六層，外表面采用水平向的電動百葉，可圍繞百葉中間的旋轉軸旋轉。建筑的百葉可根據(jù)光傳感器感知外界光線的變化，自動調節(jié)傾斜角度，百葉片可在45°范圍內沿軸旋轉，整個系統(tǒng)采用太陽能驅動，高效節(jié)能[15]。

3.2 滑動運動

滑動運動形式是機械運動中的另一種形式，在可變建筑表皮中，滑動單元形式多種多樣，既可以是較小的遮陽百葉，穿孔鋁板，也可以是大尺度的墻體或屋頂，它們通過在水平、垂直等方向發(fā)生滑動位移，根據(jù)氣候因素的變化進行自動調節(jié)，以滿足對室內舒適度的需求，同時帶來建筑形式和空間上的變化。根據(jù)節(jié)點表示法，把表皮單元可滑動的軸作為滑動邊，與旋轉運動類似，同樣具有鉸接邊和控制點，在控制點的作用下，表皮單元沿著滑動邊做前后的位移；滑動運動同樣存在著固定邊和不閉合邊，它們約束著表皮單元的運動軌跡；表皮運動單元的幾何中心同樣作為滑動運動中的運動點，是控制表皮單元形體和位置的關鍵點。

滑動運動可變建筑表皮的典型案例有：CJ研究中心（表1G）、日本的福岡體育場（表1E）和英格蘭薩?？丝せ瑒幼≌ū?F）等。CJ研究中心是由美國建筑師Yazdani Studio所設計，其建筑表皮運動形式和基弗工藝展廳類似，表皮由可移動的單元式矩形穿孔鋁板組合而成，每個板塊單元通過橫向無縫銜接，構成可活動式的完整建筑外立面，在遮陽板背后的中心旋轉軸控制桿件的前后移動，呈現(xiàn)出外表皮的伸縮滑動形式。

3.3 折疊運動

折疊運動形式的表皮單元通常采用較大的板片構件與操作軸進行縱向或橫向的排列。通過對控制點之間的鉸接邊即控制軸的調節(jié)來控制表皮的伸縮滑動，調節(jié)立面遮陽；折疊運動的機理和滑動運動類似，只要對運動點和鉸接邊的的合理設置就可以實現(xiàn)單向或多向的折疊滑動。表皮單元通過控制系統(tǒng)的設定，根據(jù)外界環(huán)境的變化，形成既有韻律又有節(jié)奏性的組合，靈活度較高，且變化方式和折疊門原理相似。

折疊運動可變建筑表皮的典型案例有基弗工藝展廳（Kiefer Technic Showroom）（表1J）、格拉茨技術大學生物催化實驗室（Biocatalysis Lab Building，Technical University Graz）（表1I）和密爾沃基藝術博物館（表1H）等。密爾沃基藝術博物館最大的特色就是展開的頂部遮陽層巨大翼形結構，又稱伯克遮陽設施（Burke Brise Soleil）。遮陽層是由72個金屬桿組成，每邊有36個，長度大小不一，在9～35m不等，遮陽構件和機械控制部分相連，只需4min就能完全開啟或關閉，控制進入室內的光量，同時建筑造型也隨之變化，開啟到最大時，所有金屬桿的輪廓形成兩道優(yōu)美的弧線，給人以強烈的視覺沖擊。

3.4 變形運動

變形運動仍然屬于宏觀運動形式的一種，但它與上述三種機械運動形式有所不同，表皮單元的運動形式是不規(guī)則的。變形運動的表皮單元常常采用充氣式膜結構或張拉膜結構，通常是由軟質彈性材料或帶有空腔的硬質材料作為外表面。隨著外界環(huán)境的變化，改變單元內部的空氣壓力改變，產(chǎn)生一定的應力，形成大小不一的形態(tài)。這種結構形式能大大減輕建筑荷載，同時也能很好地適應外界環(huán)境的變化。按照節(jié)點法表示方法，變形運動點和邊的組合大致可分為兩種形式：一種是形體單元的四個頂點都為控制點，點之間所形成的線為變形邊，形體幾何中心為運動點，表皮單元進行運動時，運動點和變形邊隨之改變，在邊界內部發(fā)生改變；另一種是形體的四個頂點為運動點，運動點間的連線為變形邊，幾何中心為控制點，運動時，表皮中心點向邊界方向逐漸產(chǎn)生變形。

變形運動形式的典型案例有德國館“Cycle Bowl”（表1K）、巴塞羅那的媒體信息與通信技術大廈（表1L）以及水立方（表1M）。水立方的建筑外表面采用ETFE膜制成的氣枕式外墻，可分內外兩層，共由3065個氣枕所組成，根據(jù)外界氣壓變化，雙層氣枕進行變形伸縮以適應外界環(huán)境。

3.5 材料自適應運動

材料自適應運動形式在本質上是一種微觀形式的運動。相比上述幾種運動形式，材料自適應運動不使用機械控制，它利用自適應材料自身的特點響應外部環(huán)境的變化。自適應材料的種類眾多，隨著材料科學的進步，其應用也愈發(fā)豐富，在建筑中常用的自適應材料有熱敏材料、濕敏材料、相變材料等。其中濕敏材料能對空氣中的濕度變化做出響應，借鑒了一些生物材料的特點，如松果的鱗片就是由濕敏材料構成的一種表皮結構，能夠根據(jù)環(huán)境濕度的變化張開或者收縮，適應不同的氣候環(huán)境。材料自適應運動仍可用節(jié)點法進行表示，其運動原理與變形運動類似。

濕敏材料應用在建筑中的典型案例有德國的HygroSkin Meteorosensitive Pavilion（表1N）。該建筑外立面采用由斯圖加特大學基于松果材質特性研發(fā)出的復合木質材料，具有良好的濕敏性感知能力和一定的彈性。用這種材料做成的通風窗，采用類似于細胞的形式，由多塊復合材料拼裝而成，能根據(jù)室外環(huán)境的變化自動調節(jié)開閉狀態(tài)，不需要外界動力，實現(xiàn)了建筑的“自主呼吸”。

結語

氣候適應性可變建筑表皮是當代建筑設計研究的重要方向之一，可變建筑表皮所具有的可調節(jié)、形式多變、智能可控等特點將得到建筑行業(yè)更多的關注。應用機械運動和智能控制的相關原理，可以更深入地對表皮的運行機理、運動形式進行了解，能為進一步設計更為復雜的可變建筑表皮形式打下基礎。本文通過對氣候適應性可變建筑表皮的運動形式進行分析可知：

①從運動形式上可以將可變建筑表皮的運動分為五種形式：旋轉、滑動、折疊、變形、材料自適應；使用節(jié)點法表示方法，可將表皮單元的運動形式進行圖示，表示為關鍵點和關鍵邊的不同組合。

②氣候適應性可變建筑表皮對環(huán)境的響應是一種信息交互的過程，經(jīng)過“感知—計算—反饋—響應—控制”等步驟來實現(xiàn)建筑對氣候環(huán)境因素的智能調節(jié)，同時需要借助數(shù)字化技術、計算機優(yōu)化技術、機械技術、自動控制技術等得以實現(xiàn)。

資料來源：

表1，圖1～3：作者繪制；

表1中圖片A—N：來自于網(wǎng)絡。