石 峰，鄭 赟，馬用超

緒論

根據(jù)相關(guān)研究，我國建筑產(chǎn)業(yè)碳排放量較大，其中建筑運行階段的總商品能耗約占全國能源消費的22%[1]。從全球來看，建筑使用階段的用電和取暖消耗的能源占建筑使用階段的能源的68.87%[2]。因此，減少建筑使用階段的能源消耗對于減少建筑整個生命周期的能耗至關(guān)重要，而在建筑使用過程中，大部分的能源消耗都來自于空調(diào)和照明，于是控制室內(nèi)的光、熱環(huán)境，減小照明和空調(diào)的能源消耗成為促進建筑節(jié)能的一個重要途徑。建筑表皮作為聯(lián)系室內(nèi)、外環(huán)境的媒介，對室內(nèi)環(huán)境的調(diào)控起著重要的作用，在這樣的背景下，建筑表皮的節(jié)能性受到更多的關(guān)注，如何使表皮能夠適應(yīng)外界的氣候環(huán)境，也是重要的研究主題之一。

氣候適應(yīng)性建筑表皮，簡單地理解，就是能夠調(diào)節(jié)自身狀態(tài)以適應(yīng)外界氣候環(huán)境變化的建筑表皮。建筑表皮是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，需要對熱、光、濕、通風(fēng)等多方面進行控制，建筑表皮的適應(yīng)性需要建筑系統(tǒng)的各種元素協(xié)同作用，就像人體的感知系統(tǒng)和表達系統(tǒng)，能夠根據(jù)人體的感知做出不同的反應(yīng)，建筑中的傳感器、驅(qū)動器和控制系統(tǒng)，能夠有效地應(yīng)對環(huán)境變化以適應(yīng)室內(nèi)功能的不同需求[3]。因此氣候適應(yīng)性建筑表皮還具備多功能和高度自適應(yīng)的特點，通過實時響應(yīng)建筑內(nèi)部的性能要求和邊界條件來提高整體建筑性能[4]。因此當(dāng)前的氣候適應(yīng)性建筑表皮的研究開始呈現(xiàn)出動態(tài)的、智能的趨勢，這使得建筑表皮能夠提供以往被動式的靜態(tài)表皮難以實現(xiàn)的靈活性。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)對氣候適應(yīng)性建筑表皮的研究逐漸從理論探索轉(zhuǎn)變到研發(fā)設(shè)計層面，并且也開始通過計算機模擬的方法來對表皮的效果進行驗證。清華大學(xué)的李保峰[5]在其博士論文中對探索了氣候適應(yīng)性表皮的定義、設(shè)計方法，并進行了實驗和模擬來研究其效果。天津大學(xué)的馮剛、苗展堂等[6-9]進一步對動態(tài)表皮的相關(guān)理論進行了系統(tǒng)性的研究和梳理，總結(jié)了動態(tài)表皮的分類、應(yīng)用技術(shù)和控制因素等。在使用參數(shù)化技術(shù)進行表皮設(shè)計的方法方面，同濟大學(xué)袁烽[10]、東南大學(xué)李飚[11]、哈爾濱工業(yè)大學(xué)孫澄[12]等都對建筑表皮的參數(shù)化設(shè)計進行了探索和實踐。

生物體對外界刺激發(fā)生一定的反應(yīng)，感受到體外溫度、聲音、光線、化學(xué)成分等因素的變化，并做出有利于維持生命活動的反應(yīng)，即應(yīng)激性。生物界有多種多樣感受刺激和做出反應(yīng)的機制，其結(jié)果使得生物適應(yīng)環(huán)境，其對環(huán)境的響應(yīng)具有高效、動態(tài)、多功能等特點。仿生（Bionics）這個術(shù)語最早由1960年美國的J.E. Steele在一次名為“仿生學(xué)專題：生物原型——通往新技術(shù)的關(guān)鍵”會議中提出，指模仿生物系統(tǒng)的功能和行為應(yīng)用到技術(shù)的方法，除此之外，還有類似的術(shù)語如Bioinspired、Biomimicry等，都被廣泛地使用在各種研究中[13，14]。隨著氣候適應(yīng)性建筑表皮的跨學(xué)科研究逐漸增加，結(jié)合仿生學(xué)的氣候適應(yīng)性建筑表皮的設(shè)計也頗受關(guān)注。自然界中動植物在漫長進化中發(fā)展出了適應(yīng)環(huán)境變化的策略，從這些策略中學(xué)習(xí)無疑是提升建筑表皮性能的最佳方法之一。國外對仿生建筑表皮的研究主要為設(shè)計方法研究和基于某種仿生策略的表皮設(shè)計，在表皮設(shè)計中，大部分都停留在方案階段，制造出模型進行實測以及能夠建造出實物落地的案例較少。而國內(nèi)則對仿生建筑表皮的研究較多為理論研究，相應(yīng)的仿生建筑表皮設(shè)計也多是從結(jié)構(gòu)和美觀角度出發(fā)，較少考慮表皮功能。這一方面是由于學(xué)科之間的屏障使得建筑領(lǐng)域的學(xué)者難以獲取需要的信息，另一方面許多仿生表皮的設(shè)計仍然存在難以落地的困難。因此本文將梳理當(dāng)前利用仿生學(xué)進行適應(yīng)性建筑表皮的方法，并對現(xiàn)有的一些仿生建筑表皮進行分類和探討。

1 仿生建筑表皮設(shè)計方法和理論

1.1 仿生設(shè)計方法

仿生學(xué)作為一門多學(xué)科交叉的學(xué)科，在建筑中的應(yīng)用需要建筑師對生物學(xué)有一定的研究，這導(dǎo)致設(shè)計師在仿生設(shè)計中存在一定的障礙。因此在進行仿生設(shè)計時，需要遵循一定的方法或策略才能更有效率地得到解決方案。

2015年，德國工程師協(xié)會（VDI）推出了一系列仿生設(shè)計方法指南，其中VDI 2660中提出了判斷一項產(chǎn)品是否為仿生的評判標(biāo)準(zhǔn)，隨后Werner Nachtigall將其簡化為“知識-抽象-應(yīng)用”。這也為仿生產(chǎn)品的設(shè)計提供了簡明的指南，當(dāng)前對建筑的仿生設(shè)計方法，基本都是在這個框架上進行的。對于建筑師來說，仿生設(shè)計更注重各專業(yè)之間的合作，對比工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計，建筑設(shè)計的流程并非線性而是同時包含了許多階段，仿生學(xué)只是應(yīng)用于其中的一種設(shè)計工具，具體應(yīng)用也不局限與任何一個設(shè)計階段和使用程度，因此基于建筑設(shè)計的仿生設(shè)計方法也可能會呈現(xiàn)出多種模式。

當(dāng)前已有許多學(xué)者提出了在建筑設(shè)計中應(yīng)用仿生學(xué)的方法，有的方法更側(cè)重于概念生成因而對具有較為復(fù)雜的應(yīng)用階段相對比較容易被忽視，此外，部分方法在進行深化時主要是通過方案的反饋和迭代設(shè)計，因而方法流程圖解往往呈螺旋形，這種方式帶來的好處是對于不具備生物學(xué)科知識的建筑師而言，可以通過一次又一次的案例尋找、抽象轉(zhuǎn)換的過程提出方案的性能，加深設(shè)計的深度。比如Carl Hastrich[15]提出的“仿生設(shè)計螺旋（The Biomimicry Design Spiral）”的設(shè)計方法，其流程圖如圖1所示，其特點在于每一次的設(shè)計流程結(jié)束后可以對設(shè)計結(jié)果進行評估，然后再次循環(huán)流程。這種方式的優(yōu)勢在于可以快速地推進方案設(shè)計，但在沒有專業(yè)背景的條件下，可能難以進行有深度的設(shè)計，在實際的應(yīng)用中可能需要多次循環(huán)過程，而結(jié)果上來說可能并不如方法所說的那樣高效。Julian F. V. Vincent和他的同事基于TRIZ提出了新的設(shè)計理念Bio-TRIZ[16]則是基于數(shù)據(jù)庫，通過對目標(biāo)、行為等進行檢索，得到解決問題的相應(yīng)生物界中的案例來進行設(shè)計的方法。這種依賴于案例庫的方法極大地便利了設(shè)計師，盡管這也對案例庫的數(shù)據(jù)量有著較高的要求。

圖1 仿生螺旋設(shè)計流程

對于將自然中的適應(yīng)性策略應(yīng)用到建筑設(shè)計中的方法，較為普遍的做法是將策略進行抽象提取，轉(zhuǎn)化為更通用的原理，如從自然界中提取生物的形態(tài)和功能組織，促進建筑形體結(jié)構(gòu)、功能排布等的高效設(shè)計與合理形成。也可以引入其他學(xué)科的方法作為橋梁，比如Garcia Holguera[17]提出的設(shè)計方法引入了熱力學(xué)的語言以及來自生態(tài)工程的圖形工具和基于系統(tǒng)思維理論的環(huán)境建模工具。Ilaria Mazzoleni[18]則提倡使用圖像來作為各專業(yè)之間溝通的媒介，其要點在于在對不同分類的生物性狀進行分析時，使用圖形將其適應(yīng)性策略進行抽象提取，并最終轉(zhuǎn)換為建筑語匯生成最終的原型設(shè)計。

1.2 仿生學(xué)對建筑表皮設(shè)計的啟發(fā)

在可持續(xù)建筑、綠色建筑等概念日益受到關(guān)注的背景下，仿生學(xué)可以從多個角度為建筑表皮的設(shè)計提供靈感。在微觀層面上，動植物組織的微觀結(jié)構(gòu)可以啟發(fā)新的建筑表皮材料研發(fā)，而生物進行的能量轉(zhuǎn)化具有高效、穩(wěn)定的特點，并且通常在常溫下就能進行，這對建筑的環(huán)境調(diào)節(jié)具有啟發(fā)意義。而從宏觀層面上，在自然界“資源‘珍貴’而形態(tài)‘便宜’”這一原則下，生物的形態(tài)都傾向于使用最少的材料組成最堅固穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，這對于建筑的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)以及形態(tài)設(shè)計具有較高的參考價值；生物界的循環(huán)系統(tǒng)以及生物與環(huán)境之間、不同物種之間形成了動態(tài)穩(wěn)定和可持續(xù)的系統(tǒng)，這對當(dāng)前提出的零碳建筑等概念是絕佳的參考案例，尤其是當(dāng)前的建筑還普遍存在著難以回收利用、維持適宜的室內(nèi)環(huán)境需要消耗大量能源等弊病。

在建筑的空間塑造、外觀表達乃至室內(nèi)環(huán)境控制等諸多方面，建筑表皮都起著重要作用，尤其是在建筑節(jié)能領(lǐng)域，建筑表皮的物理性質(zhì)和形態(tài)都關(guān)乎建筑室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)。自然界中不同生物的生活環(huán)境多變并且差異巨大，但所有生物都共同面臨著的問題便是如何適應(yīng)環(huán)境，并創(chuàng)造出自身所需要的環(huán)境。從目的上來講，生物和建筑似乎都具有維持自己所需的穩(wěn)定環(huán)境的需求，而這些適宜環(huán)境的策略則可以為適應(yīng)性建筑表皮的設(shè)計提供啟發(fā)。以生物的皮膚組織為例，在功能上，皮膚作為一道屏障，具有抵御外部環(huán)境、進行物質(zhì)交換、維持體內(nèi)平衡的作用，而這些作用機制都有可能被轉(zhuǎn)譯到建筑表皮設(shè)計中去，例如北極熊皮毛的保溫性能，其毛發(fā)結(jié)構(gòu)以及皮毛構(gòu)造可為寒冷地區(qū)建筑表皮的材料和構(gòu)造提供參考。但仿生建筑表皮的設(shè)計也不能僅僅停留在對生物表皮組織的模仿，還可以從表皮與整體建筑系統(tǒng)的關(guān)系，適應(yīng)環(huán)境的機制以及與其他物種的關(guān)系等方面去尋求設(shè)計靈感來源。比如從對光的捕獲這一角度，Jong Jin Park[19]對昆蟲復(fù)眼的構(gòu)造進行研究后，根據(jù)復(fù)眼聚焦光線的原理，設(shè)計了一種能夠調(diào)節(jié)體育場內(nèi)光線分布的表皮。

1.3 仿生建筑表皮的分類

對生態(tài)學(xué)知識缺乏足夠了解的建筑師而言，要進行仿生設(shè)計，在自然的案例庫中與設(shè)計需求之間架起橋梁是至關(guān)重要的步驟。如何有針對性地去尋找案例或者與相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覝贤?，將設(shè)計進行有層次地分類是一種途徑。

因此，這種分類需要有助于設(shè)計的推進，那么首先可以從表皮本身的設(shè)計要素出發(fā)，比如形態(tài)、材料和結(jié)構(gòu)。細分到適應(yīng)性建筑表皮上，Loonen等則從八個方面來對適應(yīng)性建筑表皮進行分類，即目標(biāo)、響應(yīng)功能、控制類型、技術(shù)類型、響應(yīng)周期、表皮尺度、可視度和控制模式[4]。而這當(dāng)中，在設(shè)計中往往最先需要考慮的通常為目標(biāo)，響應(yīng)功能、控制類型、表皮尺度和控制模式的選擇會在前者確定了的基礎(chǔ)上進行，隨之可能會在可實現(xiàn)的技術(shù)類型、響應(yīng)周期和可視度中去選擇適宜的模式。

進行仿生建筑表皮的設(shè)計，也同樣需要考慮到仿生學(xué)角度的分類。自仿生學(xué)的概念提出以來，許多學(xué)者也討論了對不同層級的仿生學(xué)分類，Janine M. Benyus[20]提出了模仿自然的三個階段，她認為第一階段是模仿復(fù)雜生物有機體的形態(tài)、組成、材料等直觀的特點；第二階段是深入研究并應(yīng)用生物作用的機制和進程；而第三階段研究模仿的對象則是更復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)的作用機理以及內(nèi)在關(guān)系。而進行具體設(shè)計的時候，對生物的形態(tài)、材料等不同要素的模仿往往也直觀地影響著設(shè)計的結(jié)果，因此對于不同階段的仿生類型還可以進一步地進行細分。Maibritt Pedersen Zari提出了一種有助于建筑師去理解仿生學(xué)的應(yīng)用框架，并對可應(yīng)用的內(nèi)容進行了多層次的分類[21]，他將仿生設(shè)計分為三個層次：生理層次、行為層次和生態(tài)系統(tǒng)層次，而每個層次又分為五個可以進行模仿的維度：形式、材料、結(jié)構(gòu)、過程和功能；Zari的分類包含了形式、材料、結(jié)構(gòu)、過程和功能五種類型，但沒有對不同仿生維度的概括；Aysu Kuru等[22]將仿生類型分為了形態(tài)、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、特征、化學(xué)反應(yīng)、運動模式、感性運動和向性運動，但這種分類較詳細，比如運動模式、感性運動雖然對應(yīng)上生物不同生理基礎(chǔ)的反應(yīng)，但在設(shè)計中都可以轉(zhuǎn)化為表皮的動態(tài)模式的設(shè)計。

建筑表皮的設(shè)計要素和適應(yīng)性建筑表皮的分類更利于完善表皮本身的設(shè)計，仿生角度的分類則更有利于反映仿生建筑表皮的仿生特性以及從相應(yīng)仿生維度的案例中提取策略。結(jié)合來看，這幾種分類在一定程度上可能進行類比。仿生設(shè)計的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和材料應(yīng)對著建筑表皮基本的設(shè)計要素，行為以及生物活動的過程應(yīng)對著響應(yīng)周期、控制類型和控制模式，而仿生學(xué)中的系統(tǒng)層次，更加強調(diào)建筑表皮與建筑整體的系統(tǒng)的聯(lián)系性。因此在本文中，主要從從仿生類型的角度進行分類，結(jié)合了上文適應(yīng)性建筑表皮分類的一些定義，將仿生建筑表皮分為了形態(tài)仿生、結(jié)構(gòu)仿生、材料仿生、行為仿生和系統(tǒng)仿生。

2 不同類型的仿生建筑表皮

通過搜尋關(guān)于仿生建筑表皮的文獻、案例，本文對具有代表性的39個仿生建筑表皮設(shè)計的案例進行總結(jié)，如表1所示，并根據(jù)其仿生類型對其進行了分組，總結(jié)了這些案例的靈感來源、表皮功能以及設(shè)計階段。仿生表皮案例的選取標(biāo)準(zhǔn)為案例具備完整的概念設(shè)計，并且核心的仿生部分具有實際的功能而非單純的裝飾作用。其中，仿生類型為上文提及的形態(tài)仿生、結(jié)構(gòu)仿生、材料仿生、行為仿生和系統(tǒng)仿生。而設(shè)計階段則主要是評價案例的設(shè)計深度和落地程度，僅提出設(shè)計概念，設(shè)計了表皮外形概念和作用機制但沒有進一步的深化設(shè)計，也沒有通過其他方式對設(shè)計進行評估的屬于概念階段；而有了較為深入的設(shè)計，但并沒有實際落地的項目則屬于設(shè)計階段；對于制造出能夠?qū)崿F(xiàn)所設(shè)計的功能或效果的等比例實體模型的設(shè)計方案和以及落地建成并能夠順利運轉(zhuǎn)的實際建造案例，在本文中都屬于已建成的分類。

2.1 形態(tài)仿生

形態(tài)仿生的仿生建筑表皮設(shè)計指對自然界某種生物或非生物在適應(yīng)環(huán)境過程中形成的外形進行模仿，以自然作為模型來度量和指導(dǎo)解決建筑中的各種問題，建筑表皮的功能實現(xiàn)也是依托于其特殊的外觀。形態(tài)仿生通常應(yīng)用于建筑表皮的表皮單元形態(tài)設(shè)計、建筑圍護結(jié)構(gòu)的外觀設(shè)計，在更宏觀的層級上，可以應(yīng)用于建筑的形體設(shè)計。在案例搜集過程中，可以根據(jù)表皮設(shè)計的目的，從如光、熱、水等功能應(yīng)對要素，也可以根據(jù)建筑所在環(huán)境，所應(yīng)對的氣候?qū)ι镄螒B(tài)案例進行針對性地調(diào)研。以植物形態(tài)對光的適應(yīng)性為例，許多草本植物的葉片在垂直方向上呈現(xiàn)出不同的角度，其目的則是為了最大限度地利用陽光，這種角度呈現(xiàn)不同層級變化的形態(tài)則可以通過直接的形態(tài)仿生方法，模擬葉片的傾斜角度并運用在遮陽表皮的設(shè)計上，如表1中的案例1，遮陽板可以改變自己的位置和傾角，以最低的遮陽板密度實現(xiàn)遮陽的最大化，這樣一方面避免了直射光對室內(nèi)環(huán)境的影響，另一方面也盡可能地避免了對視線和漫射光的遮擋。而形態(tài)仿生在表皮整體與建筑之間的關(guān)系設(shè)計上的應(yīng)用，可以從案例2對白蟻巢穴形態(tài)的模仿中看到，蟻巢形態(tài)的原理被應(yīng)用在表皮單元形態(tài)和組織上，從功能上來說， 該形態(tài)仿生模擬了白蟻巢穴內(nèi)部孔洞調(diào)節(jié)巢穴內(nèi)部通風(fēng)的效果以及形態(tài)整體所具備的遮陽效果。

表1 仿生建筑表皮案例

與純粹地模仿生物形態(tài)外觀不同，形態(tài)仿生的運用的本質(zhì)還是理解這種形態(tài)背后的原理所在而非單純地照搬，一方面在于建筑表皮與生物組織本身是不同的系統(tǒng)，材料、尺度等均存在差異，完全復(fù)刻自然中的造型存在較大的困難，因此需要對形態(tài)進行抽象簡練，而對原理的理解是這種抽象的基礎(chǔ)；另一方面，建筑表皮功能的復(fù)雜性也決定了表皮的設(shè)計不能唯性能論，表皮的設(shè)計需要在功能、外觀以及成本之間不斷權(quán)衡，因此在對自然中的某種形態(tài)進行模仿時需要平衡這種形態(tài)對其他要素的影響，這需要設(shè)計師對其功能效果進行取舍。

2.2 結(jié)構(gòu)仿生

結(jié)構(gòu)仿生的仿生建筑表皮通常為對自然界中生物或非生物宏觀或微觀上的組織結(jié)構(gòu)進行分析，并將其轉(zhuǎn)譯到表皮設(shè)計從而實現(xiàn)相近的效果。相較于形態(tài)仿生從外部形態(tài)與功能上的模仿，結(jié)構(gòu)仿生更注重內(nèi)部的組織原則與運行模式。結(jié)構(gòu)方式可以應(yīng)用于表皮自身受力結(jié)構(gòu)的設(shè)計，也可以應(yīng)用于表皮單元構(gòu)件的設(shè)計，這可能是構(gòu)件的外形，也可能是構(gòu)件的驅(qū)動裝置或者是構(gòu)件的材料構(gòu)成等。

自然界中存在的結(jié)構(gòu)仿生種類眾多，如生物體細胞排列組合形成的纖維結(jié)構(gòu)、在生物界廣泛存在的氣泡結(jié)

構(gòu)、以堅固著稱的螺旋結(jié)構(gòu)、仿造動物骨架的骨干結(jié)構(gòu)、各種形式的殼體結(jié)構(gòu)等等。在諸多的結(jié)構(gòu)仿生中，將其運用到表皮結(jié)構(gòu)當(dāng)中時，有的體現(xiàn)為對表皮結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的受力優(yōu)化，如案例11的BOWOOSS亭的設(shè)計通過模仿硅藻的結(jié)構(gòu)來使得構(gòu)筑物能夠用較少的材料實現(xiàn)自承重并達到較好的視覺效果。但除了對承重系統(tǒng)的優(yōu)化外，結(jié)構(gòu)仿生也能在其他方面發(fā)揮作用，如案例14中Anja Mader等在對某些禾本植物葉片開合的原理進行研究后，針對傳統(tǒng)動態(tài)表皮的機械結(jié)構(gòu)成本高、易損壞等問題研發(fā)了通過氣泵來控制表皮開合的技術(shù)，使得表皮能夠在耗能更少的情況下有效控制室內(nèi)的采光，這是對表皮的制動裝置進行了改良，從而優(yōu)化其性能。

續(xù)表1 仿生建筑表皮案例

續(xù)表1 仿生建筑表皮案例

從現(xiàn)有表皮的案例來看，基于結(jié)構(gòu)仿生的仿生建筑表皮數(shù)量也較多，表皮的功能也更加多樣，對于自然界中的很多生物而言，很多功能的實現(xiàn)都依托于其特殊的構(gòu)造，這種構(gòu)造可能很難直接在形態(tài)上體現(xiàn)，或者其外在形態(tài)也只是這種構(gòu)造的結(jié)果，這是結(jié)構(gòu)仿生區(qū)別于形態(tài)仿生的一個方面，因此，如果僅對其形態(tài)進行解析可能很難有效地模仿其功能。

續(xù)表1 仿生建筑表皮案例

2.3 材料仿生

材料仿生的仿生建筑表皮是基于自然界中生物的各種特點或者特性開發(fā)出相應(yīng)的仿生材料，并其應(yīng)用于建筑表皮之中。在應(yīng)用上，也基本集中于表皮本身的材料組成層面上，也常常與其他方面如形態(tài)、結(jié)構(gòu)結(jié)合起來設(shè)計。通常來說，基于材料仿生的表皮設(shè)計還是更注重表皮材料的屬性帶來的作用，比如反射率、吸水性等，在功能上也基本以調(diào)節(jié)采光和溫度為主。

案例22中，受到植物通過在葉片表皮附上蠟質(zhì)層或者絨毛來反射陽光的啟發(fā)，提出了炎熱干旱地區(qū)的建筑表皮設(shè)計概念，這種方式能夠有效地阻隔熱量進入是室內(nèi)從而達到節(jié)能的目的。而這種概念的實現(xiàn)則需要相應(yīng)材料研發(fā)的支持，現(xiàn)已有專家探究了銀葉菊通過表面的絨毛來反射光線的原理，并用聚苯乙烯來模仿了這種結(jié)構(gòu)[46]。案例21的HygroSkin以及案例23都利用了松果在水分的驅(qū)動下控制開合的原理，將不同吸水程度的纖維疊合在一起，使得表皮能夠在不同濕度下呈現(xiàn)不同的卷曲和平展?fàn)顟B(tài)，是一種幾乎零能耗的建筑表皮控制方式。

相較于其他仿生類型的設(shè)計，基于材料仿生的仿生設(shè)計研究基本都是在微觀層面，并且對于建筑師而言，專業(yè)性較強，在研究過程中通常為與其他學(xué)科比如材料領(lǐng)域的學(xué)者共同研究，或者根據(jù)材料領(lǐng)域的研究成果進行再利用。

2.4 行為仿生

行為仿生這一分類主要是對生物在一定時間內(nèi)自身形態(tài)、顏色或性質(zhì)發(fā)生變化以適應(yīng)環(huán)境的行為的模仿，在建筑表皮設(shè)計中大多對應(yīng)著表皮的運動模式的設(shè)計。因此，基于行為仿生的仿生建筑表皮通常是動態(tài)的，就現(xiàn)有案例而言，調(diào)節(jié)功能大多為采光調(diào)節(jié)或溫度調(diào)節(jié)，而一些概念設(shè)計還涉及到通風(fēng)調(diào)節(jié)。

案例25的Homeostatic Facade是Decker Yeadon受人體肌肉對溫度的不同反應(yīng)為啟發(fā)而設(shè)計的，表皮采用特殊材料，在溫度較高時能夠展開進行遮陽，而在溫度較低時收起增加輻射的進入，從而對室內(nèi)溫度進行調(diào)節(jié)，但該表皮只制作了單元模型，并未實際應(yīng)用于項目中；在案例31中，Wajiha Tariq Sheikh和Quratulain Asghar根據(jù)酢漿草的追光運動設(shè)計了能夠根據(jù)太陽方向調(diào)節(jié)角度的建筑表皮，酢漿草在光線較弱時追蹤太陽，使葉片與光線方向垂直，從而得到最大的受光面積，而該表皮可以在垂直和水平方向上進行折疊，從而形成水平或垂直遮陽，并能夠根據(jù)陽光的入射方向進行調(diào)節(jié)，更高效靈活的調(diào)節(jié)室內(nèi)光線。

相較于靜態(tài)的結(jié)構(gòu)和形態(tài)，行為仿生能夠通過變化來適應(yīng)環(huán)境在一些情況下會更有效率，而生物在產(chǎn)生動態(tài)變化時也會盡量減小變化的幅度或者利用其它自然現(xiàn)象輔助運動以減少消耗的能量。在對這些案例進行分析時，這些使得運動模式更有效率的原理也是行為仿生的核心所在。

2.5 系統(tǒng)仿生

基于系統(tǒng)仿生的仿生表皮設(shè)計更加強調(diào)各組織部分之間的相互關(guān)系以及表皮與建筑整體之間的關(guān)系，更多地關(guān)注不同功能間的組織以及各組成部分之間的相互作用。因此，系統(tǒng)仿生也往往應(yīng)用于建筑設(shè)計的初始概念階段，從整體的角度出發(fā)來對建筑表皮的功能、組織和分布進行考慮，比起前幾種仿生模式，系統(tǒng)仿生通常并非聚焦于具體部分的設(shè)計而是指導(dǎo)性的設(shè)計指南。從系統(tǒng)出發(fā)進行設(shè)計和優(yōu)化也被認為是比只注重局部更高效的設(shè)計方法，一些學(xué)者也號召將建筑視為完整的系統(tǒng)來進行設(shè)計。

案例39即澳大利亞的Council House 2是一個較為典型的例子，其表皮設(shè)計借鑒了皮膚和樹皮在生物體中的功能作用，表皮系統(tǒng)的組織模仿了皮膚真皮層和表皮層的區(qū)分，將建筑表皮分為了兩個層級，而衛(wèi)生系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)置參照了樹皮的功能作用，使得室內(nèi)的空氣循環(huán)更加高效。Council House 2的節(jié)能設(shè)計有很多，表皮系統(tǒng)只是其綠色設(shè)計中的一部分，所有的系統(tǒng)是共同起作用的，這也使得該建筑有著卓越的節(jié)能效果。在系統(tǒng)仿生中，設(shè)計師也可以從系統(tǒng)的角度去理解生物的行為、組成等，案例37和38是基于生物的呼吸系統(tǒng)在生命進程中的作用方式來進行仿生設(shè)計的，表皮的設(shè)計也不是對生物組織的行為、結(jié)構(gòu)或外形進行模仿，而是還原了系統(tǒng)中的運作方式。案例38的Breathing Skins Project采用了高吸水聚合物作為表皮主要材料，使得表皮能夠在水分的驅(qū)使下通風(fēng)和蒸發(fā)水分，從而達到調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境的目的。

系統(tǒng)仿生在功能和作用機制上也往往呈現(xiàn)出更多的復(fù)雜性和專業(yè)性，一方面是因為生態(tài)環(huán)境的復(fù)雜性，另一方面也是生物組織之間相互聯(lián)系的作用機理的體現(xiàn)。系統(tǒng)仿生與生態(tài)學(xué)有更多的交叉部分，在設(shè)計過程中，可以通過二維繪圖的形式對系統(tǒng)之間的相互關(guān)系進行分析、拆解，一方面可以降低不同學(xué)科之間溝通的門檻，另一方面也能更好地應(yīng)用于基于圖像設(shè)計的建筑設(shè)計流程中去。

結(jié)論

建筑表皮自出現(xiàn)起到現(xiàn)在已經(jīng)經(jīng)過了許多次演變，而伴隨著人們環(huán)保意識的不斷加強，對表皮的關(guān)注也逐漸從其裝飾性轉(zhuǎn)向了其功能性。本文通過對氣候適應(yīng)性建筑表皮的仿生設(shè)計案例進行梳理，結(jié)合仿生建筑表皮設(shè)計方法和理論得到以下結(jié)論：

（1）氣候適應(yīng)性建筑表皮的仿生設(shè)計可以從形態(tài)仿生、結(jié)構(gòu)仿生、材料仿生、行為仿生和系統(tǒng)仿生五個角度來進行，通常來說，系統(tǒng)仿生關(guān)注的是表皮在建筑中的作用以及與其他部分之間的關(guān)系，而形態(tài)、結(jié)構(gòu)和材料仿生對應(yīng)表皮的組成和基本屬性，行為仿生則為表皮的控制方式或運行模式提供了參考。不同層級的仿生類型并沒有優(yōu)劣之分，其核心都在于對自然策略的原理的深入研究和抽象。

（2）從設(shè)計對象來說，越整體、類型越復(fù)雜的仿生設(shè)計具備更高的專業(yè)性，也更利于建筑整體性能的提升，而關(guān)注于具體構(gòu)件的設(shè)計對設(shè)計師而言更易于實踐，在功能上也適宜于清晰簡單的設(shè)計目標(biāo)。

（3）就當(dāng)前的現(xiàn)狀而言，大部分的仿生表皮設(shè)計方法都更偏向于概念設(shè)計，許多仿生建筑表皮設(shè)計案例也都停留在了方案設(shè)計階段，并且許多案例并未對表皮的應(yīng)用效果進行評估，更不用談后續(xù)的深化設(shè)計；大部分仿生建筑表皮僅針對某一環(huán)境參數(shù)進行相應(yīng)的控制，缺乏對對建筑環(huán)境多因素、復(fù)雜性的考慮。而科技的進步將促進了仿生設(shè)計的實現(xiàn)，智能建造的發(fā)展使得建筑的表達可以更多元，從建筑的環(huán)境性能出發(fā)，在建筑設(shè)計中借鑒生物表皮的環(huán)境適應(yīng)功能，能為建筑節(jié)能技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用提供新的思路，將具有廣闊的發(fā)展空間。

圖、表來源

圖1：參考文獻[16]；表1：作者基于對參考文獻[23-45]的信息進行整理繪制。