方幫華 王光照

1. 中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司 湖北 武漢 430010；

2. 徐輝設(shè)計(jì)股份有限公司 河南 鄭州 450000

引言

隨著城鎮(zhèn)化的推進(jìn)和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，越來(lái)越多的人口向城市聚集，對(duì)建筑質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。在此過(guò)程中，建筑物也應(yīng)順應(yīng)社會(huì)文化發(fā)展方向，以多元化的形式融入城市中，為居民的工作和生活提供更加舒適的空間。在此背景下，有學(xué)者就提出了“動(dòng)態(tài)建筑”設(shè)計(jì)理論，即借助各種連接、齒輪、控制系統(tǒng)等使建筑物實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、伸縮、折疊、移動(dòng)等。由于，動(dòng)態(tài)建筑在我國(guó)起步較晚，且涉及多學(xué)科的交叉整合，使得相關(guān)設(shè)計(jì)理論并不成熟，可以參考的落地項(xiàng)目少。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員對(duì)動(dòng)態(tài)建筑理解較膚淺，難以制定出合理的設(shè)計(jì)方案，因此，進(jìn)一步研究動(dòng)態(tài)建筑設(shè)計(jì)方法具有重要的工程意義[1]。

1 動(dòng)態(tài)建筑表現(xiàn)特征和實(shí)現(xiàn)手段分析

1.1 動(dòng)態(tài)建筑表現(xiàn)特征

動(dòng)態(tài)建筑目前并沒(méi)有統(tǒng)一的分類方法，按結(jié)構(gòu)類型可劃分為支撐結(jié)構(gòu)件可動(dòng)、外圍護(hù)結(jié)構(gòu)件可動(dòng)、內(nèi)部空間分隔結(jié)構(gòu)件可動(dòng)、裝飾性結(jié)構(gòu)件可動(dòng)等；按動(dòng)態(tài)變化范圍可劃分為混合變化和單一的變化，不論按何種方式進(jìn)行劃分，動(dòng)態(tài)建筑都呈現(xiàn)以下特征[2]。

1.1.1 空間可塑性。建筑空間不僅承載使用功能，還要能體現(xiàn)出場(chǎng)所精神，故空間塑造的好壞是評(píng)判建筑物設(shè)計(jì)水平的重要因素。一般建筑對(duì)空間的塑造是靜態(tài)的，本質(zhì)上由多個(gè)固定的空間組成。動(dòng)態(tài)空間則恰恰相反，可以將多個(gè)空間重新進(jìn)行塑造，利用不同空間的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)垂直、水平等不同移動(dòng)方向進(jìn)行空間劃分，打通各空間之間的距離以及相互關(guān)系，打造更舒適的居住體驗(yàn)環(huán)境，提升建筑空間活力。

1.1.2 需求響應(yīng)性。動(dòng)態(tài)建筑的需求響應(yīng)特征主要體現(xiàn)在兩方面。一是對(duì)功能需求的響應(yīng)。人可以根據(jù)自身需求對(duì)動(dòng)態(tài)建筑不斷進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到改善條件的目的，通過(guò)人為干預(yù)使得功能需求響應(yīng)處于被動(dòng)狀態(tài)；二是建筑內(nèi)部隨著環(huán)境也會(huì)發(fā)生不同響應(yīng)。外界的溫度。濕度等環(huán)境都會(huì)成為影響因素，這時(shí)可設(shè)置電子感應(yīng)設(shè)備來(lái)判斷這種變化，從自動(dòng)調(diào)整建筑物的內(nèi)部環(huán)境，使其保持在一個(gè)較舒適的狀態(tài)。由此可知，建筑物對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)屬于主動(dòng)式響應(yīng)。

1.1.3 技術(shù)可行性。動(dòng)態(tài)建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為繁雜，各空間、各構(gòu)造元素之間都錯(cuò)綜復(fù)雜，要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)功能，一定要有體系化的設(shè)計(jì)方案和專業(yè)的技術(shù)支持。這就需要一套全面的控制系統(tǒng)，通過(guò)主控制器、運(yùn)動(dòng)控制器等實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑各空間位置、運(yùn)動(dòng)速度等的移動(dòng)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成及功能如表1所示[3]。

表1 動(dòng)態(tài)建筑的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

1.2 動(dòng)態(tài)建筑實(shí)現(xiàn)手段

1.2.1 活動(dòng)關(guān)節(jié)。在動(dòng)態(tài)建筑中，應(yīng)設(shè)置活動(dòng)關(guān)節(jié)將靜態(tài)原件連接，轉(zhuǎn)化為活動(dòng)部件?；顒?dòng)關(guān)節(jié)不僅要傳遞荷載，還要能在某些方向上相對(duì)移動(dòng)。在設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)建筑時(shí)，常用的活動(dòng)關(guān)節(jié)有旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和軸承連接兩類。

旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)是繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的鉸接元件間的典型連接（只有單一的旋轉(zhuǎn)自由度），包括鉸鏈、轉(zhuǎn)動(dòng)副等，其主要作用是打開或關(guān)閉它們所連接的部件[4]；

軸承連接又分為滑動(dòng)和滾動(dòng)兩類，液體具有潤(rùn)滑作用，通過(guò)滑動(dòng)摩擦，可將滑動(dòng)表面相互阻隔，減輕表面相互磨損，抗沖擊能力輕；滾動(dòng)軸承由內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體和保持架組成，具有維護(hù)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但在沖擊力作用下易損壞。

1.2.2 齒輪和傳動(dòng)器。齒輪將能調(diào)節(jié)動(dòng)力或改變作用力的方向，將建筑物動(dòng)態(tài)可變因素的運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。而傳動(dòng)器可將動(dòng)力轉(zhuǎn)換為機(jī)械功，即利用靜態(tài)部件（定子）和運(yùn)動(dòng)部件（轉(zhuǎn)子或電樞）的排列和連接，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)、滑動(dòng)、折疊等運(yùn)動(dòng)。

1.2.3 材料。相關(guān)研究成果表明，材料類型和占比會(huì)影響動(dòng)態(tài)建筑物整體移動(dòng)情況，選取輕盈的材料在使用上更靈活多變，各個(gè)空間結(jié)構(gòu)越容易調(diào)節(jié)，且各動(dòng)態(tài)元素間的連接越緊密。動(dòng)態(tài)建筑可移動(dòng)部件常用的材料有金屬（鐵、鋁、銅、鋅等）、高分子聚合物、天然材料（竹子、皮革等）、碳纖維。

1.2.4 動(dòng)力系統(tǒng)。動(dòng)力系統(tǒng)是指整體設(shè)備中需要?jiǎng)恿C(jī)（電動(dòng)機(jī)、液壓馬達(dá)、氣動(dòng)馬達(dá)等）來(lái)帶動(dòng)工作，通過(guò)動(dòng)力實(shí)現(xiàn)建筑的位移和轉(zhuǎn)換，達(dá)到空間的協(xié)調(diào)和最佳舒適度。

2 動(dòng)態(tài)建筑設(shè)計(jì)方法

2.1 生成設(shè)計(jì)方案

由上可知，動(dòng)態(tài)可變是動(dòng)態(tài)建筑最關(guān)鍵的特征，故共動(dòng)態(tài)建筑在設(shè)計(jì)階段應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注可變方式的選擇和相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外工程案例，對(duì)旋轉(zhuǎn)、伸縮、折疊、移動(dòng)等可變方式進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2.1.1 旋轉(zhuǎn)。一般來(lái)說(shuō)，人們對(duì)于居住建筑環(huán)境的朝向更為在意，此時(shí)便凸顯出旋轉(zhuǎn)的重要，以一個(gè)點(diǎn)為中心像周圍轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)朝向的變化?？尚D(zhuǎn)動(dòng)態(tài)建筑物的起始形態(tài)和最終形態(tài)是固定的，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)呈現(xiàn)各種形態(tài)以適應(yīng)外界環(huán)境變化。以圖1所示的沙里夫哈住宅（Shanfi-ha）為例[5]：為了確保建筑空間在不同時(shí)間段都能獲取較優(yōu)質(zhì)的光照，采用“旋轉(zhuǎn)盒子”的設(shè)計(jì)理念，如圖當(dāng)盒子打開時(shí)，光源可在不同時(shí)間通過(guò)不同旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)入房間且人可進(jìn)入陽(yáng)臺(tái)活動(dòng)，當(dāng)建筑不想受大量光照時(shí)，又可通過(guò)旋轉(zhuǎn)盒子關(guān)閉，進(jìn)入封閉狀態(tài)。

圖1 沙里夫哈住宅旋轉(zhuǎn)形態(tài)

2.1.2 伸縮。伸縮屬于微變形，包括伸展和收縮兩層含義。在動(dòng)態(tài)建筑設(shè)計(jì)時(shí)，一般是將小截面構(gòu)件放進(jìn)大截面空心構(gòu)件中，以實(shí)現(xiàn)增大或減少建筑物空間的目標(biāo)。建筑物構(gòu)件伸縮后，其長(zhǎng)度、表面積等物理屬性會(huì)變化，但功能基本不變。因此，動(dòng)態(tài)建筑的伸縮效果主要受伸縮方向、伸縮距離兩個(gè)因素影響。

2.1.3 折疊。折疊與伸縮的區(qū)別在于維度，折疊屬于二維變形，但兩者的功能相差不大，都是通過(guò)改變構(gòu)件間的連接關(guān)系來(lái)控制建筑物空間。動(dòng)態(tài)建筑物的折疊有兩大特征：①體積。通過(guò)一個(gè)中心軸的壓縮，體積會(huì)發(fā)生變化，隨著軸方向上的體積不斷縮小，另一邊就會(huì)不斷變大；②性能。折疊變形應(yīng)是可逆的，這就決定了建筑物功能在折疊前后是相差不大的。動(dòng)態(tài)建筑物的折疊效果與折疊時(shí)所選取的軸、方向和角度都有關(guān)系，其中選擇軸作為基點(diǎn)尤為重要，方向和角度直接影響建筑物折疊程度和折疊效果。

2.1.4 移動(dòng)。移動(dòng)是最普遍的物體運(yùn)動(dòng)方式，根據(jù)軌跡不同，可劃分為水平移動(dòng)、垂直移動(dòng)、斜向移動(dòng)等。動(dòng)態(tài)建筑移動(dòng)前后只是位置變化，功能仍保持不變，其移動(dòng)效果只與移動(dòng)方向、移動(dòng)距離相關(guān)。

2.2 合理性驗(yàn)證

為了確保圖紙上的動(dòng)態(tài)建筑方案能轉(zhuǎn)化成實(shí)際工程，應(yīng)當(dāng)針對(duì)建筑方案開展合理性驗(yàn)證，如建筑構(gòu)件變動(dòng)后使用功能是否滿足要求、內(nèi)部與外部流線是否暢通；機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能否確保建筑構(gòu)件的穩(wěn)定變動(dòng)；驅(qū)動(dòng)設(shè)備是否可以為建筑構(gòu)件變動(dòng)提供足夠的動(dòng)力。上述技術(shù)問(wèn)題均可利用模擬軟件或3D打印機(jī)等方式進(jìn)行驗(yàn)證。

3 動(dòng)態(tài)建筑設(shè)計(jì)案例分析

本文基于上述動(dòng)態(tài)建筑設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法，對(duì)某紀(jì)念館進(jìn)行設(shè)計(jì)。紀(jì)念館建筑中的可動(dòng)元素從景觀體驗(yàn)、展覽、環(huán)境適應(yīng)等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 景觀體驗(yàn)

在建筑物東側(cè)觀景部分設(shè)置可設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)框架（可滑動(dòng)伸縮）。框架的可伸出部分設(shè)計(jì)為玻璃框架，而在建筑物內(nèi)活動(dòng)的部分設(shè)計(jì)成半圍合框架。在晴朗天氣下，動(dòng)態(tài)框架收入建筑中，游客可進(jìn)入室外平臺(tái)觀賞內(nèi)部景觀；在連續(xù)降雨或大風(fēng)等不良天氣下，動(dòng)態(tài)框架伸出建筑外，罩住室外平臺(tái)，使其成為室內(nèi)空間的一部分。

3.2 展覽

將建筑物展廳設(shè)置為鋼框架結(jié)構(gòu)，外部覆蓋玻璃幕墻，框架內(nèi)設(shè)置可升降樓板，可結(jié)合展覽內(nèi)容，隨意升降變動(dòng)，形成具有一定特色的展覽空間。同時(shí)，為了確保提升動(dòng)態(tài)展覽空間的安全性，建議在鋼框架結(jié)構(gòu)的頂部設(shè)置可移動(dòng)玻璃欄桿，以保證游客在觀賞期間的安全性。

3.3 環(huán)境適應(yīng)

在展廳玻璃幕墻的外圍設(shè)置可旋轉(zhuǎn)的鋁制遮陽(yáng)板，設(shè)置效果見圖2。遮陽(yáng)板能夠根據(jù)室外陽(yáng)光強(qiáng)度和照射方向旋轉(zhuǎn)，以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)展廳內(nèi)的溫度和光照強(qiáng)度。在冬季低溫寒冷天氣，可將遮陽(yáng)板大角度轉(zhuǎn)動(dòng)，使展廳內(nèi)得到更多光照，提高室內(nèi)溫度；在夏季炎熱天氣，遮陽(yáng)板可以隨陽(yáng)光照射角轉(zhuǎn)動(dòng)，遮蔽陽(yáng)光，避免室內(nèi)溫度過(guò)高。

圖2 遮陽(yáng)板旋轉(zhuǎn)前后狀態(tài)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了動(dòng)態(tài)建筑的表現(xiàn)特征、實(shí)現(xiàn)手段及設(shè)計(jì)方法，并依托某實(shí)例闡述了具體設(shè)計(jì)方案，研究成果表明動(dòng)態(tài)建筑具有空間可塑性、需求響應(yīng)性、技術(shù)可行性，其主要實(shí)現(xiàn)手段包括旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、軸承連接、齒輪、動(dòng)器、材料、動(dòng)力系統(tǒng)等。同時(shí)，動(dòng)態(tài)建筑在具體設(shè)計(jì)時(shí)，可采用旋轉(zhuǎn)、伸縮、折疊、移動(dòng)等變形方式。為了確保動(dòng)態(tài)建筑設(shè)計(jì)方案能轉(zhuǎn)化為實(shí)際工程項(xiàng)目，還需要對(duì)方案進(jìn)行合理性驗(yàn)證。雖然目前動(dòng)態(tài)建筑設(shè)計(jì)理論不完善，落地項(xiàng)目較少，但隨著建設(shè)技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)有良好的前景。