高元本 邵一梁 陳品杰

1.華東建筑設(shè)計研究院有限公司 上海 200001

2.SOM建筑設(shè)計事務(wù)所 美國 芝加哥 IL 60606

3.中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司 四川 成都 610036

1 背景綜述

1.1 動態(tài)表皮的現(xiàn)狀歷史

建筑動態(tài)表皮是指建筑外部表面或外皮，它具有響應(yīng)性和可變性，能夠根據(jù)不同的環(huán)境條件、功能需求或設(shè)計意圖來進(jìn)行自動或手動調(diào)整。這一概念在建筑領(lǐng)域中的發(fā)展和應(yīng)用已經(jīng)有一段較長的歷史，它的發(fā)展反映了建筑領(lǐng)域?qū)τ趧?chuàng)新、可持續(xù)性和美學(xué)的不斷追求。最早的動態(tài)表皮可以追溯到20世紀(jì)初期，自從柯布西耶提出自由立面與自由平面的學(xué)說將建筑立面作為一個個體獨(dú)立于建筑結(jié)構(gòu)與平面使用功能之后，以賴特為首的建筑師們開始針對建筑立面的紋理與構(gòu)圖進(jìn)行深入探討。而到了20世紀(jì)中后期，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，人們又開始不滿足于建筑立面僅僅呈現(xiàn)出一種風(fēng)格，因此一些全手動控制的機(jī)械建筑表皮開始出現(xiàn)在人們的視野當(dāng)中。與此同時，除了建筑的立面裝飾紋理，建筑類型學(xué)進(jìn)一步推動建筑功能性的進(jìn)一步強(qiáng)化導(dǎo)致建筑使用功能也開始針對建筑立面有了各種需求，諸如通風(fēng)，采光，遮陽等等。因此建筑的可變化表皮漸漸地由美學(xué)導(dǎo)向轉(zhuǎn)變?yōu)楣δ苄枨髮?dǎo)向。到了21世紀(jì)，可持續(xù)建筑主題進(jìn)一步要求建筑立面不僅僅關(guān)注建筑內(nèi)部的功能需求，還需要針對建筑外部環(huán)境做出回應(yīng)與變化。建筑師們開始通過先進(jìn)的傳感器和計算機(jī)技術(shù)檢測建筑內(nèi)部與外部的環(huán)境信息，并結(jié)合智能控制系統(tǒng)對建筑動態(tài)表皮進(jìn)行相應(yīng)的管理[1-3]。

目前常見的動態(tài)表皮的技術(shù)主要有以下幾種：（1）智能玻璃：它也被稱為電子控制玻璃，可以根據(jù)電壓的變化來改變其透明度。這種技術(shù)常用于窗戶和玻璃幕墻，以實現(xiàn)自動的光線控制和隱私保護(hù)。（2）光敏金屬：光敏金屬材料可以根據(jù)光線強(qiáng)度的變化來改變它們的性質(zhì)。它們用于自動調(diào)整建筑的透明度，以提高采光效果和降低能源消耗。（3）太陽能響應(yīng)表皮：太陽能響應(yīng)表皮使用太陽能電池板來收集和儲存太陽能，以供建筑使用。這些表皮可以自動跟蹤太陽的位置，以最大程度地接受太陽能從而提高能源效率。（4）熱敏金屬：熱敏金屬材料可以根據(jù)溫度的變化來改變它們的形狀或性質(zhì)。這些材料可用于自動調(diào)整建筑的遮陽裝置或隔熱層。以上這些動態(tài)表皮技術(shù)多數(shù)采用新型金屬或玻璃材料，或是依靠大量傳感器技術(shù)實時監(jiān)測環(huán)境數(shù)值再轉(zhuǎn)譯信息讓建筑表皮做出回應(yīng)。這就導(dǎo)致這些技術(shù)一方面造價昂貴，后期運(yùn)營維護(hù)成本較高，另一方面動態(tài)表皮多數(shù)是為了針對建筑能耗問題，希望通過可變建筑表皮的手段降低建筑能耗，從而提高建筑的可持續(xù)性。而這些新型金屬玻璃材料的生產(chǎn)與使用本身就是巨大的能源消耗，并且多數(shù)不具備環(huán)境友好性與可持續(xù)性，因此這些方法根本上有些本末倒置。

本文作者希望能夠設(shè)計出一種新型建筑可變表皮，這種表皮能夠擁有一種相對經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)與后期運(yùn)行方式，同時此動態(tài)表皮能夠以一種自然友好的方式完成對不同外部自然環(huán)境狀況的回應(yīng)，從根本上降低動態(tài)表皮的各方面成本與消耗。

1.2 響應(yīng)性木材的研究

“響應(yīng)性材料”指的是可以適應(yīng)、改變或?qū)ν獠看碳せ驐l件做出反應(yīng)的物質(zhì)或材料。這些材料經(jīng)過工程設(shè)計，具有特定的性質(zhì)，使它們能夠?qū)Ω鞣N觸發(fā)因素做出響應(yīng)，如溫度、光線、壓力或化學(xué)成分的變化。目前常見的響應(yīng)性材料的應(yīng)用主要有：形狀記憶合金： 這些材料可以在受到溫度變化時“記住”特定的形狀并返回該形狀。鎳鈦合金（Nitinol）是一個著名的形狀記憶合金。這類合金結(jié)合動態(tài)表皮設(shè)計可以做到讓表皮在不同的狀態(tài)下切換到不同的“記憶”狀態(tài)。光致變色材料：這些材料在受到光照后可以改變顏色或透明度。應(yīng)用于建筑表皮設(shè)計可以通過不同的太陽光的照度對玻璃的透明度進(jìn)行控制，從而達(dá)到動態(tài)遮陽以及控制室內(nèi)溫度的效果。以上這些材料都是新型高分子材料，優(yōu)勢在于可以人為控制材料特性，缺點(diǎn)則在于造價昂貴。但是其實木材作為一種可持續(xù)材料也具有成為響應(yīng)性材料的潛質(zhì)[4-5]。

木材由于其自然生長的構(gòu)成方式，天然就具有各向異性以及高孔隙率，而這種各向異性和高孔隙率導(dǎo)致了它擁有成為響應(yīng)性材料的潛質(zhì)。首先孔隙率是木材的一個重要特性，他可以影響木材的密度、強(qiáng)度、吸水性和其他物理性質(zhì)，是木材很多特性的基礎(chǔ)。我們可以理解成針對不同的外部環(huán)境（諸如荷載，濕度，震動等等）木纖維的細(xì)胞孔隙會產(chǎn)生相應(yīng)的響應(yīng)性變化（收縮或膨脹），而由于木纖維是單方向生長的，因此孔隙率也是只在木材的用一個方向存在（木材生長方向的橫截面），這就導(dǎo)致所謂的響應(yīng)性變化也是在固定的方向發(fā)生，這就是各向異性。木材的各向異性也有多方面的應(yīng)用：（1）木材能夠根據(jù)溫度變化發(fā)生形狀、長度或顏色上的變化。這種木材可以在不同季節(jié)或天氣條件下自動調(diào)整，用于建筑外墻、家具或裝飾。（2）光敏木材使用具有光敏性質(zhì)的涂層或添加劑，可以根據(jù)光線強(qiáng)度改變其顏色或透明度。這有助于改善室內(nèi)照明和裝飾。（3）木材作為聲學(xué)響應(yīng)性材料的研究可以改善其吸聲和隔聲性能，用于減少噪音傳播和提供更好的室內(nèi)聲學(xué)環(huán)境。綜上所述，木材作為一種自然材料，擁有著針對濕度，照度，溫度，聲音等等各種不同自然環(huán)境成為響應(yīng)性材料的能力[6-7]。

結(jié)合章節(jié)1.1中提到的建筑動態(tài)表皮的不足之處，我們決定將木材作為重點(diǎn)響應(yīng)性材料納入新型動態(tài)表皮設(shè)計。我們希望利用木材針對不同的外部光照濕度等環(huán)境變化產(chǎn)生的響應(yīng)性行為，讓木材帶動周圍的動態(tài)表皮裝置運(yùn)動。從而達(dá)成無需多余的傳感器布置，無需多余的人工成本的付出，該動態(tài)表皮一方面可以自發(fā)的針對外部環(huán)境做出響應(yīng)性變化，另一方面也可以節(jié)省多余的生產(chǎn)與昂貴的耗材，做到以較小成本達(dá)成環(huán)境友好性與可持續(xù)性，從根本上突破動態(tài)表皮的經(jīng)濟(jì)性限制。

2 動態(tài)表皮設(shè)計

此新型動態(tài)表皮目的在于將響應(yīng)性木材作為動態(tài)表皮的行為核心，通過此木材的各種變化帶動其他延伸構(gòu)件的運(yùn)動，從而使此表皮能夠在不同的模式下相互切換進(jìn)一步影響建筑的環(huán)境。主要由三步組成：整體構(gòu)架設(shè)計、表皮單元設(shè)計和響應(yīng)性木材設(shè)計。整體構(gòu)架設(shè)計主要是根據(jù)不同的建筑場景選定表皮固定位置以及表皮單元件尺寸。表皮單元設(shè)計會決定核心響應(yīng)性木材的與環(huán)境要素的互動方式，以及核心木材與其他延伸構(gòu)件的連接方式。整體表皮的運(yùn)作方式也會在此階段介紹。響應(yīng)性木材強(qiáng)化處理會詳細(xì)介紹此木材的環(huán)境響應(yīng)性原理以及如何增強(qiáng)木材的環(huán)境響應(yīng)性。

2.1 整體構(gòu)架設(shè)計

圖1 整體框架（圖片來源：作者自繪）

整體架構(gòu)設(shè)計主要由兩個要點(diǎn)組成：表皮構(gòu)建方式和表皮單元尺寸。目的在于為表皮單元設(shè)計提供背景環(huán)境信息。

（1）表皮構(gòu)建方式由表皮應(yīng)用場景決定，通常分為立面構(gòu)建與頂面構(gòu)建兩種。頂面構(gòu)建通常應(yīng)用于公共空間當(dāng)中，諸如一些廣場或是街道。立面構(gòu)建通常為加建表皮，即在原有建筑外立面墻體之外附加第二層表皮體系。頂面構(gòu)建通常需要采用自支撐結(jié)構(gòu)，即每一個表皮單元件本身需要擁有結(jié)構(gòu)抗性，表皮彼此之間線性連接錨定之后的結(jié)構(gòu)本身就具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。也可以采用一些特殊的整體支撐結(jié)構(gòu)，比如氣動系統(tǒng)，磁性系統(tǒng)等等。立面構(gòu)建通常需要依附于建筑立面結(jié)構(gòu)，通常采用桿件或拉索懸吊的方式將每一個表皮單元固定在建筑土建結(jié)構(gòu)上。

（2）表皮單元尺寸由建筑使用功能需求決定。大型表皮單元常用于公共空間內(nèi)。在此場景下，動態(tài)表皮通常作為一個整體控制全部公共空間的環(huán)境屬性變化。比如在廣場上構(gòu)建一個貝殼狀動態(tài)表皮構(gòu)架供人們短暫休憩，此時我們只需要表皮能夠在外部環(huán)境變化時，每一個單元都能同步進(jìn)行響應(yīng)性變化從而改變貝殼裝置內(nèi)部的環(huán)境屬性，因此大尺寸表皮單元較為適用。小型表皮單元常用于復(fù)雜私密功能需求中。即整個動態(tài)表皮需要同時滿足不同使用人群的不同需求，這就要求每一組表皮單元能夠獨(dú)立進(jìn)行響應(yīng)性變化。比如應(yīng)用于辦公住宅建筑立面時，每一個房間單元的戶主都希望獨(dú)立控制自家窗戶對應(yīng)的表皮的運(yùn)動，這就導(dǎo)致需要將表皮單元切分成小型尺寸從而滿足個性化需求。

2.2 表皮單元設(shè)計

表皮單元設(shè)計是新型動態(tài)表皮設(shè)計的核心，表皮單元的運(yùn)行模式?jīng)Q定了整個動態(tài)表皮的運(yùn)動變化和工作原理。

（1）單元組成：每一個表皮單元的運(yùn)作的核心是一根響應(yīng)性木材桿件，響應(yīng)性木材桿件的兩端會以滑動固定的方式固定在兩個滑軌上，此滑軌可以保證木材桿件不會脫離滑軌的運(yùn)動范圍，同時不對木材在滑軌允許范圍內(nèi)部的運(yùn)動做任何限制。在核心木材桿件上會固定一些輔助連接件從而允許一些次級表皮結(jié)構(gòu)能夠固定在木材桿件上，跟隨核心木材的響應(yīng)性運(yùn)動產(chǎn)生同步的變化運(yùn)動。不同表皮單元之間的連接可以通過兩端滑軌之間的剛性連接完成，最后將整個一片表皮單元固定在建筑支撐結(jié)構(gòu)上。

圖2 表皮單元設(shè)計（圖片來源：作者自繪）

（2）工作原理：當(dāng)外部自然環(huán)境發(fā)生改變，比如雨水導(dǎo)致的響應(yīng)性木材的濕度的變化，亦或是太陽光照射導(dǎo)致的木材溫度的變化，這些變化會促使響應(yīng)性木材自發(fā)的發(fā)生彎曲形變。這些彎曲形變產(chǎn)生的應(yīng)力，使得在滑軌限制下的木材只能在沿著滑軌運(yùn)動的方向上收縮。最終的結(jié)果就是仿佛木材能夠根據(jù)外部環(huán)境的變化自由地沿著滑軌方向拉伸與收縮。同時這種收縮運(yùn)動還會帶動核心木材之間的扇形次級裝置開啟或閉合。這就使得整個表皮單元可以擁有兩種模式：一種是核心木材垂直拉伸，中間扇形裝置閉合的敞開模式；一種是核心木材彎曲收縮，中間扇形裝置打開的遮罩模式。這兩種模式可以根據(jù)不同的環(huán)境需求改變表皮之下的內(nèi)部環(huán)境，成為一種自發(fā)性的動態(tài)表皮。

2.3 響應(yīng)性木材強(qiáng)化處理

核心響應(yīng)性木材是整個新型動態(tài)表皮運(yùn)動的核心，木材對應(yīng)不同自然環(huán)境的響應(yīng)性的程度決定了動態(tài)表皮單元在應(yīng)對環(huán)境變化時產(chǎn)生的響應(yīng)性運(yùn)動的程度。同時木材還需要帶動次級結(jié)構(gòu)的運(yùn)動，普通的木材無法做到這一點(diǎn)。因此我們需要對核心木材進(jìn)行強(qiáng)化處理，提高它的環(huán)境響應(yīng)性。

前文可知木材的環(huán)境響應(yīng)性與其各向異性與孔隙率息息相關(guān)。其中由于我們只需要木材在二維的平面內(nèi)運(yùn)動，因此木材的各向異性有利于我們控制動態(tài)表皮的平面運(yùn)動?？紫堵适俏覀兲岣吲c控制木材響應(yīng)性運(yùn)動的核心。無論是應(yīng)對濕度還是溫度亦或是聲波產(chǎn)生的響應(yīng)性運(yùn)動，核心都是木纖維孔隙的收縮與擴(kuò)張。但是孔隙率與響應(yīng)性運(yùn)動并不是單純的一維線性函數(shù)關(guān)系。一方面木材內(nèi)部的孔隙率分布大小不均，單純地全部擴(kuò)大或縮小孔隙率并不能夠增強(qiáng)木材的環(huán)境響應(yīng)性。另一方面在動態(tài)表皮的運(yùn)動中，我們也需要核心木材桿件的收縮與擴(kuò)張在可控范圍內(nèi)。綜上所述我們需要在增強(qiáng)木材的環(huán)境響應(yīng)性的同時，控制木材的孔隙率分布。

目前常見的木材孔隙率增強(qiáng)手段主要有兩種：一種是納米材料加強(qiáng)。另一種是烘干加熱技術(shù)。納米材料加強(qiáng)是通過將木材浸泡在不同的離子溶液中特定的時間后進(jìn)行熱量增進(jìn)的方法改變木材內(nèi)部的孔隙率分布。浸泡的離子溶液的不同（諸如SiO2, AgNPs, PDMS等等）會導(dǎo)致木材內(nèi)部孔隙率分布更加均勻或者更加兩極分化，通過這種方式我們理論上也可以控制木材在發(fā)生響應(yīng)性變化時是更加均勻還是局部收縮[8]。

圖3 納米材料加強(qiáng)（圖片來源：作者自繪）

烘干加熱技術(shù)則是通過改變濕度溫度的方法的不同統(tǒng)一性地增加或降低全部木纖維的孔隙大小從而影響孔隙率。熱加熱的方法可以顯著提高孔隙率，而冷加熱的方法可以降低孔隙率。由表格可知，不同的參數(shù)修改可以對應(yīng)不同的木材孔隙率，我們可以將兩種方法結(jié)合使用，在增強(qiáng)孔隙率，增強(qiáng)響應(yīng)性的同時通過控制參數(shù)控制響應(yīng)性木材的運(yùn)動方式[9-10]。

圖4 烘干加熱技術(shù)（圖片來源：作者自繪）

3 案例討論

這是一個新型動態(tài)表皮在步行街的模擬案例。步行街寬度約為8米，長度為70米，高度為9米，是一個在潮濕地區(qū)常見的騎樓內(nèi)街。由于常年潮濕多雨，我們希望通過新型動態(tài)表皮改善室外內(nèi)街的活動環(huán)境。一方面希望能夠在雨天的時候起到擋雨的功能，另一方面在晴天是能夠保證內(nèi)街的采光與通風(fēng)。

根據(jù)第二章中的表皮設(shè)計流程，我們判斷這是一個大型公共空間需求，所有表皮單元需要做到統(tǒng)一變化無需個性化定制。并且由于晴朗天氣需要盡可能避免陽光遮罩，我們決定采用大型表皮單元構(gòu)成內(nèi)街可變化屋頂?shù)牟呗?。整個屋頂表皮采用邊長3米的正六邊形密鋪表皮單元的方式，表皮單元彼此剛性連接最終固定在建筑立面維護(hù)結(jié)構(gòu)上。表皮單元內(nèi)部的核心響應(yīng)性木材構(gòu)建采用針對環(huán)境濕度具有較強(qiáng)響應(yīng)性的木材強(qiáng)化處理方法。保證木材在全部浸水的情況下能夠做到60度以上的彎曲響應(yīng)。這樣就可以保證6組表皮單元在全部淋雨受潮的情況下產(chǎn)生彎曲響應(yīng)時能夠最大面積地覆蓋屋頂面積，從而起到擋雨的作用。依附于核心木構(gòu)件的次級扇形結(jié)構(gòu)采用透明輕質(zhì)塑料薄膜。一方面可以保證內(nèi)街透光性，避免下雨天內(nèi)街過于陰暗。另一方面盡可能減小表皮整體結(jié)構(gòu)負(fù)載，保證輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)桿件不會過于粗壯。除此之外為了保證擋雨質(zhì)量，我們建議采用雙層屋頂表皮，兩層之間錯位半個表皮單元的模數(shù)。

圖5 案例透視圖（圖片來源：作者自繪）

圖6 節(jié)點(diǎn)放大圖（圖片來源：作者自繪）

4 總結(jié)

本文提出的新型動態(tài)表皮設(shè)計概念核心在于解決動態(tài)表皮建造材料耗費(fèi)巨大，以及使用后期運(yùn)行維護(hù)成本較大的問題。通過將環(huán)境響應(yīng)性木材引入表皮設(shè)計，在提高表皮環(huán)境友好型的同時，使得此動態(tài)表皮能夠自發(fā)性的針對不同的環(huán)境狀態(tài)切換表皮模式，節(jié)省了后期運(yùn)行成本。此外由于木材的環(huán)境響應(yīng)性潛力較大，我們可以通過強(qiáng)化木材的不同特性使得木材可以應(yīng)對多種不同的自然環(huán)境的變化需求。

當(dāng)然此新型動態(tài)表皮也會存在后續(xù)需要深入探討的問題：（1）強(qiáng)化后的木材的其他特性是否會受到影響，通常生物類材料在經(jīng)過化學(xué)處理之后會破壞一些材料內(nèi)部的特性，因此在建筑動態(tài)表皮長期運(yùn)行之中，木材的響應(yīng)性特征能否長期維持還有待研究確定。（2）響應(yīng)性變化產(chǎn)生的應(yīng)力是否可以長期承擔(dān)帶動次級結(jié)構(gòu)變化的角色。由于整個動態(tài)表皮變化的原動力都是木材響應(yīng)性收縮的應(yīng)力，這種應(yīng)力是否強(qiáng)大到可以帶動整個裝置的變化還有待驗證，或者是否會導(dǎo)致整個木材斷裂破損。（3）除了常見的濕度和溫度響應(yīng)性變化可以應(yīng)用與建筑外部表皮環(huán)境的改造，木材的吸聲性，減震性能等等特質(zhì)是否也可以應(yīng)用與建筑的其他領(lǐng)域。