摘 "要：近年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的學(xué)者通過(guò)數(shù)字技術(shù)手段對(duì)建筑互動(dòng)表皮設(shè)計(jì)的研究已積累了大量知識(shí)成果，并沿著多樣化、智能化探索不斷擴(kuò)展。本文首先梳理了近十幾年來(lái)國(guó)內(nèi)高校建筑學(xué)科基于數(shù)字技術(shù)在建筑互動(dòng)表皮設(shè)計(jì)方向的文獻(xiàn)言論、搭建原型以及實(shí)踐成果，總結(jié)并歸納出這些設(shè)計(jì)成果的研究重點(diǎn)和具體內(nèi)容，根據(jù)相關(guān)資料對(duì)當(dāng)下現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，以期為未來(lái)的建筑互動(dòng)表皮設(shè)計(jì)實(shí)踐提供相應(yīng)的理論參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)字技術(shù)；建筑表皮；互動(dòng)設(shè)計(jì)

從工業(yè)時(shí)代到智能時(shí)代，數(shù)字化技術(shù)與多學(xué)科融合的成果不斷影響著中國(guó)建筑師的設(shè)計(jì)思維與設(shè)計(jì)方式。在克勞斯·施瓦布的《第四次工業(yè)革命》一書(shū)中，詳盡闡述了可植入科技、大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、3D打印、無(wú)人駕駛、人工智能、工業(yè)機(jī)器人、區(qū)塊鏈科技等數(shù)字化技術(shù)對(duì)我們社會(huì)產(chǎn)生的巨大影響。特別是中國(guó)作為制造業(yè)強(qiáng)國(guó)，在當(dāng)前階段，存在著傳統(tǒng)轉(zhuǎn)型和產(chǎn)業(yè)升級(jí)等嚴(yán)峻問(wèn)題。在這次技術(shù)改革中，數(shù)字化技術(shù)不僅打破了人們對(duì)于建筑的傳統(tǒng)理解，而且逐漸地介入到建筑設(shè)計(jì)流程中來(lái)。建筑互動(dòng)表皮作為數(shù)字化技術(shù)與多學(xué)科融合的成果，其工作原理是通過(guò)傳感器與計(jì)算機(jī)的介入建立建筑表皮與外界環(huán)境的動(dòng)態(tài)聯(lián)系，達(dá)到即時(shí)響應(yīng)環(huán)境變化[1]。建筑互動(dòng)表皮可以有效地節(jié)約自然資源、減少碳排放量、降低建筑能耗，達(dá)到調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境作用，賦予建筑表皮新的美學(xué)內(nèi)涵。本文從近年來(lái)國(guó)內(nèi)高校建筑互動(dòng)表皮設(shè)計(jì)的研究成果出發(fā)，整理歸納了基于數(shù)字化技術(shù)的建筑互動(dòng)表皮設(shè)計(jì)。一部分內(nèi)容是建筑互動(dòng)表皮設(shè)計(jì)策略，另一部分則是互動(dòng)表皮的物理原型開(kāi)發(fā)，總結(jié)歸納其中的研究難點(diǎn)，開(kāi)拓對(duì)建筑互動(dòng)表皮設(shè)計(jì)的思考，以期在建筑實(shí)踐中作進(jìn)一步的探索。

一、建筑互動(dòng)表皮

2011年，以著名建筑師邁克爾·斯泰西為代表召開(kāi)的“適應(yīng)性建筑”（Adaptive Architecture‖） 會(huì)議在倫敦建筑中心舉行。作為一場(chǎng)互動(dòng)建筑領(lǐng)域里開(kāi)創(chuàng)性的會(huì)議，首次提出互動(dòng)建筑的四個(gè)主要研究方向：建筑互動(dòng)表皮、可轉(zhuǎn)變結(jié)構(gòu)、仿生材料以及智能系統(tǒng)。在越來(lái)越重視環(huán)境保護(hù)與建筑能耗問(wèn)題的今天，表皮作為建筑環(huán)境的界面與能耗的調(diào)節(jié)者，對(duì)于它的互動(dòng)設(shè)計(jì)已成為當(dāng)下建筑學(xué)科的熱門研究領(lǐng)域之一。建筑表皮互動(dòng)可以采用不同的設(shè)計(jì)方式來(lái)進(jìn)行對(duì)風(fēng)環(huán)境、熱環(huán)境、光環(huán)境、雨水、光伏發(fā)電等環(huán)境影響因素的調(diào)節(jié)。其中包括互動(dòng)表皮遮陽(yáng)系統(tǒng)、智能材料互動(dòng)、充氣式互動(dòng)表皮、功能互動(dòng)表皮，還有一些則是作為媒介的表皮，利用光、聲、感帶給人視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)的感官互動(dòng)，并以此來(lái)表達(dá)某種建筑精神內(nèi)涵與文化隱喻。

1987年，在法國(guó)巴黎落成的阿拉伯世界文化服務(wù)中心（Arab World Institute）是首個(gè)擁有建筑互動(dòng)表皮系統(tǒng)的大型建筑項(xiàng)目，開(kāi)創(chuàng)了互動(dòng)表皮設(shè)計(jì)的先河。該建筑表皮的互動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，整個(gè)系統(tǒng)由大概30000個(gè)光敏膜組成且表皮材料主要是鋁和玻璃，在構(gòu)造形式上采用了一種如同照相機(jī)光圈般的百葉機(jī)械裝置，工作原理是外部機(jī)械表皮根據(jù)太陽(yáng)的位置，通過(guò)機(jī)械系統(tǒng)控制改變開(kāi)孔率大小從而控制光亮和透明度，以此來(lái)維護(hù)建筑內(nèi)部適宜的光環(huán)境。雖然在不久之后，因?yàn)闄C(jī)械系統(tǒng)故障和后期維護(hù)成本太過(guò)于昂貴這兩個(gè)主要原因，該表皮的機(jī)械系統(tǒng)不再被使用，但是這是互動(dòng)技術(shù)在建筑表皮上的一次舉足輕重的實(shí)踐，對(duì)后來(lái)的互動(dòng)表皮理論與事件發(fā)展具有積極的推動(dòng)作用。

二、基于數(shù)字技術(shù)的建筑互動(dòng)表皮設(shè)計(jì)研究

（一）設(shè)計(jì)策略與實(shí)踐研究

國(guó)內(nèi)的建筑院校教學(xué)研究較于國(guó)外起步相對(duì)晚一些，但是隨著國(guó)內(nèi)研發(fā)技術(shù)能力和建筑學(xué)的快速發(fā)展，也出現(xiàn)了越來(lái)越成熟的有關(guān)建筑互動(dòng)表皮領(lǐng)域的研究成果。在學(xué)術(shù)理論方面，以設(shè)計(jì)策略研究具多，為后期的實(shí)踐探索打下了一定的理論基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)實(shí)踐方面，主要以實(shí)驗(yàn)物理原型開(kāi)發(fā)為主。原型開(kāi)發(fā)一直是互動(dòng)建筑研究過(guò)程中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。原型的作用是讓設(shè)計(jì)師能夠在一系列特定條件下對(duì)物理模型進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)和仿真體驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)后的物理模型可直接轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際應(yīng)用，應(yīng)用的結(jié)果又可檢驗(yàn)原型設(shè)計(jì)是否在實(shí)踐中可行，最后將收集的數(shù)據(jù)結(jié)果在專業(yè)分析軟件中進(jìn)行對(duì)比研究并進(jìn)行方案優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.互動(dòng)表皮類型化研究

哈爾濱工業(yè)大學(xué)虞剛教授的團(tuán)隊(duì)一直聚焦于在互動(dòng)建筑領(lǐng)域進(jìn)行類型化的研究。該團(tuán)隊(duì)分別從表皮、結(jié)構(gòu)、空間、媒體等多個(gè)設(shè)計(jì)載體進(jìn)行有關(guān)互動(dòng)原型的實(shí)驗(yàn)，如表皮互動(dòng)原型——?jiǎng)討B(tài)立面（DYNAMIC FACADE）、結(jié)構(gòu)互動(dòng)原型——葉亭（LEAVES PAVILION）、媒體互動(dòng)原型——信息門（HEXAGON INFO-WALL）、空間互動(dòng)原型——?jiǎng)討B(tài)交織（DYNAMIC INTERLEAVING）等。其原型的實(shí)驗(yàn)過(guò)程可以被分為四個(gè)環(huán)節(jié)：設(shè)計(jì)初期階段構(gòu)想、互動(dòng)實(shí)體模型設(shè)計(jì)、互動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及數(shù)控制造與組裝。這些研究成果被詳細(xì)地記錄在虞剛教授發(fā)表的《走向互動(dòng)建筑》這本著作中，其中闡述了他近幾年在互動(dòng)建筑上的類型化研究，方便讀者清楚地了解有關(guān)互動(dòng)建筑的基本形式和其設(shè)計(jì)過(guò)程[2]。

2.互動(dòng)表皮設(shè)計(jì)方法研究

由廈門大學(xué)石峰教授的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的XMU數(shù)字建造社自2020年開(kāi)始舉辦數(shù)字建造營(yíng)培訓(xùn)活動(dòng)，致力于建造為學(xué)生提供多樣性探索數(shù)字化設(shè)計(jì)的平臺(tái)。在第2期數(shù)字建造營(yíng)結(jié)營(yíng)成果中，石峰教授所指導(dǎo)的學(xué)生成果主要以為仿生建筑表皮和互動(dòng)建筑模塊設(shè)計(jì)方法為主，學(xué)生通過(guò)grasshopper工具和使用Java等編程語(yǔ)言，生成了一系列可動(dòng)建筑表皮設(shè)計(jì)方案。如基于含羞草運(yùn)動(dòng)模式的可變建筑表皮、響應(yīng)風(fēng)速的可變氣動(dòng)表皮以及基于采光的可動(dòng)建筑表皮等。這樣的生成設(shè)計(jì)突破了傳統(tǒng)建筑師的手與腦的限制，實(shí)踐了“形式追隨性能”的設(shè)計(jì)范式。通過(guò)代碼邏輯與數(shù)控機(jī)器的結(jié)合，創(chuàng)作者能夠生產(chǎn)一系列個(gè)性化定制的建筑產(chǎn)品。數(shù)字化的設(shè)計(jì)與建造方法讓設(shè)計(jì)思維更加理性，并賦予了可動(dòng)建筑表皮更多的想象空間。除此之外，在石峰教授撰寫(xiě)的文章中，還展示了多種基于建筑物理環(huán)境性能優(yōu)化的可變建筑表皮的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，并提出了其設(shè)計(jì)步驟細(xì)節(jié)[3]。

3.互動(dòng)表皮形式美學(xué)研究

在2020國(guó)際人居環(huán)境與未來(lái)城市大會(huì)上，天津大學(xué)馮剛教授分享了題為“形態(tài)可變的建筑表皮系統(tǒng)設(shè)計(jì)”[4]的研究匯報(bào)，歸納總結(jié)了動(dòng)態(tài)表皮可變單元常見(jiàn)設(shè)計(jì)方式。在教學(xué)與設(shè)計(jì)實(shí)踐中，馮剛教授的團(tuán)隊(duì)一直致力于動(dòng)態(tài)建筑表皮的研究，試圖通過(guò)建筑表皮的運(yùn)動(dòng)模式來(lái)達(dá)到優(yōu)化室內(nèi)物理環(huán)境的目標(biāo)，并同時(shí)關(guān)注動(dòng)態(tài)的建筑形式美學(xué)。該團(tuán)隊(duì)近期在智能材料在動(dòng)態(tài)表皮的應(yīng)用上做了一系列研究，例如從動(dòng)態(tài)表皮材料入手，將玻璃纖維鋁箔貼紙與椴木板進(jìn)行搭配組合，并利用材料吸熱膨脹率差異的特性，讓組合材料產(chǎn)生彎曲或者復(fù)原的形態(tài)，通過(guò)形狀變化的材料實(shí)現(xiàn)表皮智能可變。在對(duì)表皮原型進(jìn)行多次測(cè)試之后，馮剛教授的團(tuán)隊(duì)又將該原型應(yīng)用在室內(nèi)與建筑設(shè)計(jì)實(shí)踐中。第一個(gè)表皮實(shí)踐是應(yīng)用在室內(nèi)設(shè)計(jì)中，開(kāi)發(fā)一款酒店衛(wèi)生間的遮擋軟裝產(chǎn)品（如圖1），當(dāng)淋浴噴頭產(chǎn)生水汽，墻壁就會(huì)像花一樣打開(kāi)；而在如廁時(shí)，材料關(guān)閉孔洞起到遮蔽作用。材料的疏密程度經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，能保證在低處的材料尺度小且密集，在高處的材料較大且稀疏，以保證視線隱約的效果。而第二個(gè)表皮實(shí)踐的花房濕敏智能表皮設(shè)計(jì)則是在第一個(gè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上的優(yōu)化升級(jí)（如圖2）。其設(shè)計(jì)是具體探討材料的纖維方向以及不同的組合方式能夠形成怎樣的孔洞形態(tài)，進(jìn)而開(kāi)發(fā)出了更大尺度、更強(qiáng)耐久性的材料能夠應(yīng)用在建筑中的場(chǎng)景。設(shè)計(jì)目的是為了在陽(yáng)光充足的時(shí)候表皮自動(dòng)打開(kāi)引入自然光，同時(shí)也可以吸引更多的人到建筑中來(lái)，亦或是在晚上的時(shí)候打開(kāi)表皮讓光線散出來(lái)，讓此處成為一個(gè)更加吸引人的場(chǎng)所。

4.建筑互動(dòng)遮陽(yáng)表皮研究

自2009年9月開(kāi)始至今，湖南大學(xué)的胡骉教授團(tuán)隊(duì)就已經(jīng)進(jìn)行了多次有關(guān)于建筑互動(dòng)遮陽(yáng)表皮設(shè)計(jì)的數(shù)字建筑Workshop。工作營(yíng)因地制宜地充分發(fā)揮湖南大學(xué)學(xué)科交叉優(yōu)勢(shì)，從本校的設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院工業(yè)設(shè)計(jì)系請(qǐng)來(lái)師生作為指導(dǎo)教師，幫助營(yíng)員解決建模和編程的掃盲學(xué)習(xí)，并在胡骉老師的帶領(lǐng)下有計(jì)劃地組織學(xué)生以小組為單位，對(duì)建筑互動(dòng)遮陽(yáng)表皮進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。值得一提的是每屆工作營(yíng)一直都是堅(jiān)持以實(shí)物落地建造為結(jié)營(yíng)成果，為建筑互動(dòng)遮陽(yáng)表皮的設(shè)計(jì)探索提供了實(shí)踐性研究。湖南大學(xué)建筑學(xué)院老系樓門廳數(shù)字遮陽(yáng)頂棚設(shè)計(jì)是2012年Workshop的結(jié)營(yíng)成果，該項(xiàng)目由312個(gè)相似四邊形為基礎(chǔ)的通透多面體組成連續(xù)曲面，隨著位置的移動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)控制Rhino模型的Grasshopper的設(shè)計(jì)參數(shù)，多面體的遮陽(yáng)角度會(huì)隨著太陽(yáng)照射角度的變化而變化[5]。長(zhǎng)沙市特殊教育學(xué)校建筑互動(dòng)遮陽(yáng)表皮是湖南大學(xué)胡骉教授團(tuán)隊(duì)2022年落成的項(xiàng)目（如圖3）。項(xiàng)目由一套建筑互動(dòng)遮陽(yáng)表皮互動(dòng)控制系統(tǒng)所主導(dǎo)。該系統(tǒng)分為交互式控制系統(tǒng)與程序式控制系統(tǒng)，當(dāng)交互式控制系統(tǒng)的光敏傳感器接收到外界光線環(huán)境變化信息，觸發(fā)程序式控制系統(tǒng)，將信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從而控制機(jī)械傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)遮陽(yáng)扇葉的折疊運(yùn)動(dòng)，有效解決了廊道內(nèi)的遮陽(yáng)問(wèn)題。

（二）基于數(shù)字技術(shù)研究的趨勢(shì)

從前文的內(nèi)容我們不難看出，高校建筑學(xué)科在互動(dòng)建筑方面的研究，早已跨過(guò)了理論基礎(chǔ)方面研究，來(lái)到設(shè)計(jì)裝置開(kāi)發(fā)和實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用的階段。無(wú)論是致力于互動(dòng)建筑與智能建造的哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）建筑學(xué)院互動(dòng)建筑設(shè)計(jì)課程，還是關(guān)注于多樣性探索互動(dòng)表皮設(shè)計(jì)的廈門大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院XMU數(shù)字建造社，這些研究團(tuán)隊(duì)所產(chǎn)出的成果均表明，互動(dòng)技術(shù)本身所提供的支持已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)建筑學(xué)對(duì)互動(dòng)技術(shù)的理解和需求[6]。建筑設(shè)計(jì)者將不再被技術(shù)的問(wèn)題所限制，僅需利用好現(xiàn)有的開(kāi)源資源，就可創(chuàng)造出建筑互動(dòng)表皮不同的可能性。根據(jù)近幾年高校建筑學(xué)科基于數(shù)字技術(shù)在建筑互動(dòng)表皮設(shè)計(jì)方向的研究趨勢(shì)來(lái)看（如表1），未來(lái)的互動(dòng)建筑表皮研究將有可能聚焦以下幾個(gè)方面：1.互動(dòng)表皮材料響應(yīng)環(huán)境變化；2.互動(dòng)表皮響應(yīng)使用者行為；3.建筑表皮互動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；4.建筑互動(dòng)表皮的施工技術(shù)等。這些研究將會(huì)以互動(dòng)裝置原型設(shè)計(jì)作為實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)，其原型開(kāi)發(fā)程度將會(huì)決定建筑互動(dòng)表皮的實(shí)際應(yīng)用效果。通過(guò)大量類型化實(shí)驗(yàn)與讓建筑具有了更多的表皮智能化屬性，實(shí)現(xiàn)了與環(huán)境因素的交流，加快了城市向建筑智能化、建成環(huán)境智慧化的轉(zhuǎn)變。

（三）互動(dòng)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

建筑互動(dòng)表皮的實(shí)踐應(yīng)用離不開(kāi)互動(dòng)原型的設(shè)計(jì)，互動(dòng)原型的核心部分是互動(dòng)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，而開(kāi)發(fā)系統(tǒng)則是整個(gè)研究中的關(guān)鍵所在。筆者基于以往所在設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的建筑互動(dòng)表皮案例，提出了一種新的互動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路（如圖4）。根據(jù)功能將互動(dòng)控制系統(tǒng)分為交互模塊與動(dòng)態(tài)模塊，交互模塊可由環(huán)境變化的使用者的行為進(jìn)行激活，動(dòng)態(tài)模塊在交互模塊的控制下進(jìn)行動(dòng)作響應(yīng)。交互模塊包括傳感器與反饋裝置，運(yùn)動(dòng)模塊包括信號(hào)運(yùn)算裝置、電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置以及機(jī)械傳動(dòng)裝置，電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置和機(jī)械傳動(dòng)裝置可分為整體成組式和單元體活動(dòng)式。與以往的表皮控制系統(tǒng)不同的是，此系統(tǒng)在交互模塊增加了反饋系統(tǒng)，通過(guò)反饋來(lái)尋求優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，達(dá)到閉環(huán)式的設(shè)計(jì)尋優(yōu)，形成自上而下的整體的互動(dòng)控制系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)設(shè)計(jì)成的建筑互動(dòng)遮陽(yáng)表皮可根據(jù)光線的強(qiáng)度變化改變動(dòng)態(tài)模式，通過(guò)花瓣?duì)畹恼陉?yáng)板進(jìn)行閉合或者打開(kāi)，達(dá)到即時(shí)響應(yīng)互動(dòng)遮陽(yáng)采光的效果。

圖4 互動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（圖片來(lái)源：筆者自繪）

三、總結(jié)與展望

綜上，經(jīng)過(guò)10余年的努力，我國(guó)高校建筑學(xué)科基于數(shù)字技術(shù)在建筑互動(dòng)表皮設(shè)計(jì)的研究已形成了一定的規(guī)模，一些成果已應(yīng)用于實(shí)踐項(xiàng)目和課程教學(xué)，其內(nèi)容涉及到建筑、機(jī)械、藝術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、材料等學(xué)科知識(shí)交叉范疇。互動(dòng)表皮的出圈是在挑戰(zhàn)建筑師對(duì)傳統(tǒng)建筑表皮的理解、重塑人們的日常生活、推動(dòng)建筑從“靜”到“動(dòng)”的轉(zhuǎn)型。互動(dòng)表皮最早出現(xiàn)的起因是因居住者防御外界惡劣環(huán)境的需求。時(shí)至今日，數(shù)字技術(shù)雖然在不斷地迭代和革新，但其根本地目的依舊是為了給居住者營(yíng)造一個(gè)舒適的生存環(huán)境。與以往不同的是，作為建筑互動(dòng)表皮的設(shè)計(jì)者，從設(shè)計(jì)階段開(kāi)始，就要更多地注重如何做到節(jié)能減排與可持續(xù)發(fā)展，踐行綠色建造理念，將智能與環(huán)保有效地融合到設(shè)計(jì)中，為我國(guó)建筑行業(yè)綠色發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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作者簡(jiǎn)介：王禹淳，碩士，惠州學(xué)院美術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院專任教師。