氣候適應(yīng)性可變建筑表皮單元的運動形式研究

石 峰

劉 江

朱雨潔

1 研究背景

建筑與氣候的關(guān)系，是建筑設(shè)計領(lǐng)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(yīng)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(shù)條件下的建筑形態(tài)無法滿足建筑室內(nèi)舒適性的需求，導致了采暖、空調(diào)等高能耗設(shè)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(guān)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(yīng)，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(yīng)，積極地利用氣候變化，更具氣候適應(yīng)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(zhì)，同時也是建筑調(diào)節(jié)外部氣候環(huán)境的主要媒介。“動態(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(jié)構(gòu)、形狀和物理性能等特征參數(shù)，通過滑動、旋轉(zhuǎn)折疊、重構(gòu)等不同的運動形式形成不同的功能，維持建筑內(nèi)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(shù)與智能控制技術(shù)、機械技術(shù)、計算機技術(shù)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(yīng)性建筑的設(shè)計提供新的思路。

在氣候適應(yīng)性建筑的設(shè)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(yīng)性的建筑理論”，主張利用機械技術(shù)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(shù)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(gòu)，例如歐洲專門從事適應(yīng)性表皮研究的學術(shù)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(shè)計研究的建筑界面研究小組（FRG）[8-9]等。

關(guān)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(yīng)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(yīng)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(shè)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?？丝さ幕瑒幼≌O(shè)計的可滑動木質(zhì)外殼，控制表皮滑動以調(diào)控室內(nèi)的熱環(huán)境；讓·努維爾設(shè)計的阿拉伯世界研究中心，可調(diào)控式光圈的表皮自動調(diào)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(diào)節(jié)，起到了較好的示范效應(yīng)。

圖1 氣候適應(yīng)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(guān)于可變建筑表皮的研究正在逐漸展開，并逐漸成為建筑設(shè)計中的一個前沿實踐方向，但是相關(guān)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(nèi)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(diào)節(jié)室內(nèi)的聲、光、熱、風等環(huán)境因素，維持舒適的室內(nèi)物理環(huán)境。根據(jù)人體皮膚的調(diào)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(diào)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(yīng)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(diào)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(nèi)與外界物質(zhì)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(yīng)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(qū)動器等部分構(gòu)成。傳感器用于感應(yīng)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(qū)動器的運動；驅(qū)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(yīng)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(yīng)環(huán)境因素的變化，并改變材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，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(yīng)，這種自適應(yīng)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(shè)備，可稱為“自適應(yīng)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(guān)鍵點和邊的運動。關(guān)鍵點用于控制表皮單元在運動中的形態(tài)，這些關(guān)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(zhuǎn)運動的轉(zhuǎn)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(yīng)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(guān)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(shè)計打下基礎(chǔ)。根據(jù)可變建筑表皮的運動形式，可分為旋轉(zhuǎn)、滑動、折疊、變形、材料自適應(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)運動

旋轉(zhuǎn)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(gòu)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(zhuǎn)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(nèi)進行運動；旋轉(zhuǎn)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(nèi)的旋轉(zhuǎn)。在運動中固定邊保持靜止，不閉合邊隨著旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的運動點，也是設(shè)計表皮運動形式時需要考慮的主要受力點。

旋轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)光環(huán)境的動態(tài)旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。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(diào)節(jié)傾斜角度，百葉片可在45°范圍內(nèi)沿軸旋轉(zhuǎn)，整個系統(tǒng)采用太陽能驅(qū)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(diào)節(jié)，以滿足對室內(nèi)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(zhuǎn)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(guān)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(shè)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(gòu)成可活動式的完整建筑外立面，在遮陽板背后的中心旋轉(zhuǎn)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(gòu)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(diào)節(jié)來控制表皮的伸縮滑動，調(diào)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(shè)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(shè)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(shù)大學生物催化實驗室（Biocatalysis Lab Building，Technical University Graz）（表1I）和密爾沃基藝術(shù)博物館（表1H）等。密爾沃基藝術(shù)博物館最大的特色就是展開的頂部遮陽層巨大翼形結(jié)構(gòu)，又稱伯克遮陽設(shè)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(gòu)件和機械控制部分相連，只需4min就能完全開啟或關(guān)閉，控制進入室內(nèi)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(jié)構(gòu)或張拉膜結(jié)構(gòu)，通常是由軟質(zhì)彈性材料或帶有空腔的硬質(zhì)材料作為外表面。隨著外界環(huán)境的變化，改變單元內(nèi)部的空氣壓力改變，產(chǎn)生一定的應(yīng)力，形成大小不一的形態(tài)。這種結(jié)構(gòu)形式能大大減輕建筑荷載，同時也能很好地適應(yīng)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(nèi)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(shù)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(nèi)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(yīng)外界環(huán)境。

3.5 材料自適應(yīng)運動

材料自適應(yīng)運動形式在本質(zhì)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(yīng)運動不使用機械控制，它利用自適應(yīng)材料自身的特點響應(yīng)外部環(huán)境的變化。自適應(yīng)材料的種類眾多，隨著材料科學的進步，其應(yīng)用也愈發(fā)豐富，在建筑中常用的自適應(yīng)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(yīng)，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(gòu)成的一種表皮結(jié)構(gòu)，能夠根據(jù)環(huán)境濕度的變化張開或者收縮，適應(yīng)不同的氣候環(huán)境。材料自適應(yīng)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(yīng)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(zhì)特性研發(fā)出的復合木質(zhì)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(diào)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(jié)語

氣候適應(yīng)性可變建筑表皮是當代建筑設(shè)計研究的重要方向之一，可變建筑表皮所具有的可調(diào)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(guān)注。應(yīng)用機械運動和智能控制的相關(guān)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(shè)計更為復雜的可變建筑表皮形式打下基礎(chǔ)。本文通過對氣候適應(yīng)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(zhuǎn)、滑動、折疊、變形、材料自適應(yīng)；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(guān)鍵點和關(guān)鍵邊的不同組合。

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