建筑表皮膜材的生態(tài)適應(yīng)性設(shè)計研究

趙 強 汪 涵

東華大學 服裝與藝術(shù)設(shè)計學院，上海200051

近年來，隨著新技術(shù)、新材料在建筑行業(yè)的應(yīng)用和發(fā)展，大量功能豐富、形式美觀的建筑應(yīng)運而生。然而，現(xiàn)代建筑大多是通過機械設(shè)備或空調(diào)系統(tǒng)對自然條件進行改造而建立起來的“人工環(huán)境”，這一人工環(huán)境不僅給自然界和能源利用帶來了極大的負擔，還使建筑物逐漸失去了地域特色和傳統(tǒng)的文化內(nèi)涵。目前，采用建筑圍護等建筑表皮來調(diào)節(jié)自然環(huán)境和人工環(huán)境并使之相適應(yīng)的舉措取得了較好的成效，并逐漸受到了人們的高度重視[1]。其中，膜結(jié)構(gòu)材料(膜材)因具有較好的透明性、較高的保溫隔熱性能、良好的柔韌性、輕質(zhì)量，以及造型的可塑性強等特點在建筑表皮的生態(tài)適應(yīng)性設(shè)計中普遍應(yīng)用。因此，如何更好地發(fā)揮膜材的物理特性，以調(diào)節(jié)和適應(yīng)自然環(huán)境的變化，并與建筑的形態(tài)和功能相結(jié)合，滿足人們對環(huán)境友好型建筑的功能化和舒適性需求，已成為膜材可持續(xù)發(fā)展的新視角和新方向。

1 建筑表皮膜材的制備工藝

用作建筑表皮生態(tài)設(shè)計的膜材種類繁多，主要分為PVC膜材、PTFE膜材和ETFE膜材3大類。這3類膜材在制備工藝上的差異影響其在建筑表皮中的應(yīng)用范圍和使用性能。

PVC膜材是廣泛應(yīng)用于早期建筑中的一種復合材料，其基層主要為聚酯纖維或玻璃纖維織物，具有成本低廉、柔性好和易加工的特點，但其強度和耐久性較差，多用于規(guī)模較小的臨時建筑中。PVC膜材的制造工藝主要包括貼合法、壓延法和涂層法。貼合法是在基層織物的正反面各鋪設(shè)兩層PVC膜，在一定溫度和壓力下，通過熱輥使PVC膜與基層織物貼合而制成PVC膜材；壓延法是將PVC粉和增塑劑等原料相混合，采用熱輥使之與基層織物相黏合；涂層法是將液態(tài)PVC材料涂抹在基層織物的正反面，烘干固化后使其與基層織物成為一個整體。

PTFE膜材通常是在超細玻璃纖維織物上涂覆PTFE樹脂后加工而成的一種復合材料。PTFE膜材的加工工藝為浸漬法，玻璃纖維織物在PTFE樹脂溶液中多次浸漬后達到一定的厚度和面密度，浸漬時間需根據(jù)具體建筑所需的玻璃纖維織物的性能要求進行計算和調(diào)整。PTFE膜材因優(yōu)良的強度和可調(diào)節(jié)性已在大型建筑中有諸多應(yīng)用[2]。

ETFE膜材不以織物為基層材料，而是采用乙烯-四氟乙烯共聚體直接制作而成。作為一種新型的復合膜結(jié)構(gòu)材料，ETFE膜材具有極佳的透光率、可塑性和自潔性，在未來膜結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展中有廣闊的應(yīng)用前景[3]。

2 建筑表皮膜材的物理特征

2.1 熱工物理性能

表征建筑表皮膜材的熱工物理性能參數(shù)主要包括材料的導熱系數(shù)、熱阻、傳熱系數(shù)、蓄熱系數(shù)、熱惰性和遮陽系數(shù)等。單層膜材的傳熱系數(shù)與單層玻璃的傳熱系數(shù)相接近。單層膜材可用于對保溫和隔熱性能沒有要求的建筑表皮中，如部分敞開型建筑的入口雨篷、建筑小品、體育場館的看臺頂棚等，以及氣候溫和、受溫度變化影響不大的封閉型建筑等。對于溫度變化較大的場所，需降低膜材的熱阻，從而在較短的時間內(nèi)通過間接采暖和通風來改善室內(nèi)的環(huán)境，如圖1的地鐵站和圖2的展覽館等。在寒冷地區(qū)，膜材需經(jīng)特殊處理以增強其熱阻，從而提升建筑的保溫功能。

圖1 地鐵站(圖片來源：https://www.gooood.cn/xi-erqi-station-by-li-xinggang.htm)

圖2 展覽館(圖片來源： https://www.gooood.cn/pavilion-china-flora-expo-lab.htm)

2.2 光學物理性能

膜材的光學性能主要體現(xiàn)在透明度、遮陽系數(shù)、反射系數(shù)及顯色性等方面。

厚度為0.63 mm的一般PVC膜材/玻璃纖維復合材料的透光率為3.0%；厚度為0.77 mm的PVC膜材/聚酯纖維復合材料的透光率為4.8%，當厚度降低為0.55 mm時，其透光率為7.4%。PVC膜材的反光率達75.0%以上。PTFE膜材的透光率約為13.0%，最高可達30.0%，其反光率為70.0%左右。透光率較小的膜材，其透射光線為白色自然漫射光，一般不存在遮陽與眩光問題。無色ETFE膜材的透光率可超越玻璃，最高達95.0%。單層白色膜材的透光率一般為50.0%～55.0%，這種透明度可使光線通過膜材表層進入建筑物內(nèi)部，從而為室內(nèi)提供良好的采光條件[4]。

膜材多采用膜覆蓋的方式應(yīng)用在大跨度的建筑中，如體育館、機場候機廳、展覽館等，其能降低照明能耗，但膜材的大面積應(yīng)用往往會增加遮陽負擔并帶來眩光問題。此外，膜材的顯色性較差，色彩偏藍，其良好的透明性也意味著可能會造成光污染，建筑內(nèi)部燈光在夜晚向外透射時，室內(nèi)的照明效果降低的同時會對周邊環(huán)境造成影響。

2.3 加工與節(jié)能性

膜材質(zhì)量輕、厚度小，對建筑形成的負荷小，可大大減小建筑的承重量。與其他建筑材料相比，膜材從加工到建筑的實際應(yīng)用，其消耗的能源少，且具有較好的自潔性，進一步減少了因清潔造成的水資源浪費問題。PTFE膜材的耐久性較強，使用壽命一般在30年以上，是永久性建筑的首選膜材，其防火性能也較好。

膜材建筑表皮的節(jié)能設(shè)計與玻璃類似，可采用雙層膜、三層膜，以及在膜材下鋪設(shè)棉纖維作為保溫層而加強膜材的保溫隔熱性能，或?qū)⑼腹饷夼c膜材復合使保溫層和主體膜結(jié)構(gòu)分設(shè)。厚度大的保溫層可以起到很好的保溫效果，但也會影響膜材的透光性，需進一步提高保溫材料的透光性。與玻璃類似，可在膜材的表面涂覆輻射涂層，對不同頻率的入射光進行選擇。如常見的表面含有低輻射涂層的LOW-E玻璃，對可見光有很高的透過率，對紅外線具有較高的反射率，這有助于降低夏季室內(nèi)的溫度。此外，在膜材表面加蓋發(fā)電薄膜，產(chǎn)生的能源可供建筑使用，如2010年上海世博會的日本館，展館外部覆蓋一層利用太陽能發(fā)電的超輕“膜結(jié)構(gòu)”，不僅能最大限度地利用天然資源，而且實現(xiàn)了能源的再利用。

3 建筑表皮膜材的適應(yīng)性設(shè)計原則

膜材在建筑表皮中對氣候環(huán)境的適應(yīng)性設(shè)計主要體現(xiàn)在自然采光和熱量控制(保溫隔熱)兩方面。建筑表皮的采光系統(tǒng)、圍護系統(tǒng)和遮陽系統(tǒng)，既要適應(yīng)自然環(huán)境變化的客觀條件，同時又要滿足人們對光、熱和舒適性等方面的需求。因此，利用膜材對建筑表皮進行設(shè)計需要滿足如下的設(shè)計原則。

3.1 地域性原則

基于建筑的功能、體量和地域性環(huán)境所體現(xiàn)文化內(nèi)涵的不同，建筑表皮膜材的設(shè)計具有個性化特征。建筑表皮膜材的設(shè)計需要努力挖掘符合本土的適宜技術(shù)，包含先進技術(shù)及稍加改進的傳統(tǒng)技術(shù)。適宜技術(shù)的適應(yīng)性原則是指遵循本土氣候及自然環(huán)境條件，以滿足人們的舒適性、節(jié)能環(huán)保等要求為目標，采用被動式建筑設(shè)計手段，在建筑的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能等方面體現(xiàn)出的氣候適應(yīng)性，通過不斷調(diào)節(jié)、完善和有效利用自然能源和材料，實現(xiàn)建筑表皮膜材與生態(tài)環(huán)境和諧共生[5]。

3.2 可控性原則

傳統(tǒng)的建筑表皮系統(tǒng)對采光、通風、熱量控制等方面缺乏靈活應(yīng)對性，采用固定式遮蔽系統(tǒng)創(chuàng)造的人工環(huán)境更多地依靠設(shè)備和技術(shù)，未建立一種動態(tài)可變的控制方法。建筑表皮膜材系統(tǒng)需要依據(jù)季節(jié)、時間和天氣情況對不同部位的采光、遮陽系統(tǒng)實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。可控式表皮控制系統(tǒng)大體上分為手動控制和自動控制兩類：手動控制的優(yōu)點是造價低、設(shè)備簡單、維護簡便，并能正確反映不同人群的需求，是一種被動控制的方法；自動控制多安裝光感元件、溫感元件及電動執(zhí)行機構(gòu)，可實現(xiàn)智能化的全自動控制。

3.3 交互性原則

交互性是指建筑表皮膜材的設(shè)計能夠應(yīng)對環(huán)境、建筑空間形態(tài)和人的行為方式的變化，進而實現(xiàn)信息交互和產(chǎn)生應(yīng)對機制。利用數(shù)字化技術(shù)，將環(huán)境、建筑空間形態(tài)和人的行為三者的實時變化信息進行數(shù)字化傳遞，依據(jù)相應(yīng)的設(shè)計算法或約束規(guī)則，實現(xiàn)建筑使用性能和功能需求的相互適應(yīng)。

3.4 一體化原則

一體化設(shè)計是將建筑表皮(圍護結(jié)構(gòu)或遮陽系統(tǒng))的不同構(gòu)件或設(shè)計元素與建筑形體的構(gòu)成元素(包括建筑的整體形態(tài)、墻面、屋頂、內(nèi)部功能空間等)進行有機結(jié)合，力求在滿足降低能耗，增強室內(nèi)舒適性的同時實現(xiàn)建筑功能、技術(shù)和美觀的完美結(jié)合[6]。

4 數(shù)字化技術(shù)在建筑表皮膜材生態(tài)設(shè)計中的應(yīng)用

當前，為了實現(xiàn)建筑表皮膜材的多變性、可控性和交互性的設(shè)計要求，數(shù)字化建筑驅(qū)動生成技術(shù)在建筑表皮設(shè)計中得以廣泛應(yīng)用。如由SOMA 設(shè)計的2012年韓國麗水世博會展館(圖3)，其建筑立面模擬魚的皮膚，通過采用玻璃纖維增強聚合物(GFRP)創(chuàng)造出了多種變化模式。由DS+R建筑事務(wù)所設(shè)計的“The Shed藝術(shù)中心”(圖4)，其可移動外殼是由ETFE膜材和輕質(zhì)特氟隆聚合物制成的半透明墊層。該半透明墊層具有絕緣玻璃的隔熱性能和透光性，其靈活多變的特征能夠應(yīng)對不同規(guī)模、媒體、技術(shù)和藝術(shù)的變化需求(圖4)。利用數(shù)字技術(shù)，可將自然環(huán)境的物理參數(shù)、建筑空間形態(tài)的幾何參數(shù)和建筑空間使用的性能需求參數(shù)有效地聯(lián)系起來，并依據(jù)參數(shù)間的交互變化和信息反饋，實現(xiàn)膜材在建筑表皮上的優(yōu)化設(shè)計[7]。

圖3 韓國麗水世博會展館(圖片來源： https://www.gooood.cn/one-ocean-thematic-pavilion-expo-2012-by-soma.htm)

圖4 The Shed藝術(shù)中心(圖片來源： https://www.gooood.cn/the-shed-by-diller-scofidio-renfro-rockwell-group.htm)

現(xiàn)階段，采用數(shù)字化技術(shù)實現(xiàn)不同信息參數(shù)交互設(shè)計的方法大致分為兩種：一種是多平臺一體化設(shè)計，該方法是采用通用標準的數(shù)據(jù)交換規(guī)范對不同軟件之間的數(shù)據(jù)文件進行交換。國際協(xié)作聯(lián)盟(International Alliance for Interoperability)為建筑工程全生命周期中的信息交換提供了一個平臺，為全球建筑業(yè)制定了IFC(Industry Foundation Class，工業(yè)基礎(chǔ)類別)模型標準。目前許多著名的建筑軟件生產(chǎn)商，如Autodesk、Bentley、Graphisoft等公司基于IFC標準，以開發(fā)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化方式將多家CAD和CAE軟件公司的工具平臺聯(lián)合起來，使不同工具平臺能夠凸顯各自的優(yōu)點，實現(xiàn)了建筑設(shè)計的信息共享。但該方法存在各專業(yè)、各平臺統(tǒng)一協(xié)調(diào)難度較大，文件在不同平臺間進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化時易出現(xiàn)文件損壞和數(shù)據(jù)錯誤的現(xiàn)象。另一種方法是基于同一平臺開發(fā)功能接口，在同一工具平臺上二次開發(fā)專門的數(shù)據(jù)接口，通過引入相應(yīng)的模擬引擎進行優(yōu)化設(shè)計。如基于C#語言在Grasshopper for Rhinoceros平臺上編寫Geco插件可實現(xiàn)Rhinoceros建模與Ecotect性能模擬數(shù)據(jù)的信息交互，采用modeFRONTIER內(nèi)部開發(fā)的接口可以實現(xiàn)多個CAD軟件工具與CAE軟件工具的數(shù)據(jù)信息交互。該方法的優(yōu)點是基于統(tǒng)一工具平臺，可避免數(shù)據(jù)丟失和文件損壞，提高了數(shù)字化技術(shù)在建筑表皮膜材生態(tài)設(shè)計中的模擬效率。

5 案例設(shè)計與分析

案例的設(shè)計和分析以不同時間段的太陽入射光線為性能設(shè)計的驅(qū)動條件，通過改變膜材占建筑表皮的面積比值和膜材透光率這兩個參數(shù)，改變建筑室內(nèi)的采光效果，確定膜材與建筑表皮的面積比和膜材透光率的取值范圍。

當采用透光率較小的膜材時，膜材占建筑表皮的面積比的大小對室內(nèi)采光的影響較大。反之，采用透光率較大的膜材時，膜材占建筑表皮的面積比的大小對室內(nèi)采光的影響較小。

擬建案例為設(shè)在上海某工業(yè)園區(qū)場地內(nèi)的一個長度18 m、景深25 m、高度10 m的展覽空間建筑模型。該建筑場地地勢平坦，外表皮為ETFE膜鋼結(jié)構(gòu)。該建筑模型以南立面表皮為主要測試單元。建筑模型的生成工具為Grasshopper for Rhino軟件。首先對建筑模型南立面表皮的形態(tài)進行參數(shù)設(shè)置，將膜材占建筑表皮的面積比調(diào)節(jié)為40%～90%。采用氣候環(huán)境設(shè)置和分析插件Ladybug對設(shè)定太陽模型為晴朗天空，測試時間段設(shè)定為6月份的12∶00～14∶00。然后采用性能模擬插件Honeybee對表皮膜材的透光率進行設(shè)定，設(shè)定值為20%～80%。由于該案例中的設(shè)計參數(shù)與光照強度指標不存在對應(yīng)的線性關(guān)系，因此，最后采用具有較高通用性和魯棒性的優(yōu)化算法——插件Octopus的多目標遺傳優(yōu)化算法進行設(shè)計方案的生成、優(yōu)化和選擇。優(yōu)化模擬器計算之后，對計算結(jié)果進行評估和選擇。由模擬方案基因解的分布情況(圖5)可知，顏色較深的解為適應(yīng)性較強的可行解，而顏色較淺的解為一般解，而處于離散狀態(tài)的解為適應(yīng)性較差的劣解。提取這些計算結(jié)果后綜合建筑方案的形態(tài)變化，最后確定了可兼顧建筑形態(tài)和使用功能雙重要求的9種 優(yōu)化模擬方案基因參數(shù)(表1)，其中，膜材占建筑表皮的面積比分別為40%、60%和90%，膜材透光率分別為20%、50%和80%。

圖5 模擬方案基因解的分布情況

表1 模擬方案基因解的分布情況

6 結(jié)語

建筑表皮設(shè)計通過數(shù)字化技術(shù)將建筑空間形態(tài)與膜材的物理屬性相關(guān)聯(lián)，在拓展建筑功能和美學特征的同時，科學地引入建筑建造和使用過程中的性能需求，拓展了膜材在建筑適應(yīng)性設(shè)計中的應(yīng)用可能性。建筑表皮膜材的生態(tài)適應(yīng)性設(shè)計方法不局限于傳統(tǒng)的對膜材屬性特征的孤立研究，而是從宏觀的應(yīng)用場景出發(fā)，融合多學科交叉的知識體系，為膜材在綠色建筑的生態(tài)適宜性設(shè)計和實踐開辟新道路。