“人工生命體”

朱藝雅

Kinetic Facade design is the change of architecture from static to dynamic， which uses bionic design concept to balance the relationship between architecture and nature， sets a forward-looking example for dealing with ecological problems. The application of Kinetic Facade to the exterior wall of buildings not only complies with sustainable development， but also conforms to dynamic aesthetics. It contains unlimited potential in the future architectural development. This paper starts from the theoretical research and practice of kinetic facade design， traces back to the development process of kinetic facade， discusses its functions and characteristics through the analysis of architectural examples， and summarizes the application significance of kinetic facade.

在開放建筑的設(shè)計思潮下，建筑表皮不再只為分隔建筑內(nèi)外空間而存在，開敞、可動的建筑表皮應(yīng)運而生，用復(fù)合的能力應(yīng)對復(fù)雜的環(huán)境變化，不僅在外觀、形式、材料上與傳統(tǒng)建筑表皮有明顯區(qū)別，而且在功能上顛覆了傳統(tǒng)建筑一成不變的形態(tài)，形成一套靈活、有機的表皮體系，稱為——動態(tài)表皮。這些動態(tài)表皮的形態(tài)結(jié)構(gòu)、操作方式、反饋機制都不盡相同，但都有一個共同的目標(biāo)，讓靜止的建筑具備動的活力，用現(xiàn)代技術(shù)打造有機的建筑生命體。

一、動態(tài)表皮的設(shè)計特點

（一）仿生特點

自然界中的生物先天具備在環(huán)境變化時維持生物體內(nèi)穩(wěn)態(tài)的反饋機制（Homeostasis），讓建筑具備和生物一樣的適應(yīng)性，維持建筑的內(nèi)穩(wěn)態(tài)，是動態(tài)表皮興起的主要原因。

生物體最常見的內(nèi)穩(wěn)態(tài)是體溫平衡（Homeothermy），仿照生物維持體溫的反饋機制，美國南加利福尼亞大學(xué)的多莉絲·金（Doris Kim Sung）教授研究出建筑的呼吸系統(tǒng)——熱導(dǎo)仿生金屬幕墻（Thermo Bimetal，圖1、2）。此表皮仿照蚱蜢的呼吸系統(tǒng)設(shè)計，蚱蜢用位于軀干側(cè)面的呼吸孔呼吸，在運輸氣體的同時，帶走體內(nèi)多余的熱量，達(dá)到呼吸和降溫的雙重目的。熱導(dǎo)仿生金屬幕墻由無數(shù)雙層金屬片拼接而成，每個雙層金屬片則由兩種延展性不同的金屬組成，在受熱情況下，會朝著延展性低的金屬所在方向彎曲，導(dǎo)致金屬片發(fā)生形變，金屬間產(chǎn)生縫隙，建筑內(nèi)部積聚的熱空氣透過縫隙流出。此設(shè)計將金屬間的縫隙類比于蚱蜢的呼吸孔，用熱脹冷縮的自然現(xiàn)象形成一個天然的窗口，調(diào)節(jié)建筑內(nèi)外的氣體流通，維持建筑內(nèi)溫度適宜。

位于西班牙巴塞羅那的Media-ICT大樓（圖3）被稱為“會呼吸的薄膜”，建筑的東南立面被154個ETFE膜材料所制的氣囊覆蓋，通過改變氣囊內(nèi)填充氣體的量，響應(yīng)太陽直射點移動造成的光照和溫度變化。此表皮系統(tǒng)是由計算機調(diào)控的，類比于生物體的復(fù)雜反射，把傳感器、控制器、機械零件類比于生物體反射活動的感受器、神經(jīng)中樞、效應(yīng)器，將傳感器檢測到的環(huán)境變化轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)由中央控制處理器下達(dá)表皮運動指令，構(gòu)成表皮系統(tǒng)的反射閉環(huán)。氣囊是適應(yīng)環(huán)境變化的主體，不同種類的氣囊以應(yīng)對不同區(qū)域光輻射的細(xì)微差別，共有四種結(jié)構(gòu)類型的氣囊，在層數(shù)、材質(zhì)、透光率上都有不同。通過氣囊的充氣和排氣，改變所在區(qū)域的光透射率，達(dá)到維持建筑內(nèi)穩(wěn)態(tài)的目的。

動態(tài)表皮類比生物體進(jìn)行設(shè)計，尤其仿照了生物體通過反射活動維持內(nèi)穩(wěn)態(tài)的行為。不管是“簡單反射”通過材料特殊性而適應(yīng)環(huán)境，還是“復(fù)雜反射”通過計算機控制而進(jìn)行表皮運動，都是當(dāng)代技術(shù)作用于建筑表皮設(shè)計的產(chǎn)物。

（二）節(jié)能特點

在動態(tài)平衡中適應(yīng)環(huán)境變化，從而減少取暖、制冷、換氣、照明等設(shè)備的使用，間接節(jié)約用電，稱之為動態(tài)表皮的間接節(jié)能特點。以阿聯(lián)酋的阿爾巴哈爾塔（AlBahar Tower， 圖4）為例，為應(yīng)對高溫天氣，并減少空調(diào)使用、節(jié)約電能消耗，阿爾巴哈爾塔的向陽立面被一套由感應(yīng)系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)、動態(tài)表皮組成的可回應(yīng)式表皮覆蓋。因光輻射強度、溫度變化，表皮呈現(xiàn)張開和閉合兩種狀態(tài)，表皮張開，增強建筑內(nèi)外的氣體流通，提高建筑外立面的散熱性；表皮閉合，形成阻隔高熱環(huán)境的建筑屏障，效果大大優(yōu)于有色玻璃。因其兼具通風(fēng)、隔熱、散熱的功能，有利于維持適宜的室內(nèi)溫度，從而減少了機械通風(fēng)和機械制冷的耗電量。據(jù)統(tǒng)計，阿爾巴哈爾塔與相同體量的建筑相比，年平均吸收熱量僅為二分之一，減少碳排放1750噸。

動態(tài)表皮結(jié)合發(fā)電裝置，實現(xiàn)了建筑發(fā)電一體化，體現(xiàn)了動態(tài)表皮的直接節(jié)能特點。太陽能儲備豐富、利用率高，是當(dāng)前廣泛應(yīng)用的可再生能源。目前的光伏發(fā)電裝置大多為固定式追蹤，往往不能顧及太陽入射角度變化，只能選擇光能效益最大的朝向安裝，而位于北京的GreenPix多媒體幕墻（圖5），利用動態(tài)表皮可動的屬性，感光式追蹤太陽的運動軌跡。此表皮由2292個光伏單元、共有9種不同規(guī)格的發(fā)電裝置組成，借助光感裝置追蹤太陽運動，調(diào)整表皮運動時長、頻率、角度，使光伏發(fā)電效益時刻保持最大值。在此設(shè)計中，運用了太陽能發(fā)電和光伏電池蓄電的原理，實現(xiàn)發(fā)電、用電一體化。據(jù)估算，其轉(zhuǎn)換的電能可供兩個體量相同的媒體裝置使用。

動態(tài)表皮有合理利用自然資源儲備、緩解能源供需矛盾的特點，展現(xiàn)了現(xiàn)代技術(shù)作用于建筑的節(jié)能優(yōu)勢。在各行業(yè)能源依賴火力發(fā)電的情況下，動態(tài)表皮利用自發(fā)、自供電的模式，在建筑運行能耗方面實現(xiàn)新能源的突破，改善了當(dāng)前建筑的能源使用結(jié)構(gòu)。

（三）交互特點

美國心理學(xué)家埃莉諾·吉布森（Eleanor Jack Gibson）認(rèn)為，人類對外部世界的感知建立在物體表皮和人類視覺系統(tǒng)的關(guān)系上。建筑立面?zhèn)鬟_(dá)建筑的整體形象，動態(tài)表皮設(shè)計不僅考慮實用性，而且重視人與建筑的互動性，用動態(tài)作為建筑內(nèi)部與外部空間交互的媒介，傳播動態(tài)美學(xué)，組織建筑內(nèi)外關(guān)系。

人對建筑的近人立面有較多的互動需求，將數(shù)字技術(shù)與動態(tài)表皮結(jié)合，增強互動體驗的縱深感。位于2008年西班牙薩拉戈薩的世博會數(shù)字咨詢館以水幕墻作為場館的大門，此幕墻頂部設(shè)有多個出水口，不斷流淌的水柱形成天然的阻隔，在感應(yīng)到進(jìn)出場館的人流量時，出水口適時開、閉，留出通行距離。此類表皮具有雙向感知能力，將使用者的參與度放在首位，融入具有情節(jié)、玩法的交互內(nèi)容，更注重交互的過程和體驗感，促成了人與建筑的信息傳遞。

動態(tài)表皮不僅是技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，更是人們對建筑審美的追求，動態(tài)往往比靜態(tài)更能給人印象深刻的審美體驗。1987年，讓·努維爾（Jean Nouvel）設(shè)計的阿拉伯世界文化中心（Institutde Monde Arabe， 圖6）用機械驅(qū)動的表皮詮釋著阿拉伯文化的美學(xué)要義。用構(gòu)成相同的240個動態(tài)單元布滿整個建筑立面，每個動態(tài)單元都有數(shù)個機械電機，共三萬個金屬部件。動態(tài)單元造型來源于阿拉伯清真寺的窗格圖案，機械驅(qū)動這些傳統(tǒng)圖樣產(chǎn)生一種類似于相機快門般的動態(tài)變化，圖樣的工藝美和動態(tài)的機械美交相輝映，盡顯科技與傳統(tǒng)的碰撞。

不管是數(shù)字交互、自然力驅(qū)動，還是機械控制的動態(tài)表皮，都增添了建筑外立面的互動性，展現(xiàn)出建筑外觀的張力，體現(xiàn)了動態(tài)的建筑美感。動態(tài)表皮開辟了更多互動建筑設(shè)計的可能性，在與人雙向互動的過程中完成建筑的二次創(chuàng)作。

二、建筑表皮動態(tài)轉(zhuǎn)化的意義

（一）可持續(xù)發(fā)展方面

“發(fā)展低碳技術(shù)，建設(shè)生態(tài)城市”是當(dāng)前我國城市建設(shè)布局的基本方針，在相關(guān)技術(shù)研發(fā)、試點工程推進(jìn)等方面，我國政府給予了大力支持，并且制定了生態(tài)建筑評價體系，旨在用生態(tài)策略應(yīng)對環(huán)境問題。動態(tài)表皮設(shè)計是集建筑學(xué)、自然科學(xué)、計算機科學(xué)、機械工程學(xué)于一體的交叉設(shè)計領(lǐng)域，用仿生設(shè)計和能量循環(huán)等生態(tài)策略，使建筑趨同于自然界孕育的生物體，節(jié)能策略大大減少了化工能源的使用。在全球建筑耗能日益增長、全球能源危機的背景下，為建筑節(jié)能提供了動態(tài)的新思路，響應(yīng)整個人類社會可持續(xù)發(fā)展的要求。

（二）建筑技術(shù)發(fā)展方面

科技是技術(shù)支持，設(shè)計才是實現(xiàn)手段。在科技和設(shè)計的雙重作用下，動態(tài)表皮讓龐大的建筑形體變得輕巧、多變。隨著科技進(jìn)步的浪潮，動態(tài)表皮不斷更新迭代，控制性和智能性不斷升級，促進(jìn)建筑技術(shù)的發(fā)展?？萍嫉娜招略庐悷o時無刻不提醒著我們，未來已來，建筑表皮已經(jīng)不再局限于鋼筋和混凝土，越來越多看似不可能的建筑已被實現(xiàn)。動態(tài)表皮設(shè)計基于機械運動、感應(yīng)技術(shù)、控制技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并且在智能材料領(lǐng)域進(jìn)行探索實踐，在科技的助推下，已成為未來建筑表皮設(shè)計的趨勢。

（三）建筑文化發(fā)展方面

動態(tài)表皮設(shè)計不僅營造人類的生活空間，更是對人類精神空間的探索。回顧建筑歷史，不難看出建筑是人類社會的縮影，是人類集體價值取向和文化需求的聚集體。動態(tài)藝術(shù)的興盛反映了人們對動態(tài)美學(xué)的追求，建筑從“靜止的音符”變成“動態(tài)的旋律”，打破動靜對立的建筑固有形態(tài)和設(shè)計思維，達(dá)到“方動即靜，方靜旋動，靜即含動，動不舍靜”的哲學(xué)高度，拓寬了建筑學(xué)科的深度和廣度，使建筑美學(xué)變得更加多元，推動了建筑從實用性到藝術(shù)性、哲學(xué)性的發(fā)展。

三、結(jié)語

將動態(tài)表皮的特點進(jìn)行概括，可總結(jié)為“適應(yīng)”二字。針對氣候變化所設(shè)計的動態(tài)表皮呈現(xiàn)出生物般的氣候適應(yīng)性，用仿生設(shè)計應(yīng)對動態(tài)變化的環(huán)境，相比于傳統(tǒng)建筑更具備彈性和韌性。與之相輔相成的，動態(tài)表皮還表現(xiàn)出能源適應(yīng)性，用動態(tài)的節(jié)能策略改變建筑物固有的耗能模式，用新形式、新能源應(yīng)對環(huán)境問題。隨著動態(tài)美學(xué)、交互美學(xué)的滲透，動態(tài)表皮設(shè)計更適應(yīng)人的需求，數(shù)字媒體的加持使建筑立面儼然成為一個大型的數(shù)字藝術(shù)裝置，互動適應(yīng)性又成為其另一特征。除此之外，動態(tài)表皮設(shè)計還有經(jīng)濟適應(yīng)性、文化適應(yīng)性……建筑表皮形態(tài)和結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新使生態(tài)建筑、智能建筑、互動建筑等多種建筑特點融為一體，共同推動建筑向“人工生命體”轉(zhuǎn)化。

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