動態(tài)建筑設(shè)計理念和方法研究

方幫華 王光照

1. 中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司 湖北 武漢 430010；

2. 徐輝設(shè)計股份有限公司 河南 鄭州 450000

引言

隨著城鎮(zhèn)化的推進和經(jīng)濟快速發(fā)展，越來越多的人口向城市聚集，對建筑質(zhì)量的要求也越來越高。在此過程中，建筑物也應(yīng)順應(yīng)社會文化發(fā)展方向，以多元化的形式融入城市中，為居民的工作和生活提供更加舒適的空間。在此背景下，有學(xué)者就提出了“動態(tài)建筑”設(shè)計理論，即借助各種連接、齒輪、控制系統(tǒng)等使建筑物實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、伸縮、折疊、移動等。由于，動態(tài)建筑在我國起步較晚，且涉及多學(xué)科的交叉整合，使得相關(guān)設(shè)計理論并不成熟，可以參考的落地項目少。同時，設(shè)計人員對動態(tài)建筑理解較膚淺，難以制定出合理的設(shè)計方案，因此，進一步研究動態(tài)建筑設(shè)計方法具有重要的工程意義[1]。

1 動態(tài)建筑表現(xiàn)特征和實現(xiàn)手段分析

1.1 動態(tài)建筑表現(xiàn)特征

動態(tài)建筑目前并沒有統(tǒng)一的分類方法，按結(jié)構(gòu)類型可劃分為支撐結(jié)構(gòu)件可動、外圍護結(jié)構(gòu)件可動、內(nèi)部空間分隔結(jié)構(gòu)件可動、裝飾性結(jié)構(gòu)件可動等；按動態(tài)變化范圍可劃分為混合變化和單一的變化，不論按何種方式進行劃分，動態(tài)建筑都呈現(xiàn)以下特征[2]。

1.1.1 空間可塑性。建筑空間不僅承載使用功能，還要能體現(xiàn)出場所精神，故空間塑造的好壞是評判建筑物設(shè)計水平的重要因素。一般建筑對空間的塑造是靜態(tài)的，本質(zhì)上由多個固定的空間組成。動態(tài)空間則恰恰相反，可以將多個空間重新進行塑造，利用不同空間的優(yōu)勢，通過垂直、水平等不同移動方向進行空間劃分，打通各空間之間的距離以及相互關(guān)系，打造更舒適的居住體驗環(huán)境，提升建筑空間活力。

1.1.2 需求響應(yīng)性。動態(tài)建筑的需求響應(yīng)特征主要體現(xiàn)在兩方面。一是對功能需求的響應(yīng)。人可以根據(jù)自身需求對動態(tài)建筑不斷進行調(diào)整，達到改善條件的目的，通過人為干預(yù)使得功能需求響應(yīng)處于被動狀態(tài)；二是建筑內(nèi)部隨著環(huán)境也會發(fā)生不同響應(yīng)。外界的溫度。濕度等環(huán)境都會成為影響因素，這時可設(shè)置電子感應(yīng)設(shè)備來判斷這種變化，從自動調(diào)整建筑物的內(nèi)部環(huán)境，使其保持在一個較舒適的狀態(tài)。由此可知，建筑物對環(huán)境變化的響應(yīng)屬于主動式響應(yīng)。

1.1.3 技術(shù)可行性。動態(tài)建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為繁雜，各空間、各構(gòu)造元素之間都錯綜復(fù)雜，要實現(xiàn)動態(tài)功能，一定要有體系化的設(shè)計方案和專業(yè)的技術(shù)支持。這就需要一套全面的控制系統(tǒng)，通過主控制器、運動控制器等實現(xiàn)對建筑各空間位置、運動速度等的移動。運動控制系統(tǒng)組成及功能如表1所示[3]。

表1 動態(tài)建筑的運動控制系統(tǒng)

1.2 動態(tài)建筑實現(xiàn)手段

1.2.1 活動關(guān)節(jié)。在動態(tài)建筑中，應(yīng)設(shè)置活動關(guān)節(jié)將靜態(tài)原件連接，轉(zhuǎn)化為活動部件?；顒雨P(guān)節(jié)不僅要傳遞荷載，還要能在某些方向上相對移動。在設(shè)計動態(tài)建筑時，常用的活動關(guān)節(jié)有旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和軸承連接兩類。

旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)是繞軸轉(zhuǎn)動的鉸接元件間的典型連接（只有單一的旋轉(zhuǎn)自由度），包括鉸鏈、轉(zhuǎn)動副等，其主要作用是打開或關(guān)閉它們所連接的部件[4]；

軸承連接又分為滑動和滾動兩類，液體具有潤滑作用，通過滑動摩擦，可將滑動表面相互阻隔，減輕表面相互磨損，抗沖擊能力輕；滾動軸承由內(nèi)圈、外圈、滾動體和保持架組成，具有維護簡單、成本低等優(yōu)點，但在沖擊力作用下易損壞。

1.2.2 齒輪和傳動器。齒輪將能調(diào)節(jié)動力或改變作用力的方向，將建筑物動態(tài)可變因素的運動方式進行轉(zhuǎn)換。而傳動器可將動力轉(zhuǎn)換為機械功，即利用靜態(tài)部件（定子）和運動部件（轉(zhuǎn)子或電樞）的排列和連接，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)、滑動、折疊等運動。

1.2.3 材料。相關(guān)研究成果表明，材料類型和占比會影響動態(tài)建筑物整體移動情況，選取輕盈的材料在使用上更靈活多變，各個空間結(jié)構(gòu)越容易調(diào)節(jié)，且各動態(tài)元素間的連接越緊密。動態(tài)建筑可移動部件常用的材料有金屬（鐵、鋁、銅、鋅等）、高分子聚合物、天然材料（竹子、皮革等）、碳纖維。

1.2.4 動力系統(tǒng)。動力系統(tǒng)是指整體設(shè)備中需要動力機（電動機、液壓馬達、氣動馬達等）來帶動工作，通過動力實現(xiàn)建筑的位移和轉(zhuǎn)換，達到空間的協(xié)調(diào)和最佳舒適度。

2 動態(tài)建筑設(shè)計方法

2.1 生成設(shè)計方案

由上可知，動態(tài)可變是動態(tài)建筑最關(guān)鍵的特征，故共動態(tài)建筑在設(shè)計階段應(yīng)重點關(guān)注可變方式的選擇和相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用。本文結(jié)合國內(nèi)外工程案例，對旋轉(zhuǎn)、伸縮、折疊、移動等可變方式進行詳細闡述。

2.1.1 旋轉(zhuǎn)。一般來說，人們對于居住建筑環(huán)境的朝向更為在意，此時便凸顯出旋轉(zhuǎn)的重要，以一個點為中心像周圍轉(zhuǎn)動，通過旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)朝向的變化。可旋轉(zhuǎn)動態(tài)建筑物的起始形態(tài)和最終形態(tài)是固定的，在旋轉(zhuǎn)過程中會呈現(xiàn)各種形態(tài)以適應(yīng)外界環(huán)境變化。以圖1所示的沙里夫哈住宅（Shanfi-ha）為例[5]：為了確保建筑空間在不同時間段都能獲取較優(yōu)質(zhì)的光照，采用“旋轉(zhuǎn)盒子”的設(shè)計理念，如圖當盒子打開時，光源可在不同時間通過不同旋轉(zhuǎn)角度進入房間且人可進入陽臺活動，當建筑不想受大量光照時，又可通過旋轉(zhuǎn)盒子關(guān)閉，進入封閉狀態(tài)。

圖1 沙里夫哈住宅旋轉(zhuǎn)形態(tài)

2.1.2 伸縮。伸縮屬于微變形，包括伸展和收縮兩層含義。在動態(tài)建筑設(shè)計時，一般是將小截面構(gòu)件放進大截面空心構(gòu)件中，以實現(xiàn)增大或減少建筑物空間的目標。建筑物構(gòu)件伸縮后，其長度、表面積等物理屬性會變化，但功能基本不變。因此，動態(tài)建筑的伸縮效果主要受伸縮方向、伸縮距離兩個因素影響。

2.1.3 折疊。折疊與伸縮的區(qū)別在于維度，折疊屬于二維變形，但兩者的功能相差不大，都是通過改變構(gòu)件間的連接關(guān)系來控制建筑物空間。動態(tài)建筑物的折疊有兩大特征：①體積。通過一個中心軸的壓縮，體積會發(fā)生變化，隨著軸方向上的體積不斷縮小，另一邊就會不斷變大；②性能。折疊變形應(yīng)是可逆的，這就決定了建筑物功能在折疊前后是相差不大的。動態(tài)建筑物的折疊效果與折疊時所選取的軸、方向和角度都有關(guān)系，其中選擇軸作為基點尤為重要，方向和角度直接影響建筑物折疊程度和折疊效果。

2.1.4 移動。移動是最普遍的物體運動方式，根據(jù)軌跡不同，可劃分為水平移動、垂直移動、斜向移動等。動態(tài)建筑移動前后只是位置變化，功能仍保持不變，其移動效果只與移動方向、移動距離相關(guān)。

2.2 合理性驗證

為了確保圖紙上的動態(tài)建筑方案能轉(zhuǎn)化成實際工程，應(yīng)當針對建筑方案開展合理性驗證，如建筑構(gòu)件變動后使用功能是否滿足要求、內(nèi)部與外部流線是否暢通；機械傳動機構(gòu)能否確保建筑構(gòu)件的穩(wěn)定變動；驅(qū)動設(shè)備是否可以為建筑構(gòu)件變動提供足夠的動力。上述技術(shù)問題均可利用模擬軟件或3D打印機等方式進行驗證。

3 動態(tài)建筑設(shè)計案例分析

本文基于上述動態(tài)建筑設(shè)計理念和設(shè)計方法，對某紀念館進行設(shè)計。紀念館建筑中的可動元素從景觀體驗、展覽、環(huán)境適應(yīng)等方面進行設(shè)計。

3.1 景觀體驗

在建筑物東側(cè)觀景部分設(shè)置可設(shè)計動態(tài)框架（可滑動伸縮）?？蚣艿目缮斐霾糠衷O(shè)計為玻璃框架，而在建筑物內(nèi)活動的部分設(shè)計成半圍合框架。在晴朗天氣下，動態(tài)框架收入建筑中，游客可進入室外平臺觀賞內(nèi)部景觀；在連續(xù)降雨或大風(fēng)等不良天氣下，動態(tài)框架伸出建筑外，罩住室外平臺，使其成為室內(nèi)空間的一部分。

3.2 展覽

將建筑物展廳設(shè)置為鋼框架結(jié)構(gòu)，外部覆蓋玻璃幕墻，框架內(nèi)設(shè)置可升降樓板，可結(jié)合展覽內(nèi)容，隨意升降變動，形成具有一定特色的展覽空間。同時，為了確保提升動態(tài)展覽空間的安全性，建議在鋼框架結(jié)構(gòu)的頂部設(shè)置可移動玻璃欄桿，以保證游客在觀賞期間的安全性。

3.3 環(huán)境適應(yīng)

在展廳玻璃幕墻的外圍設(shè)置可旋轉(zhuǎn)的鋁制遮陽板，設(shè)置效果見圖2。遮陽板能夠根據(jù)室外陽光強度和照射方向旋轉(zhuǎn)，以動態(tài)調(diào)節(jié)展廳內(nèi)的溫度和光照強度。在冬季低溫寒冷天氣，可將遮陽板大角度轉(zhuǎn)動，使展廳內(nèi)得到更多光照，提高室內(nèi)溫度；在夏季炎熱天氣，遮陽板可以隨陽光照射角轉(zhuǎn)動，遮蔽陽光，避免室內(nèi)溫度過高。

圖2 遮陽板旋轉(zhuǎn)前后狀態(tài)

4 結(jié)束語

本文分析了動態(tài)建筑的表現(xiàn)特征、實現(xiàn)手段及設(shè)計方法，并依托某實例闡述了具體設(shè)計方案，研究成果表明動態(tài)建筑具有空間可塑性、需求響應(yīng)性、技術(shù)可行性，其主要實現(xiàn)手段包括旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、軸承連接、齒輪、動器、材料、動力系統(tǒng)等。同時，動態(tài)建筑在具體設(shè)計時，可采用旋轉(zhuǎn)、伸縮、折疊、移動等變形方式。為了確保動態(tài)建筑設(shè)計方案能轉(zhuǎn)化為實際工程項目，還需要對方案進行合理性驗證。雖然目前動態(tài)建筑設(shè)計理論不完善，落地項目較少，但隨著建設(shè)技術(shù)的發(fā)展，未來有良好的前景。