基于數(shù)字技術(shù)的建筑互動表皮設(shè)計研究

摘 "要：近年來，國內(nèi)一些建筑設(shè)計領(lǐng)域的學者通過數(shù)字技術(shù)手段對建筑互動表皮設(shè)計的研究已積累了大量知識成果，并沿著多樣化、智能化探索不斷擴展。本文首先梳理了近十幾年來國內(nèi)高校建筑學科基于數(shù)字技術(shù)在建筑互動表皮設(shè)計方向的文獻言論、搭建原型以及實踐成果，總結(jié)并歸納出這些設(shè)計成果的研究重點和具體內(nèi)容，根據(jù)相關(guān)資料對當下現(xiàn)狀進行了分析，以期為未來的建筑互動表皮設(shè)計實踐提供相應的理論參考。

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

從工業(yè)時代到智能時代，數(shù)字化技術(shù)與多學科融合的成果不斷影響著中國建筑師的設(shè)計思維與設(shè)計方式。在克勞斯·施瓦布的《第四次工業(yè)革命》一書中，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、無人駕駛、人工智能、工業(yè)機器人、區(qū)塊鏈科技等數(shù)字化技術(shù)對我們社會產(chǎn)生的巨大影響。特別是中國作為制造業(yè)強國，在當前階段，存在著傳統(tǒng)轉(zhuǎn)型和產(chǎn)業(yè)升級等嚴峻問題。在這次技術(shù)改革中，數(shù)字化技術(shù)不僅打破了人們對于建筑的傳統(tǒng)理解，而且逐漸地介入到建筑設(shè)計流程中來。建筑互動表皮作為數(shù)字化技術(shù)與多學科融合的成果，其工作原理是通過傳感器與計算機的介入建立建筑表皮與外界環(huán)境的動態(tài)聯(lián)系，達到即時響應環(huán)境變化[1]。建筑互動表皮可以有效地節(jié)約自然資源、減少碳排放量、降低建筑能耗，達到調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境作用，賦予建筑表皮新的美學內(nèi)涵。本文從近年來國內(nèi)高校建筑互動表皮設(shè)計的研究成果出發(fā)，整理歸納了基于數(shù)字化技術(shù)的建筑互動表皮設(shè)計。一部分內(nèi)容是建筑互動表皮設(shè)計策略，另一部分則是互動表皮的物理原型開發(fā)，總結(jié)歸納其中的研究難點，開拓對建筑互動表皮設(shè)計的思考，以期在建筑實踐中作進一步的探索。

一、建筑互動表皮

2011年，以著名建筑師邁克爾·斯泰西為代表召開的“適應性建筑”（Adaptive Architecture‖） 會議在倫敦建筑中心舉行。作為一場互動建筑領(lǐng)域里開創(chuàng)性的會議，首次提出互動建筑的四個主要研究方向：建筑互動表皮、可轉(zhuǎn)變結(jié)構(gòu)、仿生材料以及智能系統(tǒng)。在越來越重視環(huán)境保護與建筑能耗問題的今天，表皮作為建筑環(huán)境的界面與能耗的調(diào)節(jié)者，對于它的互動設(shè)計已成為當下建筑學科的熱門研究領(lǐng)域之一。建筑表皮互動可以采用不同的設(shè)計方式來進行對風環(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)。其中包括互動表皮遮陽系統(tǒng)、智能材料互動、充氣式互動表皮、功能互動表皮，還有一些則是作為媒介的表皮，利用光、聲、感帶給人視覺、聽覺、觸覺的感官互動，并以此來表達某種建筑精神內(nèi)涵與文化隱喻。

1987年，在法國巴黎落成的阿拉伯世界文化服務(wù)中心（Arab World Institute）是首個擁有建筑互動表皮系統(tǒng)的大型建筑項目，開創(chuàng)了互動表皮設(shè)計的先河。該建筑表皮的互動系統(tǒng)設(shè)計相對復雜，整個系統(tǒng)由大概30000個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光圈般的百葉機械裝置，工作原理是外部機械表皮根據(jù)太陽的位置，通過機械系統(tǒng)控制改變開孔率大小從而控制光亮和透明度，以此來維護建筑內(nèi)部適宜的光環(huán)境。雖然在不久之后，因為機械系統(tǒng)故障和后期維護成本太過于昂貴這兩個主要原因，該表皮的機械系統(tǒng)不再被使用，但是這是互動技術(shù)在建筑表皮上的一次舉足輕重的實踐，對后來的互動表皮理論與事件發(fā)展具有積極的推動作用。

二、基于數(shù)字技術(shù)的建筑互動表皮設(shè)計研究

（一）設(shè)計策略與實踐研究

國內(nèi)的建筑院校教學研究較于國外起步相對晚一些，但是隨著國內(nèi)研發(fā)技術(shù)能力和建筑學的快速發(fā)展，也出現(xiàn)了越來越成熟的有關(guān)建筑互動表皮領(lǐng)域的研究成果。在學術(shù)理論方面，以設(shè)計策略研究具多，為后期的實踐探索打下了一定的理論基礎(chǔ)。在設(shè)計實踐方面，主要以實驗物理原型開發(fā)為主。原型開發(fā)一直是互動建筑研究過程中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。原型的作用是讓設(shè)計師能夠在一系列特定條件下對物理模型進行測試實驗和仿真體驗。實驗后的物理模型可直接轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶋H應用，應用的結(jié)果又可檢驗原型設(shè)計是否在實踐中可行，最后將收集的數(shù)據(jù)結(jié)果在專業(yè)分析軟件中進行對比研究并進行方案優(yōu)化設(shè)計。

1.互動表皮類型化研究

哈爾濱工業(yè)大學虞剛教授的團隊一直聚焦于在互動建筑領(lǐng)域進行類型化的研究。該團隊分別從表皮、結(jié)構(gòu)、空間、媒體等多個設(shè)計載體進行有關(guān)互動原型的實驗，如表皮互動原型——動態(tài)立面（DYNAMIC FACADE）、結(jié)構(gòu)互動原型——葉亭（LEAVES PAVILION）、媒體互動原型——信息門（HEXAGON INFO-WALL）、空間互動原型——動態(tài)交織（DYNAMIC INTERLEAVING）等。其原型的實驗過程可以被分為四個環(huán)節(jié)：設(shè)計初期階段構(gòu)想、互動實體模型設(shè)計、互動控制系統(tǒng)設(shè)計以及數(shù)控制造與組裝。這些研究成果被詳細地記錄在虞剛教授發(fā)表的《走向互動建筑》這本著作中，其中闡述了他近幾年在互動建筑上的類型化研究，方便讀者清楚地了解有關(guān)互動建筑的基本形式和其設(shè)計過程[2]。

2.互動表皮設(shè)計方法研究

由廈門大學石峰教授的團隊創(chuàng)建的XMU數(shù)字建造社自2020年開始舉辦數(shù)字建造營培訓活動，致力于建造為學生提供多樣性探索數(shù)字化設(shè)計的平臺。在第2期數(shù)字建造營結(jié)營成果中，石峰教授所指導的學生成果主要以為仿生建筑表皮和互動建筑模塊設(shè)計方法為主，學生通過grasshopper工具和使用Java等編程語言，生成了一系列可動建筑表皮設(shè)計方案。如基于含羞草運動模式的可變建筑表皮、響應風速的可變氣動表皮以及基于采光的可動建筑表皮等。這樣的生成設(shè)計突破了傳統(tǒng)建筑師的手與腦的限制，實踐了“形式追隨性能”的設(shè)計范式。通過代碼邏輯與數(shù)控機器的結(jié)合，創(chuàng)作者能夠生產(chǎn)一系列個性化定制的建筑產(chǎn)品。數(shù)字化的設(shè)計與建造方法讓設(shè)計思維更加理性，并賦予了可動建筑表皮更多的想象空間。除此之外，在石峰教授撰寫的文章中，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)計方法，并提出了其設(shè)計步驟細節(jié)[3]。

3.互動表皮形式美學研究

在2020國際人居環(huán)境與未來城市大會上，天津大學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”[4]的研究匯報，歸納總結(jié)了動態(tài)表皮可變單元常見設(shè)計方式。在教學與設(shè)計實踐中，馮剛教授的團隊一直致力于動態(tài)建筑表皮的研究，試圖通過建筑表皮的運動模式來達到優(yōu)化室內(nèi)物理環(huán)境的目標，并同時關(guān)注動態(tài)的建筑形式美學。該團隊近期在智能材料在動態(tài)表皮的應用上做了一系列研究，例如從動態(tài)表皮材料入手，將玻璃纖維鋁箔貼紙與椴木板進行搭配組合，并利用材料吸熱膨脹率差異的特性，讓組合材料產(chǎn)生彎曲或者復原的形態(tài)，通過形狀變化的材料實現(xiàn)表皮智能可變。在對表皮原型進行多次測試之后，馮剛教授的團隊又將該原型應用在室內(nèi)與建筑設(shè)計實踐中。第一個表皮實踐是應用在室內(nèi)設(shè)計中，開發(fā)一款酒店衛(wèi)生間的遮擋軟裝產(chǎn)品（如圖1），當淋浴噴頭產(chǎn)生水汽，墻壁就會像花一樣打開；而在如廁時，材料關(guān)閉孔洞起到遮蔽作用。材料的疏密程度經(jīng)過設(shè)計，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。而第二個表皮實踐的花房濕敏智能表皮設(shè)計則是在第一個設(shè)計的基礎(chǔ)之上的優(yōu)化升級（如圖2）。其設(shè)計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)，進而開發(fā)出了更大尺度、更強耐久性的材料能夠應用在建筑中的場景。設(shè)計目的是為了在陽光充足的時候表皮自動打開引入自然光，同時也可以吸引更多的人到建筑中來，亦或是在晚上的時候打開表皮讓光線散出來，讓此處成為一個更加吸引人的場所。

4.建筑互動遮陽表皮研究

自2009年9月開始至今，湖南大學的胡骉教授團隊就已經(jīng)進行了多次有關(guān)于建筑互動遮陽表皮設(shè)計的數(shù)字建筑Workshop。工作營因地制宜地充分發(fā)揮湖南大學學科交叉優(yōu)勢，從本校的設(shè)計藝術(shù)學院工業(yè)設(shè)計系請來師生作為指導教師，幫助營員解決建模和編程的掃盲學習，并在胡骉老師的帶領(lǐng)下有計劃地組織學生以小組為單位，對建筑互動遮陽表皮進行方案設(shè)計。值得一提的是每屆工作營一直都是堅持以實物落地建造為結(jié)營成果，為建筑互動遮陽表皮的設(shè)計探索提供了實踐性研究。湖南大學建筑學院老系樓門廳數(shù)字遮陽頂棚設(shè)計是2012年Workshop的結(jié)營成果，該項目由312個相似四邊形為基礎(chǔ)的通透多面體組成連續(xù)曲面，隨著位置的移動，通過調(diào)節(jié)控制Rhino模型的Grasshopper的設(shè)計參數(shù)，多面體的遮陽角度會隨著太陽照射角度的變化而變化[5]。長沙市特殊教育學校建筑互動遮陽表皮是湖南大學胡骉教授團隊2022年落成的項目（如圖3）。項目由一套建筑互動遮陽表皮互動控制系統(tǒng)所主導。該系統(tǒng)分為交互式控制系統(tǒng)與程序式控制系統(tǒng)，當交互式控制系統(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)，將信號轉(zhuǎn)換為機械運動，從而控制機械傳動實現(xiàn)遮陽扇葉的折疊運動，有效解決了廊道內(nèi)的遮陽問題。

（二）基于數(shù)字技術(shù)研究的趨勢

從前文的內(nèi)容我們不難看出，高校建筑學科在互動建筑方面的研究，早已跨過了理論基礎(chǔ)方面研究，來到設(shè)計裝置開發(fā)和實際項目應用的階段。無論是致力于互動建筑與智能建造的哈爾濱工業(yè)大學（深圳）建筑學院互動建筑設(shè)計課程，還是關(guān)注于多樣性探索互動表皮設(shè)計的廈門大學建筑與土木工程學院XMU數(shù)字建造社，這些研究團隊所產(chǎn)出的成果均表明，互動技術(shù)本身所提供的支持已經(jīng)遠遠超過建筑學對互動技術(shù)的理解和需求[6]。建筑設(shè)計者將不再被技術(shù)的問題所限制，僅需利用好現(xiàn)有的開源資源，就可創(chuàng)造出建筑互動表皮不同的可能性。根據(jù)近幾年高校建筑學科基于數(shù)字技術(shù)在建筑互動表皮設(shè)計方向的研究趨勢來看（如表1），未來的互動建筑表皮研究將有可能聚焦以下幾個方面：1.互動表皮材料響應環(huán)境變化；2.互動表皮響應使用者行為；3.建筑表皮互動控制系統(tǒng)設(shè)計；4.建筑互動表皮的施工技術(shù)等。這些研究將會以互動裝置原型設(shè)計作為實驗重點，其原型開發(fā)程度將會決定建筑互動表皮的實際應用效果。通過大量類型化實驗與讓建筑具有了更多的表皮智能化屬性，實現(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）互動控制系統(tǒng)的開發(fā)

建筑互動表皮的實踐應用離不開互動原型的設(shè)計，互動原型的核心部分是互動控制系統(tǒng)的開發(fā)，而開發(fā)系統(tǒng)則是整個研究中的關(guān)鍵所在。筆者基于以往所在設(shè)計團隊研發(fā)的建筑互動表皮案例，提出了一種新的互動控制系統(tǒng)設(shè)計思路（如圖4）。根據(jù)功能將互動控制系統(tǒng)分為交互模塊與動態(tài)模塊，交互模塊可由環(huán)境變化的使用者的行為進行激活，動態(tài)模塊在交互模塊的控制下進行動作響應。交互模塊包括傳感器與反饋裝置，運動模塊包括信號運算裝置、電機驅(qū)動裝置以及機械傳動裝置，電機驅(qū)動裝置和機械傳動裝置可分為整體成組式和單元體活動式。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)，通過反饋來尋求優(yōu)化設(shè)計方案，達到閉環(huán)式的設(shè)計尋優(yōu)，形成自上而下的整體的互動控制系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)設(shè)計成的建筑互動遮陽表皮可根據(jù)光線的強度變化改變動態(tài)模式，通過花瓣狀的遮陽板進行閉合或者打開，達到即時響應互動遮陽采光的效果。

圖4 互動控制系統(tǒng)設(shè)計（圖片來源：筆者自繪）

三、總結(jié)與展望

綜上，經(jīng)過10余年的努力，我國高校建筑學科基于數(shù)字技術(shù)在建筑互動表皮設(shè)計的研究已形成了一定的規(guī)模，一些成果已應用于實踐項目和課程教學，其內(nèi)容涉及到建筑、機械、藝術(shù)、計算機科學、材料等學科知識交叉范疇?；颖砥さ某鋈κ窃谔魬?zhàn)建筑師對傳統(tǒng)建筑表皮的理解、重塑人們的日常生活、推動建筑從“靜”到“動”的轉(zhuǎn)型?；颖砥ぷ钤绯霈F(xiàn)的起因是因居住者防御外界惡劣環(huán)境的需求。時至今日，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造一個舒適的生存環(huán)境。與以往不同的是，作為建筑互動表皮的設(shè)計者，從設(shè)計階段開始，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)計中，為我國建筑行業(yè)綠色發(fā)展做出貢獻。

參考文獻：

[1]胡骉，王禹淳.建筑表皮互動遮陽系統(tǒng)設(shè)計研究探析[J].中外建筑，2022（3）：44-50.

[2]虞剛.走向互動建筑[M].南京：江蘇鳳凰科技出版社，2017.

[3]崔艷秋，孫文博，薛小川，等.基于光熱環(huán)境優(yōu)化的動態(tài)建筑表皮單元運動方式研究——以旋轉(zhuǎn)表皮為例[J].建筑節(jié)能，2022（10）：31-38.

[4]馮剛，陳達，苗展堂.“動態(tài)封裝”——可變建筑表皮系統(tǒng)設(shè)計研究[J].建筑師，2018（1）：116-123.

[5]胡骉.透明表皮——湖南大學建筑學院老系樓門廳數(shù)字遮陽頂棚設(shè)計[J].城市建筑，2013（19）：106-109.

[6]虞剛，李力.建筑作為互動——以東南大學四年級建筑設(shè)計課程為例[J].世界建筑，2018（7）：111-115，123.

作者簡介：王禹淳，碩士，惠州學院美術(shù)與設(shè)計學院專任教師。