冯刚：形态可变的建筑表皮设计

近日， 第十二届园冶高峰论坛 分论坛之 风景园林与碳达峰碳中和论坛 以线上形式举行。天津大学建筑学院副院长冯刚教授作了题为 《形态可变的建筑表皮设计》 的演讲，介绍了建筑学领域处于学科发展前沿的可变建筑表皮设计理念和案例，探索通过可改变的建筑表皮来达到优化室内物理环境的目标，并探索动态的建筑形式美学。

天津大学建筑学院副院长冯刚教授

     

形态可变的建筑表皮      

     

可变建筑表皮可以定义为，通过主动或被动地控制建筑室内外通风与采光的方式与数量，优化室内外光、风、热交换过程，以改善室内物理环境，节约能耗的建筑表皮系统。

研究可变性建筑表皮的初衷，是希望通过一种可改变的建筑立面肌理，达到对室内物理环境的优化。通过不断的探索，逐渐积累出一些在动态美学及建筑物理环境方面的综合经验。

     

可变建筑表皮相关概念      

     

（1）适应性建筑表皮

这里的适应性指建筑表皮通过调节自身的性状，来适应环境或（和）使用者需求的能力。这种表皮系统能够依照周围环境中的波动和使用者要求的改变进行自我调整。相关研究表明，根据其环境目标，可以分为以满足室内热舒适需求为导向、以满足室内视觉（光）舒适需求为导向、以调节空气流通为导向，以及以提升能源利用效率为导向的适应性表皮系统设计。

（2）动态建筑表皮

动态建筑表皮是指通过机械设计，可发生滑动、旋转、折叠、伸缩、变形等运动的建筑表皮系统。此概念的产生与动态艺术的发展相关，强调可变建筑表皮中精妙的机械系统。

（3）智能建筑表皮

智能（smart）建筑表皮系统指应用智能材料作为运动组件（或制动装置）的可变表皮。与依靠中央处理器进行的智慧表皮不同，这种表皮系统的“智能”体现在材料本身的特性中。

（4）响应式建筑表皮

响应式建筑表皮通常以满足使用者的需求为目标，能够通过改变材料性能或进行机械运动，对自然或人工环境中的条件做出回应。其中，既包括以响应物理环境为主的适应性建筑表皮，又包括以回应使用者行为的交互式建筑表皮。

（5）交互式/媒体建筑表皮

互动式 建筑表皮系统通常使用感应器、微型处理器或采用自动化管理系统，以周边环境中人的行为作为信号。在此类表皮系统的设计中，人不止是建筑表皮的使用者，也是使表皮发生变化的参与者。

     

 案 例介绍      

     

若以动态方式来区分，可将形态可变的表皮系统分为以刚性构件的运动为主要形变方式，和以柔性构件的运动为主要运动方式两种。这些表皮系统通过转动、移动、折叠、弯曲、膨胀、扭曲等不同动作方式，来实现对建筑表皮的外形改变。

A：刚性构件-转动

转动是可变遮阳系统是最传统的可变表皮运动形式，其主要设计原理是根据日照的方向与高度角来调节建筑立面遮阳构件的方向与角度，以实现室内光照环境最优化控制。其中，传统的百叶式可变表皮技术发展最为成熟。

（1）传统百叶式（旋转）

巴西卫生教育大厦：该项目中，勒·柯布西耶首次将其常用的“Brise-solei”遮阳策略与可旋转的百叶相结合。在受柯布西耶影响的南美洲设计师之后的一系列设计中，都可以看到可变百叶元素。它已经成为控制光进出量和进出方式的重要设计策略。在当代设计中，出现了各种“变形”的可变百叶元素，这些项目既以优化室内外物理环境为目标、又具有动态的美学意义。

（2）变形百叶式（旋转）

墨尔本皇家理工大学设计中心：建筑表皮有一组组的由磨砂玻璃组成的圆盘，当光线变化的时候，圆盘会发生一定的转动，达到改善室内环境的目标。

德国Q1办公楼：建筑外立面在简洁的形体外敷了一层金属羽毛表皮。这些表皮有两种旋转方式，每一片羽毛可以绕中轴做水平180度的旋转，另外羽毛上的每一片金属的叶片是独立的，自身亦可旋转。对建筑室内空间而言，这层金属“羽毛”可以提供全向的遮阳，可以实现全方位调节自然光的效果。 

上海图书馆竞赛方案：外立面设计了能够通过旋转叶片来开合的单元，这种单元可以简单地打开或者关闭。本土中展现的立面设计上显示了黄浦江的环境文脉。

除以上展示的形式之外，该项目的立面表皮还可以根据室内空间阅读的需要进行开合，达到调节室内光线的效果。该项目的建筑表皮除了必要的采光优化，还具有形式美学和展示环境文脉的作用。

室内屋顶设计是类似古代折扇结构的表皮，在室外阳光条件发生变化的时候，可以有机调整阅览大厅的日照效果。

（3）摆动

这种立面构件的摆动是没有完全固定的元件，通过摆动达到动态变化的效果。下图中展示了Ned Kahn以自然元素为灵感设计的动态表皮项目。他所设计的动态表皮多以气流变化为动力，随风摆动产生起伏的效果。这种结构可在外部环境的影响下做被动变化，从而将环境的变化映射到建筑的立面上。这类可变表皮生态层面的意义较弱，而更加注重建筑立面与环境的关系与自身的艺术性。

匹兹堡儿童博物馆扩建项目：建筑的外立面是由数千个连接在不锈钢杆件上的半透明白色挡板组成，铝制框架的支撑使外立面如同悬浮于建筑主体之外。立面挡板以碳酸酯板做为叶片，当风吹过建筑表面时，挡板起伏如同平静湖面上泛起的涟漪，创造出非比寻常的建筑美。

布里斯班机场航站楼：布里斯班机场航站楼的风动式幕墙高度为8层楼，面积为5000平方米左右，由118000块悬挂铝板组成。风的吹动使立面产生波纹效果，令原本无形的风具有了千形百状，动感的外观使该停车场成为了当地的地标性建筑。

（4）自由旋转

采用此类运动方式的可变表皮案例，一部分可以根据太阳直射方向或其它环境，进行多维度的旋转，更多则属于以互动性为主的媒体立面，根据使用者的接近、远离等变化发生旋转。

FLARE：Flare是一种模块化的建筑外立面系统，可以通过气动装置来改变外观。Flare的表皮单元由可倾斜的金属薄片组成，通过在墙面上排列组合可以构建环境互动式建筑立面。通过移动flare单元面向或偏离阳光可以控制其对阳光的反射程度，因此也就形成了或明或暗的像素格，从而通过不同灰度打造出了可与周边环境交流的立面单色图像。

B：刚性构件-移动

（1）滑动（前后/平行）

MeganFon Pavillion：通过3D摄影棚捕捉观众或者运动员的面部数据并发送到计算机，11000个驱动器能够同时将三位参与者的脸变成建筑立面上的三维图像。这是全球第一个大规模动态立面，以雕塑的形式体现了数字时代的即时性。

（2）分层滑动

SUNY Stony Brooke (TessellateTM panels)：Tessellate?系统由三层紧密排列的穿孔屏组成，小型电机控制中间层来回移动，如同相机的光圈可以调节控制光线的进入量，在室内产生了光影的变换。Tessellate?系统可以改变穿孔屏设计的图案与尺寸以形成各式各样的自适应外墙系统。

上海复星艺术中心：是我国建筑实验与创新的前沿代表作品，其别具一格的窗帘状流苏立面是受到中国传统戏剧院开放式舞台的启发。675个铜色的竹节形不锈钢管围绕建筑排列了三层，每日四次开合舞动，金光闪闪，璀璨夺目。

（3）组合式滑动

阿拉伯文化研究中心项目：建筑的南立面动态表皮设计借鉴了伊斯兰建筑中的“mashrabiya”元素——一种传统的木格雕刻窗。高30米，长80米的立面上布置了240个形似相机光圈的“感光窗格（photo-sensitive panels）”，根据光照强弱程度，通过叶片的滑动使透光孔收缩变化，以调节室内采光效果。该动态立面的设计更多源自审美需求，因光的均匀性较差，它所带来的照明效果并不利于办公环境。但是在一些公共的空间里，具有其独特的环境魅力。另外，此动态立面项目机械构件较为复杂，易造成磨损，后期维护难度较高。

C：刚性构件-折叠（转动和移动）

（1）基本折叠

基弗技术展厅：基弗技术展厅的立面系统由穿孔铝板组成，竖向的折叠百叶根据室外环境改变折叠角度，以优化室内环境。该建筑作为基弗金属建筑公司的展示空间，立面所用铝板也由公司自行生产。因此，此动态立面的设计既是室内外环境调节的媒介，又是公司技术质量的展示板。

下图为折叠百叶的一些常见排列方式，该百叶既可以由计算机控制也允许使用者主动调节百叶角度，不同的排列方式使建筑外立面具有不同的形式。

（2）屏风式折叠

格拉茨技术大学-生物催化实验室：南立面为大面积的玻璃立面，外侧通过折叠百叶遮阳，可以根据使用者的需求进行推拉调整。折叠百叶以六扇穿孔铝板为一个单元，侧面像马赛公寓一样为彩色。屏风式折叠百叶的可变性与侧面丰富的色彩使该建筑颇有趣味。

（3）剪刀式折叠

（4）折纸理论（伞状折纸）

刚性折纸是一种特殊的折纸结构，通过沿预定折痕的折叠实现在不同折叠状态之间的连续运动。在其成型过程中变形只发生在折痕区域，而主体板面不发生扭曲或拉伸等变形。

阿布扎比投 资委员会总部 Al Bahar 大厦 ：设计师从“Mashirabiya”获得灵感，将其与现代的、动态的遮阳技术结合，为这两座双子塔设计了前沿性的外部遮阳系统作为建筑的“第二层皮肤”。这些现代化 “Mashirabiya”装置——伞状的可折叠遮阳组件覆盖了两座办公大楼的东、南和西向立面。每个“Mashirabiya”组件单元重约1.5吨，六个单元在立面上组成一个六边形。每座办公楼上分别覆盖1046个遮阳组件单元。当太阳运动时，垂直带状的遮阳伞也随太阳的方位呈现不同的开合状态。自动化的遮阳装置减少了建筑室内超过50%的太阳辐射得热。由于外部的遮阳设施能够有效阻挡直射光，这两座办公大楼的幕墙采用了透光率更高的玻璃，令室内的自然光线更充足、视野更清晰。

D：柔性构件运动

（1）弯曲

以柔性构件为主体的可变建筑表皮系统相较于刚性构件较为少见。位于下图左下方的韩国丽水世博会主题馆，以鱼腮为理念，对建筑表皮进行设计，表皮通过开合达到室内外空气的流通。

韩国丽水世博会主题馆（One Ocean）：该设计基于仿生动力学原理，受动物运动机制的启发，采用具有弹性的GFRP薄片形成鱼鳃式立面，通过开合调节室内的进光量与到空气流通状况，以减少能耗。夜晚每一条表皮内侧的LED灯会照亮相邻表皮，成为具有文化展示意义的媒体立面。

实验项目：下图是工作室的实验项目，利用塑料薄膜和木材两种材料叠加作为建筑表皮。当木材稀释之后，塑料材不会产生形变的，而木材发生胀缩之后则会发生卷曲。左图为试验构建过程，中间为设计原理，右图展示了采用该表皮设计的的温室项目。当湿度过大时，表皮构件发生卷曲，因此表皮呈现开放状态，将温室内的湿气排出，当干燥时关闭，保持湿度的相对平衡。

（2）卷动

蒙特利尔世博会美国馆：该建筑形状近似3/4的巨大球体，直径约76米，高约26米。1976年的大火烧毁了该建筑的丙烯酸薄膜材质可变表皮，也因此使结构裸露，球体被三角形细碎地切割开，在立面上更具有复杂性和结构美。

实验项目：下图展示了团队的实验项目，以中国传统卷轴为灵感设计的建筑表皮，安装于建筑外窗表面。

（3）膨胀

Media-TIC building：建筑立面的凹凸三角形为是ETFE薄膜组成的气枕。立面 薄膜总共有三层，第一层是透明薄膜，第 二、第三层是以圆点为基础设计的互补图 形，共同构成 154 个三角形气枕。其中， 104 个气枕可以由电脑控制其充气状态， 根据太阳的运动轨迹来改变形态，最多可 以达到 95% 的透光度，或阻挡 90% 的日照。此外，该表皮采用了烟雾式气囊遮阳方式。它将烟雾注入气枕，根据温度感测启动，控制气体的粒子密度来提供可变化的遮阳。

汉诺威世博会-Duales System展馆（Cycle Bowl） ：外立面采用了三层 ETFE 膜构成的气枕。气枕内部两层采用了形状 互补的植物形图案。当表皮气枕充气时， 图案打开，光线可以射入建筑内部 ;当不 充气时，两侧不透明的图案正好闭合，可遮蔽阳光。 

（4）扭转

Softhouse - at Internationale Bauausstellung 2013：该立面为光电一体化建筑（BIPV）。建筑南立面有覆盖薄膜太阳电池的GFRP柔性板。该动态表皮设定了两种运动程序：根据一年中的太阳高度角变化，房顶上的GFRP板会改变曲度；随着每天太阳的东升西落，建筑南立面上的竖向条状带会根据太阳方位角产生扭转。因此，太阳能薄膜电池板可以与太阳直射光的方向垂直，提升太阳能发电的效率，并有效遮挡直射太阳光线，减少室内的眩光危害。

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