“動態(tài)封裝”
——可變建筑表皮系統(tǒng)設計研究

馮剛

陳達

苗展堂

建筑表皮，指建筑室內外空間環(huán)境的界面，以及人們通過觸覺、視覺直接感受到的建筑表層，被認為是皮膚、衣服之外的，保護人體安全的“第三層皮膚”。從室內外能量交換的角度來看，傳統(tǒng)建筑表皮是作為能量的屏障而存在的。隨著建筑設計觀念與技術的進步，其角色逐漸轉化成為一種物質與能量的傳遞者，某些情況下甚至可能是能量的生產者。以表面裝飾設計為特征的靜態(tài)建筑表皮逐漸向交互式動態(tài)建筑表皮進化。動態(tài)建筑表皮可以根據外部物理環(huán)境條件或使用功能需求的變化主動或被動調節(jié)自身的形態(tài)，控制物質與能量穿過建筑表皮的過程與數量，以達到最優(yōu)化室內物理環(huán)境條件的目的，以實現一種能夠像生物體皮膚一般控制物質能量交換的建筑“皮膚”。信息時代建筑表現出更多的“媒體化”與“智能化”的特征，數字技術的出現，推動這一趨勢不斷以更加炫目的方式來展示?？勺儐卧到y(tǒng)設計（圖1）則是這一動態(tài)建筑表皮設計的關鍵性“元素”。

一、可變建筑表皮設計的價值取向

自“建筑”出現之始，就有了圍護基礎上對于“通透性”的追求。門、窗、簾幕這些建筑構件，可以視為最初級意義上的可變表皮元素。它們通過簡單的開閉過程，允許使用者根據室內物理環(huán)境的需求，調節(jié)進出建筑的風、光、熱等物質與能量。百葉窗等各種傳統(tǒng)可通風、可變遮陽形式，通過簡單的變化，有效地解決了日照與視線通透性的問題，并具有一定的裝飾功能與文化內涵，可視為動態(tài)表皮的一種設計原型。當代動態(tài)表皮設計理念得以廣泛地發(fā)展，首先是基于對建筑物理學與熱工氣候學設計需求的一種解答。隨著建筑設備系統(tǒng)的革命與可持續(xù)發(fā)展理念的深入人心，簡單依靠空調來控制室內環(huán)境品質的高能耗做法受到質疑。對于表皮內外能量傳導的調控，逐漸在建筑設計中表現出重要的價值。LOW-E玻璃、熱斷橋材料等節(jié)能材料的大規(guī)模采用，自動控制系統(tǒng)與計算機輔助設計技術的進步，生態(tài)建筑設計理念與技術的提高，都在不斷驅動建筑表皮設計發(fā)生新的革命。利用“溫室效應”“文丘里效應”“煙囪效應”等被動式生態(tài)技術與光伏電池等主動式生態(tài)技術，可以更加有效地控制建筑表皮內外光能、熱能等能量交換以及空氣、水汽等物質交換，以確保獲得舒適的室內環(huán)境，使得建筑的表皮可以像生物體的皮膚一樣，自由地“呼吸”。正如第一座雙層表皮摩天樓的設計師英恩霍文（Christoph Ingenhoven）曾談到的：“作為一個建筑師，我希望我的建筑表皮能像人的皮膚一樣完美運作，甚至還能有所超越。皮膚是人體器官中功能最多的，從內部到外部，保護著人體抵御著環(huán)境的危害，同時還輔助人體的代謝與免疫系統(tǒng)?！盵1]此時，建筑設計在很大意義上成為一種消除室內環(huán)境不確定性的工作，并根據不同的外部實時環(huán)境條件將能量流精確地控制以保證室內環(huán)境的舒適性。C2ES1的研究表明：“住宅建筑中，通過優(yōu)化窗的設計，可以節(jié)能10%～50%；商業(yè)建筑中，則可以減少照明與采暖空調系統(tǒng)的消耗，從而減少10%～40%的維護費用?！盵2]。如阿布扎比的Al Bahar大廈的Mashrabia可變遮陽系統(tǒng)，共裝有1049個可變模塊，這些模塊由BMS系統(tǒng)（Building Management System）自動控制，并連接光的感測器和測量風速的風速器，可以獨立地依據太陽一天的軌跡開啟和關閉，從而減少50%能源消耗，每年減少碳排放1750噸。[3]借助于光伏技術，動態(tài)表皮系統(tǒng)還可以“追蹤”太陽的運動，并將光能轉化為電能，成為能量的生產者。運用光反射與散射的設計，動態(tài)表皮不但可以遮陽，而且還可以通過改變光線的傳遞方向，“增強”室內光照效果，并使室內照明更加均勻。JSWD設計的德國“Q1 Office Building”大廈，采用隨太陽運行軌跡變化的，由大約40萬片三種不同的形狀的金屬“羽毛”組成的動態(tài)表皮，可將建筑物的年能耗控制在150kWh/m2以內。位于澳大利亞墨爾本的“Council House2”大廈的采用了包括可變遮陽系統(tǒng)在內的多種生態(tài)技術，可以減少電能消耗達85%，減少碳排放87%，達到了綠建6星標準。

圖1：可變建筑表皮單元設計的主要類型

如果僅從能量傳遞的層面來審視動態(tài)表皮，百葉窗等傳統(tǒng)遮陽方式已經可以一定程度地達到目的，而無需復雜的機械系統(tǒng)與多變的遮陽形式。動態(tài)表皮的另一層價值則在于其突破了傳統(tǒng)立面設計的概念，將靜態(tài)的立面構圖升華為一種動態(tài)變化的過程，將可變單元視為一種建筑藝術創(chuàng)作的平臺。即使犧牲部分的物理性能，亦追求創(chuàng)造一種前所未有的動態(tài)立面美學效果，一種純美學的價值取向。不同的季節(jié)、不同的天氣、一天中的不同時間，建筑外部環(huán)境條件都會發(fā)生變化，立面也隨之呈現不同的表情。甚至一些動態(tài)表皮設計會以一種純形式的面孔出現，創(chuàng)造一種動態(tài)的，不斷變化的夢幻般的立面肌理與室內光影效果。起始于20世紀初的立體主義，動態(tài)雕塑成為一種重要的藝術形式以表現工業(yè)社會的一種視覺體驗，一種并置與多重空間的視覺藝術。20世紀60年代以來，伴隨著電子影像、數字技術的發(fā)展，動態(tài)藝術的領域得以進一步拓展，逐漸融合到建筑、裝置藝術中，日趨成為當代公共藝術中的一種主要的藝術形態(tài)。由多個可變單元構成的動態(tài)表皮系統(tǒng)，具有“像素化”的表面特征，可以便捷地傳達圖像信息，并可隨時進行變換與調整。

動態(tài)表皮系統(tǒng)通過不同原理的單元系統(tǒng)來實現對風、光、熱、濕等環(huán)境元素的調控。其中，有借助外部能量輸入的主動式可變系統(tǒng)，如可變遮陽系統(tǒng)、充氣式皮膚、彈性表皮等；也有利用材料本身特性來實現的被動式可變系統(tǒng)，如采用智能材料的可變表皮、立體綠化表皮等。還有一些則是純形式層面的動態(tài)表皮，利用光、形、色的變化來表達建筑精神內涵與文化隱喻。當代動態(tài)表皮設計正是融合建筑的實用性、雕塑的審美價值、表皮的物理性能，并達到一種完美的平衡，并逐漸成為當代建筑設計的一種潮流。

二、可變表皮主要設計類型

1.可變遮陽系統(tǒng)

建筑物每天不同時間接受到的日照狀況有很大差異，對于遮陽也有不同的需求。例如，夏熱冬冷氣候區(qū)需要借助遮陽構件不同程度遮擋正午的陽光，早晨盡可能多的接受日照，而傍晚則消除西曬的不良影響。傳統(tǒng)遮陽可分為垂直遮陽、水平遮陽、格柵遮陽、簾式遮陽等多種形式，并常采用可變角度的遮陽板來調節(jié)遮陽效果。傳統(tǒng)遮陽構件的位置相對固定，樣式比較單一，對于建筑立面藝術效果貢獻不大。當代遮陽設計逐漸從單純的板、柵、簾的形式，逐漸向新材料、組合式、多維度、智能化的方向發(fā)展，其變化邏輯也從簡單的旋轉發(fā)展出折疊、位移、多維旋轉、充氣等多種形式。可變建筑遮陽體系，改變了建筑表皮的設計過程與形式特征，使得建筑立面成為一種不斷變化的動態(tài)系統(tǒng)，賦予建筑以新的美學內涵。而建筑立面不再是一種純形式的表達，而更多意義上是一種形式美的創(chuàng)作過程，一種技術功能關系的外在反映。

“折疊”是最常見的可變單元設計方式(圖2）。Ernst Giselbrecht+Partners事務所的作品主要采用可移動的折板來實現可變的立面遮陽?；スに囌箯d（Kiefer Technic Showroom，圖3）采用了可以豎向移動并折疊的穿孔金屬板，格拉茨技術大學-生物催化實驗室（Biocatalysis Lab Building）則采用了可以橫向移動并折疊的穿孔金屬板。在提供可變遮陽的同時，也提供了一種有序或無序的屏風般的立面效果。Arup與Yazdani Studio of Cannon Design設計的韓國CJ CHEILJEDANG公司研發(fā)中心項目（圖4），外層表皮采用了一種可以折疊的遮陽板。這種遮陽板由穿孔金屬板制成，并通過一套自動控制的機械折疊系統(tǒng)，根據日照條件來調節(jié)立面遮陽的開合，從而有效優(yōu)化室內光環(huán)境。由于不同房間對于日照的需求會有不同，不同位置的遮陽板即使在同一時間也會有不同的開合角度。這層遮陽系統(tǒng)，在立面上形成了一層不斷變化的波浪形立面肌理效果。Aedas設計的阿布扎比投資委員會總部Al Bahar大廈（圖5），在內層玻璃幕墻外日光可以直射的立面部位包覆了一層可變的外遮陽表皮。這層遮陽系統(tǒng)采用了一種可以通過支撐系統(tǒng)開合的傘狀結構。結構表層為帶有遮陽覆蓋層的玻璃纖維材料，每六片三角形框架組成一個可變單元，安置在外墻獨立的構架上。這些由自動控制系統(tǒng)操控的遮陽單元可以隨著室外光照強度與方向的變化不同程度地張開或閉合，如一把把遮陽傘包覆于建筑表面。這一遮陽系統(tǒng)既能滿足必要的自然采光，又可以有效節(jié)約50%的空調能耗。正六邊形的傘狀結構，同時也具有伊斯蘭的宗教圖示意味，將表皮形式、功能與文化內涵完美結合起來。

圖2：Project Exhibition–UnFOLD

圖3：基弗工藝展廳

圖4：CJ CHEILJEDANG公司研發(fā)中心

圖5 ：阿布扎比投資委員會總部Al Bahar大廈

以旋轉來實現可變遮陽，源自百葉窗的設計。當代建筑中的旋轉式遮陽設計，突破了傳統(tǒng)條形葉片的限制，采用多維度的旋轉方式，以求獲得全方位的遮陽效果，同時獲得多變的立面肌理。多米尼克·佩羅在法國國家圖書館方案中，采用了一種可沿著豎向軸線旋轉的木板，使用者可以根據不同程度的采光需求調整墻面的開合，立面上形成一種自由變化的表面肌理，并反映出建筑內部人的活動情況。JSWD設計的ThyssenKrupp總部Q1大樓（圖6），采用了一種可以雙向變化的遮陽系統(tǒng)。建筑內表皮為普通玻璃幕墻，外表皮大部分由一層不銹鋼材料的金屬百葉所包覆，共使用了超過8000m2的不銹鋼材料。這些金屬百葉分成多個與樓層高度一致的羽毛狀單元結構。每個單元可以繞豎向轉軸旋轉，單元內部的金屬葉片又可以沿著橫向的轉軸改變角度。這種雙向旋轉系統(tǒng)，可提供全向的調節(jié)，以最佳地適應太陽高度角與入射角度的變化。這層“金屬羽毛”，不斷變化著外觀形狀，賦予建筑立面開合與虛實漸變轉換的變化效果。Sean Godsell設計的墨爾本皇家理工大學設計中心（RMIT Design Hub圖7），則采用了一種由16000塊玻璃圓盤構成的動態(tài)表皮均勻包覆整座建筑。這些半透明的玻璃圓盤成組布置，由中央控制系統(tǒng)依據時間、日照情況與風向來控制其旋轉角度，墻面則隨之呈現波浪般的立面效果。

圖6：“Q1 Office Building”大樓動態(tài)表皮及單元設計節(jié)點

圖7：RMIT Design Hub 墨爾本皇家理工大學設計中心及單元設計節(jié)點

利用葉片的旋轉來控制空洞開孔率的大小是可變遮陽系統(tǒng)的一種較常見的做法（圖8）。1987年建成的由努維爾設計的巴黎阿拉伯文化中心項目（圖9），采用了一種類似鏡頭光圈結構的動態(tài)遮陽單元，是現代動態(tài)表皮設計最早的代表性作品。這種復雜的機械體系統(tǒng)立面上具有獨特的肌理，內部空間也可以形成復雜的光影變化。

圖8：利用葉片的旋轉來控制空洞開孔率

圖9：阿拉伯文化中心可變表皮

2.智能表皮材料

智能表皮材料受到特定的環(huán)境變化的刺激時，會改變原有材料的物理性能，并能夠隨著環(huán)境條件的復原而恢復原有的物理性能。這種能夠根據環(huán)境變化而發(fā)生性狀改變的材料，廣泛應用于工程設計、時尚娛樂與工程建筑中，對于可持續(xù)發(fā)展的建筑設計亦具有重要的價值。建筑中常見的刺激智能材料改變的外部條件有電、聲、光、熱、水等?？勺冋陉柕缺砥ぴO計，主要是通過機械系統(tǒng)、電子傳感器以及自動控制系統(tǒng)來實現，智能表皮材料則更加注重表現材料本身所具有的物理化學性能及其對于環(huán)境系統(tǒng)的反應能力。有些智能表皮材料需要額外的能源來驅動，而有些智能表皮材料既不需要額外的機械或電子控制，也不依賴于外部能源，更多意義上類似于一層可自主調節(jié)的生物體的皮膚。

利用電壓或電流強度的改變，可以改變一些智能表皮材料的物理性狀。例如，電控調光玻璃基于電化學反應來實現狀態(tài)改變。當切斷電源時，玻璃里的液晶分子會呈現不規(guī)則的散布狀態(tài)，使光線無法全部或部分射入，從而改變玻璃的透明度。ETH的研究項目“空間轉移電敏感多聚物表皮”（Space shift electro active polymer fa?ade，圖10），開發(fā)出由多層多聚物復合構成的表皮單元可隨著電流的變化發(fā)生形變。

LIFT事務所設計的“空氣花（The Air Flower，圖11）”項目，靈感源自于日開夜閉的番紅花。它是一個被動式熱敏通風系統(tǒng)。墻面的葉片由兩側脹縮率不同的金屬片構成。當溫度升高時，葉片會打開，促進室內外的通風；反之，當溫度降低時，葉片會關閉，阻隔室內外空氣的流通。這種不需要額外消耗能量的建筑表皮同時具有建筑學與生物學兩個層面的特征。南加州大學教授Doris Kim Sung在洛杉磯的材料及應用展示中心設計了一件可以根據環(huán)境條件的變化改變表面形式的作品“Bloom”(圖12)。這一結構體的表皮由14000片激光切割成的金屬片覆蓋。這些金屬片由兩層脹縮率不同的金屬構成。當表面受熱時，金屬片會卷曲，從而改變結構體表面肌理與開孔的大小，并可以使受熱區(qū)域獲得通風。這一項目將材料學研究成果、結構創(chuàng)新與參數化的表皮設計方式結合起來，創(chuàng)作出能夠反映環(huán)境變化特點的結構表皮形式。

圖10：“空間轉移電敏感多聚物表皮”

圖11：“空氣花”（The Air Flower）

圖12：“Bloom”

圖13：“Water-Reaction Architectural Surface”

圖14：濕度敏感建筑表皮 “Hygro-skin”

圖15：韓國麗水世博會主題館建筑表皮及驅動結構

木材是一種常見的濕敏感表皮材料，利用木纖維吸濕變形性能的不同，來實現建筑表皮性狀的改變（圖13）。Achim Menges Architect設計了帶有濕度敏感皮膚的氣候適應性建筑小品“Hygro-skin”（圖14）。建筑的開孔由木材制成的葉片來覆蓋，這些葉片采用由雙層木材制成的復合結構。外層木材的微觀結構為長而密的厚壁細胞，當濕度變化時，會發(fā)生明顯的脹縮，而內層木材則相對穩(wěn)定。這一復合結構適應的相對濕度變化范圍為30%～90%。當外部環(huán)境條件發(fā)生變化時，葉片會發(fā)生卷曲，從而改變表皮孔洞的大小。陰雨天時，建筑表皮開孔會減小甚至關閉，日照充足的情況下，濕度變小，這些葉片又會打開，陽光可以進入建筑中。這一設計系統(tǒng)著眼于對當地小氣候的直接反饋，調節(jié)光傳輸和視覺滲透效果，周而復始地提供獨特的建筑空間體驗。

3.彈性“皮膚”

提起表皮我們常常想到類似金屬、混凝土等堅硬的建筑材料，如同皮膚般軟性材料并不多見。

此類動態(tài)表皮借助于機械系統(tǒng)實現可以像皮膚一樣柔性開合的建筑表面。奧地利建筑事務所SOMA設計的2012韓國麗水世博會主題館“One Ocean Thematic Pavilion”，采用了與KHAE公司共同開發(fā)的“仿生動力學外皮”（圖15）。這座建筑外表皮總長140m，高度3～13m，由108片玻璃纖維增強聚合物制成的動力薄板組成。這種纖維增強材料具有很高的抗拉強度與抗彎剛度，能夠實現大幅度可逆的彈性變形。與前例不同的是，這一層表皮材料的變形，不是靠材料本身的物理性能來實現的，而是借助于動力薄板頂部與底部機械系統(tǒng)位置與角度的改變，從而產生壓縮力旋轉與彈性變形來完成表皮變化的過程。建筑師卡斯·奧斯特霍斯（Kas Oosterhuis）在荷蘭的實驗性高層設計方案中，采用了一種稱為“流體肌”的表皮單元來制作可適性的建筑立面。該表皮單元是一個兩端帶有鋼閥的硅涂聚酰胺橡膠管，在壓縮氣體的作用下伸縮時會產生線性運動。每塊“肌肉”能夠獨立進行操作，具有交互性和動態(tài)性，隨著日照條件的變化而發(fā)生變化，起到可變遮陽的效果，在材料和維修成本上也較為經濟。

4.軟性表皮

軟性表皮是指使用由柔性硅膠和彈性織物組成的復合材料制作而成的充氣單元，通過膨脹和收縮來應對環(huán)境中不斷變換的環(huán)境因素的一種可變表皮。這個表皮可以對風和光的變化進行實時響應，這兩個參數改變了系統(tǒng)內部空氣壓力，進而對環(huán)境變化作出響應。從而達到調節(jié)溫度、通風等目的。

運用仿生學的原理，這項技術的靈感來源于有機皮膚調節(jié)其表面的滲透性進而控制物質進出的原理。讓氣動裝置如同毛孔般覆蓋在建筑表面，室內外環(huán)境的變化影響裝置氣孔的開合變化，控制了光和空氣的進入，進而調節(jié)內部和外部之間的溫度，也改變了建筑的視野。

在2015年完工的位于德國Mandelbachtal鎮(zhèn)的呼吸表皮體驗館（Breathing Skins Project）中，平均每平方米安裝了140個氣動裝置，整個建筑立面由2800個氣孔組成。氣動裝置之間沒有繁復的接口，形式簡潔純凈（圖16）。而這一體驗館的外表皮則是真正實現了將通風與調節(jié)室內光線于一體的動態(tài)表皮的構建，該表皮可以通過數字化技術達到定量控制室內光環(huán)境的舒適度。相較于傳統(tǒng)的定性設計方式而言，采用這種設計方式的動態(tài)表皮可以實現真正意義上的性能化設計。

5.充氣式動態(tài)表皮

充氣裝置可以設計為一種動態(tài)智能表皮。2000年漢諾威世博會的德國館“Cycle Bowl”（圖17），外立面采用了三層ETFE膜構成的氣枕。氣枕內部兩層采用了形狀互補的植物形圖案。當表皮氣枕充氣時，圖案打開，光線可以射入建筑內部；當不充氣時，兩側不透明的圖案正好閉合，可遮蔽陽光。Cloud 9設計的位于巴塞羅那的媒體信息與通信技術大廈（Media-TIC，圖18）采用了類似的立面做法。這種立面薄膜總共有三層，第一層是透明薄膜，第二、第三層是以圓點為基礎設計的互補圖形，共同構成154個三角形氣枕。其中，104個氣枕可以由電腦控制其充氣狀態(tài)，根據太陽的運動軌跡來改變形態(tài)，最多可以達到95%的透光度，或阻擋90%的日

圖16：呼吸表皮體驗館（Breathing Skins Project）

圖17：Cycle-Bowl

6.立體綠化

植物可以視為一種可“感應”的遮陽構件，可根據季節(jié)的變化改變自身性狀。夏季，濃密的樹陰為建筑提供遮陽，并利用植物本身的水循環(huán)改善局部微氣候環(huán)境品質；冬季，按照自然規(guī)律落葉的植物可以使陽光直射入室內，從而改善室內熱工環(huán)境。這一過程完全利用自然規(guī)律，沒有額外的能耗，卻能與室內環(huán)境變化的季節(jié)趨勢相吻合。植物本身亦具有良好的景觀價值，很多會在不同的季節(jié)呈現不同的色彩，給人以賞心悅目的視覺感受。樹木的葉子還可以在日間吸收二氧化碳并釋放氧氣，阻擋城市噪音，并可以吸附城市交通產生的粉塵顆粒，有利于凈化空氣。美國的“紐約綠塔”（Hanging Garden Tower）、丹麥的“空中村莊”（Sky Village）、意大利米蘭的“垂直森林”（VerticalForest，圖19）都試圖利用植被來營造一種生態(tài)的建筑立面。斯坦法諾·博里埃設計的米蘭“垂直森林”雙塔，沿總長1700米的陽臺樹池，種植了近800棵喬木、4000株灌木及15000株攀爬植物，在建筑室內外空間之間，建立了綠化構成的生態(tài)緩沖層，形成了一層由窗、墻、綠植共同構成的建筑立面?！按怪鄙帧笔且环N生態(tài)化建筑立面設計的成功嘗試，確立了一種垂直綠化表皮設計的新方法。除了可變遮陽與優(yōu)化環(huán)境的功效外，從城市角度看，可以增加高密度城市的綠化率；從建筑個體角度看，可以與菌類、昆蟲、鳥類等生物形成局部生態(tài)系統(tǒng)，在城市中限定出更加接近自然的空間。它不僅僅是一座建筑，也是一種可以復制的生態(tài)意義上的動態(tài)建筑表皮的設計方法。

圖18：巴塞羅那媒體信息與通信技術大廈

圖19：米蘭“垂直森林項目”

7.追求形式美的動態(tài)表皮

加拿大環(huán)境藝術家奈德·康（Ned Kahn），致力于從視覺的角度來詮釋建筑表皮與環(huán)境之間的關系。他的作品捕捉自然界中風、光、水、火、云、霧等不斷變化的元素的信息，將其映射到建筑表面，通過建筑表皮肌理的變化，將自然界隨機變化的信息轉化為建筑視覺藝術作品。這種建筑表皮映射自然變化的設計，并非生態(tài)層面上的動態(tài)表皮設計，而是一種介于建筑與雕塑之間的可變的視覺藝術系統(tǒng)，也可以說是一種結合了建筑與環(huán)境藝術的動態(tài)雕塑作品（圖20）。

奈德·康動態(tài)表皮設計代表性手法之一是用一種可以一定程度擺動的金屬片（或塑料片）覆蓋建筑表面。當外部風環(huán)境發(fā)生變化時，在不斷變化的氣流作用下，這些金屬片會隨之發(fā)生擺動，其構成的建筑表面整體呈現出一種水波漣漪般不斷變化的效果。不斷微小改變角度的金屬片也可以帶來持續(xù)變化的光反射效果，建筑表皮在陽光下熠熠生輝?！帮L”這一不可見的自然元素的變化，通過這一映射過程，變?yōu)橐环N可見的建筑視覺藝術作品。布里斯班機場停車樓項目、匹茲堡兒童博物館擴建項目等，由許多塊穿孔鋁板覆蓋而成可變表皮立面，隨風擺動的鋁板形成了層層漣漪般的肌理效果。在圣安東尼奧的Green診所和加州核桃溪的Neiman Marcus商店設計中，奈德·康采用了“羽毛墻面”照。此外，該表皮采用了煙霧式氣囊遮陽方式。它將煙霧注入氣枕，根據溫度感測啟動，控制氣體的粒子密度來提供可變化的遮陽。（Feather Wall）或稱“風翅”（Wind Fins）的手法，他在墻面上設計了很多一端固定在墻面上的金屬條，另一端則可以自由擺動。當風吹過時，墻面整體效果仿佛生物體的羽毛在風中擺動。坦帕藝術中心項目，則在庭院上空設計了很多可以隨風擺動的圓形小鏡子。將風吹動的水面、日光的光斑、躍動的火焰等元素映射到墻面上，產生了一種躍動的、光怪陸離的立面效果。奈德·康（Ned Kahn）所創(chuàng)造出的映射自然的動態(tài)表皮設計，顛覆了人們對于一成不變的建筑立面的認知，將建筑表皮解釋成為一種視頻化的動態(tài)過程，進一步強化了建筑與自然之間的關系。

圖20 奈德·康的動態(tài)表皮設計作品

利用光線與色彩的變化來獲得動態(tài)的立面效果也是可變表皮常見的做法。如努維爾設計的位于巴塞羅那的Torre Agbar塔、赫爾佐格與德·梅隆設計的德國安聯(lián)體育場、北京國家游泳中心等。

三、可變表皮設計系統(tǒng)的思考

簡單即高效。建筑的使用周期非常長，維護成本高，提高建筑構件的壽命與工作效率，既可以降低成本，也可以減少維護的能耗。動態(tài)表皮的可變單元應盡可能采用原理簡明、構件少的設計。過于復雜的設計會大大增加構件損壞的概率，影響建筑正常使用，并造成成本與能耗的增加。阿拉伯文化中心立面的系統(tǒng)非常復雜。由于機械系統(tǒng)占據空間并采用了多層結構，墻面最大可開啟比例不足50%，且故障率較高，修復難度及成本都很高，如今已經不能全部正常工作?？勺儐卧叽绱笮∨c立面尺度設計應相匹配。較大的可變單元，本身可變機械系統(tǒng)的設計更為復雜，構件尺寸更大，對于材料的力學性能要求更高。采用較小的可變單元，機械系統(tǒng)相對簡單，但由于構件增多，會增加出現故障的概率。在滿足設計需求的前提下，如何選擇可靠與合理的系統(tǒng)設計方案，是設計師需仔細考慮的問題。

提高開孔率。開孔率是衡量動態(tài)表皮單元可變范圍與調控能力的重要參數，即最大孔洞面積與可變單元總面積的比值，它直接決定了表皮的工作效率?？锥催^小，墻面可以自主調節(jié)的范圍小，對于通風與采光的控制能力較弱，即使全開也可能難以滿足日照與通風的需求。大的孔洞則會對材料強度與機械系統(tǒng)的設計提出更高的要求?？勺儽砥ご蠖嘈枰惶讬C械系統(tǒng)來調控表皮單元的開合。這部分系統(tǒng)需要占用一定的墻面空間，一定程度上限制了表皮開孔率的提高。好的可變單元設計，應在滿足調控需求的基礎上，優(yōu)化機械系統(tǒng)設計，盡可能提高墻面的開孔率。

構成可變單元的材料，多采用耐候、高強、輕質的材料。常通過選用不同透明程度或不同穿孔率的材料來控制遮陽板的透明度。可變單元設計也可以與光伏單元相結合，節(jié)能的同時，獲得額外的能量輸入，提高生態(tài)設計單元與整個動態(tài)表皮的工作效率。綠植也可以被視為一種生態(tài)表皮材料，結合綠植設計的可變表皮，兼具裝飾、生態(tài)、景觀等多種效果。當代可變表皮設計強調多種可變單元模式的復合設計，充分發(fā)揮不同類型可變單元的優(yōu)點，提高節(jié)能效率。

圖21：動態(tài)表皮系統(tǒng)設計要點比較

圖22：上海圖書館東館入圍方案表皮設計

圖23：“FLARE”系統(tǒng)

可變表皮的工作過程是一種信息交互的過程，經過“感知-運算-反饋-控制”等過程實現對于表皮單元形變的控制?？勺儽砥は到y(tǒng)設計，需要綜合考慮遮陽效果、通透性、朝向、復雜程度、維護難度、造價、材料環(huán)保、節(jié)能、操控性、視覺效果等諸多方面的問題（圖21），根據設計創(chuàng)意，在各個要素之間進行取舍，尋求藝術與技術的平衡。

信息時代的建筑成為大眾媒體的組成部分，借助數字化技術，建筑與新媒體技術得以結合，表現出圖像化與媒體化的特征?？勺儽砥卧旧砭褪且环N“點”或“像素”。均質分布的可變單元，使立面表現出明顯的“像素化”特征。這種“點彩”風格的立面肌理，可以通過不同像素點的變化來傳達不同的信息，使建筑立面從靜態(tài)的圖像進化為一動態(tài)的畫卷，表達出一種媒體時代的藝術精神。筆者完成的上海圖書館東館設計競賽入圍方案（圖22），采用正三角形的可變單元來構成建筑立面，通過單元不同程度的開合，可以構成有序或隨機的圖案、文字，也可以將某種特定的圖像映射在墻面上，表達特定的文化內涵。

動態(tài)表皮單元設計的標準化與通用化也是其重要發(fā)展趨勢之一。建筑師試圖開發(fā)出一種結構簡單、適應性好、表現力強突出的可變單元，從而實現可變表皮設計的標準化。2008年，柏林建筑設計公司WHITEvoid提出了一種叫做“FLARE”的可變表皮原型。這一原型被視為建筑一種有生命的皮膚，可以適用于各種建筑或墻體的表面，它可以“呼吸”，并與環(huán)境發(fā)生互動?！癋LARE”系統(tǒng)由不銹鋼薄片構成的單元與氣撐系統(tǒng)組成，可以一定程度將自然光反射掉以保持夏季室內涼爽，立面也可以形成波浪般流動的藝術效果（圖23）。

可變表皮是當代建筑設計發(fā)展的重要方向之一。它通過建筑與自然的一種信息交互的過程，引導表皮單元發(fā)生性狀的改變，來實現對建筑室內環(huán)境品質的優(yōu)化，以達到節(jié)能與提高空間舒適度的目的。同時，這種可以不斷改變性狀的建筑表皮系統(tǒng)，形成了一種新的動態(tài)建筑美學?？勺儽砥ひ蚱渖鷳B(tài)與美學的雙重價值，將在未來建筑學的發(fā)展中占有重要的位置，促使靜態(tài)的建筑立面逐漸進化為一種會呼吸的“皮膚”。

圖片來源

圖1：陳達繪

圖2：Kamil Saradin.Kinetic Facades:Towards design for Environmental Performance[D]:243

圖3：Michael Schumacher, Oliver Schaeffer & Michael-Marcus Vogt.Move Architecture in Motion-Dynamic Components and Elements [M].2009:.217

圖4：Rusell Fortmeyer & Charles D.Linn.Kinetic Architecture Design For Active Envelops.[M].Imagings publishing, 2014:194～195 / yazdanistudioresearch.files.wordpress.com.

圖5：https://www.pinterest.com/pin/497366352575709904 / Peter Oborn, Aedas Architects Ltd & Peter Chipchase, Arup.Tall Building Innovation Award: Al Bahar[C]:74

圖6:htttp://www.archidaily.com/326747/q1-thyssenkrupp-quarter-essen-jswd-architekten-morel-et-associes

圖7：https://www.pinterest.com/pin/537687642994179806/）

圖8：課題組研究成果

圖9：江哲麟繪 / http://www.archdaily.com/162101/ad-classics-institut-du-monde-arabe-jean-nouvel

圖10：Spaceshift Electroactive Polymer Fa?ade./ Kathy Velikov & Geoffrey Thon.Responsive Envelopes: Characteristics and Evolving Paradigms[C].2012.7

圖11：The Air Flower / http://www.liftarchitects.com/air-flower）

圖12：Bloom太陽花.Russell Fortmeyer & Charles D.Linn.Kinetic architecture: Designs for active envelops[M].Imagings publishing,2014:84,86)

圖13：http://www.domusweb.it/content/domusweb/it/notizie/2015/07/07/chao_chen_water_reaction.html）

圖14：Oliver David Kreig, Achim Menges, Steffen Reichert & Tobias Schwinn.Hygroskin-Meterosensitive Pavilion[C].2014:8）/ https://www.pinterest.com/pin/829858668806691311/

圖15：http://expo2012-yeosu-korea.blogspot.jp/2011/10/thematic-pavilion-yeosu-2012.html

圖16：Michael Schumacher, Oliver Schaeffer & Michael-Marcus Vogt.Move Architecture in Motion-Dynamic Components and Elements [M].2009:134

圖17：http://www.cbda.cn/html/jd/20150403/55345_2.html / Rodrigo Velasco, Aaron Paul Brakke & Diego Chavarro.Dynamic Facades and Computation:Towards an Inclusive Categorization of High Performance Kinetic Facade Systems[R];Computer-Aided Architectural Design.The Next City-New Technologies and theFuture of the Built Environment.Springer Berlin Heidelberg.2015:14

圖18：http://mer-ger.com/movements-through-a-facade/

圖19：http://followthecolours.com.br/follow-decora/5-predios-sustentaveis-e-inovadores-pelo-mundo/

圖20：http://nedkahn.com/wind/

圖21：Kotryna Zvironaite & Alois Knol & Steven Kneepens.Kinetica:A playful way through the world of moving facades[M].2015.2

圖22：張子鳴繪

圖23：http://www.mediaarchitecture.org/flarekinetic-membrane-facade/