建筑從誕生起，就處在不停的運動中。2020國際人居環(huán)境與未來城市大會暨第十屆園冶高峰論壇期間，天津大學建筑學院副院長馮剛在建筑設(shè)計與城市風貌學術(shù)研討會上發(fā)表題為《形態(tài)可變的建筑表皮系統(tǒng)設(shè)計》的演講，通過巴黎阿拉伯世界文化中心、格拉茨技術(shù)大學生物催化實驗室、阿布扎比AL Bahar雙塔等項目，與大家分享了動態(tài)表皮可變單元常見設(shè)計方式，并介紹了其在教學與設(shè)計實踐中進行的創(chuàng)作，鼓勵建筑師們對形態(tài)可變的建筑表皮進行積極探索。

　　門、窗的開合可以使建筑空間在封閉與開敞間不停轉(zhuǎn)換，可以使空氣、熱、光實現(xiàn)室內(nèi)外的 交換與平衡。供水系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、燃氣系統(tǒng)等都是建筑內(nèi)外物質(zhì)與能量傳遞的媒介。建筑 就如同一個生命體，有自己的循環(huán)系統(tǒng)，也有一層與外界相隔離的“表皮”，它同樣可以像生物的皮膚一樣進行設(shè)計。

形態(tài)可變的建筑表皮（動態(tài)表皮）

　　所謂動態(tài)表皮，就是可以主動或被動地控制建筑室內(nèi)外通風與采光的方式與數(shù)量，最優(yōu)化室內(nèi)外光、風、熱交換過程，改善室內(nèi)物理環(huán)境，節(jié)約能耗。這些動態(tài)的建筑構(gòu)件每天，甚至每小時都在變化，建筑立面也隨之成為一種不斷變化的動態(tài)結(jié)構(gòu)，隨著時間的變化呈現(xiàn)不同的立面肌理效果，賦予建筑以更加豐富的內(nèi)涵。

　　與呼吸式幕墻等生態(tài)或技術(shù)層面的表皮設(shè)計不同的是，動態(tài)表皮的視角更加寬廣，它是一個綜合了建筑學、CAAD技術(shù)、自動控制技術(shù)、材料、仿生等領(lǐng)域知識的系統(tǒng)工程，尋求生態(tài)、技術(shù)與藝術(shù)的完美平衡。它不僅有節(jié)能的價值，其本身也具有很強的形式和美學的價值。

動態(tài)表皮可變單元常見設(shè)計方式

　　動態(tài)建筑表皮有不同的處理方式，但它們的目的是相同的，通過一種形態(tài)可變的處理方式達到一種優(yōu)化設(shè)計和提供個性化建筑立面的效果。

形態(tài)可變的遮陽系統(tǒng)

　　可變遮陽系統(tǒng)是最常見的可變表皮形式，其主要設(shè)計原理是根據(jù)日照的方向與高度角來調(diào) 節(jié)建筑立面遮陽構(gòu)件的方向與角度，以實現(xiàn)室內(nèi)光照環(huán)境最優(yōu)化控制?？勺冋陉栂到y(tǒng)是目前發(fā)展最為成熟的動態(tài)表皮設(shè)計方式。

　　努維爾設(shè)計的巴黎阿拉伯世界文化中心于1987年建成，是現(xiàn)代可變表皮技術(shù)第一個比較成熟的作品。因為這是一個阿拉伯文化的研究性機構(gòu)，于是設(shè)計師借鑒了當?shù)氐拇暗幕緢D飾，為建筑賦予一種文化的內(nèi)涵。設(shè)計師通過類似于相機光圈的折疊方式，能夠讓光線在葉片孔洞中發(fā)生變化，對進入室內(nèi)的光線進行有效地控制。從遮陽本體來說，它已經(jīng)超越了一個百葉窗的價值，它帶給人們的是一種形式的美感和空間的光影效果，已經(jīng)成為一種藝術(shù)層面的可變遮陽。它開啟了一種可變式遮陽的先河，打開一種新的設(shè)計思路。

　　厄恩斯特與吉爾伯特事務(wù)所的一系列作品簡化了可變遮陽的一些設(shè)計原理，同時加入了藝術(shù)的元素。生物催化實驗室項目的表皮是類似于屏風的設(shè)計系統(tǒng)，不同房間的使用者會自主地控制百葉窗的折疊，達到一種獨自的遮陽效果。在百葉窗的側(cè)面，有很多顏色的區(qū)分，達到一種豐富的色彩效果，帶來一種新的視覺體驗。

　　基弗技術(shù)展廳把自己生產(chǎn)的鋁板用于建筑的表皮，達到了一種很好的廣告效果。下圖為建筑可變表皮在不同時間不同情況下所能產(chǎn)生的變化效果。通過簡單地像書一樣折疊，這個建筑可以呈現(xiàn)出不同的表情。有些是純功能性的，包括對陽光的回應(yīng)，使室內(nèi)光環(huán)境更加舒適。而有些是純藝術(shù)性的，它可以通過立面可變表皮的組合，使建筑呈現(xiàn)不同的表情，這也是可變表皮的一種美學價值。

　　德國Q1辦公樓在普通的立方體形體上又提出了一種“金屬羽毛”的可變表皮系統(tǒng)。建筑表皮的設(shè)計就像一片片羽毛，這些羽毛可以沿著中軸折疊旋轉(zhuǎn)，可以把玻璃幕墻進行部分遮蔽和全部打開。這些羽毛有兩種旋轉(zhuǎn)方式，一種是中軸旋轉(zhuǎn)，另一種是每一個葉片像百葉窗一樣呈水平角度的旋轉(zhuǎn)，這個幕墻就成為一個360度全向的遮陽體系，可以為建筑提供一個最優(yōu)化的室內(nèi)采光效果，從而節(jié)約空調(diào)、照明等能耗。

　　阿布扎比Al Bahar雙塔是一個高層建筑，它用一個傘狀的結(jié)構(gòu)起到一種可變的遮蔽室內(nèi)空間的效果。在幕墻外側(cè)增加一個傘狀的結(jié)構(gòu)，從而使建筑有更多的生態(tài)美學的意義。據(jù)介紹，這個系統(tǒng)可以使建筑節(jié)能達到50%，減少照明、空調(diào)能耗。

　　墨爾本皇家理工大學設(shè)計中心項目，通過成組的磨砂玻璃的圓片，使建筑達到一種對陽光的有效控制。建筑表皮的玻璃頁片分成了很多組，在一般的結(jié)構(gòu)和設(shè)備的層次上是一種固定的設(shè)計，而在窗的位置，玻璃葉片可以繞中軸成組地旋轉(zhuǎn)，使建筑在不同的時間不同的環(huán)境條件下具有不同的表情。但是玻璃葉片存在一些損壞和跌落，也造成了一些負面影響，在一定時段內(nèi)建筑底層是被圍擋起來的，這也是建筑師意想不到的事情。

　　天津大學建筑學院師生團隊也做了一些研究性的設(shè)計，對遮陽表皮進行探索。他們提出通過兩個齒圈相對旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)一種孔洞的可控制，它中間采用了一種具有彈性和良好耐候性的膜結(jié)構(gòu)，通過內(nèi)外兩個齒圈彼此的位移而實現(xiàn)孔洞大小的控制。建筑表皮的每組齒圈都可以獨立地進行控制，這樣每個房間外部的立面效果和內(nèi)部的采光效果都可以進行有效的調(diào)控，同時可以呈現(xiàn)一種豐富的建筑立面表情。

智能材料為基礎(chǔ)的形態(tài)可變表皮

　　智能表皮材料當受到特定的環(huán)境變化的刺激時，會改變原有材料的物理性能。這種能根據(jù)環(huán) 境變化而改變的材料，廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計、時尚娛樂與工程建設(shè)中，對于可持續(xù)發(fā)展的建筑設(shè)計也具有重要價值。刺激智能材料改變的外部條件有光、熱、電、聲等多種因素。

　　關(guān)于溫度敏感材料，首先來了解一下金屬片熱脹冷縮的性能。大家很熟悉的雙金屬片，在一定溫度變化范圍內(nèi)（室溫變化范圍內(nèi)）有8%左右的伸長度?；诖嗽瓌t，可以設(shè)計一系列的根據(jù)溫度變化而類似于鐘表發(fā)條系統(tǒng)的可變的百葉或者孔洞的遮擋蓋片。當室溫發(fā)生變化時，它可以自主地或者被動地打開、關(guān)閉，從而使室內(nèi)的熱量保存或者分散到室外，達到一種平衡。南加州大學的一位教授用金屬片做了一個有趣的參數(shù)化結(jié)構(gòu)，這個體系隨著日照的影響，表皮像羽毛狀的金屬片可以卷曲和關(guān)閉。當陽光從建筑上移走的時候，這些羽毛會馬上落回原來的位置，靈敏度非常高。

　　還有一類濕度敏感材料，其基本原理就是用吸濕不同的木材經(jīng)過疊加，形成一系列根據(jù)濕度變化能夠卷曲、恢復(fù)平整的材料。國外的一個實驗性的小建筑，在濕度相對不同的情況下，這些孔洞的內(nèi)外層的木材發(fā)生了不同的漲縮，于是孔洞可以打開關(guān)閉形成一定的可變表皮，從而使水分能夠快速地在室內(nèi)外之間進行交換。馮剛教授要求學生做研究時，要超越普通木材簡單疊加的形式，讓大家試驗不同的金屬、紙等各種材料，達到一種對復(fù)合材料的更全面地探索。經(jīng)過大家的努力，最終找到了敏感度最高的復(fù)合材料。

　　氣動肌腱是荷蘭參數(shù)化建筑師卡斯·奧斯特霍斯的一個建筑幕墻的研究。它的原則是通過一種氣動的撐桿使橡膠的建筑表皮像人的眼皮、肌肉一樣地打開關(guān)閉，達到一種對室內(nèi)空間的光環(huán)境、風環(huán)境等有效地調(diào)控。類似的作品還有韓國2012世博會主題館，它的表皮設(shè)計了“魚鰓”裝的層狀結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)彈性形變，可隨著室內(nèi)外物理環(huán)境的變化需求自我調(diào)整性狀。

充氣結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的智能表皮系統(tǒng)

　　在ETFE材料氣枕內(nèi)部設(shè)計可以調(diào)節(jié)遮陽的建筑構(gòu)件。

　　漢諾威世博會德國館、西班牙巴塞羅那媒體信息中心的建筑表皮都是采用了氣枕系統(tǒng)，進而實現(xiàn)了對室內(nèi)采光的有效干預(yù)，進而優(yōu)化室內(nèi)采光。

映射環(huán)境的可變形態(tài)表皮

　　建筑立面設(shè)計單元為可變結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可在外部環(huán)境的影響下做被動變化，從而將環(huán)境的 變化映射到建筑的立面上。這類可變表皮生態(tài)層面的意義較弱，而更加注重建筑立面與環(huán)境 的關(guān)系與自身的藝術(shù)性。

　　匹茲堡兒童博物館建筑表皮上有很多輕質(zhì)的塑料片，在風的作用下可以自由地擺動，使建筑表皮形成一種波光粼粼的效果。布里斯班機場航站樓水波樣的效果是怎樣實現(xiàn)的呢？表皮的穿孔金屬板在安裝時螺栓是沒有擰緊的，在風的作用下可以使金屬板進行輕微的擺動，從而形成水波的效果。

　　馮剛教授團隊對不同類型的表皮進行了分析和評價，評價中有很多項目借鑒了國外類似的研究，然后加入了很多自己的內(nèi)容。圖表說明動態(tài)表皮并不是在每一項中都表現(xiàn)優(yōu)良，它只是在某些方面有其獨到的精彩設(shè)計，而在有些方面是有其本身的劣勢，包括在造價上，基本都比通常的建筑造價高。在目前情況下，真正建造起來的并得到認可的作品不是非常多，但是每一個完成的作品都是建筑上的精品，建筑師們也在做積極的嘗試，期待有更多的作品獻給大家。

　　馮剛教授團隊的上海圖書館東館投標方案進入了最后一輪評審。這個方案在圖書館建筑上設(shè)計了一種能開合的金字塔狀的表皮，在光照下可以對圖書館室內(nèi)進行有效的光的調(diào)節(jié)，同時對建筑表情有動態(tài)的回應(yīng)?？梢岳梦淖帧D案，或者通過對房間采光調(diào)節(jié)，從而使建筑具有動態(tài)可變的表情。