紡織建筑學：點亮房屋皮膚

鄭成雁

美國《紡織世界》載文稱，紡織材料與膜材料正在成為建筑設計用材。織物原本是可斟酌用作建筑材料的一種重要因素，當織物用于時尚時，它也是一種柔軟的包裹材料，維護人體皮膚；當我們擴展其范圍和尺度，應用于建筑領域時，它就會形成一種適合的宜居空間，通過了解纖維如何結合濕度、熱量和空氣運作，應用其在建筑中，有助于創造一種高效節能并兼具靈活性的住所。在傳統觀點中，人們認為紡織品只能作為軟性纖維使用，但是在建筑設計中應用紡織物，就發現它越來越有助于創建可變的動態樣貌。例如Moomoo建筑事務所在波蘭設計的建筑，外墻三面采用混凝土構筑，另外一面則使用了窗簾布品，遇到海邊刮風，該建筑就會變幻無窮。

紡織建材的歷史淵源

縱觀建筑發展史——從古埃及金字塔到古希臘羅馬的框架結構，再到哥特式圓頂，最終到20世紀的現代建筑——我們不難發現一個趨勢：建筑由實體模塊逐漸演變為通透的鋼筋和玻璃結構。

一份關于早期埃及磚木結構的檔案記錄了最早的距今5000年的石材建筑，而埃及人對來世與永恒的珍視創造了石器文化。古文化中心由埃及轉向希臘和羅馬后，石材依然是主要建材，但希臘羅馬的寺廟中，大量石料用于建造巨柱，整體用料反而有所減少。比較經典的三種柱式依次是多立克柱體、愛奧尼柱式和科斯林柱式——其剖面逐漸細長。隨著拜占庭與羅馬教堂的出現，石柱重量越來越輕；12世紀在北歐興起哥特式建筑，其飛拱設計的引入進一步減輕了梁柱重量，而且，能映射出超自然美感的玻璃幕墻使建筑本身能自我支撐高達150英尺而不倒。

20世紀，鋼構與捆綁式桁架的快速形成以及新玻璃墻技術的出現，共同推動了實體模塊向輕薄外墻的轉變。20世紀初，玻璃已成為建材首選，桁架結構、斜肋構架、玻璃豎框以及橋架系統的幕墻隨處可見。各大公司紛紛使用玻璃高塔作為信譽和透明度的象征。發展至今，建材已越來越輕，比如毛皮與薄片構成的建筑膜材。有趣的是，當今世界上兩大高科技公司——谷歌與蘋果——目前都在研究如何用玻璃與四氟乙烯混材薄片裝飾新公司總部大廈外墻。

總而言之，回顧4000年的建筑史，我們不難發現，由過去建造的實心金字塔向未來膜材建筑正在不斷發展并成為一種線性趨勢。人類能否在這一建筑旅程中進一步減少用材，建造更具可持續性的建筑，減少地球行星上的碳排放呢？答案是肯定的。織物與箔膜，以及其他膜材非常適合用于建筑外表。其優點是受力可彎曲，能夠防水保溫，且能層疊使用或通過細小縫合形成復雜表面。織物作為建材在古代居民的篷式建筑中已被廣泛使用。而今，新型合成材料、計算機分析與數字模型的應用，使得纖維膜材已成為一種永久性的建筑外表新材料。

模仿人體皮膚的建材

要闡明未來建筑外表及制造表皮的新方法，我們需要仿生人類皮膚。人類的皮膚可分為三層：外表、真皮和皮下組織。外表包括汗腺孔與毛干；中間真皮包含結締組織、毛囊、汗腺以及一部分肌肉組織；皮下組織則包括動脈靜脈血管以及連接各層的組織。

各層功能不同，結合人類的皮膚，能為身體抵擋濕氣、病害以及陽光的照射。要將這種多層結合的方法引入建筑學，還得了解建筑外表所必要的各種功能。

人類皮膚不僅十分敏感，可以將諸如壓力、溫度之類的信息傳送給大腦，而且有很強大的愈合能力，這是為維持其保護作用而形成的功能。如何將這兩種屬性結合到同一件人造材料中，這是斯坦福大學化學工程學院教授鮑哲南與其團隊長期從事的研究課題。該團隊已成功制作人造皮膚，它不僅觸覺靈敏，且在室溫下可快速自愈，這對生物醫學紡織業意義重大。研究人員成功結合了兩種材料——有自愈能力和導電性的塑料聚合物。

今天，可穿戴與智能服裝領域已取得巨大的進展。新技術將智能路徑引入建筑材料纖維，從而制造出電子織物。市面上已出現帶有心率感應的襪子、運動內衣、T恤衫，以及快速編織的電子元件。隨著這一市場的不斷發展，衍生技術很有可能對建筑外表技術產生影響。幾年前，位于紐約的FTL工程設計工作室曾協助克勞迪婭·克魯斯以及寶馬公司開發團隊，他們為由意大利著名女演員吉娜·勞洛勃麗吉達而得名吉娜的一款概念車研發一種延展式編織體。該編織體是基于紡織外表的輕量級鋁制框架，從工業設計角度出發，這一紡織外表研究還處于早期階段，而且又面臨如何使用最少材料取得最大效果的問題。

大行其道的水立方膜材結構

建筑表層結構有三種——框架支撐膜、線纜與撐桿支架膜以及氣承式或氣壓式充氣結構。這三種結構均需給表面預加應力，且需做成寬松的3D表面，不論是同向或反向都要保持平衡。最理想的狀態是，外表有相等張力且為最小曲面，但常常由于空間的原因，兩個相反主方向上的張力不同。使用力密法或松弛法的電腦程序無論是否可用于找形分析，都要通過有限元分析制作平衡結構表面以承受下拉力或上提力。

預加應力的纖維膜材一般是鞍形曲面——雙曲拋物面或者環面；而旋轉曲面也是雙曲面或環面。另一不能忽視的優越性是，這類纖維膜材具有絕佳的消音效果。在復雜建筑外表中，這些基本構件集合成多個板面，不同表面之間由峰線與谷線連接，以構造出復雜的幾何形狀。各峰線與谷線的交會構成了3D線性單元。

生成形狀的因素有很多，比如聲學、場地限制、日照角度和風的角度。若使用聲學方法，首先就要利用光譜制作反射面以融合并反射聲波。建筑究竟應有什么流行趨勢，古典或流行，這取決于反射面的種類，圓錐曲面和同向曲面多用于收集噪音，因此大多數舞臺使用一系列雙曲面以獲得最好的內部體驗。

2008年，北京水立方與美國的愛達荷州太陽谷音樂廳相繼完成，這些建筑就是利用了纖維聲學反射和場地限制構建音樂廳的定波發生器。音樂廳是落基山地區的滑雪勝地，許多奧斯卡影星經常光顧此地。在該項目中，FTL工作室用一系列高大的擋土墻構建出音樂空間。音樂活動多在夏季舉辦，但該項目的積雪負載超過100 lb/ft2（488.24kg/m2），漂流物負載更是高達200 lb/ft2。FTL明白，交響樂建筑需要融合度假帳篷的季節性特點以及永久設施能夠調整適應舞臺和聲學要求的能力。他們也認識到，以當地的積雪負載，永久性的織物結構不可行。最終，他們采用了拉伸鋼網格模式以及堅實的木質材料，以應對巨大的垂直載荷。在研究這一方案時，FTL發現木材十分符合音樂環境，這可融入周圍建筑中。銅頂保持斜率的細小差別也為臨時纜索結構增添了一些堅實的觸感。看臺上覆蓋著拉伸織物膜，每年都會趕在冬天來臨之前被拆除。

單從消音角度看，木質屋頂能夠讓纜索網下面的聲學反射板增幅的聲音變得更加渾厚，稍加調整即可適用于任何音樂模式。而在該項目中，他們結合纜索網與拉伸織物的混合方案解決了這一復雜的設計挑戰。

紡織結構的多功能化

張力結構的一大優勢就是可用作遮擋物。膜材的這一用法自古就有——無論是古羅馬競技場的“帆”，還是阿拉伯貝多因人的黑山羊帳篷，抑或是覆蓋西班牙南部街道的“遮篷”。只要建筑物有0～40%的透光度，其遮擋的比例就可因不同的氣候和地區而調整。19世紀氣象專家柯本按地球上植物壽命將全球氣候做了分類，我們可據此制作遮擋與隔離用的輕型結構。如針對北歐濕冷氣候所采用的膜材就會與美國西北部的炎熱干燥氣候不同，也不同于中美洲的炎熱潮濕氣候。

針對濕冷氣候，箔片枕狀結構比較合適；在炎熱干燥氣候下，則多采用網眼織物；若是炎熱潮濕氣候，則采用有助于空氣流動和自然冷卻的立體織物。

FTL在設計位于紐約楊克斯的帝國城大賭場的入口時考慮過北方氣候。他們開發了一套四氟乙烯箔片枕狀系統，由鋼筋索撐網殼撐起賭場入口，并有可容納30輛車的面積為其遮蔽雨水和陽光。這一設計還包含照明功能，作為賭場的標識。FTL將索撐網殼設計成環形，也嘗試過線纜的形式，以減輕鋼重。這種枕狀結構透光度高達98%，可替代玻璃屋頂和外墻。

就本質而論，膜結構中大量使用無支撐跨距，這些都可改裝成太陽能薄膜，為內部空間發電。此外，張拉膜可用作風力渦輪的側支架，這樣一來，小型渦輪在風速較低時也可高效運行。自從1998年FTL在紐約美國國立設計博物館第一次應用太陽能板后，他們就開始研究使用非晶體硅膠和銅銦鎵硒（CIGS）技術開發建筑表面發電的替代方法。然而發電量每平方米面積僅有5瓦，因此這一方法效率還不高，但因建筑表皮的屋頂面積大，太陽能薄膜發電效率低的缺點并不明顯。

收集雨水是紡織建筑的另一大功能。從羅馬時代起，集水就一直是屋頂的重要功能之一。而現在，隨著可持續發展以及雨水收集越來越受重視，人們對把雨水收集到水箱中以再利用的需求也日顯突出。膜材是理想的雨水收集材料，且屋頂形狀可隨意調整，這成為建筑物的一大水景。工程學的應用還可將水收集并儲存在地下，以供灌溉。位于美國達拉斯的FabriTec公司就因此榮獲2010年度國際工業紡織品協會卓越獎。

FTL還設計了位于底特律鬧市區的羅莎·帕克斯轉運中心。該轉運中心旨在整合6個公交車等候區，并連通捷運系統——城市的輕軌系統。他們設計了6000平方米的頂棚，可容納13輛公交車同時上下客。由于獨特的城區地域以及輕軌等軌道系統，基礎澆筑十分有限，然而，頂棚設計又要求覆蓋街道以及輕軌，對此，FTL的解決方案是建造一組整體張拉線纜制成的A形桿架，撐起8個彎曲桁架。將桁架懸掛在路面上方，下面就是公交車停靠區域。桁架與部分A形桿架有最高點和最低點，其間的膜材就會有張曲率，因此膜材就可收集雨水，并將其儲存在水箱中。膜材最低處有溝槽與跨接管，可將雨水導入景觀組成的集水池中。集水區域周圍有嵌入式的座椅供等車的乘客使用，而收集的雨水會用于澆灌景觀植被。

建筑使用功能不同，其外表所需元素就不同。未來研究的重點是如何將這些不同的元素整合到多種外表方案中，正如人體皮膚一樣，有多種不同的功能。就目前來看，纖維紡織膜結構建筑正在出現，它整合的系統將分層，建筑立面材料將會變成一種多孔多功能的膜材，映射整個自然界，這才是綠色環保帶有可持續性紡織建筑學的真實含義。

（據美國《紡織世界》http：//www.textileworld.com/textile-world/nonwovens-technical-textiles/2016/09/textile-architecture-light-building-skins/最新資料）