基于性能化新材料和動(dòng)態(tài)媒介的建筑表皮構(gòu)成設(shè)計(jì)研究

羅欣

［華藍(lán)設(shè)計(jì)（集團(tuán)）有限公司，廣西 南寧 530011］

0 引言

建筑表皮通過(guò)對(duì)體量的融合或突出、視覺(jué)的透明或?qū)嶓w、質(zhì)感的粗糙或柔軟等一系列建筑設(shè)計(jì)手法的表達(dá)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)建筑師的建筑設(shè)計(jì)愿景，并與周邊環(huán)境產(chǎn)生生態(tài)交流、文化交融[1]。建筑表皮是建筑的視覺(jué)體驗(yàn)，為室內(nèi)設(shè)計(jì)奠定敘事的基調(diào)；除此之外，作為建筑的一部分，建筑表皮同樣需要實(shí)用、耐用，并能夠處理好建筑的自然采光和通風(fēng)需求。作為室內(nèi)外聯(lián)系的節(jié)點(diǎn)，建筑表皮起著過(guò)濾器的作用，它需要隔聲降噪、遮風(fēng)避雨、隔濕隔熱。建筑表皮也是建筑作為調(diào)節(jié)自然環(huán)境、塑造社會(huì)形態(tài)的動(dòng)態(tài)媒介。

在建筑表皮設(shè)計(jì)當(dāng)中，需要充分考慮到表皮的性能與美觀之間的平衡。結(jié)合不同的地域地理特征、文脈特征，不斷提升的前沿建筑材料，自然環(huán)境的瞬時(shí)變化，數(shù)字化信息流的社會(huì)傳播學(xué)媒介構(gòu)建，筆者對(duì)建筑表皮構(gòu)成的可持續(xù)性、美觀性、動(dòng)態(tài)性三項(xiàng)設(shè)計(jì)策略進(jìn)行討論。

1 建筑表皮透明性與半透明性的平衡：聚碳酸酯板材

營(yíng)造舒適且光線充足的不透明感，同時(shí)保證材料的堅(jiān)固、易安裝、靈活多用，聚碳酸酯板材（又稱PC板、陽(yáng)光板）的性能幾乎是無(wú)與倫比的。白天過(guò)濾柔和的漫射光進(jìn)入室內(nèi)，夜晚透出引人注目的室外光環(huán)境，聚碳酸酯板材以其互動(dòng)的光感、模糊的透明度和抽象的形態(tài)著稱，這些特性復(fù)合創(chuàng)造了獨(dú)特的感官體驗(yàn)。聚碳酸酯板材不僅富有建筑表現(xiàn)力，也是一種高效多用的材料，以不同的模塊、顏色、形狀尺寸被廣泛應(yīng)用。因此，這種曾經(jīng)只用于溫室的人造有機(jī)材料，已經(jīng)成為各種當(dāng)代建筑項(xiàng)目中外立面和屋頂?shù)臒衢T(mén)材料。

聚碳酸酯板材是一種堅(jiān)固、無(wú)定形、耐用的半透明熱塑性聚合物材料。其強(qiáng)度是玻璃的250倍。與大多數(shù)塑料一樣，它通過(guò)將碳?xì)浠衔锶剂险麴s成餾分制成，并隨后與其他催化劑結(jié)合，通過(guò)聚合或縮聚反應(yīng)生產(chǎn)而成。生產(chǎn)出來(lái)之后，通過(guò)注塑或擠壓的工藝方式可將它成型。聚碳酸酯板的基材是完全透明的，類似傳統(tǒng)的玻璃。但是經(jīng)過(guò)生產(chǎn)處理之后，它能夠提供不同的透明度和透光性，是更輕盈、更靈活、更耐磨損的玻璃的替代材料。它能夠抵御不同的溫度、紫外線、撞擊，滿足各種性能需求。

聚碳酸酯板材的耐溫區(qū)間在-40~115℃之間，峰值可達(dá)130℃，因此，可用于其他材料無(wú)法使用的高溫環(huán)境。它的抗沖擊性是玻璃的200倍，受力性能及抗裂性能良好。這也意味著，它的材料尺寸只受限于運(yùn)輸能力，留給建筑師的設(shè)計(jì)自由度相當(dāng)大。

為確保耐用，板材使用UV共擠模具成型，生產(chǎn)過(guò)程中，高濃度的UV保護(hù)層均勻地熔在聚碳酸酯基材上。這種生產(chǎn)方法避免了UV保護(hù)膜涂裝的常見(jiàn)問(wèn)題，如附著力問(wèn)題和抗沖擊力受損問(wèn)題。這種常用于外立面的UV保護(hù)膜，有抵御環(huán)境影響的能力和長(zhǎng)達(dá)10年的材料壽命，確保板材在大部分氣候條件下都能夠耐久使用。總而言之，通過(guò)UV保護(hù)層，聚碳酸酯板材幾乎能實(shí)現(xiàn)100%阻擋380nm強(qiáng)度以下的紫外線輻射。

聚碳酸酯板材的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是易安裝。由于它比玻璃板材輕50%，材料的運(yùn)輸和處理都比較容易。它由支撐框架的上下節(jié)點(diǎn)固定，通過(guò)隱藏固定配件和掛網(wǎng)，可以在確保抗風(fēng)壓能力足夠的前提下，形成富有動(dòng)感的抽象圖案表皮。

聚碳酸酯板材將直射陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為富有視覺(jué)效果的漫射光，這一特性可以適用于不同項(xiàng)目的不同建筑氛圍營(yíng)造。通常它多用于寧?kù)o氛圍的營(yíng)造，但動(dòng)態(tài)氛圍也同樣適用。比如通過(guò)它半透明的特性，將使用者和建筑室內(nèi)環(huán)境削減為不同透明度的剪影效果，如圖1所示。這種設(shè)計(jì)手法增強(qiáng)了光感的層次、動(dòng)態(tài)和模糊性，不僅表達(dá)出聚碳酸酯表皮的高功能特性，也增強(qiáng)了建筑的美感。

圖1 聚碳酸酯板材的不同透明度效果

聚碳酸酯材料能夠以不同的方式進(jìn)行色彩疊加。色彩的選擇有十?dāng)?shù)種，著色方式包括整體著色、單片著色、間隔著色等不同的著色單元組合形式。當(dāng)透明度的變化與色彩的變化產(chǎn)生疊加之后，這種層次的動(dòng)態(tài)遞進(jìn)效果將更為強(qiáng)烈，因?yàn)樯{(diào)的變化會(huì)對(duì)環(huán)境和感官產(chǎn)生直接刺激。

相較于膜狀表皮和穿孔金屬板，聚碳酸酯板是在透明性和半透明性上平衡度最好的建筑表皮材料。這種熱塑性材料，在可持續(xù)性方面，是完全可回收的、低成本、阻燃、100%阻隔紫外線的隔熱材料；在美觀性方面，能夠有效隱蔽私密空間，濾過(guò)陽(yáng)光，營(yíng)造出一種具有模糊性的建筑美感；在動(dòng)態(tài)性方面，通過(guò)不同的材料色彩，以及不同顏色的材料單元組合形式，能夠形成具有動(dòng)態(tài)視覺(jué)沖擊力的外立面。

2 建筑表皮透明性與可持續(xù)性的平衡：透明光伏玻璃幕墻系統(tǒng)

ClearVue公司專利技術(shù)生產(chǎn)的透明光伏玻璃幕墻系統(tǒng)，為零碳建筑提供了單元板材安全、安裝和維護(hù)成本低廉、環(huán)境友好的主動(dòng)節(jié)能方案。玻璃不再只是外立面的普通構(gòu)造材料，而是轉(zhuǎn)化成了一種可再生的能源。比起典型雙層玻璃幕墻長(zhǎng)達(dá)100年的碳回收期，這種新型光伏玻璃幕墻單元的碳排放回收期僅需9年。自然光的透過(guò)率可達(dá)70%。每平方米發(fā)電量為30Wh，峰值可達(dá)40Wh。透明光伏幕墻單元的材料壽命可達(dá)20年。

通過(guò)納米分子技術(shù)，幕墻玻璃接收到的入射光在幕墻單元的雙層或三層玻璃之間通過(guò)不同間層處理產(chǎn)生漫射、重聚、反射等光線控制效果，由玻璃面板邊框的單晶硅光伏模塊收集并進(jìn)行發(fā)電。

與常見(jiàn)的單塊玻璃相比，透明光伏玻璃幕墻單元在保持玻璃的透明度的同時(shí)，還能節(jié)省約30%~40%暖通空調(diào)用電負(fù)荷、15%照明用電負(fù)荷。與常規(guī)的屋面光伏太陽(yáng)能板相比，每千瓦的發(fā)電量需要更大的安裝面積，但同等安裝面積條件下，透明光伏玻璃幕墻單元的發(fā)電效率遠(yuǎn)大于常規(guī)屋面光伏太陽(yáng)能板。基于建筑表皮構(gòu)造的太陽(yáng)能發(fā)電真正得以實(shí)現(xiàn)，這種實(shí)現(xiàn)的方式，并非以表皮外附加光伏板的傳統(tǒng)形式實(shí)現(xiàn)，也不以犧牲外立面透明度為代價(jià)，不僅節(jié)約了建筑材料和耗電量，減少了能源污染，也提升了建筑美觀度。

通過(guò)材料檢測(cè)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，每平方米的透明光伏玻璃幕墻單元每小時(shí)能夠產(chǎn)生30Wh的電量。這意味著，在夏季的晴天，每天能夠產(chǎn)生1720Wh電量；夏季的陰雨天，每天能夠產(chǎn)生900~1300Wh電量；而哪怕在日照時(shí)長(zhǎng)更短的冬季，每天也能產(chǎn)生高達(dá)1200~1300Wh的電量。在理想狀態(tài)下，每1000m2的透明光伏玻璃幕墻的年發(fā)電量將達(dá)到20MWh。

透明光伏幕墻系統(tǒng)以其用于捕獲和轉(zhuǎn)換紅外線、吸收紫外光波長(zhǎng)用于發(fā)電的特殊納米粒子結(jié)構(gòu)，結(jié)合low-E涂層，能夠?qū)崿F(xiàn)70%的可見(jiàn)光透射率，100%過(guò)濾紫外線，進(jìn)一步降低建筑照明用電負(fù)荷及人工照明的需求，使建筑更健康。

此外，由于該幕墻系統(tǒng)使用雙層甚至三層玻璃，在材料的隔聲降噪方面也有著非常優(yōu)越的性能，噪聲環(huán)境可降低至37dB。

透明光伏玻璃幕墻系統(tǒng)，在可持續(xù)性方面，真正使玻璃成為一種可再生的能源；在美觀性方面，70%的可見(jiàn)光透射率保證了玻璃幕墻立面通透的建筑美感。

3 建筑表皮機(jī)械化與數(shù)字化的平衡：動(dòng)態(tài)投影建筑立面

隨著技術(shù)的進(jìn)步，建筑對(duì)環(huán)境的響應(yīng)能夠以一種前所未有的有趣形式實(shí)現(xiàn)——建筑能夠根據(jù)環(huán)境的實(shí)時(shí)變化，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的變化。

動(dòng)態(tài)建筑表皮能夠調(diào)節(jié)溫度。最典型的案例是Aedas事務(wù)所在阿布扎比設(shè)計(jì)的AlBahar塔。建筑外立面的傘狀幕墻單元隨著太陽(yáng)移動(dòng)軌跡開(kāi)合，避免高溫和眩光影響室內(nèi)，降低空調(diào)制冷需求，提高建筑的可持續(xù)性。動(dòng)態(tài)幕墻單元的星形設(shè)計(jì)，不僅美觀，也繼承了傳統(tǒng)的伊斯蘭遮陽(yáng)設(shè)計(jì)，回應(yīng)了伊斯蘭文脈。

動(dòng)態(tài)建筑表皮不僅能夠響應(yīng)溫度和光環(huán)境的變化，還能形成一種呼吸一般的效果。比如Urban Art Projects事務(wù)所與藝術(shù)家NedKahn合作設(shè)計(jì)的布里斯班機(jī)場(chǎng)國(guó)內(nèi)航站樓停車樓立面，立面的250000塊鋁板單元會(huì)隨著風(fēng)的流動(dòng)形成呼吸般的立面漣漪波紋和位移，陽(yáng)光穿透機(jī)械化的動(dòng)態(tài)立面，帶來(lái)復(fù)雜的光影美感。通透的建筑表皮設(shè)計(jì)還具有實(shí)際環(huán)境效益，在停車空間起到通風(fēng)、遮陽(yáng)、擋雨的作用[2]。

動(dòng)態(tài)建筑表皮比起調(diào)控自然光線、溫度或雨水，更是一種美學(xué)上的設(shè)計(jì)提升。比如UNStudio事務(wù)所設(shè)計(jì)的Galleria Centercity超市建筑，在66000m2表面積的立面上，采用了電腦生成的動(dòng)態(tài)投影技術(shù)，而不僅是前述建筑表皮采用的機(jī)械動(dòng)態(tài)變化。建筑外立面的實(shí)體并沒(méi)有物質(zhì)性狀的改變，但建筑表皮的彩色動(dòng)態(tài)投影波紋起伏使整個(gè)建筑仿佛都隨之晃動(dòng)，加強(qiáng)了建筑作為社交和文化交流的聚會(huì)場(chǎng)所的交流媒介特性，并得以進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了建筑的公共空間屬性。大型超市建筑空間，越來(lái)越具有高度的社會(huì)公共性，人們?cè)谶@些空間見(jiàn)面、聚會(huì)、吃喝、購(gòu)物，它不再僅僅只是純粹的商業(yè)空間，也為使用者提供了社交平臺(tái)和文化傳播的媒介。因此，UNStudio事務(wù)所設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)建筑表皮是一種雙層視錯(cuò)覺(jué)結(jié)構(gòu)，白天，建筑立面是一種機(jī)械化的動(dòng)態(tài)立面表皮，以波紋鋁條的流動(dòng)性模擬公共空間的流動(dòng)感；夜晚，在機(jī)械化的建筑表皮之上，附著了大型的LED彩色投影，以各種公共商業(yè)活動(dòng)為主題，進(jìn)行LED動(dòng)態(tài)燈光設(shè)計(jì)，隨全年節(jié)慶和商業(yè)活動(dòng)的開(kāi)展而不斷變化。動(dòng)態(tài)投影的建筑表皮以其實(shí)時(shí)傳輸、精準(zhǔn)復(fù)制的特性，構(gòu)成了建筑使用者與世界之間交流、傳播信息的表層媒介空間，有著重要的傳播學(xué)意義[3]。

動(dòng)態(tài)建筑表皮，在可持續(xù)性方面，能夠調(diào)控光線、溫度、雨水、氣流等自然因素，保證建筑環(huán)境的舒適度；在美觀性方面，體現(xiàn)出一種實(shí)時(shí)反饋、瞬時(shí)變化的動(dòng)態(tài)美感；在動(dòng)態(tài)性方面，結(jié)合了機(jī)械動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)和數(shù)字化動(dòng)態(tài)表達(dá)。

4 建筑表皮的構(gòu)成設(shè)計(jì)策略

通過(guò)上述三種性能化新材料新技術(shù)構(gòu)成的建筑材料和建筑外立面形態(tài)分析，筆者將所體現(xiàn)的建筑表皮構(gòu)成策略分為三大類：可持續(xù)、美觀、動(dòng)態(tài)的建筑表皮構(gòu)成設(shè)計(jì)。

可持續(xù)的建筑表皮構(gòu)成設(shè)計(jì)，一方面體現(xiàn)在增強(qiáng)材料本身的保溫隔熱性能，從而有效地通過(guò)建筑表皮設(shè)計(jì)，對(duì)熱量損失或熱量獲得的速率進(jìn)行主動(dòng)控制，比如聚碳酸酯板材建筑表皮對(duì)紫外線的100%阻隔，以及-40~115℃的耐溫區(qū)間幅度。另一方面，建筑表皮從純粹的物質(zhì)材料構(gòu)成轉(zhuǎn)化為可再生的建筑能源，也是一種主動(dòng)式的可持續(xù)建筑表皮設(shè)計(jì)策略，比如透明光伏玻璃幕墻系統(tǒng)，將玻璃主動(dòng)轉(zhuǎn)化成了光伏發(fā)電系統(tǒng)。此外，一座對(duì)環(huán)境友好的建筑，設(shè)計(jì)的最佳起點(diǎn)始終是盡可能地采用地域性的被動(dòng)熱舒適策略，比如機(jī)械動(dòng)態(tài)建筑表皮，通過(guò)表皮的疏密變化，引導(dǎo)建筑空間的空氣流動(dòng)，從而更好地實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)效果。

美觀的建筑表皮構(gòu)成設(shè)計(jì)，在前述三個(gè)具體設(shè)計(jì)措施的應(yīng)用里，主要體現(xiàn)為對(duì)模糊性建筑美感的追求、對(duì)透明性建筑美感的追求，以及對(duì)瞬時(shí)性建筑美感的追求。這些美感的實(shí)現(xiàn)，能夠直接通過(guò)建筑材料、建筑技術(shù)的性能特征實(shí)現(xiàn)，并能夠在建筑整體給予人們直接的感官體驗(yàn)。

動(dòng)態(tài)的建筑表皮構(gòu)成設(shè)計(jì)，不僅體現(xiàn)在聚碳酸酯板材建筑表皮由不同顏色、透明度設(shè)計(jì)疊合的視覺(jué)效果動(dòng)態(tài)，以及不同可見(jiàn)光透射率設(shè)計(jì)選型形成的光線層次動(dòng)態(tài)，還包括結(jié)合自然環(huán)境動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)響應(yīng)機(jī)制和數(shù)字化LED投影動(dòng)態(tài)立面技術(shù)的復(fù)合動(dòng)態(tài)建筑表皮設(shè)計(jì)策略，是當(dāng)下數(shù)字化技術(shù)提升帶來(lái)的建筑表皮設(shè)計(jì)的技術(shù)進(jìn)步。

5 結(jié)語(yǔ)

可持續(xù)、美觀、動(dòng)態(tài)的建筑表皮設(shè)計(jì)，從設(shè)計(jì)策略的主動(dòng)性而言，是建筑師設(shè)計(jì)愿景的內(nèi)核延展，從設(shè)計(jì)策略的被動(dòng)性而言，是響應(yīng)自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境的表達(dá)媒介。新材料、新技術(shù)構(gòu)成的建筑表皮設(shè)計(jì)策略研究，對(duì)建筑師當(dāng)下的建筑設(shè)計(jì)，有著重要的實(shí)踐指導(dǎo)意義。