響應性木材在新型建筑動態表皮設計中的應用

高元本 邵一梁 陳品杰

1.華東建筑設計研究院有限公司 上海 200001

2.SOM建筑設計事務所 美國 芝加哥 IL 60606

3.中國建筑西南設計研究院有限公司 四川 成都 610036

1 背景綜述

1.1 動態表皮的現狀歷史

建筑動態表皮是指建筑外部表面或外皮，它具有響應性和可變性，能夠根據不同的環境條件、功能需求或設計意圖來進行自動或手動調整。這一概念在建筑領域中的發展和應用已經有一段較長的歷史，它的發展反映了建筑領域對于創新、可持續性和美學的不斷追求。最早的動態表皮可以追溯到20世紀初期，自從柯布西耶提出自由立面與自由平面的學說將建筑立面作為一個個體獨立于建筑結構與平面使用功能之后，以賴特為首的建筑師們開始針對建筑立面的紋理與構圖進行深入探討。而到了20世紀中后期，隨著工業技術的發展，人們又開始不滿足于建筑立面僅僅呈現出一種風格，因此一些全手動控制的機械建筑表皮開始出現在人們的視野當中。與此同時，除了建筑的立面裝飾紋理，建筑類型學進一步推動建筑功能性的進一步強化導致建筑使用功能也開始針對建筑立面有了各種需求，諸如通風，采光，遮陽等等。因此建筑的可變化表皮漸漸地由美學導向轉變為功能需求導向。到了21世紀，可持續建筑主題進一步要求建筑立面不僅僅關注建筑內部的功能需求，還需要針對建筑外部環境做出回應與變化。建筑師們開始通過先進的傳感器和計算機技術檢測建筑內部與外部的環境信息，并結合智能控制系統對建筑動態表皮進行相應的管理[1-3]。

目前常見的動態表皮的技術主要有以下幾種：（1）智能玻璃：它也被稱為電子控制玻璃，可以根據電壓的變化來改變其透明度。這種技術常用于窗戶和玻璃幕墻，以實現自動的光線控制和隱私保護。（2）光敏金屬：光敏金屬材料可以根據光線強度的變化來改變它們的性質。它們用于自動調整建筑的透明度，以提高采光效果和降低能源消耗。（3）太陽能響應表皮：太陽能響應表皮使用太陽能電池板來收集和儲存太陽能，以供建筑使用。這些表皮可以自動跟蹤太陽的位置，以最大程度地接受太陽能從而提高能源效率。（4）熱敏金屬：熱敏金屬材料可以根據溫度的變化來改變它們的形狀或性質。這些材料可用于自動調整建筑的遮陽裝置或隔熱層。以上這些動態表皮技術多數采用新型金屬或玻璃材料，或是依靠大量傳感器技術實時監測環境數值再轉譯信息讓建筑表皮做出回應。這就導致這些技術一方面造價昂貴，后期運營維護成本較高，另一方面動態表皮多數是為了針對建筑能耗問題，希望通過可變建筑表皮的手段降低建筑能耗，從而提高建筑的可持續性。而這些新型金屬玻璃材料的生產與使用本身就是巨大的能源消耗，并且多數不具備環境友好性與可持續性，因此這些方法根本上有些本末倒置。

本文作者希望能夠設計出一種新型建筑可變表皮，這種表皮能夠擁有一種相對經濟的生產與后期運行方式，同時此動態表皮能夠以一種自然友好的方式完成對不同外部自然環境狀況的回應，從根本上降低動態表皮的各方面成本與消耗。

1.2 響應性木材的研究

“響應性材料”指的是可以適應、改變或對外部刺激或條件做出反應的物質或材料。這些材料經過工程設計，具有特定的性質，使它們能夠對各種觸發因素做出響應，如溫度、光線、壓力或化學成分的變化。目前常見的響應性材料的應用主要有：形狀記憶合金： 這些材料可以在受到溫度變化時“記住”特定的形狀并返回該形狀。鎳鈦合金（Nitinol）是一個著名的形狀記憶合金。這類合金結合動態表皮設計可以做到讓表皮在不同的狀態下切換到不同的“記憶”狀態。光致變色材料：這些材料在受到光照后可以改變顏色或透明度。應用于建筑表皮設計可以通過不同的太陽光的照度對玻璃的透明度進行控制，從而達到動態遮陽以及控制室內溫度的效果。以上這些材料都是新型高分子材料，優勢在于可以人為控制材料特性，缺點則在于造價昂貴。但是其實木材作為一種可持續材料也具有成為響應性材料的潛質[4-5]。

木材由于其自然生長的構成方式，天然就具有各向異性以及高孔隙率，而這種各向異性和高孔隙率導致了它擁有成為響應性材料的潛質。首先孔隙率是木材的一個重要特性，他可以影響木材的密度、強度、吸水性和其他物理性質，是木材很多特性的基礎。我們可以理解成針對不同的外部環境（諸如荷載，濕度，震動等等）木纖維的細胞孔隙會產生相應的響應性變化（收縮或膨脹），而由于木纖維是單方向生長的，因此孔隙率也是只在木材的用一個方向存在（木材生長方向的橫截面），這就導致所謂的響應性變化也是在固定的方向發生，這就是各向異性。木材的各向異性也有多方面的應用：（1）木材能夠根據溫度變化發生形狀、長度或顏色上的變化。這種木材可以在不同季節或天氣條件下自動調整，用于建筑外墻、家具或裝飾。（2）光敏木材使用具有光敏性質的涂層或添加劑，可以根據光線強度改變其顏色或透明度。這有助于改善室內照明和裝飾。（3）木材作為聲學響應性材料的研究可以改善其吸聲和隔聲性能，用于減少噪音傳播和提供更好的室內聲學環境。綜上所述，木材作為一種自然材料，擁有著針對濕度，照度，溫度，聲音等等各種不同自然環境成為響應性材料的能力[6-7]。

結合章節1.1中提到的建筑動態表皮的不足之處，我們決定將木材作為重點響應性材料納入新型動態表皮設計。我們希望利用木材針對不同的外部光照濕度等環境變化產生的響應性行為，讓木材帶動周圍的動態表皮裝置運動。從而達成無需多余的傳感器布置，無需多余的人工成本的付出，該動態表皮一方面可以自發的針對外部環境做出響應性變化，另一方面也可以節省多余的生產與昂貴的耗材，做到以較小成本達成環境友好性與可持續性，從根本上突破動態表皮的經濟性限制。

2 動態表皮設計

此新型動態表皮目的在于將響應性木材作為動態表皮的行為核心，通過此木材的各種變化帶動其他延伸構件的運動，從而使此表皮能夠在不同的模式下相互切換進一步影響建筑的環境。主要由三步組成：整體構架設計、表皮單元設計和響應性木材設計。整體構架設計主要是根據不同的建筑場景選定表皮固定位置以及表皮單元件尺寸。表皮單元設計會決定核心響應性木材的與環境要素的互動方式，以及核心木材與其他延伸構件的連接方式。整體表皮的運作方式也會在此階段介紹。響應性木材強化處理會詳細介紹此木材的環境響應性原理以及如何增強木材的環境響應性。

2.1 整體構架設計

圖1 整體框架（圖片來源：作者自繪）

整體架構設計主要由兩個要點組成：表皮構建方式和表皮單元尺寸。目的在于為表皮單元設計提供背景環境信息。

（1）表皮構建方式由表皮應用場景決定，通常分為立面構建與頂面構建兩種。頂面構建通常應用于公共空間當中，諸如一些廣場或是街道。立面構建通常為加建表皮，即在原有建筑外立面墻體之外附加第二層表皮體系。頂面構建通常需要采用自支撐結構，即每一個表皮單元件本身需要擁有結構抗性，表皮彼此之間線性連接錨定之后的結構本身就具有較強的穩定性。也可以采用一些特殊的整體支撐結構，比如氣動系統，磁性系統等等。立面構建通常需要依附于建筑立面結構，通常采用桿件或拉索懸吊的方式將每一個表皮單元固定在建筑土建結構上。

（2）表皮單元尺寸由建筑使用功能需求決定。大型表皮單元常用于公共空間內。在此場景下，動態表皮通常作為一個整體控制全部公共空間的環境屬性變化。比如在廣場上構建一個貝殼狀動態表皮構架供人們短暫休憩，此時我們只需要表皮能夠在外部環境變化時，每一個單元都能同步進行響應性變化從而改變貝殼裝置內部的環境屬性，因此大尺寸表皮單元較為適用。小型表皮單元常用于復雜私密功能需求中。即整個動態表皮需要同時滿足不同使用人群的不同需求，這就要求每一組表皮單元能夠獨立進行響應性變化。比如應用于辦公住宅建筑立面時，每一個房間單元的戶主都希望獨立控制自家窗戶對應的表皮的運動，這就導致需要將表皮單元切分成小型尺寸從而滿足個性化需求。

2.2 表皮單元設計

表皮單元設計是新型動態表皮設計的核心，表皮單元的運行模式決定了整個動態表皮的運動變化和工作原理。

（1）單元組成：每一個表皮單元的運作的核心是一根響應性木材桿件，響應性木材桿件的兩端會以滑動固定的方式固定在兩個滑軌上，此滑軌可以保證木材桿件不會脫離滑軌的運動范圍，同時不對木材在滑軌允許范圍內部的運動做任何限制。在核心木材桿件上會固定一些輔助連接件從而允許一些次級表皮結構能夠固定在木材桿件上，跟隨核心木材的響應性運動產生同步的變化運動。不同表皮單元之間的連接可以通過兩端滑軌之間的剛性連接完成，最后將整個一片表皮單元固定在建筑支撐結構上。

圖2 表皮單元設計（圖片來源：作者自繪）

（2）工作原理：當外部自然環境發生改變，比如雨水導致的響應性木材的濕度的變化，亦或是太陽光照射導致的木材溫度的變化，這些變化會促使響應性木材自發的發生彎曲形變。這些彎曲形變產生的應力，使得在滑軌限制下的木材只能在沿著滑軌運動的方向上收縮。最終的結果就是仿佛木材能夠根據外部環境的變化自由地沿著滑軌方向拉伸與收縮。同時這種收縮運動還會帶動核心木材之間的扇形次級裝置開啟或閉合。這就使得整個表皮單元可以擁有兩種模式：一種是核心木材垂直拉伸，中間扇形裝置閉合的敞開模式；一種是核心木材彎曲收縮，中間扇形裝置打開的遮罩模式。這兩種模式可以根據不同的環境需求改變表皮之下的內部環境，成為一種自發性的動態表皮。

2.3 響應性木材強化處理

核心響應性木材是整個新型動態表皮運動的核心，木材對應不同自然環境的響應性的程度決定了動態表皮單元在應對環境變化時產生的響應性運動的程度。同時木材還需要帶動次級結構的運動，普通的木材無法做到這一點。因此我們需要對核心木材進行強化處理，提高它的環境響應性。

前文可知木材的環境響應性與其各向異性與孔隙率息息相關。其中由于我們只需要木材在二維的平面內運動，因此木材的各向異性有利于我們控制動態表皮的平面運動。孔隙率是我們提高與控制木材響應性運動的核心。無論是應對濕度還是溫度亦或是聲波產生的響應性運動，核心都是木纖維孔隙的收縮與擴張。但是孔隙率與響應性運動并不是單純的一維線性函數關系。一方面木材內部的孔隙率分布大小不均，單純地全部擴大或縮小孔隙率并不能夠增強木材的環境響應性。另一方面在動態表皮的運動中，我們也需要核心木材桿件的收縮與擴張在可控范圍內。綜上所述我們需要在增強木材的環境響應性的同時，控制木材的孔隙率分布。

目前常見的木材孔隙率增強手段主要有兩種：一種是納米材料加強。另一種是烘干加熱技術。納米材料加強是通過將木材浸泡在不同的離子溶液中特定的時間后進行熱量增進的方法改變木材內部的孔隙率分布。浸泡的離子溶液的不同（諸如SiO2, AgNPs, PDMS等等）會導致木材內部孔隙率分布更加均勻或者更加兩極分化，通過這種方式我們理論上也可以控制木材在發生響應性變化時是更加均勻還是局部收縮[8]。

圖3 納米材料加強（圖片來源：作者自繪）

烘干加熱技術則是通過改變濕度溫度的方法的不同統一性地增加或降低全部木纖維的孔隙大小從而影響孔隙率。熱加熱的方法可以顯著提高孔隙率，而冷加熱的方法可以降低孔隙率。由表格可知，不同的參數修改可以對應不同的木材孔隙率，我們可以將兩種方法結合使用，在增強孔隙率，增強響應性的同時通過控制參數控制響應性木材的運動方式[9-10]。

圖4 烘干加熱技術（圖片來源：作者自繪）

3 案例討論

這是一個新型動態表皮在步行街的模擬案例。步行街寬度約為8米，長度為70米，高度為9米，是一個在潮濕地區常見的騎樓內街。由于常年潮濕多雨，我們希望通過新型動態表皮改善室外內街的活動環境。一方面希望能夠在雨天的時候起到擋雨的功能，另一方面在晴天是能夠保證內街的采光與通風。

根據第二章中的表皮設計流程，我們判斷這是一個大型公共空間需求，所有表皮單元需要做到統一變化無需個性化定制。并且由于晴朗天氣需要盡可能避免陽光遮罩，我們決定采用大型表皮單元構成內街可變化屋頂的策略。整個屋頂表皮采用邊長3米的正六邊形密鋪表皮單元的方式，表皮單元彼此剛性連接最終固定在建筑立面維護結構上。表皮單元內部的核心響應性木材構建采用針對環境濕度具有較強響應性的木材強化處理方法。保證木材在全部浸水的情況下能夠做到60度以上的彎曲響應。這樣就可以保證6組表皮單元在全部淋雨受潮的情況下產生彎曲響應時能夠最大面積地覆蓋屋頂面積，從而起到擋雨的作用。依附于核心木構件的次級扇形結構采用透明輕質塑料薄膜。一方面可以保證內街透光性，避免下雨天內街過于陰暗。另一方面盡可能減小表皮整體結構負載，保證輕鋼龍骨結構桿件不會過于粗壯。除此之外為了保證擋雨質量，我們建議采用雙層屋頂表皮，兩層之間錯位半個表皮單元的模數。

圖5 案例透視圖（圖片來源：作者自繪）

圖6 節點放大圖（圖片來源：作者自繪）

4 總結

本文提出的新型動態表皮設計概念核心在于解決動態表皮建造材料耗費巨大，以及使用后期運行維護成本較大的問題。通過將環境響應性木材引入表皮設計，在提高表皮環境友好型的同時，使得此動態表皮能夠自發性的針對不同的環境狀態切換表皮模式，節省了后期運行成本。此外由于木材的環境響應性潛力較大，我們可以通過強化木材的不同特性使得木材可以應對多種不同的自然環境的變化需求。

當然此新型動態表皮也會存在后續需要深入探討的問題：（1）強化后的木材的其他特性是否會受到影響，通常生物類材料在經過化學處理之后會破壞一些材料內部的特性，因此在建筑動態表皮長期運行之中，木材的響應性特征能否長期維持還有待研究確定。（2）響應性變化產生的應力是否可以長期承擔帶動次級結構變化的角色。由于整個動態表皮變化的原動力都是木材響應性收縮的應力，這種應力是否強大到可以帶動整個裝置的變化還有待驗證，或者是否會導致整個木材斷裂破損。（3）除了常見的濕度和溫度響應性變化可以應用與建筑外部表皮環境的改造，木材的吸聲性，減震性能等等特質是否也可以應用與建筑的其他領域。