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計與城市風貌學術研討會上發(fā)表題為《形態(tài)可變的建筑表皮系統(tǒng)設計》的演講，通過巴黎阿拉伯世界文化中心、格拉茨技術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計方式，并介紹了其在教學與設計實踐中進行的創(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)或技術層面的表皮設計不同的是，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、自動控制技術、材料、仿生等領域知識的系統(tǒng)工程，尋求生態(tài)、技術與藝術的完美平衡。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。可變遮陽系統(tǒng)是目前發(fā)展最為成熟的動態(tài)表皮設計方式。

　　努維爾設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，打開一種新的設計思路。

　　厄恩斯特與吉爾伯特事務所的一系列作品簡化了可變遮陽的一些設計原理，同時加入了藝術的元素。生物催化實驗室項目的表皮是類似于屏風的設計系統(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，使室內(nèi)光環(huán)境更加舒適。而有些是純藝術性的，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)和設備的層次上是一種固定的設計，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，廣泛應用于工程設計、時尚娛樂與工程建設中，對于可持續(xù)發(fā)展的建筑設計也具有重要價值。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。基于此原則，可以設計一系列的根據(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)為基礎的智能表皮系統(tǒng)

　　在ETFE材料氣枕內(nèi)部設計可以調(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，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 的關系與自身的藝術性。

　　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。可以利用文字、圖案，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。