基于光环境应对策略的建筑可变表皮应用浅析

白钰滢

摘要 随着时代文明进步与经济发展，“可持续发展”已经成为行业建设与进步的重要理念。如今，许多新兴技术正在应用于建筑领域，以实现传统建筑业的转型。建筑可变表皮，作为一种新兴技术，在光环境上的应用研究早已有之，目前具有很大的发展前景。本文将基于多个建筑案例，针对可变表皮在光环境响应中的不同功能与技术进行横向比较，从对天然光环境的应用效果出发进行分类讨论，以期为今后的设计研究提供参考。

关键词：光环境应对;建筑可变表皮

随着时代文明进步与经济发展，“可持续发展”已经成为行业建设与进步的重要理念。据统计，社会总能耗中，建筑约占1/3，其中大部分能耗运用于建筑领域的供热、供光、通风等。如今，许多新兴技术正在应用于建筑领域，以实现传统建筑业的转型。其中，可变表皮技术的应用，实现了这个传统行业对能源利用的再一次翻新，不仅可以大幅度减少了能耗，还可以增强建筑的美学观赏性。

建筑可变表皮，作为一种新兴技术，能够通过动态控制表皮上的可变化构件，调节各个环境因素，从而适应不断变化的建筑外界环境。建筑光环境作为建筑物理环境的重要组成部分，关系到人们的视觉舒适和作业要求。建筑可变表皮在光环境上的应用研究早已有之，目前具有很大的发展前景。

本文将基于多个建筑案例，针对可变表皮在光环境响应中的不同功能与技术进行横向比较，从对天然光环境的应用效果出发进行分类讨论，以期为今后的设计研究提供参考。

一、天然采光的利弊

人们在建筑领域中从未停止于追求对天然光的利用。合理利用天然采光，可以减少建筑人工照明能耗，也可以吸收利用太阳直射光中的能量。同时，天然采光更为舒适，更有利于人体身心健康，在丰富建筑空间上也有举足轻重的位置。

此外，也要注意控制避免天然采光所带来的不利影响。如过度引入天然采光可能会在室内产生眩光等眼部疲劳不适情况，并造成室内过热等问题;而大量使用玻璃幕墙等高反射材料则可能会导致白亮污染。

二、加强建筑对天然光的利用

（一）充分利用天然采光

天然光环境本身复杂多变，受太阳位置和大气气象条件以及地形影响明显。建筑可变表皮在充分利用天然采光方面具有明显优势。可变表皮可以根据光环境的变化進行变化（如智能构件太阳踪迹追踪）来调控天然采光，以满足空间内合理的光照需求。

莱恩斯太阳堡幼儿园采用屋顶智能电控窗与外围采光百叶，配合幼儿园独特的建筑形式，使该幼儿园接受的光照量达到一般建筑的3.5倍。屋顶的智能太阳追踪器充分利用了第五立面的光照资源，使孩子充分接触阳光，保持了人类与阳光原始的互动。

在喜马拉雅山脚下南侧的古老村落宝镜，由天津大学创造的“somewhere over the rainbow”项目以一种独特的漏斗形的屋顶，结合当地多雨的气候特点，巧妙地利用雨水与自然光进行交互形成三棱镜，将照射在屋顶上的阳光散射到屋内各处，宛如闪烁着七彩光线的“太阳灯”，使屋子的采光不再受困于窗户的形状和大小，还营造了梦幻的氛围。

（二）能源转化

建筑可变表皮作为一种多元载体，可以与太阳能转化装置结合，既节约能源，又达到了丰富立面的效果。

北京市复兴路西翠娱乐中心前安装着超大型太阳能交换幕屏，玻璃幕墙中间夹着大量光电元件，在白天充当着太阳能板，夜间变为大楼显示屏，展现灯火阑珊、流光溢彩的城市夜景。米兰世博会德国展馆，利用超薄opv技术为馆内提供太阳能，将太阳能直接转化为其他形式的能，达到能源自给。还有像绿色凹宅、上海“魔方”等，由太阳能收集的芯片直接拼插成型，利用三维空间大大增加了太阳能的收集率。

（三）增强建筑艺术效果

（1）建筑外立面的美观性

建筑本身是技术与美的结合体。通过运用建筑可变表皮，将特定信息反映到立面上，可以为一成不变的立面增添某种变化，丰富视觉效果。

德国邮政大厦立面采用可变百叶窗，通过不同开启角度的百叶窗，展现自下而上呈现流动曲线式的美感。德国法兰克福“zeilgalerie”百货公司将天然光与LED智能感光结合，其表皮感应外部气候与环境如温度、湿度、降水等，并通过计算机反馈到建筑表皮LED灯光进行表现，体现了建筑的信息化。

（2）室内空间艺术效果

在实际应用中，建筑可变表皮可以通过表皮的构件变化、自感控制等方式，将外间环境信息反馈到室内空间，来丰富建筑内部空间视觉变化，增加空间趣味性。

阿拉伯世界文化中心外立面墙体类似由一块块方形金属铁皮拼接而成，每块“墙皮”都有十二个对称的孔型窗口，可以通过调控机械铁皮转动改变进光的窗孔大小。一束束变化的日光平行穿进巨大的墙面，充分体现了庄严与壮丽之美。而上海世博会企业联合展厅“四季馆”，其表皮感受外部的温度与光强，反馈到室内空间成为不同颜色的LED灯光，呈现不同的氛围。

三、减缓建筑外部光环境可能带来的影响

（一）控温与遮阳

适量的天然光会给室内空间带来诸多益处，但过量的天然光则会引起诸多视觉不舒适以及室温过高的情况。因此，合理的控制必不可少。控温与遮阳在理论方面与加强采光较为相似，目前主要是基于构件变化进行控制，与此同时还有如材料转变技术、变压充气技术、生物仿生技术等新兴技术正在蓬勃发展。

荷兰节能建筑UNStudio新作综合大楼建筑外表皮运用自动折叠挡板构件，根据人们的需求或者外部光线的强弱通过计算机控制挡板伸展或缩叠，来控制日光透射率、保持室温。阿布扎比Al Bahar塔表皮的六边形遮阳屏风构件带有感应器，接收光照强度和太阳方位信息后进行识别后，自动控制不同位置挡板的张合程度，限制自然光的进入，达到遮阳效果。

在2006年威尼斯双年展上的STEM装置应用生物仿生技术，将建筑表皮与植物结合起来。该装置用成千上万个装有海藻的玻璃瓶构成墙体，通过瓶中海藻随光强弱的繁殖速度与面积控制遮阳，同时也使建筑与自然进行了互动。

而更多新兴技术如变压充气技术等则出现在许多方案和竞赛中。尽管从现有应用的成果中来看，此技术形式亮相得不多，但其前景十分广阔，它的发展当下可谓暗涌，也许在不久的将来，成果实现的建筑如雨后春笋，让人们对物质世界环境有了新的感受和理念。

（二）对环境的治理与防护

建筑可变表皮也可以对所处光环境的某方面进行改善，以减少环境不利因素，优化环境。

曼哈顿中下城高楼耸立，形成建筑群自遮挡现象。而高楼大厦表面的玻璃幕墙则是白亮污染的主要来源。通过在高层建筑外表皮上安装反光板，对反射光方向进行控制，既能有效减少白亮污染，又可以将光引入高楼下需要光线的昏暗区域。米兰世博会nemesistudio 意大利展览馆，在建筑表皮运用智能光催化水泥技术，使空气中的有害物质附着在建筑表面，并随着雨水和风的冲刷脱离墙体，达到了净化空气的效果。

建筑可变表皮对光环境的保护，还体现在文化氛围层面。巴黎索邦大学研究中心项目中，建筑通過改变智能玻璃的透光度，使自身完美地适应了周围华丽庄严的古代建筑。其外观完全透明时，该建筑隐于历史环境中，使游客无碍于对整个场地的全景观感;其外表面完全达到反光时，这个建筑宛如立体的多面镜，在表面同样映射出古典的城堡，毫无违和感地融入了这个环境，保护了历史景观的完整性和文化纯粹的氛围。

综上所述，在光环境应对层面，建筑可变表皮的发展之路走得有远有近。一方面，动态控制构件等技术在处理遮光控温等方面的应用已相当成熟。另一方面，面对更为复杂的问题，现有技术较为疲软，而新兴技术才刚刚起步，离真正实施还有很长的距离要走。“睡莲”、“光子空间”只是一个还未实施的理想品;仿生表皮方面也需要继续探索……但是，无论是功能还是技术，可变表皮还有很大的发展空间。即使出于很多政治或者经济因素，许多理论目前无法实现，我们一直在努力实践，就像铺出的一砖一瓦，结结实实地搭在那辆超行机留下的痕迹上，人类一步一步往前走接近理想中的远地。

参考文献：

[1]石峰，胡赤，郑伟伟.基于环境因素动态调控的可变建筑表皮设计策略分析——以国际太阳能十项全能竞赛作品为例[J].新建筑，2017（02）：54-59.

[2]杨帆. 基于气候适应性的可动建筑表皮设计研究[D].沈阳建筑大学，2016.

[3]付雷. 形态可变建筑设计研究[D].沈阳建筑大学，2015.

[4]周姚熠. 动态适应性建筑表皮理论及其若干关键技术的研究[D].浙江大学，2014.

[5]邢钊赫. 互动思维在当代建筑设计中的应用[D].天津大学，2012.