建筑表皮膜材的生态适应性设计研究

赵 强 汪 涵

东华大学 服装与艺术设计学院，上海200051

近年来，随着新技术、新材料在建筑行业的应用和发展，大量功能丰富、形式美观的建筑应运而生。然而，现代建筑大多是通过机械设备或空调系统对自然条件进行改造而建立起来的“人工环境”，这一人工环境不仅给自然界和能源利用带来了极大的负担，还使建筑物逐渐失去了地域特色和传统的文化内涵。目前，采用建筑围护等建筑表皮来调节自然环境和人工环境并使之相适应的举措取得了较好的成效，并逐渐受到了人们的高度重视[1]。其中，膜结构材料(膜材)因具有较好的透明性、较高的保温隔热性能、良好的柔韧性、轻质量，以及造型的可塑性强等特点在建筑表皮的生态适应性设计中普遍应用。因此，如何更好地发挥膜材的物理特性，以调节和适应自然环境的变化，并与建筑的形态和功能相结合，满足人们对环境友好型建筑的功能化和舒适性需求，已成为膜材可持续发展的新视角和新方向。

1 建筑表皮膜材的制备工艺

用作建筑表皮生态设计的膜材种类繁多，主要分为PVC膜材、PTFE膜材和ETFE膜材3大类。这3类膜材在制备工艺上的差异影响其在建筑表皮中的应用范围和使用性能。

PVC膜材是广泛应用于早期建筑中的一种复合材料，其基层主要为聚酯纤维或玻璃纤维织物，具有成本低廉、柔性好和易加工的特点，但其强度和耐久性较差，多用于规模较小的临时建筑中。PVC膜材的制造工艺主要包括贴合法、压延法和涂层法。贴合法是在基层织物的正反面各铺设两层PVC膜，在一定温度和压力下，通过热辊使PVC膜与基层织物贴合而制成PVC膜材；压延法是将PVC粉和增塑剂等原料相混合，采用热辊使之与基层织物相黏合；涂层法是将液态PVC材料涂抹在基层织物的正反面，烘干固化后使其与基层织物成为一个整体。

PTFE膜材通常是在超细玻璃纤维织物上涂覆PTFE树脂后加工而成的一种复合材料。PTFE膜材的加工工艺为浸渍法，玻璃纤维织物在PTFE树脂溶液中多次浸渍后达到一定的厚度和面密度，浸渍时间需根据具体建筑所需的玻璃纤维织物的性能要求进行计算和调整。PTFE膜材因优良的强度和可调节性已在大型建筑中有诸多应用[2]。

ETFE膜材不以织物为基层材料，而是采用乙烯-四氟乙烯共聚体直接制作而成。作为一种新型的复合膜结构材料，ETFE膜材具有极佳的透光率、可塑性和自洁性，在未来膜结构建筑的发展中有广阔的应用前景[3]。

2 建筑表皮膜材的物理特征

2.1 热工物理性能

表征建筑表皮膜材的热工物理性能参数主要包括材料的导热系数、热阻、传热系数、蓄热系数、热惰性和遮阳系数等。单层膜材的传热系数与单层玻璃的传热系数相接近。单层膜材可用于对保温和隔热性能没有要求的建筑表皮中，如部分敞开型建筑的入口雨篷、建筑小品、体育场馆的看台顶棚等，以及气候温和、受温度变化影响不大的封闭型建筑等。对于温度变化较大的场所，需降低膜材的热阻，从而在较短的时间内通过间接采暖和通风来改善室内的环境，如图1的地铁站和图2的展览馆等。在寒冷地区，膜材需经特殊处理以增强其热阻，从而提升建筑的保温功能。

图1 地铁站(图片来源：https://www.gooood.cn/xi-erqi-station-by-li-xinggang.htm)

图2 展览馆(图片来源： https://www.gooood.cn/pavilion-china-flora-expo-lab.htm)

2.2 光学物理性能

膜材的光学性能主要体现在透明度、遮阳系数、反射系数及显色性等方面。

厚度为0.63 mm的一般PVC膜材/玻璃纤维复合材料的透光率为3.0%；厚度为0.77 mm的PVC膜材/聚酯纤维复合材料的透光率为4.8%，当厚度降低为0.55 mm时，其透光率为7.4%。PVC膜材的反光率达75.0%以上。PTFE膜材的透光率约为13.0%，最高可达30.0%，其反光率为70.0%左右。透光率较小的膜材，其透射光线为白色自然漫射光，一般不存在遮阳与眩光问题。无色ETFE膜材的透光率可超越玻璃，最高达95.0%。单层白色膜材的透光率一般为50.0%～55.0%，这种透明度可使光线通过膜材表层进入建筑物内部，从而为室内提供良好的采光条件[4]。

膜材多采用膜覆盖的方式应用在大跨度的建筑中，如体育馆、机场候机厅、展览馆等，其能降低照明能耗，但膜材的大面积应用往往会增加遮阳负担并带来眩光问题。此外，膜材的显色性较差，色彩偏蓝，其良好的透明性也意味着可能会造成光污染，建筑内部灯光在夜晚向外透射时，室内的照明效果降低的同时会对周边环境造成影响。

2.3 加工与节能性

膜材质量轻、厚度小，对建筑形成的负荷小，可大大减小建筑的承重量。与其他建筑材料相比，膜材从加工到建筑的实际应用，其消耗的能源少，且具有较好的自洁性，进一步减少了因清洁造成的水资源浪费问题。PTFE膜材的耐久性较强，使用寿命一般在30年以上，是永久性建筑的首选膜材，其防火性能也较好。

膜材建筑表皮的节能设计与玻璃类似，可采用双层膜、三层膜，以及在膜材下铺设棉纤维作为保温层而加强膜材的保温隔热性能，或将透光棉与膜材复合使保温层和主体膜结构分设。厚度大的保温层可以起到很好的保温效果，但也会影响膜材的透光性，需进一步提高保温材料的透光性。与玻璃类似，可在膜材的表面涂覆辐射涂层，对不同频率的入射光进行选择。如常见的表面含有低辐射涂层的LOW-E玻璃，对可见光有很高的透过率，对红外线具有较高的反射率，这有助于降低夏季室内的温度。此外，在膜材表面加盖发电薄膜，产生的能源可供建筑使用，如2010年上海世博会的日本馆，展馆外部覆盖一层利用太阳能发电的超轻“膜结构”，不仅能最大限度地利用天然资源，而且实现了能源的再利用。

3 建筑表皮膜材的适应性设计原则

膜材在建筑表皮中对气候环境的适应性设计主要体现在自然采光和热量控制(保温隔热)两方面。建筑表皮的采光系统、围护系统和遮阳系统，既要适应自然环境变化的客观条件，同时又要满足人们对光、热和舒适性等方面的需求。因此，利用膜材对建筑表皮进行设计需要满足如下的设计原则。

3.1 地域性原则

基于建筑的功能、体量和地域性环境所体现文化内涵的不同，建筑表皮膜材的设计具有个性化特征。建筑表皮膜材的设计需要努力挖掘符合本土的适宜技术，包含先进技术及稍加改进的传统技术。适宜技术的适应性原则是指遵循本土气候及自然环境条件，以满足人们的舒适性、节能环保等要求为目标，采用被动式建筑设计手段，在建筑的形态、结构、功能等方面体现出的气候适应性，通过不断调节、完善和有效利用自然能源和材料，实现建筑表皮膜材与生态环境和谐共生[5]。

3.2 可控性原则

传统的建筑表皮系统对采光、通风、热量控制等方面缺乏灵活应对性，采用固定式遮蔽系统创造的人工环境更多地依靠设备和技术，未建立一种动态可变的控制方法。建筑表皮膜材系统需要依据季节、时间和天气情况对不同部位的采光、遮阳系统实现自动调节。可控式表皮控制系统大体上分为手动控制和自动控制两类：手动控制的优点是造价低、设备简单、维护简便，并能正确反映不同人群的需求，是一种被动控制的方法；自动控制多安装光感元件、温感元件及电动执行机构，可实现智能化的全自动控制。

3.3 交互性原则

交互性是指建筑表皮膜材的设计能够应对环境、建筑空间形态和人的行为方式的变化，进而实现信息交互和产生应对机制。利用数字化技术，将环境、建筑空间形态和人的行为三者的实时变化信息进行数字化传递，依据相应的设计算法或约束规则，实现建筑使用性能和功能需求的相互适应。

3.4 一体化原则

一体化设计是将建筑表皮(围护结构或遮阳系统)的不同构件或设计元素与建筑形体的构成元素(包括建筑的整体形态、墙面、屋顶、内部功能空间等)进行有机结合，力求在满足降低能耗，增强室内舒适性的同时实现建筑功能、技术和美观的完美结合[6]。

4 数字化技术在建筑表皮膜材生态设计中的应用

当前，为了实现建筑表皮膜材的多变性、可控性和交互性的设计要求，数字化建筑驱动生成技术在建筑表皮设计中得以广泛应用。如由SOMA 设计的2012年韩国丽水世博会展馆(图3)，其建筑立面模拟鱼的皮肤，通过采用玻璃纤维增强聚合物(GFRP)创造出了多种变化模式。由DS+R建筑事务所设计的“The Shed艺术中心”(图4)，其可移动外壳是由ETFE膜材和轻质特氟隆聚合物制成的半透明垫层。该半透明垫层具有绝缘玻璃的隔热性能和透光性，其灵活多变的特征能够应对不同规模、媒体、技术和艺术的变化需求(图4)。利用数字技术，可将自然环境的物理参数、建筑空间形态的几何参数和建筑空间使用的性能需求参数有效地联系起来，并依据参数间的交互变化和信息反馈，实现膜材在建筑表皮上的优化设计[7]。

图3 韩国丽水世博会展馆(图片来源： https://www.gooood.cn/one-ocean-thematic-pavilion-expo-2012-by-soma.htm)

图4 The Shed艺术中心(图片来源： https://www.gooood.cn/the-shed-by-diller-scofidio-renfro-rockwell-group.htm)

现阶段，采用数字化技术实现不同信息参数交互设计的方法大致分为两种：一种是多平台一体化设计，该方法是采用通用标准的数据交换规范对不同软件之间的数据文件进行交换。国际协作联盟(International Alliance for Interoperability)为建筑工程全生命周期中的信息交换提供了一个平台，为全球建筑业制定了IFC(Industry Foundation Class，工业基础类别)模型标准。目前许多著名的建筑软件生产商，如Autodesk、Bentley、Graphisoft等公司基于IFC标准，以开发统一的数据转化方式将多家CAD和CAE软件公司的工具平台联合起来，使不同工具平台能够凸显各自的优点，实现了建筑设计的信息共享。但该方法存在各专业、各平台统一协调难度较大，文件在不同平台间进行数据转化时易出现文件损坏和数据错误的现象。另一种方法是基于同一平台开发功能接口，在同一工具平台上二次开发专门的数据接口，通过引入相应的模拟引擎进行优化设计。如基于C#语言在Grasshopper for Rhinoceros平台上编写Geco插件可实现Rhinoceros建模与Ecotect性能模拟数据的信息交互，采用modeFRONTIER内部开发的接口可以实现多个CAD软件工具与CAE软件工具的数据信息交互。该方法的优点是基于统一工具平台，可避免数据丢失和文件损坏，提高了数字化技术在建筑表皮膜材生态设计中的模拟效率。

5 案例设计与分析

案例的设计和分析以不同时间段的太阳入射光线为性能设计的驱动条件，通过改变膜材占建筑表皮的面积比值和膜材透光率这两个参数，改变建筑室内的采光效果，确定膜材与建筑表皮的面积比和膜材透光率的取值范围。

当采用透光率较小的膜材时，膜材占建筑表皮的面积比的大小对室内采光的影响较大。反之，采用透光率较大的膜材时，膜材占建筑表皮的面积比的大小对室内采光的影响较小。

拟建案例为设在上海某工业园区场地内的一个长度18 m、景深25 m、高度10 m的展览空间建筑模型。该建筑场地地势平坦，外表皮为ETFE膜钢结构。该建筑模型以南立面表皮为主要测试单元。建筑模型的生成工具为Grasshopper for Rhino软件。首先对建筑模型南立面表皮的形态进行参数设置，将膜材占建筑表皮的面积比调节为40%～90%。采用气候环境设置和分析插件Ladybug对设定太阳模型为晴朗天空，测试时间段设定为6月份的12∶00～14∶00。然后采用性能模拟插件Honeybee对表皮膜材的透光率进行设定，设定值为20%～80%。由于该案例中的设计参数与光照强度指标不存在对应的线性关系，因此，最后采用具有较高通用性和鲁棒性的优化算法——插件Octopus的多目标遗传优化算法进行设计方案的生成、优化和选择。优化模拟器计算之后，对计算结果进行评估和选择。由模拟方案基因解的分布情况(图5)可知，颜色较深的解为适应性较强的可行解，而颜色较浅的解为一般解，而处于离散状态的解为适应性较差的劣解。提取这些计算结果后综合建筑方案的形态变化，最后确定了可兼顾建筑形态和使用功能双重要求的9种 优化模拟方案基因参数(表1)，其中，膜材占建筑表皮的面积比分别为40%、60%和90%，膜材透光率分别为20%、50%和80%。

图5 模拟方案基因解的分布情况

表1 模拟方案基因解的分布情况

6 结语

建筑表皮设计通过数字化技术将建筑空间形态与膜材的物理属性相关联，在拓展建筑功能和美学特征的同时，科学地引入建筑建造和使用过程中的性能需求，拓展了膜材在建筑适应性设计中的应用可能性。建筑表皮膜材的生态适应性设计方法不局限于传统的对膜材属性特征的孤立研究，而是从宏观的应用场景出发，融合多学科交叉的知识体系，为膜材在绿色建筑的生态适宜性设计和实践开辟新道路。