建筑节能技术视角下建筑表皮设计研究

金雯雨 张元

摘要：在可持续视角下，现代社会对建筑节能的要求越来越高。建筑表皮作为连接建筑内部与外界的重要界面，不但是整个建筑外观形象的代表，同时也是决定建筑内部节能性能。本文主要研究利于建筑节能的建筑表皮生成设计方法，通过优化建筑表皮节能性能，减少建筑室内能源消耗。

关键词：建筑节能技术;性能优化;生成设计

1  建筑节能技术

1.1 可持续发展与建筑节能

可持续发展背景下，降低能源消耗是重中之重。随着工业技术的发展，全球经济生产暴增，但同时也消耗了大量的化石能源，造成了严重的环境污染。而后在全球范围内开始提倡和要求节能减排，保护自然环境。我国在2020联合国大会上提出中国将施行政策和措施以严格控制二氧化碳的排放，预计在2060年实现碳中和。

1.2 气候适应性建筑设计策略

随着科学技术的发展，建筑逐渐摆脱了地域气候的影响，特别是从现代主义开始，建筑由工业化的标准构件快速修建，并在世界范围内复制，室内空间依赖暖通系统维持宜居环境。在人们满足于科技带来宜居室内环境的同时，也面临着室外逐渐恶化的自然环境。因此，人们提出建筑应适应气候环境，应合理的利用自然环境资源，通过建筑空间和形式，建造宜居室内环境从而实现建筑节能。

2  建筑表皮技术的发展

建筑表皮主要是指建筑的围护体系，表皮之内是人生活和工作的环境，表皮之外是大自然的环境。在气候适应性建筑的研究和设计工作中，建筑表皮是最重要的研究对象之一。从功能上讲，建筑表皮不仅是一个分割空间的界面，而且是一个相对建筑整体独立的介质系统，其能够组织自然能源的储存和释放，从而控制建筑物理环境，影响建筑空间的舒适度和建筑能源消耗。

2.1 古代时期建筑表皮

建筑表皮的形式和功能主要是结合气候因素、就地取材，以最简单实用的方式达到居住目的。根据历史考察发现，我国古代主要包括两种类型的建筑，长江流域主要是在巢居的基础上演变而来的干阑式建筑，黄河流域主要是在穴居的基础上演变而来的木骨泥墙建筑。随着人类建造技术的提高，建筑都发展为由墙体和屋顶构成，形式因人文、气候以及资源具有差异。中世纪之前的欧洲，公共建筑的立面非常相似，在统治阶级的控制下，将建筑表皮转化为面向城市展示的特殊载体[1]。文艺复兴时期，建筑立面的设计更加形式化，所有建筑的立面都具有老教堂和宫殿立面的式样。

2.2 近现代建筑表皮

2.2.1 镶嵌生形方法

随着参数化方法、建筑信息模型和数控技术的发展，非标准性模块构建也不再是不可克服的困难，已有很多成功的案例实践，位于法国巴黎的JEANBOUIN体育场，建筑外表皮也有裂纹的图案，其建筑体量巨大，但复杂而轻盈的建筑表皮削弱了其厚重感，内部自然光线明亮，实现了功能明确、形式优美和节能的目标。通过镂空面板削减了建筑厚重的体量感，使建筑更加轻盈和精致，建筑内外均有良好的光影效果[2]。

在上海自然历史博物馆的设计，通过骨架的截面尺寸拉开层次感，从而减弱了不规则曲面立面的厚重感。以此生形的建筑立面生动且美观;轻盈镂空的建筑表皮使得室内空间具有良好的自然采光，營造了动态的建筑空间。

2.2.2 分形生形方法

分形理论有很好的应用和发展，在建筑学领域也有学者和建筑师进行理论研究与应用，结合建筑表皮形成生动的室内空间，如斯图加特国际机场，受到大树的启发，使用了分形结构，作为屋顶建筑表皮的支撑结构，结构部分占据了较少的室内空间。大埃及博物馆运用了谢尔宾斯基三角分形，在立面上使用了半透明的石材进行铺装，将立面划分为有节奏感的肌理。

2.2.3编织生形方法

从原始社会开始人类便开始掌握编织技术，从竹篮编织到房屋建造，编织技术随处可见。编织因其使用的材料、交叉方式和目的而产生较大的差异，同为线状物体的编织，渔网和布料呈现了完全不同的结果如今通过数字化设计方法和智能建造能够将新兴材料运用于大型建筑表皮。

编织生形的方法运用建筑表皮中主要分为两类，一类是作为建筑表皮的纹路肌理，或是表达传统文化，或是单纯的最求建筑形式;一类是将编织作为表皮系统相对独立的结构系统，使用新型复合材料，通过编织，使简直表皮呈现出杂乱而规律的结构之美[3]。

坂茂设计的法国蓬皮杜梅斯中心，屋顶表皮使用复合木材编织而成，成为建筑最吸引眼球的部分，其设计灵感来源于中国草帽和竹篮的编织方法。屋顶结构使用了将六边形和三角形组合的编织方式，以适应大曲率的曲面。

3  建筑节能优化与设计

3.1 建筑表皮性能优化

建筑节能与建筑从规划设计到改建拆除的全生命周期相关，每一个过程都直接决定了建筑项目的总能源消耗。随着建筑技术的发展，建筑表皮越来越成为一个相对独立的“介质”系统，其对建筑节能性能有决定性的作用，但建筑表皮的形式、材料、构造、气候环境、经济条件等都是建筑表皮节能性能的关键因素[4]。

3.2 机器学习应用于建筑节能表皮的生成设计

作为人工智能的核心研究领域之一，机器学习是人工智能发展到一定阶段的产物，其主擅长从数据中习得规律和知识，主要包括监督学习、弱监督学习和无监督学习，本文中只涉及到了监督学习。监督学习就是在已知输入和输出的情况下训练出一个模型，将输入映射到输出。监督学习主要包括：决策树、支持向量机、神经网络、朴素贝叶斯等[5]。建筑师使用机器学习模型可以在通过修改参数组的同时，快速的得到关于建筑表皮方案性能的反馈，根据方案既定概念、形式美学和性能反馈再修改和完善初步方案设计。建筑师使用结合机器学习模型的生成设计方法能大大提高了初步方案设计效率。

4  结论

建筑表皮作为于分隔内部与外界的介质系统，对其进行节能性能的优化和生成设计需要综合多种影响。建筑作为社会最主要物质载体，在形式上直接勾勒了一个民族或一个城市的文化和形象，在节能性能上直接决定了一个国家或一个城市总能源消耗的高低。在当下大数据时代，人工智能几乎渗透到各个领域，作为建筑师应充分利用所有可得的数据资源，运用人工智能对海量数据高效处理和学习的能力，将其科学性和高效性应用于方案设计和建筑节能策略设计与维护。

参考文献：

[1]林锋.建筑表皮的生成[D].东南大学，2005.

[2]王蓉蓉.基于空间镶嵌规则模式的建筑表皮设计研究[D].浙江大学，2016.

[3]张卫宁.从节能视角看建筑玻璃表皮[D].华中科技大学，2005.

[4]林周赛.建筑表皮的生态设计策略初探[D].天津大学，2016.

[5]司秉卉.建筑节能优化设计中优化算法的效能研究[D].东南大学，2019.

作者简介：金雯雨（2000.05—），女，黑龙江省人，蒙古族，本科，天津城建大学，研究方向：设计学。

张元（1998.01——），男，天津人，汉族，硕士，天津城建大学，研究方向：城乡规划设计。