古典花格图案的现代化转译——动态建筑表皮构件设计研究

汪瑜娇 石 峰

花格纹样作为文化符号具有强烈的地域特色，在不同文化中有不同的表达，常常被运用在建筑中。中国传统的花格纹样历史悠久，运用于传统建筑的门窗中分隔空间、调节光线，在园林的花窗、漏窗、洞门、铺地等均有体现，起到装饰作用并有所寓意，构成园林的主题体系。江南古典园林中的花窗，增加空间的层次，使静景产生流动之感，人们既欣赏不断变化的自然景色，又欣赏花窗洞门不断变化的形状式样，信步游览时达到移步换景变化无穷的效果[1]。在现代建筑中，传统花格纹样的运用为建筑增加传统韵味与地域色彩，然而静止的花格图案已经不能满足日益增长的审美需求，传统园林艺术在城市中的拓展需求不断增加[2]。

运用在建筑中的动力学技术使得建筑不再局限于静止，计算机的普及以及计算机辅助技术的发展增加了动态表皮的可能性，建筑师利用跨学科的技术付出诸多实践，20世纪80年代让·努维尔设计阿拉伯世界文化中心[3]，将阿拉伯文化符号融入在动态表皮中；2008年北京奥运会中的“水立方”在形似水分子的表皮单元中采用可充气的薄膜材料，通过充气单元的启动与停止维持稳定的气压[4]，2012年建成的阿布扎比塔（Al Bahar Towers）基于阿拉伯花格图案，通过可展开的表皮构件应对沙漠特殊气候环境[5]。动态表皮能够在给定外力作用下发生弹性变形，并且按照给定的运动规律恢复，从而具备与环境等同的变化或多于环境的变化能力，创造智能化、动态化和技术化的新型建筑空间[6]。表皮的动态模式中，可以通过表皮单元的物理运动如旋转、滑动、折叠改变表皮状态，可变的新型材料为建筑表皮提供了许多可能性，例如薄膜材料充气变形或相变材料改变物理状态等使表皮发生变化[7]。在绿色建筑领域，气候适应性的动态建筑表皮采用智能控制系统或特殊材料等，对某一种或多种环境因素进行调节适应多变的气候环境[8]。而数字技术作为一种新的工具，更好地连接了建筑与环境的互动设计，置入机械系统的动态建筑表皮结合嵌入式计算技术，创造出能够对外界物理环境做出反应并对自身重新配置的建筑设施或构件[9]，从而与使用者进行互动或响应气候条件的变化。

本文探究在动态建筑表皮中实现中国传统花格图案的转译，从传统花格图案中提取运动模式，尝试将花格图案转译为动态表皮单元，其运动在识别到用户活动时被触发，创造出另一种形式的“移步换景”效果，增强空间与人的互动性，同时丰富光影效果及外观效果。

1 花格元素的提炼

1.1 几何元素提取

现代建筑当中，传统的花格纹样被简化提炼并应用于建筑外立面的设计以及室内的分隔、装饰，在建筑中呈现出丰富的视觉效果和地域文化特色[10]。混凝土材料的运用使得花格图案的转译有了新的发展，随着材料和技术的发展，建筑表皮能够脱离于结构，从而获得更多的自由度和可能性，花格元素的转译也出现更多的尝试[11]。

已有运用于表皮的花格纹样大多静止或以图案自身的多样性达到视觉上动态的效果，本文在表皮单元置入机械系统设计，实现花格图案在建筑表皮上的动态化。古典花窗中的花格图案可以看作一种基础几何学的平面镶嵌图形，基础几何学按照周期性可分为周期性和非周期性，按照镶嵌单元可分为多边形和非多边形镶嵌[12]。许多复杂的花格图案可以提取为周期性的多边形平面镶嵌，考虑到作为动态表皮的可操作性，文章选择简化的凸多边形的镶嵌单元，进行平面运动模式的设计，并通过单元的装饰还原复杂的花格图案效果，在保留传统意蕴的同时创造造型简约、可变的花格表皮，不断运动的取景框和自然景观结合，达到丰富的视觉效果（图1）。

图1 花窗图案中的几何单元提取

1.2 运动形式分析

针对镶嵌单元进行平面运动模式，首先对边数最少组合方式单一的等边三角形进行尝试。在六个三角形单元的基本组合中，将中心和外侧的顶点两两相连，如图2初始的组合为状态1，推拉铰接处将图形以中心点为基础向外展开。对展开过程中单元运动模式进行分析：各三角形分别绕铰接点转动，相邻的三角形相对做镜像运动，旋转方向相反；完全展开时为状态2，围合为正六边形；各三角形继续沿原方向旋转，则图形重新收缩到状态3（图2）。当三角单元继续增加，使相邻的三角形顶点两两连接，组合图形仍然可以被展开，且每点最多可以连接六个三角形单元。展开过程中，相邻的三角形旋转方向相反，最大相对转动角度为240°。

图2 三角形单元运动模式的折纸示意

除等边三角形外，将其他常见几何形进行组合，其中等腰直角三角形组合后可以展开，但展开后无法继续活动收缩至原始的镶嵌图形。四角相等的正方形、长方形、菱形均可以进行完整的展开、收缩运动，即相对转动180°（图3）。

图3 不同几何形状的运动状态

多边形边数大于等于5，展开时单元相互重叠，无法在同一平面上运动。而对于异形的三角形和四边形进一步尝试发现，只有组合时每个顶点相接处图形单元的数量为偶数的图形可以展开。

1.3 复杂形状的衍生

对于更加复杂的花格纹样，可以在简单几何形状的基础上进行局部加减，形成单个复杂图形的平面镶嵌或两个不同单元的平面镶嵌（图4）。在具体表皮构件的设计中，可以通过镂空或增加装饰层达到这一效果，在保证运动的基础上，形成更加符合古典花格图案的动态形式。

图4 复杂形状的衍生

2 机械系统的设计

动态表皮可以分为核心控制层、动力层、骨架层以及闭合的边界层四个基本层次[6]。本文首先基于正三角形的平面镶嵌单元，归纳总结图形变化中的运动规律，探究动力层的设计。

2.1 机械运动原理

在图形运动过程中，尽管各个三角形单元均在旋转，理论上只需要推动两点或带动部分单元转动就可以联动整个图形。如图5的组合中，为了平衡各方向的作用力，将中心三角形的中心点固定，同时带动该三角形以及最外侧的多个三角形旋转，处于两者之间的其余三角形在内侧推力和外侧拉力共同作用下进行运动。完成一次运动后所有三角形均旋转120°，相邻三角形反向旋转且旋转速度相同。另外，观察发现，除中心的三角形外，其余三角形在旋转的同时各自的中心始终在直线上移动，在完全展开时移动的距离达到最大，而后向内移动。当组合中三角形数量增加时，即在图5组合的基础上，外侧增加层数，仍然能够按照上述规律运动。依据沿直线轨迹的运动对于机械系统进行设计（图5～6）。

图5 三角形单元运动模型

2.2 机械系统设计

在基于正三角形镶嵌单元的表皮构件设计中，为了使用单个电机带动整体旋转，需要将最外侧三角形的旋转与中心三角形的旋转联系起来。首先，如图7所示，以两层三角形的组合为例，三角形聚拢时，以图形中心为圆心，过最外侧三个三角形Δa、Δb、Δc中心做圆；以圆心为起点做中心三角形三边的垂线，与圆相交于点A、B、C，将A、B、C三点与最外侧三个角的圆心A’、B’、C’两两相连。当中心三角形围绕圆心转动时，线段AA’、BB’、CC’的长度始终保持不变，且与连接的外侧三角形相对角度保持不变，与其中一边垂直。根据这一规律，设置转动轮并设杆件连接A2A2’、B2B2’、C2C2’，带动中心三角形转动的同时带动三角形a、b、c的中心沿直线运动，并控制转动角度。此时，转动轮其半径为（L 为三角形单元的边长） ：

图6 层数增加时三角形组合的运动模式

图7 运动系统设计方案

根据同样的探究方法，可以设计以其他多边形作为镶嵌单元的动态表皮机械系统。在实际模型制作中，为了降低运动中的阻力，可以根据层数叠加多层转动轮及杆件控制整体运动。

3 模型设计及制作

本文利用探究所得的机械原理，基于正三角形的镶嵌单元进行动态表皮单元构件动力层、骨架层以及核心控制层的设计，并制作实体模型，结合电路设备以及控制程序，研究作为动态表皮的一种可能性。受到材料尺寸限制，选择前文探究中三层三角形的模型。

3.1 单元设置及动力系统

本模型中采用单一电机提供动力来源。设置三角形单元边长为7c m，为了增强转动的稳定性，模型中将单体各角进行半径4 m m 的倒圆角。采用双层转动轮控制整体运动，圆半径分别为R1=8.08cm，R 2=1 2.1 2 c m。三角形单元经过倒圆角后，其中心点到顶点距离减小，展开后整体图形减小，杆件长度及转动轮半径需要适量调整，经过计算当R1’=6.96cm，R2’=10.41cm时，运动中误差最小。根据六个被连接的三角形单元的运动轨迹设置直线轨道控制沿直线运动。使得两层转动轮同向转动，采用内层轮的杆件控制角度，固定与三角片连接的一侧；外侧杆件两侧均为可活动的铰接。

3.2 骨架系统

模型所用材料以木板为主，摩擦阻力较大处替换不锈钢材料，通过螺丝、卡口进行连接固定。采用两层三角形框架支撑模型，前侧框架上固定六条轨道，后侧框架固定轴承，用于支撑转动的构件。双层转动轮连接并固定，从而保持转动角速度相同，并由置于底部的电机通过齿轮控制其转动。三角形表皮单元之间通过双孔的连接件进行连接，表面增加六角形镜面亚克力板，增加装饰效果（图8）。

图8 模型构件分解图

3.3 核心控制系统

在模型的制作中，我们利用Arduino平台实现与使用者的互动，采用红外传感器，根据是否感应到人体活动控制42步进电机的启动停止及正转、倒转，从而控制表皮的开合。控制方案为：感应到人靠近时，模型由初始状态开始转动，展开到最大程度后继续收缩完成一次运动。此时再次读取感应信号，若感应到人活动，则模型逆转60°达到完全展开的状态后再次读取感应数据；若无法感应到信号，即人静止或已经离开，则模型逆转120°回到初始状态（图9）。

图9 Arduino控制方案

3.4 模型使用效果

连接电路，将程序输入后，当感应范围内有人活动，模型中的三角形单元根据人的行为进行顺时针和逆时针两个方向的转动。增加六边形镜面装饰后，转动过程中产生更加丰富的形态变化，展开与聚拢时组成不同的花格图案；当光束直射时，还能够产生不断变化的彩色光效果（图10）。应用于建筑表皮，可将三角形单元进一步增加，多个模块进行组合，置入三角形格架中，观者所到之处的三角形随之转动展开产生一定的互动效果，或采用其他控制方案进行动态的控制。另外，也可将构件的组合适当围合，对于空间起到一定的限定作用，作为公共空间的艺术装置等，与传统山水元素相结合，营造城市中的园林景观（图11）。

图10 模型照片

图11 应用效果设想

模型制作中由于材料、设备有限，实际模型转动过程中摩擦阻力较大、转动过程中同时需要抵抗重力，容易出现卡顿、齿轮脱离；同时，由于倒圆角和三角形单元的连接方式，三角形的转动与其中心直线运动不能完全协调。另一方面，展开时，较大的转动轮对于视觉效果有一定影响，需要在后续研究中进一步改善。

结语

通过原理探究及模型制作，本文对于传统花格图案到动态建筑表皮转译进行了一定的尝试，初步证明作为装饰性表皮的可行性。根据前文总结的机械原理，该表皮构件可以继续扩大，通过单一电机控制更多的三角形单元；将多个构件进行组合作为建筑的装饰性表皮，增加建筑风格的地域性、产生丰富的视觉效果。通过增加承接面、改变支撑框架与电机位置，可以将该模型作为室内吊顶装置。另外，镜面装饰产生的生动的视觉效果也表明其作为与传统文化相关的广场艺术装置、舞台装置的可能性等。在未来的研究中，也可以改变控制模式，采用风、光、热相关的传感器等，三角形单元的展开与闭合结合可变的膜材料，根据外部物理环境调节通风、透光、反射热辐射的效果，应用于绿色建筑的适应性表皮。

在传统花格图案中提取的组合形式当中，本文中仅对正三角形单元的组合形式进行模型实践，对于前文所述的其他几何形的组合，仍可以进一步研究各自运动的机械原理是否与正三角形的组合一致，应该如何设计运动系统。至于衍生的复杂图案，通过改变材料、增加装饰层、镂空或其他手段增加对于传统花格图案的暗示，在运动当中也能达到丰富的变化形式，满足不同场景当中更加多样的应用。

资料来源：

文中所有图片均为作者绘制、拍摄。