基于性能化新材料和动态媒介的建筑表皮构成设计研究

罗欣

［华蓝设计（集团）有限公司，广西 南宁 530011］

0 引言

建筑表皮通过对体量的融合或突出、视觉的透明或实体、质感的粗糙或柔软等一系列建筑设计手法的表达机制，实现建筑师的建筑设计愿景，并与周边环境产生生态交流、文化交融[1]。建筑表皮是建筑的视觉体验，为室内设计奠定叙事的基调；除此之外，作为建筑的一部分，建筑表皮同样需要实用、耐用，并能够处理好建筑的自然采光和通风需求。作为室内外联系的节点，建筑表皮起着过滤器的作用，它需要隔声降噪、遮风避雨、隔湿隔热。建筑表皮也是建筑作为调节自然环境、塑造社会形态的动态媒介。

在建筑表皮设计当中，需要充分考虑到表皮的性能与美观之间的平衡。结合不同的地域地理特征、文脉特征，不断提升的前沿建筑材料，自然环境的瞬时变化，数字化信息流的社会传播学媒介构建，笔者对建筑表皮构成的可持续性、美观性、动态性三项设计策略进行讨论。

1 建筑表皮透明性与半透明性的平衡：聚碳酸酯板材

营造舒适且光线充足的不透明感，同时保证材料的坚固、易安装、灵活多用，聚碳酸酯板材（又称PC板、阳光板）的性能几乎是无与伦比的。白天过滤柔和的漫射光进入室内，夜晚透出引人注目的室外光环境，聚碳酸酯板材以其互动的光感、模糊的透明度和抽象的形态著称，这些特性复合创造了独特的感官体验。聚碳酸酯板材不仅富有建筑表现力，也是一种高效多用的材料，以不同的模块、颜色、形状尺寸被广泛应用。因此，这种曾经只用于温室的人造有机材料，已经成为各种当代建筑项目中外立面和屋顶的热门材料。

聚碳酸酯板材是一种坚固、无定形、耐用的半透明热塑性聚合物材料。其强度是玻璃的250倍。与大多数塑料一样，它通过将碳氢化合物燃料蒸馏成馏分制成，并随后与其他催化剂结合，通过聚合或缩聚反应生产而成。生产出来之后，通过注塑或挤压的工艺方式可将它成型。聚碳酸酯板的基材是完全透明的，类似传统的玻璃。但是经过生产处理之后，它能够提供不同的透明度和透光性，是更轻盈、更灵活、更耐磨损的玻璃的替代材料。它能够抵御不同的温度、紫外线、撞击，满足各种性能需求。

聚碳酸酯板材的耐温区间在-40~115℃之间，峰值可达130℃，因此，可用于其他材料无法使用的高温环境。它的抗冲击性是玻璃的200倍，受力性能及抗裂性能良好。这也意味着，它的材料尺寸只受限于运输能力，留给建筑师的设计自由度相当大。

为确保耐用，板材使用UV共挤模具成型，生产过程中，高浓度的UV保护层均匀地熔在聚碳酸酯基材上。这种生产方法避免了UV保护膜涂装的常见问题，如附着力问题和抗冲击力受损问题。这种常用于外立面的UV保护膜，有抵御环境影响的能力和长达10年的材料寿命，确保板材在大部分气候条件下都能够耐久使用。总而言之，通过UV保护层，聚碳酸酯板材几乎能实现100%阻挡380nm强度以下的紫外线辐射。

聚碳酸酯板材的另一个优势是易安装。由于它比玻璃板材轻50%，材料的运输和处理都比较容易。它由支撑框架的上下节点固定，通过隐藏固定配件和挂网，可以在确保抗风压能力足够的前提下，形成富有动感的抽象图案表皮。

聚碳酸酯板材将直射阳光转化为富有视觉效果的漫射光，这一特性可以适用于不同项目的不同建筑氛围营造。通常它多用于宁静氛围的营造，但动态氛围也同样适用。比如通过它半透明的特性，将使用者和建筑室内环境削减为不同透明度的剪影效果，如图1所示。这种设计手法增强了光感的层次、动态和模糊性，不仅表达出聚碳酸酯表皮的高功能特性，也增强了建筑的美感。

图1 聚碳酸酯板材的不同透明度效果

聚碳酸酯材料能够以不同的方式进行色彩叠加。色彩的选择有十数种，着色方式包括整体着色、单片着色、间隔着色等不同的着色单元组合形式。当透明度的变化与色彩的变化产生叠加之后，这种层次的动态递进效果将更为强烈，因为色调的变化会对环境和感官产生直接刺激。

相较于膜状表皮和穿孔金属板，聚碳酸酯板是在透明性和半透明性上平衡度最好的建筑表皮材料。这种热塑性材料，在可持续性方面，是完全可回收的、低成本、阻燃、100%阻隔紫外线的隔热材料；在美观性方面，能够有效隐蔽私密空间，滤过阳光，营造出一种具有模糊性的建筑美感；在动态性方面，通过不同的材料色彩，以及不同颜色的材料单元组合形式，能够形成具有动态视觉冲击力的外立面。

2 建筑表皮透明性与可持续性的平衡：透明光伏玻璃幕墙系统

ClearVue公司专利技术生产的透明光伏玻璃幕墙系统，为零碳建筑提供了单元板材安全、安装和维护成本低廉、环境友好的主动节能方案。玻璃不再只是外立面的普通构造材料，而是转化成了一种可再生的能源。比起典型双层玻璃幕墙长达100年的碳回收期，这种新型光伏玻璃幕墙单元的碳排放回收期仅需9年。自然光的透过率可达70%。每平方米发电量为30Wh，峰值可达40Wh。透明光伏幕墙单元的材料寿命可达20年。

通过纳米分子技术，幕墙玻璃接收到的入射光在幕墙单元的双层或三层玻璃之间通过不同间层处理产生漫射、重聚、反射等光线控制效果，由玻璃面板边框的单晶硅光伏模块收集并进行发电。

与常见的单块玻璃相比，透明光伏玻璃幕墙单元在保持玻璃的透明度的同时，还能节省约30%~40%暖通空调用电负荷、15%照明用电负荷。与常规的屋面光伏太阳能板相比，每千瓦的发电量需要更大的安装面积，但同等安装面积条件下，透明光伏玻璃幕墙单元的发电效率远大于常规屋面光伏太阳能板。基于建筑表皮构造的太阳能发电真正得以实现，这种实现的方式，并非以表皮外附加光伏板的传统形式实现，也不以牺牲外立面透明度为代价，不仅节约了建筑材料和耗电量，减少了能源污染，也提升了建筑美观度。

通过材料检测实验证实，每平方米的透明光伏玻璃幕墙单元每小时能够产生30Wh的电量。这意味着，在夏季的晴天，每天能够产生1720Wh电量；夏季的阴雨天，每天能够产生900~1300Wh电量；而哪怕在日照时长更短的冬季，每天也能产生高达1200~1300Wh的电量。在理想状态下，每1000m2的透明光伏玻璃幕墙的年发电量将达到20MWh。

透明光伏幕墙系统以其用于捕获和转换红外线、吸收紫外光波长用于发电的特殊纳米粒子结构，结合low-E涂层，能够实现70%的可见光透射率，100%过滤紫外线，进一步降低建筑照明用电负荷及人工照明的需求，使建筑更健康。

此外，由于该幕墙系统使用双层甚至三层玻璃，在材料的隔声降噪方面也有着非常优越的性能，噪声环境可降低至37dB。

透明光伏玻璃幕墙系统，在可持续性方面，真正使玻璃成为一种可再生的能源；在美观性方面，70%的可见光透射率保证了玻璃幕墙立面通透的建筑美感。

3 建筑表皮机械化与数字化的平衡：动态投影建筑立面

随着技术的进步，建筑对环境的响应能够以一种前所未有的有趣形式实现——建筑能够根据环境的实时变化，产生动态的变化。

动态建筑表皮能够调节温度。最典型的案例是Aedas事务所在阿布扎比设计的AlBahar塔。建筑外立面的伞状幕墙单元随着太阳移动轨迹开合，避免高温和眩光影响室内，降低空调制冷需求，提高建筑的可持续性。动态幕墙单元的星形设计，不仅美观，也继承了传统的伊斯兰遮阳设计，回应了伊斯兰文脉。

动态建筑表皮不仅能够响应温度和光环境的变化，还能形成一种呼吸一般的效果。比如Urban Art Projects事务所与艺术家NedKahn合作设计的布里斯班机场国内航站楼停车楼立面，立面的250000块铝板单元会随着风的流动形成呼吸般的立面涟漪波纹和位移，阳光穿透机械化的动态立面，带来复杂的光影美感。通透的建筑表皮设计还具有实际环境效益，在停车空间起到通风、遮阳、挡雨的作用[2]。

动态建筑表皮比起调控自然光线、温度或雨水，更是一种美学上的设计提升。比如UNStudio事务所设计的Galleria Centercity超市建筑，在66000m2表面积的立面上，采用了电脑生成的动态投影技术，而不仅是前述建筑表皮采用的机械动态变化。建筑外立面的实体并没有物质性状的改变，但建筑表皮的彩色动态投影波纹起伏使整个建筑仿佛都随之晃动，加强了建筑作为社交和文化交流的聚会场所的交流媒介特性，并得以进一步强调了建筑的公共空间属性。大型超市建筑空间，越来越具有高度的社会公共性，人们在这些空间见面、聚会、吃喝、购物，它不再仅仅只是纯粹的商业空间，也为使用者提供了社交平台和文化传播的媒介。因此，UNStudio事务所设计的动态建筑表皮是一种双层视错觉结构，白天，建筑立面是一种机械化的动态立面表皮，以波纹铝条的流动性模拟公共空间的流动感；夜晚，在机械化的建筑表皮之上，附着了大型的LED彩色投影，以各种公共商业活动为主题，进行LED动态灯光设计，随全年节庆和商业活动的开展而不断变化。动态投影的建筑表皮以其实时传输、精准复制的特性，构成了建筑使用者与世界之间交流、传播信息的表层媒介空间，有着重要的传播学意义[3]。

动态建筑表皮，在可持续性方面，能够调控光线、温度、雨水、气流等自然因素，保证建筑环境的舒适度；在美观性方面，体现出一种实时反馈、瞬时变化的动态美感；在动态性方面，结合了机械动态调节和数字化动态表达。

4 建筑表皮的构成设计策略

通过上述三种性能化新材料新技术构成的建筑材料和建筑外立面形态分析，笔者将所体现的建筑表皮构成策略分为三大类：可持续、美观、动态的建筑表皮构成设计。

可持续的建筑表皮构成设计，一方面体现在增强材料本身的保温隔热性能，从而有效地通过建筑表皮设计，对热量损失或热量获得的速率进行主动控制，比如聚碳酸酯板材建筑表皮对紫外线的100%阻隔，以及-40~115℃的耐温区间幅度。另一方面，建筑表皮从纯粹的物质材料构成转化为可再生的建筑能源，也是一种主动式的可持续建筑表皮设计策略，比如透明光伏玻璃幕墙系统，将玻璃主动转化成了光伏发电系统。此外，一座对环境友好的建筑，设计的最佳起点始终是尽可能地采用地域性的被动热舒适策略，比如机械动态建筑表皮，通过表皮的疏密变化，引导建筑空间的空气流动，从而更好地实现自然通风效果。

美观的建筑表皮构成设计，在前述三个具体设计措施的应用里，主要体现为对模糊性建筑美感的追求、对透明性建筑美感的追求，以及对瞬时性建筑美感的追求。这些美感的实现，能够直接通过建筑材料、建筑技术的性能特征实现，并能够在建筑整体给予人们直接的感官体验。

动态的建筑表皮构成设计，不仅体现在聚碳酸酯板材建筑表皮由不同颜色、透明度设计叠合的视觉效果动态，以及不同可见光透射率设计选型形成的光线层次动态，还包括结合自然环境动态调节响应机制和数字化LED投影动态立面技术的复合动态建筑表皮设计策略，是当下数字化技术提升带来的建筑表皮设计的技术进步。

5 结语

可持续、美观、动态的建筑表皮设计，从设计策略的主动性而言，是建筑师设计愿景的内核延展，从设计策略的被动性而言，是响应自然环境和社会环境的表达媒介。新材料、新技术构成的建筑表皮设计策略研究，对建筑师当下的建筑设计，有着重要的实践指导意义。