气候适应性建筑表皮的仿生设计研究*

石 峰，郑 赟，马用超

绪论

根据相关研究，我国建筑产业碳排放量较大，其中建筑运行阶段的总商品能耗约占全国能源消费的22%[1]。从全球来看，建筑使用阶段的用电和取暖消耗的能源占建筑使用阶段的能源的68.87%[2]。因此，减少建筑使用阶段的能源消耗对于减少建筑整个生命周期的能耗至关重要，而在建筑使用过程中，大部分的能源消耗都来自于空调和照明，于是控制室内的光、热环境，减小照明和空调的能源消耗成为促进建筑节能的一个重要途径。建筑表皮作为联系室内、外环境的媒介，对室内环境的调控起着重要的作用，在这样的背景下，建筑表皮的节能性受到更多的关注，如何使表皮能够适应外界的气候环境，也是重要的研究主题之一。

气候适应性建筑表皮，简单地理解，就是能够调节自身状态以适应外界气候环境变化的建筑表皮。建筑表皮是一个复杂的系统，需要对热、光、湿、通风等多方面进行控制，建筑表皮的适应性需要建筑系统的各种元素协同作用，就像人体的感知系统和表达系统，能够根据人体的感知做出不同的反应，建筑中的传感器、驱动器和控制系统，能够有效地应对环境变化以适应室内功能的不同需求[3]。因此气候适应性建筑表皮还具备多功能和高度自适应的特点，通过实时响应建筑内部的性能要求和边界条件来提高整体建筑性能[4]。因此当前的气候适应性建筑表皮的研究开始呈现出动态的、智能的趋势，这使得建筑表皮能够提供以往被动式的静态表皮难以实现的灵活性。

随着技术的不断发展，国内对气候适应性建筑表皮的研究逐渐从理论探索转变到研发设计层面，并且也开始通过计算机模拟的方法来对表皮的效果进行验证。清华大学的李保峰[5]在其博士论文中对探索了气候适应性表皮的定义、设计方法，并进行了实验和模拟来研究其效果。天津大学的冯刚、苗展堂等[6-9]进一步对动态表皮的相关理论进行了系统性的研究和梳理，总结了动态表皮的分类、应用技术和控制因素等。在使用参数化技术进行表皮设计的方法方面，同济大学袁烽[10]、东南大学李飚[11]、哈尔滨工业大学孙澄[12]等都对建筑表皮的参数化设计进行了探索和实践。

生物体对外界刺激发生一定的反应，感受到体外温度、声音、光线、化学成分等因素的变化，并做出有利于维持生命活动的反应，即应激性。生物界有多种多样感受刺激和做出反应的机制，其结果使得生物适应环境，其对环境的响应具有高效、动态、多功能等特点。仿生（Bionics）这个术语最早由1960年美国的J.E. Steele在一次名为“仿生学专题：生物原型——通往新技术的关键”会议中提出，指模仿生物系统的功能和行为应用到技术的方法，除此之外，还有类似的术语如Bioinspired、Biomimicry等，都被广泛地使用在各种研究中[13，14]。随着气候适应性建筑表皮的跨学科研究逐渐增加，结合仿生学的气候适应性建筑表皮的设计也颇受关注。自然界中动植物在漫长进化中发展出了适应环境变化的策略，从这些策略中学习无疑是提升建筑表皮性能的最佳方法之一。国外对仿生建筑表皮的研究主要为设计方法研究和基于某种仿生策略的表皮设计，在表皮设计中，大部分都停留在方案阶段，制造出模型进行实测以及能够建造出实物落地的案例较少。而国内则对仿生建筑表皮的研究较多为理论研究，相应的仿生建筑表皮设计也多是从结构和美观角度出发，较少考虑表皮功能。这一方面是由于学科之间的屏障使得建筑领域的学者难以获取需要的信息，另一方面许多仿生表皮的设计仍然存在难以落地的困难。因此本文将梳理当前利用仿生学进行适应性建筑表皮的方法，并对现有的一些仿生建筑表皮进行分类和探讨。

1 仿生建筑表皮设计方法和理论

1.1 仿生设计方法

仿生学作为一门多学科交叉的学科，在建筑中的应用需要建筑师对生物学有一定的研究，这导致设计师在仿生设计中存在一定的障碍。因此在进行仿生设计时，需要遵循一定的方法或策略才能更有效率地得到解决方案。

2015年，德国工程师协会（VDI）推出了一系列仿生设计方法指南，其中VDI 2660中提出了判断一项产品是否为仿生的评判标准，随后Werner Nachtigall将其简化为“知识-抽象-应用”。这也为仿生产品的设计提供了简明的指南，当前对建筑的仿生设计方法，基本都是在这个框架上进行的。对于建筑师来说，仿生设计更注重各专业之间的合作，对比工业产品设计，建筑设计的流程并非线性而是同时包含了许多阶段，仿生学只是应用于其中的一种设计工具，具体应用也不局限与任何一个设计阶段和使用程度，因此基于建筑设计的仿生设计方法也可能会呈现出多种模式。

当前已有许多学者提出了在建筑设计中应用仿生学的方法，有的方法更侧重于概念生成因而对具有较为复杂的应用阶段相对比较容易被忽视，此外，部分方法在进行深化时主要是通过方案的反馈和迭代设计，因而方法流程图解往往呈螺旋形，这种方式带来的好处是对于不具备生物学科知识的建筑师而言，可以通过一次又一次的案例寻找、抽象转换的过程提出方案的性能，加深设计的深度。比如Carl Hastrich[15]提出的“仿生设计螺旋（The Biomimicry Design Spiral）”的设计方法，其流程图如图1所示，其特点在于每一次的设计流程结束后可以对设计结果进行评估，然后再次循环流程。这种方式的优势在于可以快速地推进方案设计，但在没有专业背景的条件下，可能难以进行有深度的设计，在实际的应用中可能需要多次循环过程，而结果上来说可能并不如方法所说的那样高效。Julian F. V. Vincent和他的同事基于TRIZ提出了新的设计理念Bio-TRIZ[16]则是基于数据库，通过对目标、行为等进行检索，得到解决问题的相应生物界中的案例来进行设计的方法。这种依赖于案例库的方法极大地便利了设计师，尽管这也对案例库的数据量有着较高的要求。

图1 仿生螺旋设计流程

对于将自然中的适应性策略应用到建筑设计中的方法，较为普遍的做法是将策略进行抽象提取，转化为更通用的原理，如从自然界中提取生物的形态和功能组织，促进建筑形体结构、功能排布等的高效设计与合理形成。也可以引入其他学科的方法作为桥梁，比如Garcia Holguera[17]提出的设计方法引入了热力学的语言以及来自生态工程的图形工具和基于系统思维理论的环境建模工具。Ilaria Mazzoleni[18]则提倡使用图像来作为各专业之间沟通的媒介，其要点在于在对不同分类的生物性状进行分析时，使用图形将其适应性策略进行抽象提取，并最终转换为建筑语汇生成最终的原型设计。

1.2 仿生学对建筑表皮设计的启发

在可持续建筑、绿色建筑等概念日益受到关注的背景下，仿生学可以从多个角度为建筑表皮的设计提供灵感。在微观层面上，动植物组织的微观结构可以启发新的建筑表皮材料研发，而生物进行的能量转化具有高效、稳定的特点，并且通常在常温下就能进行，这对建筑的环境调节具有启发意义。而从宏观层面上，在自然界“资源‘珍贵’而形态‘便宜’”这一原则下，生物的形态都倾向于使用最少的材料组成最坚固稳定的结构，这对于建筑的结构系统以及形态设计具有较高的参考价值；生物界的循环系统以及生物与环境之间、不同物种之间形成了动态稳定和可持续的系统，这对当前提出的零碳建筑等概念是绝佳的参考案例，尤其是当前的建筑还普遍存在着难以回收利用、维持适宜的室内环境需要消耗大量能源等弊病。

在建筑的空间塑造、外观表达乃至室内环境控制等诸多方面，建筑表皮都起着重要作用，尤其是在建筑节能领域，建筑表皮的物理性质和形态都关乎建筑室内环境品质。自然界中不同生物的生活环境多变并且差异巨大，但所有生物都共同面临着的问题便是如何适应环境，并创造出自身所需要的环境。从目的上来讲，生物和建筑似乎都具有维持自己所需的稳定环境的需求，而这些适宜环境的策略则可以为适应性建筑表皮的设计提供启发。以生物的皮肤组织为例，在功能上，皮肤作为一道屏障，具有抵御外部环境、进行物质交换、维持体内平衡的作用，而这些作用机制都有可能被转译到建筑表皮设计中去，例如北极熊皮毛的保温性能，其毛发结构以及皮毛构造可为寒冷地区建筑表皮的材料和构造提供参考。但仿生建筑表皮的设计也不能仅仅停留在对生物表皮组织的模仿，还可以从表皮与整体建筑系统的关系，适应环境的机制以及与其他物种的关系等方面去寻求设计灵感来源。比如从对光的捕获这一角度，Jong Jin Park[19]对昆虫复眼的构造进行研究后，根据复眼聚焦光线的原理，设计了一种能够调节体育场内光线分布的表皮。

1.3 仿生建筑表皮的分类

对生态学知识缺乏足够了解的建筑师而言，要进行仿生设计，在自然的案例库中与设计需求之间架起桥梁是至关重要的步骤。如何有针对性地去寻找案例或者与相关领域专家沟通，将设计进行有层次地分类是一种途径。

因此，这种分类需要有助于设计的推进，那么首先可以从表皮本身的设计要素出发，比如形态、材料和结构。细分到适应性建筑表皮上，Loonen等则从八个方面来对适应性建筑表皮进行分类，即目标、响应功能、控制类型、技术类型、响应周期、表皮尺度、可视度和控制模式[4]。而这当中，在设计中往往最先需要考虑的通常为目标，响应功能、控制类型、表皮尺度和控制模式的选择会在前者确定了的基础上进行，随之可能会在可实现的技术类型、响应周期和可视度中去选择适宜的模式。

进行仿生建筑表皮的设计，也同样需要考虑到仿生学角度的分类。自仿生学的概念提出以来，许多学者也讨论了对不同层级的仿生学分类，Janine M. Benyus[20]提出了模仿自然的三个阶段，她认为第一阶段是模仿复杂生物有机体的形态、组成、材料等直观的特点；第二阶段是深入研究并应用生物作用的机制和进程；而第三阶段研究模仿的对象则是更复杂的生态系统的作用机理以及内在关系。而进行具体设计的时候，对生物的形态、材料等不同要素的模仿往往也直观地影响着设计的结果，因此对于不同阶段的仿生类型还可以进一步地进行细分。Maibritt Pedersen Zari提出了一种有助于建筑师去理解仿生学的应用框架，并对可应用的内容进行了多层次的分类[21]，他将仿生设计分为三个层次：生理层次、行为层次和生态系统层次，而每个层次又分为五个可以进行模仿的维度：形式、材料、结构、过程和功能；Zari的分类包含了形式、材料、结构、过程和功能五种类型，但没有对不同仿生维度的概括；Aysu Kuru等[22]将仿生类型分为了形态、结构、材质、特征、化学反应、运动模式、感性运动和向性运动，但这种分类较详细，比如运动模式、感性运动虽然对应上生物不同生理基础的反应，但在设计中都可以转化为表皮的动态模式的设计。

建筑表皮的设计要素和适应性建筑表皮的分类更利于完善表皮本身的设计，仿生角度的分类则更有利于反映仿生建筑表皮的仿生特性以及从相应仿生维度的案例中提取策略。结合来看，这几种分类在一定程度上可能进行类比。仿生设计的形态、结构和材料应对着建筑表皮基本的设计要素，行为以及生物活动的过程应对着响应周期、控制类型和控制模式，而仿生学中的系统层次，更加强调建筑表皮与建筑整体的系统的联系性。因此在本文中，主要从从仿生类型的角度进行分类，结合了上文适应性建筑表皮分类的一些定义，将仿生建筑表皮分为了形态仿生、结构仿生、材料仿生、行为仿生和系统仿生。

2 不同类型的仿生建筑表皮

通过搜寻关于仿生建筑表皮的文献、案例，本文对具有代表性的39个仿生建筑表皮设计的案例进行总结，如表1所示，并根据其仿生类型对其进行了分组，总结了这些案例的灵感来源、表皮功能以及设计阶段。仿生表皮案例的选取标准为案例具备完整的概念设计，并且核心的仿生部分具有实际的功能而非单纯的装饰作用。其中，仿生类型为上文提及的形态仿生、结构仿生、材料仿生、行为仿生和系统仿生。而设计阶段则主要是评价案例的设计深度和落地程度，仅提出设计概念，设计了表皮外形概念和作用机制但没有进一步的深化设计，也没有通过其他方式对设计进行评估的属于概念阶段；而有了较为深入的设计，但并没有实际落地的项目则属于设计阶段；对于制造出能够实现所设计的功能或效果的等比例实体模型的设计方案和以及落地建成并能够顺利运转的实际建造案例，在本文中都属于已建成的分类。

2.1 形态仿生

形态仿生的仿生建筑表皮设计指对自然界某种生物或非生物在适应环境过程中形成的外形进行模仿，以自然作为模型来度量和指导解决建筑中的各种问题，建筑表皮的功能实现也是依托于其特殊的外观。形态仿生通常应用于建筑表皮的表皮单元形态设计、建筑围护结构的外观设计，在更宏观的层级上，可以应用于建筑的形体设计。在案例搜集过程中，可以根据表皮设计的目的，从如光、热、水等功能应对要素，也可以根据建筑所在环境，所应对的气候对生物形态案例进行针对性地调研。以植物形态对光的适应性为例，许多草本植物的叶片在垂直方向上呈现出不同的角度，其目的则是为了最大限度地利用阳光，这种角度呈现不同层级变化的形态则可以通过直接的形态仿生方法，模拟叶片的倾斜角度并运用在遮阳表皮的设计上，如表1中的案例1，遮阳板可以改变自己的位置和倾角，以最低的遮阳板密度实现遮阳的最大化，这样一方面避免了直射光对室内环境的影响，另一方面也尽可能地避免了对视线和漫射光的遮挡。而形态仿生在表皮整体与建筑之间的关系设计上的应用，可以从案例2对白蚁巢穴形态的模仿中看到，蚁巢形态的原理被应用在表皮单元形态和组织上，从功能上来说， 该形态仿生模拟了白蚁巢穴内部孔洞调节巢穴内部通风的效果以及形态整体所具备的遮阳效果。

表1 仿生建筑表皮案例

与纯粹地模仿生物形态外观不同，形态仿生的运用的本质还是理解这种形态背后的原理所在而非单纯地照搬，一方面在于建筑表皮与生物组织本身是不同的系统，材料、尺度等均存在差异，完全复刻自然中的造型存在较大的困难，因此需要对形态进行抽象简练，而对原理的理解是这种抽象的基础；另一方面，建筑表皮功能的复杂性也决定了表皮的设计不能唯性能论，表皮的设计需要在功能、外观以及成本之间不断权衡，因此在对自然中的某种形态进行模仿时需要平衡这种形态对其他要素的影响，这需要设计师对其功能效果进行取舍。

2.2 结构仿生

结构仿生的仿生建筑表皮通常为对自然界中生物或非生物宏观或微观上的组织结构进行分析，并将其转译到表皮设计从而实现相近的效果。相较于形态仿生从外部形态与功能上的模仿，结构仿生更注重内部的组织原则与运行模式。结构方式可以应用于表皮自身受力结构的设计，也可以应用于表皮单元构件的设计，这可能是构件的外形，也可能是构件的驱动装置或者是构件的材料构成等。

自然界中存在的结构仿生种类众多，如生物体细胞排列组合形成的纤维结构、在生物界广泛存在的气泡结

构、以坚固著称的螺旋结构、仿造动物骨架的骨干结构、各种形式的壳体结构等等。在诸多的结构仿生中，将其运用到表皮结构当中时，有的体现为对表皮结构系统的受力优化，如案例11的BOWOOSS亭的设计通过模仿硅藻的结构来使得构筑物能够用较少的材料实现自承重并达到较好的视觉效果。但除了对承重系统的优化外，结构仿生也能在其他方面发挥作用，如案例14中Anja Mader等在对某些禾本植物叶片开合的原理进行研究后，针对传统动态表皮的机械结构成本高、易损坏等问题研发了通过气泵来控制表皮开合的技术，使得表皮能够在耗能更少的情况下有效控制室内的采光，这是对表皮的制动装置进行了改良，从而优化其性能。

续表1 仿生建筑表皮案例

续表1 仿生建筑表皮案例

从现有表皮的案例来看，基于结构仿生的仿生建筑表皮数量也较多，表皮的功能也更加多样，对于自然界中的很多生物而言，很多功能的实现都依托于其特殊的构造，这种构造可能很难直接在形态上体现，或者其外在形态也只是这种构造的结果，这是结构仿生区别于形态仿生的一个方面，因此，如果仅对其形态进行解析可能很难有效地模仿其功能。

续表1 仿生建筑表皮案例

2.3 材料仿生

材料仿生的仿生建筑表皮是基于自然界中生物的各种特点或者特性开发出相应的仿生材料，并其应用于建筑表皮之中。在应用上，也基本集中于表皮本身的材料组成层面上，也常常与其他方面如形态、结构结合起来设计。通常来说，基于材料仿生的表皮设计还是更注重表皮材料的属性带来的作用，比如反射率、吸水性等，在功能上也基本以调节采光和温度为主。

案例22中，受到植物通过在叶片表皮附上蜡质层或者绒毛来反射阳光的启发，提出了炎热干旱地区的建筑表皮设计概念，这种方式能够有效地阻隔热量进入是室内从而达到节能的目的。而这种概念的实现则需要相应材料研发的支持，现已有专家探究了银叶菊通过表面的绒毛来反射光线的原理，并用聚苯乙烯来模仿了这种结构[46]。案例21的HygroSkin以及案例23都利用了松果在水分的驱动下控制开合的原理，将不同吸水程度的纤维叠合在一起，使得表皮能够在不同湿度下呈现不同的卷曲和平展状态，是一种几乎零能耗的建筑表皮控制方式。

相较于其他仿生类型的设计，基于材料仿生的仿生设计研究基本都是在微观层面，并且对于建筑师而言，专业性较强，在研究过程中通常为与其他学科比如材料领域的学者共同研究，或者根据材料领域的研究成果进行再利用。

2.4 行为仿生

行为仿生这一分类主要是对生物在一定时间内自身形态、颜色或性质发生变化以适应环境的行为的模仿，在建筑表皮设计中大多对应着表皮的运动模式的设计。因此，基于行为仿生的仿生建筑表皮通常是动态的，就现有案例而言，调节功能大多为采光调节或温度调节，而一些概念设计还涉及到通风调节。

案例25的Homeostatic Facade是Decker Yeadon受人体肌肉对温度的不同反应为启发而设计的，表皮采用特殊材料，在温度较高时能够展开进行遮阳，而在温度较低时收起增加辐射的进入，从而对室内温度进行调节，但该表皮只制作了单元模型，并未实际应用于项目中；在案例31中，Wajiha Tariq Sheikh和Quratulain Asghar根据酢浆草的追光运动设计了能够根据太阳方向调节角度的建筑表皮，酢浆草在光线较弱时追踪太阳，使叶片与光线方向垂直，从而得到最大的受光面积，而该表皮可以在垂直和水平方向上进行折叠，从而形成水平或垂直遮阳，并能够根据阳光的入射方向进行调节，更高效灵活的调节室内光线。

相较于静态的结构和形态，行为仿生能够通过变化来适应环境在一些情况下会更有效率，而生物在产生动态变化时也会尽量减小变化的幅度或者利用其它自然现象辅助运动以减少消耗的能量。在对这些案例进行分析时，这些使得运动模式更有效率的原理也是行为仿生的核心所在。

2.5 系统仿生

基于系统仿生的仿生表皮设计更加强调各组织部分之间的相互关系以及表皮与建筑整体之间的关系，更多地关注不同功能间的组织以及各组成部分之间的相互作用。因此，系统仿生也往往应用于建筑设计的初始概念阶段，从整体的角度出发来对建筑表皮的功能、组织和分布进行考虑，比起前几种仿生模式，系统仿生通常并非聚焦于具体部分的设计而是指导性的设计指南。从系统出发进行设计和优化也被认为是比只注重局部更高效的设计方法，一些学者也号召将建筑视为完整的系统来进行设计。

案例39即澳大利亚的Council House 2是一个较为典型的例子，其表皮设计借鉴了皮肤和树皮在生物体中的功能作用，表皮系统的组织模仿了皮肤真皮层和表皮层的区分，将建筑表皮分为了两个层级，而卫生系统和通风系统的设置参照了树皮的功能作用，使得室内的空气循环更加高效。Council House 2的节能设计有很多，表皮系统只是其绿色设计中的一部分，所有的系统是共同起作用的，这也使得该建筑有着卓越的节能效果。在系统仿生中，设计师也可以从系统的角度去理解生物的行为、组成等，案例37和38是基于生物的呼吸系统在生命进程中的作用方式来进行仿生设计的，表皮的设计也不是对生物组织的行为、结构或外形进行模仿，而是还原了系统中的运作方式。案例38的Breathing Skins Project采用了高吸水聚合物作为表皮主要材料，使得表皮能够在水分的驱使下通风和蒸发水分，从而达到调节室内环境的目的。

系统仿生在功能和作用机制上也往往呈现出更多的复杂性和专业性，一方面是因为生态环境的复杂性，另一方面也是生物组织之间相互联系的作用机理的体现。系统仿生与生态学有更多的交叉部分，在设计过程中，可以通过二维绘图的形式对系统之间的相互关系进行分析、拆解，一方面可以降低不同学科之间沟通的门槛，另一方面也能更好地应用于基于图像设计的建筑设计流程中去。

结论

建筑表皮自出现起到现在已经经过了许多次演变，而伴随着人们环保意识的不断加强，对表皮的关注也逐渐从其装饰性转向了其功能性。本文通过对气候适应性建筑表皮的仿生设计案例进行梳理，结合仿生建筑表皮设计方法和理论得到以下结论：

（1）气候适应性建筑表皮的仿生设计可以从形态仿生、结构仿生、材料仿生、行为仿生和系统仿生五个角度来进行，通常来说，系统仿生关注的是表皮在建筑中的作用以及与其他部分之间的关系，而形态、结构和材料仿生对应表皮的组成和基本属性，行为仿生则为表皮的控制方式或运行模式提供了参考。不同层级的仿生类型并没有优劣之分，其核心都在于对自然策略的原理的深入研究和抽象。

（2）从设计对象来说，越整体、类型越复杂的仿生设计具备更高的专业性，也更利于建筑整体性能的提升，而关注于具体构件的设计对设计师而言更易于实践，在功能上也适宜于清晰简单的设计目标。

（3）就当前的现状而言，大部分的仿生表皮设计方法都更偏向于概念设计，许多仿生建筑表皮设计案例也都停留在了方案设计阶段，并且许多案例并未对表皮的应用效果进行评估，更不用谈后续的深化设计；大部分仿生建筑表皮仅针对某一环境参数进行相应的控制，缺乏对对建筑环境多因素、复杂性的考虑。而科技的进步将促进了仿生设计的实现，智能建造的发展使得建筑的表达可以更多元，从建筑的环境性能出发，在建筑设计中借鉴生物表皮的环境适应功能，能为建筑节能技术的开发和应用提供新的思路，将具有广阔的发展空间。

图、表来源

图1：参考文献[16]；表1：作者基于对参考文献[23-45]的信息进行整理绘制。