“人工生命体”

朱艺雅

Kinetic Facade design is the change of architecture from static to dynamic， which uses bionic design concept to balance the relationship between architecture and nature， sets a forward-looking example for dealing with ecological problems. The application of Kinetic Facade to the exterior wall of buildings not only complies with sustainable development， but also conforms to dynamic aesthetics. It contains unlimited potential in the future architectural development. This paper starts from the theoretical research and practice of kinetic facade design， traces back to the development process of kinetic facade， discusses its functions and characteristics through the analysis of architectural examples， and summarizes the application significance of kinetic facade.

在开放建筑的设计思潮下，建筑表皮不再只为分隔建筑内外空间而存在，开敞、可动的建筑表皮应运而生，用复合的能力应对复杂的环境变化，不仅在外观、形式、材料上与传统建筑表皮有明显区别，而且在功能上颠覆了传统建筑一成不变的形态，形成一套灵活、有机的表皮体系，称为——动态表皮。这些动态表皮的形态结构、操作方式、反馈机制都不尽相同，但都有一个共同的目标，让静止的建筑具备动的活力，用现代技术打造有机的建筑生命体。

一、动态表皮的设计特点

（一）仿生特点

自然界中的生物先天具备在环境变化时维持生物体内稳态的反馈机制（Homeostasis），让建筑具备和生物一样的适应性，维持建筑的内稳态，是动态表皮兴起的主要原因。

生物体最常见的内稳态是体温平衡（Homeothermy），仿照生物维持体温的反馈机制，美国南加利福尼亚大学的多莉丝·金（Doris Kim Sung）教授研究出建筑的呼吸系统——热导仿生金属幕墙（Thermo Bimetal，图1、2）。此表皮仿照蚱蜢的呼吸系统设计，蚱蜢用位于躯干侧面的呼吸孔呼吸，在运输气体的同时，带走体内多余的热量，达到呼吸和降温的双重目的。热导仿生金属幕墙由无数双层金属片拼接而成，每个双层金属片则由两种延展性不同的金属组成，在受热情况下，会朝着延展性低的金属所在方向弯曲，导致金属片发生形变，金属间产生缝隙，建筑内部积聚的热空气透过缝隙流出。此设计将金属间的缝隙类比于蚱蜢的呼吸孔，用热胀冷缩的自然现象形成一个天然的窗口，调节建筑内外的气体流通，维持建筑内温度适宜。

位于西班牙巴塞罗那的Media-ICT大楼（图3）被称为“会呼吸的薄膜”，建筑的东南立面被154个ETFE膜材料所制的气囊覆盖，通过改变气囊内填充气体的量，响应太阳直射点移动造成的光照和温度变化。此表皮系统是由计算机调控的，类比于生物体的复杂反射，把传感器、控制器、机械零件类比于生物体反射活动的感受器、神经中枢、效应器，将传感器检测到的环境变化转换成对应的数据信息，经由中央控制处理器下达表皮运动指令，构成表皮系统的反射闭环。气囊是适应环境变化的主体，不同种类的气囊以应对不同区域光辐射的细微差别，共有四种结构类型的气囊，在层数、材质、透光率上都有不同。通过气囊的充气和排气，改变所在区域的光透射率，达到维持建筑内稳态的目的。

动态表皮类比生物体进行设计，尤其仿照了生物体通过反射活动维持内稳态的行为。不管是“简单反射”通过材料特殊性而适应环境，还是“复杂反射”通过计算机控制而进行表皮运动，都是当代技术作用于建筑表皮设计的产物。

（二）节能特点

在动态平衡中适应环境变化，从而减少取暖、制冷、换气、照明等设备的使用，间接节约用电，称之为动态表皮的间接节能特点。以阿联酋的阿尔巴哈尔塔（AlBahar Tower， 图4）为例，为应对高温天气，并减少空调使用、节约电能消耗，阿尔巴哈尔塔的向阳立面被一套由感应系统、计算机控制系统、动态表皮组成的可回应式表皮覆盖。因光辐射强度、温度变化，表皮呈现张开和闭合两种状态，表皮张开，增强建筑内外的气体流通，提高建筑外立面的散热性；表皮闭合，形成阻隔高热环境的建筑屏障，效果大大优于有色玻璃。因其兼具通风、隔热、散热的功能，有利于维持适宜的室内温度，从而减少了机械通风和机械制冷的耗电量。据统计，阿尔巴哈尔塔与相同体量的建筑相比，年平均吸收热量仅为二分之一，减少碳排放1750吨。

动态表皮结合发电装置，实现了建筑发电一体化，体现了动态表皮的直接节能特点。太阳能储备丰富、利用率高，是当前广泛应用的可再生能源。目前的光伏发电装置大多为固定式追踪，往往不能顾及太阳入射角度变化，只能选择光能效益最大的朝向安装，而位于北京的GreenPix多媒体幕墙（图5），利用动态表皮可动的属性，感光式追踪太阳的运动轨迹。此表皮由2292个光伏单元、共有9种不同规格的发电装置组成，借助光感装置追踪太阳运动，调整表皮运动时长、频率、角度，使光伏发电效益时刻保持最大值。在此设计中，运用了太阳能发電和光伏电池蓄电的原理，实现发电、用电一体化。据估算，其转换的电能可供两个体量相同的媒体装置使用。

动态表皮有合理利用自然资源储备、缓解能源供需矛盾的特点，展现了现代技术作用于建筑的节能优势。在各行业能源依赖火力发电的情况下，动态表皮利用自发、自供电的模式，在建筑运行能耗方面实现新能源的突破，改善了当前建筑的能源使用结构。

（三）交互特点

美国心理学家埃莉诺·吉布森（Eleanor Jack Gibson）认为，人类对外部世界的感知建立在物体表皮和人类视觉系统的关系上。建筑立面传达建筑的整体形象，动态表皮设计不仅考虑实用性，而且重视人与建筑的互动性，用动态作为建筑内部与外部空间交互的媒介，传播动态美学，组织建筑内外关系。

人对建筑的近人立面有较多的互动需求，将数字技术与动态表皮结合，增强互动体验的纵深感。位于2008年西班牙萨拉戈萨的世博会数字咨询馆以水幕墙作为场馆的大门，此幕墙顶部设有多个出水口，不断流淌的水柱形成天然的阻隔，在感应到进出场馆的人流量时，出水口适时开、闭，留出通行距离。此类表皮具有双向感知能力，将使用者的参与度放在首位，融入具有情节、玩法的交互内容，更注重交互的过程和体验感，促成了人与建筑的信息传递。

动态表皮不仅是技术发展的产物，更是人们对建筑审美的追求，动态往往比静态更能给人印象深刻的审美体验。1987年，让·努维尔（Jean Nouvel）设计的阿拉伯世界文化中心（Institutde Monde Arabe， 图6）用机械驱动的表皮诠释着阿拉伯文化的美学要义。用构成相同的240个动态单元布满整个建筑立面，每个动态单元都有数个机械电机，共三万个金属部件。动态单元造型来源于阿拉伯清真寺的窗格图案，机械驱动这些传统图样产生一种类似于相机快门般的动态变化，图样的工艺美和动态的机械美交相辉映，尽显科技与传统的碰撞。

不管是數字交互、自然力驱动，还是机械控制的动态表皮，都增添了建筑外立面的互动性，展现出建筑外观的张力，体现了动态的建筑美感。动态表皮开辟了更多互动建筑设计的可能性，在与人双向互动的过程中完成建筑的二次创作。

二、建筑表皮动态转化的意义

（一）可持续发展方面

“发展低碳技术，建设生态城市”是当前我国城市建设布局的基本方针，在相关技术研发、试点工程推进等方面，我国政府给予了大力支持，并且制定了生态建筑评价体系，旨在用生态策略应对环境问题。动态表皮设计是集建筑学、自然科学、计算机科学、机械工程学于一体的交叉设计领域，用仿生设计和能量循环等生态策略，使建筑趋同于自然界孕育的生物体，节能策略大大减少了化工能源的使用。在全球建筑耗能日益增长、全球能源危机的背景下，为建筑节能提供了动态的新思路，响应整个人类社会可持续发展的要求。

（二）建筑技术发展方面

科技是技术支持，设计才是实现手段。在科技和设计的双重作用下，动态表皮让庞大的建筑形体变得轻巧、多变。随着科技进步的浪潮，动态表皮不断更新迭代，控制性和智能性不断升级，促进建筑技术的发展。科技的日新月异无时无刻不提醒着我们，未来已来，建筑表皮已经不再局限于钢筋和混凝土，越来越多看似不可能的建筑已被实现。动态表皮设计基于机械运动、感应技术、控制技术、互联网技术，并且在智能材料领域进行探索实践，在科技的助推下，已成为未来建筑表皮设计的趋势。

（三）建筑文化发展方面

动态表皮设计不仅营造人类的生活空间，更是对人类精神空间的探索。回顾建筑历史，不难看出建筑是人类社会的缩影，是人类集体价值取向和文化需求的聚集体。动态艺术的兴盛反映了人们对动态美学的追求，建筑从“静止的音符”变成“动态的旋律”，打破动静对立的建筑固有形态和设计思维，达到“方动即静，方静旋动，静即含动，动不舍静”的哲学高度，拓宽了建筑学科的深度和广度，使建筑美学变得更加多元，推动了建筑从实用性到艺术性、哲学性的发展。

三、结语

将动态表皮的特点进行概括，可总结为“适应”二字。针对气候变化所设计的动态表皮呈现出生物般的气候适应性，用仿生设计应对动态变化的环境，相比于传统建筑更具备弹性和韧性。与之相辅相成的，动态表皮还表现出能源适应性，用动态的节能策略改变建筑物固有的耗能模式，用新形式、新能源应对环境问题。随着动态美学、交互美学的渗透，动态表皮设计更适应人的需求，数字媒体的加持使建筑立面俨然成为一个大型的数字艺术装置，互动适应性又成为其另一特征。除此之外，动态表皮设计还有经济适应性、文化适应性……建筑表皮形态和结构的创新使生态建筑、智能建筑、互动建筑等多种建筑特点融为一体，共同推动建筑向“人工生命体”转化。

参考文献：

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