响应性木材在新型建筑动态表皮设计中的应用

高元本 邵一梁 陈品杰

1.华东建筑设计研究院有限公司 上海 200001

2.SOM建筑设计事务所 美国 芝加哥 IL 60606

3.中国建筑西南设计研究院有限公司 四川 成都 610036

1 背景综述

1.1 动态表皮的现状历史

建筑动态表皮是指建筑外部表面或外皮，它具有响应性和可变性，能够根据不同的环境条件、功能需求或设计意图来进行自动或手动调整。这一概念在建筑领域中的发展和应用已经有一段较长的历史，它的发展反映了建筑领域对于创新、可持续性和美学的不断追求。最早的动态表皮可以追溯到20世纪初期，自从柯布西耶提出自由立面与自由平面的学说将建筑立面作为一个个体独立于建筑结构与平面使用功能之后，以赖特为首的建筑师们开始针对建筑立面的纹理与构图进行深入探讨。而到了20世纪中后期，随着工业技术的发展，人们又开始不满足于建筑立面仅仅呈现出一种风格，因此一些全手动控制的机械建筑表皮开始出现在人们的视野当中。与此同时，除了建筑的立面装饰纹理，建筑类型学进一步推动建筑功能性的进一步强化导致建筑使用功能也开始针对建筑立面有了各种需求，诸如通风，采光，遮阳等等。因此建筑的可变化表皮渐渐地由美学导向转变为功能需求导向。到了21世纪，可持续建筑主题进一步要求建筑立面不仅仅关注建筑内部的功能需求，还需要针对建筑外部环境做出回应与变化。建筑师们开始通过先进的传感器和计算机技术检测建筑内部与外部的环境信息，并结合智能控制系统对建筑动态表皮进行相应的管理[1-3]。

目前常见的动态表皮的技术主要有以下几种：（1）智能玻璃：它也被称为电子控制玻璃，可以根据电压的变化来改变其透明度。这种技术常用于窗户和玻璃幕墙，以实现自动的光线控制和隐私保护。（2）光敏金属：光敏金属材料可以根据光线强度的变化来改变它们的性质。它们用于自动调整建筑的透明度，以提高采光效果和降低能源消耗。（3）太阳能响应表皮：太阳能响应表皮使用太阳能电池板来收集和储存太阳能，以供建筑使用。这些表皮可以自动跟踪太阳的位置，以最大程度地接受太阳能从而提高能源效率。（4）热敏金属：热敏金属材料可以根据温度的变化来改变它们的形状或性质。这些材料可用于自动调整建筑的遮阳装置或隔热层。以上这些动态表皮技术多数采用新型金属或玻璃材料，或是依靠大量传感器技术实时监测环境数值再转译信息让建筑表皮做出回应。这就导致这些技术一方面造价昂贵，后期运营维护成本较高，另一方面动态表皮多数是为了针对建筑能耗问题，希望通过可变建筑表皮的手段降低建筑能耗，从而提高建筑的可持续性。而这些新型金属玻璃材料的生产与使用本身就是巨大的能源消耗，并且多数不具备环境友好性与可持续性，因此这些方法根本上有些本末倒置。

本文作者希望能够设计出一种新型建筑可变表皮，这种表皮能够拥有一种相对经济的生产与后期运行方式，同时此动态表皮能够以一种自然友好的方式完成对不同外部自然环境状况的回应，从根本上降低动态表皮的各方面成本与消耗。

1.2 响应性木材的研究

“响应性材料”指的是可以适应、改变或对外部刺激或条件做出反应的物质或材料。这些材料经过工程设计，具有特定的性质，使它们能够对各种触发因素做出响应，如温度、光线、压力或化学成分的变化。目前常见的响应性材料的应用主要有：形状记忆合金： 这些材料可以在受到温度变化时“记住”特定的形状并返回该形状。镍钛合金（Nitinol）是一个著名的形状记忆合金。这类合金结合动态表皮设计可以做到让表皮在不同的状态下切换到不同的“记忆”状态。光致变色材料：这些材料在受到光照后可以改变颜色或透明度。应用于建筑表皮设计可以通过不同的太阳光的照度对玻璃的透明度进行控制，从而达到动态遮阳以及控制室内温度的效果。以上这些材料都是新型高分子材料，优势在于可以人为控制材料特性，缺点则在于造价昂贵。但是其实木材作为一种可持续材料也具有成为响应性材料的潜质[4-5]。

木材由于其自然生长的构成方式，天然就具有各向异性以及高孔隙率，而这种各向异性和高孔隙率导致了它拥有成为响应性材料的潜质。首先孔隙率是木材的一个重要特性，他可以影响木材的密度、强度、吸水性和其他物理性质，是木材很多特性的基础。我们可以理解成针对不同的外部环境（诸如荷载，湿度，震动等等）木纤维的细胞孔隙会产生相应的响应性变化（收缩或膨胀），而由于木纤维是单方向生长的，因此孔隙率也是只在木材的用一个方向存在（木材生长方向的横截面），这就导致所谓的响应性变化也是在固定的方向发生，这就是各向异性。木材的各向异性也有多方面的应用：（1）木材能够根据温度变化发生形状、长度或颜色上的变化。这种木材可以在不同季节或天气条件下自动调整，用于建筑外墙、家具或装饰。（2）光敏木材使用具有光敏性质的涂层或添加剂，可以根据光线强度改变其颜色或透明度。这有助于改善室内照明和装饰。（3）木材作为声学响应性材料的研究可以改善其吸声和隔声性能，用于减少噪音传播和提供更好的室内声学环境。综上所述，木材作为一种自然材料，拥有着针对湿度，照度，温度，声音等等各种不同自然环境成为响应性材料的能力[6-7]。

结合章节1.1中提到的建筑动态表皮的不足之处，我们决定将木材作为重点响应性材料纳入新型动态表皮设计。我们希望利用木材针对不同的外部光照湿度等环境变化产生的响应性行为，让木材带动周围的动态表皮装置运动。从而达成无需多余的传感器布置，无需多余的人工成本的付出，该动态表皮一方面可以自发的针对外部环境做出响应性变化，另一方面也可以节省多余的生产与昂贵的耗材，做到以较小成本达成环境友好性与可持续性，从根本上突破动态表皮的经济性限制。

2 动态表皮设计

此新型动态表皮目的在于将响应性木材作为动态表皮的行为核心，通过此木材的各种变化带动其他延伸构件的运动，从而使此表皮能够在不同的模式下相互切换进一步影响建筑的环境。主要由三步组成：整体构架设计、表皮单元设计和响应性木材设计。整体构架设计主要是根据不同的建筑场景选定表皮固定位置以及表皮单元件尺寸。表皮单元设计会决定核心响应性木材的与环境要素的互动方式，以及核心木材与其他延伸构件的连接方式。整体表皮的运作方式也会在此阶段介绍。响应性木材强化处理会详细介绍此木材的环境响应性原理以及如何增强木材的环境响应性。

2.1 整体构架设计

图1 整体框架（图片来源：作者自绘）

整体架构设计主要由两个要点组成：表皮构建方式和表皮单元尺寸。目的在于为表皮单元设计提供背景环境信息。

（1）表皮构建方式由表皮应用场景决定，通常分为立面构建与顶面构建两种。顶面构建通常应用于公共空间当中，诸如一些广场或是街道。立面构建通常为加建表皮，即在原有建筑外立面墙体之外附加第二层表皮体系。顶面构建通常需要采用自支撑结构，即每一个表皮单元件本身需要拥有结构抗性，表皮彼此之间线性连接锚定之后的结构本身就具有较强的稳定性。也可以采用一些特殊的整体支撑结构，比如气动系统，磁性系统等等。立面构建通常需要依附于建筑立面结构，通常采用杆件或拉索悬吊的方式将每一个表皮单元固定在建筑土建结构上。

（2）表皮单元尺寸由建筑使用功能需求决定。大型表皮单元常用于公共空间内。在此场景下，动态表皮通常作为一个整体控制全部公共空间的环境属性变化。比如在广场上构建一个贝壳状动态表皮构架供人们短暂休憩，此时我们只需要表皮能够在外部环境变化时，每一个单元都能同步进行响应性变化从而改变贝壳装置内部的环境属性，因此大尺寸表皮单元较为适用。小型表皮单元常用于复杂私密功能需求中。即整个动态表皮需要同时满足不同使用人群的不同需求，这就要求每一组表皮单元能够独立进行响应性变化。比如应用于办公住宅建筑立面时，每一个房间单元的户主都希望独立控制自家窗户对应的表皮的运动，这就导致需要将表皮单元切分成小型尺寸从而满足个性化需求。

2.2 表皮单元设计

表皮单元设计是新型动态表皮设计的核心，表皮单元的运行模式决定了整个动态表皮的运动变化和工作原理。

（1）单元组成：每一个表皮单元的运作的核心是一根响应性木材杆件，响应性木材杆件的两端会以滑动固定的方式固定在两个滑轨上，此滑轨可以保证木材杆件不会脱离滑轨的运动范围，同时不对木材在滑轨允许范围内部的运动做任何限制。在核心木材杆件上会固定一些辅助连接件从而允许一些次级表皮结构能够固定在木材杆件上，跟随核心木材的响应性运动产生同步的变化运动。不同表皮单元之间的连接可以通过两端滑轨之间的刚性连接完成，最后将整个一片表皮单元固定在建筑支撑结构上。

图2 表皮单元设计（图片来源：作者自绘）

（2）工作原理：当外部自然环境发生改变，比如雨水导致的响应性木材的湿度的变化，亦或是太阳光照射导致的木材温度的变化，这些变化会促使响应性木材自发的发生弯曲形变。这些弯曲形变产生的应力，使得在滑轨限制下的木材只能在沿着滑轨运动的方向上收缩。最终的结果就是仿佛木材能够根据外部环境的变化自由地沿着滑轨方向拉伸与收缩。同时这种收缩运动还会带动核心木材之间的扇形次级装置开启或闭合。这就使得整个表皮单元可以拥有两种模式：一种是核心木材垂直拉伸，中间扇形装置闭合的敞开模式；一种是核心木材弯曲收缩，中间扇形装置打开的遮罩模式。这两种模式可以根据不同的环境需求改变表皮之下的内部环境，成为一种自发性的动态表皮。

2.3 响应性木材强化处理

核心响应性木材是整个新型动态表皮运动的核心，木材对应不同自然环境的响应性的程度决定了动态表皮单元在应对环境变化时产生的响应性运动的程度。同时木材还需要带动次级结构的运动，普通的木材无法做到这一点。因此我们需要对核心木材进行强化处理，提高它的环境响应性。

前文可知木材的环境响应性与其各向异性与孔隙率息息相关。其中由于我们只需要木材在二维的平面内运动，因此木材的各向异性有利于我们控制动态表皮的平面运动。孔隙率是我们提高与控制木材响应性运动的核心。无论是应对湿度还是温度亦或是声波产生的响应性运动，核心都是木纤维孔隙的收缩与扩张。但是孔隙率与响应性运动并不是单纯的一维线性函数关系。一方面木材内部的孔隙率分布大小不均，单纯地全部扩大或缩小孔隙率并不能够增强木材的环境响应性。另一方面在动态表皮的运动中，我们也需要核心木材杆件的收缩与扩张在可控范围内。综上所述我们需要在增强木材的环境响应性的同时，控制木材的孔隙率分布。

目前常见的木材孔隙率增强手段主要有两种：一种是纳米材料加强。另一种是烘干加热技术。纳米材料加强是通过将木材浸泡在不同的离子溶液中特定的时间后进行热量增进的方法改变木材内部的孔隙率分布。浸泡的离子溶液的不同（诸如SiO2, AgNPs, PDMS等等）会导致木材内部孔隙率分布更加均匀或者更加两极分化，通过这种方式我们理论上也可以控制木材在发生响应性变化时是更加均匀还是局部收缩[8]。

图3 纳米材料加强（图片来源：作者自绘）

烘干加热技术则是通过改变湿度温度的方法的不同统一性地增加或降低全部木纤维的孔隙大小从而影响孔隙率。热加热的方法可以显著提高孔隙率，而冷加热的方法可以降低孔隙率。由表格可知，不同的参数修改可以对应不同的木材孔隙率，我们可以将两种方法结合使用，在增强孔隙率，增强响应性的同时通过控制参数控制响应性木材的运动方式[9-10]。

图4 烘干加热技术（图片来源：作者自绘）

3 案例讨论

这是一个新型动态表皮在步行街的模拟案例。步行街宽度约为8米，长度为70米，高度为9米，是一个在潮湿地区常见的骑楼内街。由于常年潮湿多雨，我们希望通过新型动态表皮改善室外内街的活动环境。一方面希望能够在雨天的时候起到挡雨的功能，另一方面在晴天是能够保证内街的采光与通风。

根据第二章中的表皮设计流程，我们判断这是一个大型公共空间需求，所有表皮单元需要做到统一变化无需个性化定制。并且由于晴朗天气需要尽可能避免阳光遮罩，我们决定采用大型表皮单元构成内街可变化屋顶的策略。整个屋顶表皮采用边长3米的正六边形密铺表皮单元的方式，表皮单元彼此刚性连接最终固定在建筑立面维护结构上。表皮单元内部的核心响应性木材构建采用针对环境湿度具有较强响应性的木材强化处理方法。保证木材在全部浸水的情况下能够做到60度以上的弯曲响应。这样就可以保证6组表皮单元在全部淋雨受潮的情况下产生弯曲响应时能够最大面积地覆盖屋顶面积，从而起到挡雨的作用。依附于核心木构件的次级扇形结构采用透明轻质塑料薄膜。一方面可以保证内街透光性，避免下雨天内街过于阴暗。另一方面尽可能减小表皮整体结构负载，保证轻钢龙骨结构杆件不会过于粗壮。除此之外为了保证挡雨质量，我们建议采用双层屋顶表皮，两层之间错位半个表皮单元的模数。

图5 案例透视图（图片来源：作者自绘）

图6 节点放大图（图片来源：作者自绘）

4 总结

本文提出的新型动态表皮设计概念核心在于解决动态表皮建造材料耗费巨大，以及使用后期运行维护成本较大的问题。通过将环境响应性木材引入表皮设计，在提高表皮环境友好型的同时，使得此动态表皮能够自发性的针对不同的环境状态切换表皮模式，节省了后期运行成本。此外由于木材的环境响应性潜力较大，我们可以通过强化木材的不同特性使得木材可以应对多种不同的自然环境的变化需求。

当然此新型动态表皮也会存在后续需要深入探讨的问题：（1）强化后的木材的其他特性是否会受到影响，通常生物类材料在经过化学处理之后会破坏一些材料内部的特性，因此在建筑动态表皮长期运行之中，木材的响应性特征能否长期维持还有待研究确定。（2）响应性变化产生的应力是否可以长期承担带动次级结构变化的角色。由于整个动态表皮变化的原动力都是木材响应性收缩的应力，这种应力是否强大到可以带动整个装置的变化还有待验证，或者是否会导致整个木材断裂破损。（3）除了常见的湿度和温度响应性变化可以应用与建筑外部表皮环境的改造，木材的吸声性，减震性能等等特质是否也可以应用与建筑的其他领域。