基于光環境應對策略的建筑可變表皮應用淺析

白鈺瀅

摘要 隨著時代文明進步與經濟發展，“可持續發展”已經成為行業建設與進步的重要理念。如今，許多新興技術正在應用于建筑領域，以實現傳統建筑業的轉型。建筑可變表皮，作為一種新興技術，在光環境上的應用研究早已有之，目前具有很大的發展前景。本文將基于多個建筑案例，針對可變表皮在光環境響應中的不同功能與技術進行橫向比較，從對天然光環境的應用效果出發進行分類討論，以期為今后的設計研究提供參考。

關鍵詞：光環境應對;建筑可變表皮

隨著時代文明進步與經濟發展，“可持續發展”已經成為行業建設與進步的重要理念。據統計，社會總能耗中，建筑約占1/3，其中大部分能耗運用于建筑領域的供熱、供光、通風等。如今，許多新興技術正在應用于建筑領域，以實現傳統建筑業的轉型。其中，可變表皮技術的應用，實現了這個傳統行業對能源利用的再一次翻新，不僅可以大幅度減少了能耗，還可以增強建筑的美學觀賞性。

建筑可變表皮，作為一種新興技術，能夠通過動態控制表皮上的可變化構件，調節各個環境因素，從而適應不斷變化的建筑外界環境。建筑光環境作為建筑物理環境的重要組成部分，關系到人們的視覺舒適和作業要求。建筑可變表皮在光環境上的應用研究早已有之，目前具有很大的發展前景。

本文將基于多個建筑案例，針對可變表皮在光環境響應中的不同功能與技術進行橫向比較，從對天然光環境的應用效果出發進行分類討論，以期為今后的設計研究提供參考。

一、天然采光的利弊

人們在建筑領域中從未停止于追求對天然光的利用。合理利用天然采光，可以減少建筑人工照明能耗，也可以吸收利用太陽直射光中的能量。同時，天然采光更為舒適，更有利于人體身心健康，在豐富建筑空間上也有舉足輕重的位置。

此外，也要注意控制避免天然采光所帶來的不利影響。如過度引入天然采光可能會在室內產生眩光等眼部疲勞不適情況，并造成室內過熱等問題;而大量使用玻璃幕墻等高反射材料則可能會導致白亮污染。

二、加強建筑對天然光的利用

（一）充分利用天然采光

天然光環境本身復雜多變，受太陽位置和大氣氣象條件以及地形影響明顯。建筑可變表皮在充分利用天然采光方面具有明顯優勢。可變表皮可以根據光環境的變化進行變化（如智能構件太陽蹤跡追蹤）來調控天然采光，以滿足空間內合理的光照需求。

萊恩斯太陽堡幼兒園采用屋頂智能電控窗與外圍采光百葉，配合幼兒園獨特的建筑形式，使該幼兒園接受的光照量達到一般建筑的3.5倍。屋頂的智能太陽追蹤器充分利用了第五立面的光照資源，使孩子充分接觸陽光，保持了人類與陽光原始的互動。

在喜馬拉雅山腳下南側的古老村落寶鏡，由天津大學創造的“somewhere over the rainbow”項目以一種獨特的漏斗形的屋頂，結合當地多雨的氣候特點，巧妙地利用雨水與自然光進行交互形成三棱鏡，將照射在屋頂上的陽光散射到屋內各處，宛如閃爍著七彩光線的“太陽燈”，使屋子的采光不再受困于窗戶的形狀和大小，還營造了夢幻的氛圍。

（二）能源轉化

建筑可變表皮作為一種多元載體，可以與太陽能轉化裝置結合，既節約能源，又達到了豐富立面的效果。

北京市復興路西翠娛樂中心前安裝著超大型太陽能交換幕屏，玻璃幕墻中間夾著大量光電元件，在白天充當著太陽能板，夜間變為大樓顯示屏，展現燈火闌珊、流光溢彩的城市夜景。米蘭世博會德國展館，利用超薄opv技術為館內提供太陽能，將太陽能直接轉化為其他形式的能，達到能源自給。還有像綠色凹宅、上海“魔方”等，由太陽能收集的芯片直接拼插成型，利用三維空間大大增加了太陽能的收集率。

（三）增強建筑藝術效果

（1）建筑外立面的美觀性

建筑本身是技術與美的結合體。通過運用建筑可變表皮，將特定信息反映到立面上，可以為一成不變的立面增添某種變化，豐富視覺效果。

德國郵政大廈立面采用可變百葉窗，通過不同開啟角度的百葉窗，展現自下而上呈現流動曲線式的美感。德國法蘭克?！皕eilgalerie”百貨公司將天然光與LED智能感光結合，其表皮感應外部氣候與環境如溫度、濕度、降水等，并通過計算機反饋到建筑表皮LED燈光進行表現，體現了建筑的信息化。

（2）室內空間藝術效果

在實際應用中，建筑可變表皮可以通過表皮的構件變化、自感控制等方式，將外間環境信息反饋到室內空間，來豐富建筑內部空間視覺變化，增加空間趣味性。

阿拉伯世界文化中心外立面墻體類似由一塊塊方形金屬鐵皮拼接而成，每塊“墻皮”都有十二個對稱的孔型窗口，可以通過調控機械鐵皮轉動改變進光的窗孔大小。一束束變化的日光平行穿進巨大的墻面，充分體現了莊嚴與壯麗之美。而上海世博會企業聯合展廳“四季館”，其表皮感受外部的溫度與光強，反饋到室內空間成為不同顏色的LED燈光，呈現不同的氛圍。

三、減緩建筑外部光環境可能帶來的影響

（一）控溫與遮陽

適量的天然光會給室內空間帶來諸多益處，但過量的天然光則會引起諸多視覺不舒適以及室溫過高的情況。因此，合理的控制必不可少?？販嘏c遮陽在理論方面與加強采光較為相似，目前主要是基于構件變化進行控制，與此同時還有如材料轉變技術、變壓充氣技術、生物仿生技術等新興技術正在蓬勃發展。

荷蘭節能建筑UNStudio新作綜合大樓建筑外表皮運用自動折疊擋板構件，根據人們的需求或者外部光線的強弱通過計算機控制擋板伸展或縮疊，來控制日光透射率、保持室溫。阿布扎比Al Bahar塔表皮的六邊形遮陽屏風構件帶有感應器，接收光照強度和太陽方位信息后進行識別后，自動控制不同位置擋板的張合程度，限制自然光的進入，達到遮陽效果。

在2006年威尼斯雙年展上的STEM裝置應用生物仿生技術，將建筑表皮與植物結合起來。該裝置用成千上萬個裝有海藻的玻璃瓶構成墻體，通過瓶中海藻隨光強弱的繁殖速度與面積控制遮陽，同時也使建筑與自然進行了互動。

而更多新興技術如變壓充氣技術等則出現在許多方案和競賽中。盡管從現有應用的成果中來看，此技術形式亮相得不多，但其前景十分廣闊，它的發展當下可謂暗涌，也許在不久的將來，成果實現的建筑如雨后春筍，讓人們對物質世界環境有了新的感受和理念。

（二）對環境的治理與防護

建筑可變表皮也可以對所處光環境的某方面進行改善，以減少環境不利因素，優化環境。

曼哈頓中下城高樓聳立，形成建筑群自遮擋現象。而高樓大廈表面的玻璃幕墻則是白亮污染的主要來源。通過在高層建筑外表皮上安裝反光板，對反射光方向進行控制，既能有效減少白亮污染，又可以將光引入高樓下需要光線的昏暗區域。米蘭世博會nemesistudio 意大利展覽館，在建筑表皮運用智能光催化水泥技術，使空氣中的有害物質附著在建筑表面，并隨著雨水和風的沖刷脫離墻體，達到了凈化空氣的效果。

建筑可變表皮對光環境的保護，還體現在文化氛圍層面。巴黎索邦大學研究中心項目中，建筑通過改變智能玻璃的透光度，使自身完美地適應了周圍華麗莊嚴的古代建筑。其外觀完全透明時，該建筑隱于歷史環境中，使游客無礙于對整個場地的全景觀感;其外表面完全達到反光時，這個建筑宛如立體的多面鏡，在表面同樣映射出古典的城堡，毫無違和感地融入了這個環境，保護了歷史景觀的完整性和文化純粹的氛圍。

綜上所述，在光環境應對層面，建筑可變表皮的發展之路走得有遠有近。一方面，動態控制構件等技術在處理遮光控溫等方面的應用已相當成熟。另一方面，面對更為復雜的問題，現有技術較為疲軟，而新興技術才剛剛起步，離真正實施還有很長的距離要走?！八彙?、“光子空間”只是一個還未實施的理想品;仿生表皮方面也需要繼續探索……但是，無論是功能還是技術，可變表皮還有很大的發展空間。即使出于很多政治或者經濟因素，許多理論目前無法實現，我們一直在努力實踐，就像鋪出的一磚一瓦，結結實實地搭在那輛超行機留下的痕跡上，人類一步一步往前走接近理想中的遠地。

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