建筑表皮膜材的生態適應性設計研究

趙 強 汪 涵

東華大學 服裝與藝術設計學院，上海200051

近年來，隨著新技術、新材料在建筑行業的應用和發展，大量功能豐富、形式美觀的建筑應運而生。然而，現代建筑大多是通過機械設備或空調系統對自然條件進行改造而建立起來的“人工環境”，這一人工環境不僅給自然界和能源利用帶來了極大的負擔，還使建筑物逐漸失去了地域特色和傳統的文化內涵。目前，采用建筑圍護等建筑表皮來調節自然環境和人工環境并使之相適應的舉措取得了較好的成效，并逐漸受到了人們的高度重視[1]。其中，膜結構材料(膜材)因具有較好的透明性、較高的保溫隔熱性能、良好的柔韌性、輕質量，以及造型的可塑性強等特點在建筑表皮的生態適應性設計中普遍應用。因此，如何更好地發揮膜材的物理特性，以調節和適應自然環境的變化，并與建筑的形態和功能相結合，滿足人們對環境友好型建筑的功能化和舒適性需求，已成為膜材可持續發展的新視角和新方向。

1 建筑表皮膜材的制備工藝

用作建筑表皮生態設計的膜材種類繁多，主要分為PVC膜材、PTFE膜材和ETFE膜材3大類。這3類膜材在制備工藝上的差異影響其在建筑表皮中的應用范圍和使用性能。

PVC膜材是廣泛應用于早期建筑中的一種復合材料，其基層主要為聚酯纖維或玻璃纖維織物，具有成本低廉、柔性好和易加工的特點，但其強度和耐久性較差，多用于規模較小的臨時建筑中。PVC膜材的制造工藝主要包括貼合法、壓延法和涂層法。貼合法是在基層織物的正反面各鋪設兩層PVC膜，在一定溫度和壓力下，通過熱輥使PVC膜與基層織物貼合而制成PVC膜材；壓延法是將PVC粉和增塑劑等原料相混合，采用熱輥使之與基層織物相黏合；涂層法是將液態PVC材料涂抹在基層織物的正反面，烘干固化后使其與基層織物成為一個整體。

PTFE膜材通常是在超細玻璃纖維織物上涂覆PTFE樹脂后加工而成的一種復合材料。PTFE膜材的加工工藝為浸漬法，玻璃纖維織物在PTFE樹脂溶液中多次浸漬后達到一定的厚度和面密度，浸漬時間需根據具體建筑所需的玻璃纖維織物的性能要求進行計算和調整。PTFE膜材因優良的強度和可調節性已在大型建筑中有諸多應用[2]。

ETFE膜材不以織物為基層材料，而是采用乙烯-四氟乙烯共聚體直接制作而成。作為一種新型的復合膜結構材料，ETFE膜材具有極佳的透光率、可塑性和自潔性，在未來膜結構建筑的發展中有廣闊的應用前景[3]。

2 建筑表皮膜材的物理特征

2.1 熱工物理性能

表征建筑表皮膜材的熱工物理性能參數主要包括材料的導熱系數、熱阻、傳熱系數、蓄熱系數、熱惰性和遮陽系數等。單層膜材的傳熱系數與單層玻璃的傳熱系數相接近。單層膜材可用于對保溫和隔熱性能沒有要求的建筑表皮中，如部分敞開型建筑的入口雨篷、建筑小品、體育場館的看臺頂棚等，以及氣候溫和、受溫度變化影響不大的封閉型建筑等。對于溫度變化較大的場所，需降低膜材的熱阻，從而在較短的時間內通過間接采暖和通風來改善室內的環境，如圖1的地鐵站和圖2的展覽館等。在寒冷地區，膜材需經特殊處理以增強其熱阻，從而提升建筑的保溫功能。

圖1 地鐵站(圖片來源：https://www.gooood.cn/xi-erqi-station-by-li-xinggang.htm)

圖2 展覽館(圖片來源： https://www.gooood.cn/pavilion-china-flora-expo-lab.htm)

2.2 光學物理性能

膜材的光學性能主要體現在透明度、遮陽系數、反射系數及顯色性等方面。

厚度為0.63 mm的一般PVC膜材/玻璃纖維復合材料的透光率為3.0%；厚度為0.77 mm的PVC膜材/聚酯纖維復合材料的透光率為4.8%，當厚度降低為0.55 mm時，其透光率為7.4%。PVC膜材的反光率達75.0%以上。PTFE膜材的透光率約為13.0%，最高可達30.0%，其反光率為70.0%左右。透光率較小的膜材，其透射光線為白色自然漫射光，一般不存在遮陽與眩光問題。無色ETFE膜材的透光率可超越玻璃，最高達95.0%。單層白色膜材的透光率一般為50.0%～55.0%，這種透明度可使光線通過膜材表層進入建筑物內部，從而為室內提供良好的采光條件[4]。

膜材多采用膜覆蓋的方式應用在大跨度的建筑中，如體育館、機場候機廳、展覽館等，其能降低照明能耗，但膜材的大面積應用往往會增加遮陽負擔并帶來眩光問題。此外，膜材的顯色性較差，色彩偏藍，其良好的透明性也意味著可能會造成光污染，建筑內部燈光在夜晚向外透射時，室內的照明效果降低的同時會對周邊環境造成影響。

2.3 加工與節能性

膜材質量輕、厚度小，對建筑形成的負荷小，可大大減小建筑的承重量。與其他建筑材料相比，膜材從加工到建筑的實際應用，其消耗的能源少，且具有較好的自潔性，進一步減少了因清潔造成的水資源浪費問題。PTFE膜材的耐久性較強，使用壽命一般在30年以上，是永久性建筑的首選膜材，其防火性能也較好。

膜材建筑表皮的節能設計與玻璃類似，可采用雙層膜、三層膜，以及在膜材下鋪設棉纖維作為保溫層而加強膜材的保溫隔熱性能，或將透光棉與膜材復合使保溫層和主體膜結構分設。厚度大的保溫層可以起到很好的保溫效果，但也會影響膜材的透光性，需進一步提高保溫材料的透光性。與玻璃類似，可在膜材的表面涂覆輻射涂層，對不同頻率的入射光進行選擇。如常見的表面含有低輻射涂層的LOW-E玻璃，對可見光有很高的透過率，對紅外線具有較高的反射率，這有助于降低夏季室內的溫度。此外，在膜材表面加蓋發電薄膜，產生的能源可供建筑使用，如2010年上海世博會的日本館，展館外部覆蓋一層利用太陽能發電的超輕“膜結構”，不僅能最大限度地利用天然資源，而且實現了能源的再利用。

3 建筑表皮膜材的適應性設計原則

膜材在建筑表皮中對氣候環境的適應性設計主要體現在自然采光和熱量控制(保溫隔熱)兩方面。建筑表皮的采光系統、圍護系統和遮陽系統，既要適應自然環境變化的客觀條件，同時又要滿足人們對光、熱和舒適性等方面的需求。因此，利用膜材對建筑表皮進行設計需要滿足如下的設計原則。

3.1 地域性原則

基于建筑的功能、體量和地域性環境所體現文化內涵的不同，建筑表皮膜材的設計具有個性化特征。建筑表皮膜材的設計需要努力挖掘符合本土的適宜技術，包含先進技術及稍加改進的傳統技術。適宜技術的適應性原則是指遵循本土氣候及自然環境條件，以滿足人們的舒適性、節能環保等要求為目標，采用被動式建筑設計手段，在建筑的形態、結構、功能等方面體現出的氣候適應性，通過不斷調節、完善和有效利用自然能源和材料，實現建筑表皮膜材與生態環境和諧共生[5]。

3.2 可控性原則

傳統的建筑表皮系統對采光、通風、熱量控制等方面缺乏靈活應對性，采用固定式遮蔽系統創造的人工環境更多地依靠設備和技術，未建立一種動態可變的控制方法。建筑表皮膜材系統需要依據季節、時間和天氣情況對不同部位的采光、遮陽系統實現自動調節。可控式表皮控制系統大體上分為手動控制和自動控制兩類：手動控制的優點是造價低、設備簡單、維護簡便，并能正確反映不同人群的需求，是一種被動控制的方法；自動控制多安裝光感元件、溫感元件及電動執行機構，可實現智能化的全自動控制。

3.3 交互性原則

交互性是指建筑表皮膜材的設計能夠應對環境、建筑空間形態和人的行為方式的變化，進而實現信息交互和產生應對機制。利用數字化技術，將環境、建筑空間形態和人的行為三者的實時變化信息進行數字化傳遞，依據相應的設計算法或約束規則，實現建筑使用性能和功能需求的相互適應。

3.4 一體化原則

一體化設計是將建筑表皮(圍護結構或遮陽系統)的不同構件或設計元素與建筑形體的構成元素(包括建筑的整體形態、墻面、屋頂、內部功能空間等)進行有機結合，力求在滿足降低能耗，增強室內舒適性的同時實現建筑功能、技術和美觀的完美結合[6]。

4 數字化技術在建筑表皮膜材生態設計中的應用

當前，為了實現建筑表皮膜材的多變性、可控性和交互性的設計要求，數字化建筑驅動生成技術在建筑表皮設計中得以廣泛應用。如由SOMA 設計的2012年韓國麗水世博會展館(圖3)，其建筑立面模擬魚的皮膚，通過采用玻璃纖維增強聚合物(GFRP)創造出了多種變化模式。由DS+R建筑事務所設計的“The Shed藝術中心”(圖4)，其可移動外殼是由ETFE膜材和輕質特氟隆聚合物制成的半透明墊層。該半透明墊層具有絕緣玻璃的隔熱性能和透光性，其靈活多變的特征能夠應對不同規模、媒體、技術和藝術的變化需求(圖4)。利用數字技術，可將自然環境的物理參數、建筑空間形態的幾何參數和建筑空間使用的性能需求參數有效地聯系起來，并依據參數間的交互變化和信息反饋，實現膜材在建筑表皮上的優化設計[7]。

圖3 韓國麗水世博會展館(圖片來源： https://www.gooood.cn/one-ocean-thematic-pavilion-expo-2012-by-soma.htm)

圖4 The Shed藝術中心(圖片來源： https://www.gooood.cn/the-shed-by-diller-scofidio-renfro-rockwell-group.htm)

現階段，采用數字化技術實現不同信息參數交互設計的方法大致分為兩種：一種是多平臺一體化設計，該方法是采用通用標準的數據交換規范對不同軟件之間的數據文件進行交換。國際協作聯盟(International Alliance for Interoperability)為建筑工程全生命周期中的信息交換提供了一個平臺，為全球建筑業制定了IFC(Industry Foundation Class，工業基礎類別)模型標準。目前許多著名的建筑軟件生產商，如Autodesk、Bentley、Graphisoft等公司基于IFC標準，以開發統一的數據轉化方式將多家CAD和CAE軟件公司的工具平臺聯合起來，使不同工具平臺能夠凸顯各自的優點，實現了建筑設計的信息共享。但該方法存在各專業、各平臺統一協調難度較大，文件在不同平臺間進行數據轉化時易出現文件損壞和數據錯誤的現象。另一種方法是基于同一平臺開發功能接口，在同一工具平臺上二次開發專門的數據接口，通過引入相應的模擬引擎進行優化設計。如基于C#語言在Grasshopper for Rhinoceros平臺上編寫Geco插件可實現Rhinoceros建模與Ecotect性能模擬數據的信息交互，采用modeFRONTIER內部開發的接口可以實現多個CAD軟件工具與CAE軟件工具的數據信息交互。該方法的優點是基于統一工具平臺，可避免數據丟失和文件損壞，提高了數字化技術在建筑表皮膜材生態設計中的模擬效率。

5 案例設計與分析

案例的設計和分析以不同時間段的太陽入射光線為性能設計的驅動條件，通過改變膜材占建筑表皮的面積比值和膜材透光率這兩個參數，改變建筑室內的采光效果，確定膜材與建筑表皮的面積比和膜材透光率的取值范圍。

當采用透光率較小的膜材時，膜材占建筑表皮的面積比的大小對室內采光的影響較大。反之，采用透光率較大的膜材時，膜材占建筑表皮的面積比的大小對室內采光的影響較小。

擬建案例為設在上海某工業園區場地內的一個長度18 m、景深25 m、高度10 m的展覽空間建筑模型。該建筑場地地勢平坦，外表皮為ETFE膜鋼結構。該建筑模型以南立面表皮為主要測試單元。建筑模型的生成工具為Grasshopper for Rhino軟件。首先對建筑模型南立面表皮的形態進行參數設置，將膜材占建筑表皮的面積比調節為40%～90%。采用氣候環境設置和分析插件Ladybug對設定太陽模型為晴朗天空，測試時間段設定為6月份的12∶00～14∶00。然后采用性能模擬插件Honeybee對表皮膜材的透光率進行設定，設定值為20%～80%。由于該案例中的設計參數與光照強度指標不存在對應的線性關系，因此，最后采用具有較高通用性和魯棒性的優化算法——插件Octopus的多目標遺傳優化算法進行設計方案的生成、優化和選擇。優化模擬器計算之后，對計算結果進行評估和選擇。由模擬方案基因解的分布情況(圖5)可知，顏色較深的解為適應性較強的可行解，而顏色較淺的解為一般解，而處于離散狀態的解為適應性較差的劣解。提取這些計算結果后綜合建筑方案的形態變化，最后確定了可兼顧建筑形態和使用功能雙重要求的9種 優化模擬方案基因參數(表1)，其中，膜材占建筑表皮的面積比分別為40%、60%和90%，膜材透光率分別為20%、50%和80%。

圖5 模擬方案基因解的分布情況

表1 模擬方案基因解的分布情況

6 結語

建筑表皮設計通過數字化技術將建筑空間形態與膜材的物理屬性相關聯，在拓展建筑功能和美學特征的同時，科學地引入建筑建造和使用過程中的性能需求，拓展了膜材在建筑適應性設計中的應用可能性。建筑表皮膜材的生態適應性設計方法不局限于傳統的對膜材屬性特征的孤立研究，而是從宏觀的應用場景出發，融合多學科交叉的知識體系，為膜材在綠色建筑的生態適宜性設計和實踐開辟新道路。