基于性能化新材料和動態媒介的建筑表皮構成設計研究

羅欣

［華藍設計（集團）有限公司，廣西 南寧 530011］

0 引言

建筑表皮通過對體量的融合或突出、視覺的透明或實體、質感的粗糙或柔軟等一系列建筑設計手法的表達機制，實現建筑師的建筑設計愿景，并與周邊環境產生生態交流、文化交融[1]。建筑表皮是建筑的視覺體驗，為室內設計奠定敘事的基調；除此之外，作為建筑的一部分，建筑表皮同樣需要實用、耐用，并能夠處理好建筑的自然采光和通風需求。作為室內外聯系的節點，建筑表皮起著過濾器的作用，它需要隔聲降噪、遮風避雨、隔濕隔熱。建筑表皮也是建筑作為調節自然環境、塑造社會形態的動態媒介。

在建筑表皮設計當中，需要充分考慮到表皮的性能與美觀之間的平衡。結合不同的地域地理特征、文脈特征，不斷提升的前沿建筑材料，自然環境的瞬時變化，數字化信息流的社會傳播學媒介構建，筆者對建筑表皮構成的可持續性、美觀性、動態性三項設計策略進行討論。

1 建筑表皮透明性與半透明性的平衡：聚碳酸酯板材

營造舒適且光線充足的不透明感，同時保證材料的堅固、易安裝、靈活多用，聚碳酸酯板材（又稱PC板、陽光板）的性能幾乎是無與倫比的。白天過濾柔和的漫射光進入室內，夜晚透出引人注目的室外光環境，聚碳酸酯板材以其互動的光感、模糊的透明度和抽象的形態著稱，這些特性復合創造了獨特的感官體驗。聚碳酸酯板材不僅富有建筑表現力，也是一種高效多用的材料，以不同的模塊、顏色、形狀尺寸被廣泛應用。因此，這種曾經只用于溫室的人造有機材料，已經成為各種當代建筑項目中外立面和屋頂的熱門材料。

聚碳酸酯板材是一種堅固、無定形、耐用的半透明熱塑性聚合物材料。其強度是玻璃的250倍。與大多數塑料一樣，它通過將碳氫化合物燃料蒸餾成餾分制成，并隨后與其他催化劑結合，通過聚合或縮聚反應生產而成。生產出來之后，通過注塑或擠壓的工藝方式可將它成型。聚碳酸酯板的基材是完全透明的，類似傳統的玻璃。但是經過生產處理之后，它能夠提供不同的透明度和透光性，是更輕盈、更靈活、更耐磨損的玻璃的替代材料。它能夠抵御不同的溫度、紫外線、撞擊，滿足各種性能需求。

聚碳酸酯板材的耐溫區間在-40~115℃之間，峰值可達130℃，因此，可用于其他材料無法使用的高溫環境。它的抗沖擊性是玻璃的200倍，受力性能及抗裂性能良好。這也意味著，它的材料尺寸只受限于運輸能力，留給建筑師的設計自由度相當大。

為確保耐用，板材使用UV共擠模具成型，生產過程中，高濃度的UV保護層均勻地熔在聚碳酸酯基材上。這種生產方法避免了UV保護膜涂裝的常見問題，如附著力問題和抗沖擊力受損問題。這種常用于外立面的UV保護膜，有抵御環境影響的能力和長達10年的材料壽命，確保板材在大部分氣候條件下都能夠耐久使用?？偠灾?，通過UV保護層，聚碳酸酯板材幾乎能實現100%阻擋380nm強度以下的紫外線輻射。

聚碳酸酯板材的另一個優勢是易安裝。由于它比玻璃板材輕50%，材料的運輸和處理都比較容易。它由支撐框架的上下節點固定，通過隱藏固定配件和掛網，可以在確?？癸L壓能力足夠的前提下，形成富有動感的抽象圖案表皮。

聚碳酸酯板材將直射陽光轉化為富有視覺效果的漫射光，這一特性可以適用于不同項目的不同建筑氛圍營造。通常它多用于寧靜氛圍的營造，但動態氛圍也同樣適用。比如通過它半透明的特性，將使用者和建筑室內環境削減為不同透明度的剪影效果，如圖1所示。這種設計手法增強了光感的層次、動態和模糊性，不僅表達出聚碳酸酯表皮的高功能特性，也增強了建筑的美感。

圖1 聚碳酸酯板材的不同透明度效果

聚碳酸酯材料能夠以不同的方式進行色彩疊加。色彩的選擇有十數種，著色方式包括整體著色、單片著色、間隔著色等不同的著色單元組合形式。當透明度的變化與色彩的變化產生疊加之后，這種層次的動態遞進效果將更為強烈，因為色調的變化會對環境和感官產生直接刺激。

相較于膜狀表皮和穿孔金屬板，聚碳酸酯板是在透明性和半透明性上平衡度最好的建筑表皮材料。這種熱塑性材料，在可持續性方面，是完全可回收的、低成本、阻燃、100%阻隔紫外線的隔熱材料；在美觀性方面，能夠有效隱蔽私密空間，濾過陽光，營造出一種具有模糊性的建筑美感；在動態性方面，通過不同的材料色彩，以及不同顏色的材料單元組合形式，能夠形成具有動態視覺沖擊力的外立面。

2 建筑表皮透明性與可持續性的平衡：透明光伏玻璃幕墻系統

ClearVue公司專利技術生產的透明光伏玻璃幕墻系統，為零碳建筑提供了單元板材安全、安裝和維護成本低廉、環境友好的主動節能方案。玻璃不再只是外立面的普通構造材料，而是轉化成了一種可再生的能源。比起典型雙層玻璃幕墻長達100年的碳回收期，這種新型光伏玻璃幕墻單元的碳排放回收期僅需9年。自然光的透過率可達70%。每平方米發電量為30Wh，峰值可達40Wh。透明光伏幕墻單元的材料壽命可達20年。

通過納米分子技術，幕墻玻璃接收到的入射光在幕墻單元的雙層或三層玻璃之間通過不同間層處理產生漫射、重聚、反射等光線控制效果，由玻璃面板邊框的單晶硅光伏模塊收集并進行發電。

與常見的單塊玻璃相比，透明光伏玻璃幕墻單元在保持玻璃的透明度的同時，還能節省約30%~40%暖通空調用電負荷、15%照明用電負荷。與常規的屋面光伏太陽能板相比，每千瓦的發電量需要更大的安裝面積，但同等安裝面積條件下，透明光伏玻璃幕墻單元的發電效率遠大于常規屋面光伏太陽能板。基于建筑表皮構造的太陽能發電真正得以實現，這種實現的方式，并非以表皮外附加光伏板的傳統形式實現，也不以犧牲外立面透明度為代價，不僅節約了建筑材料和耗電量，減少了能源污染，也提升了建筑美觀度。

通過材料檢測實驗證實，每平方米的透明光伏玻璃幕墻單元每小時能夠產生30Wh的電量。這意味著，在夏季的晴天，每天能夠產生1720Wh電量；夏季的陰雨天，每天能夠產生900~1300Wh電量；而哪怕在日照時長更短的冬季，每天也能產生高達1200~1300Wh的電量。在理想狀態下，每1000m2的透明光伏玻璃幕墻的年發電量將達到20MWh。

透明光伏幕墻系統以其用于捕獲和轉換紅外線、吸收紫外光波長用于發電的特殊納米粒子結構，結合low-E涂層，能夠實現70%的可見光透射率，100%過濾紫外線，進一步降低建筑照明用電負荷及人工照明的需求，使建筑更健康。

此外，由于該幕墻系統使用雙層甚至三層玻璃，在材料的隔聲降噪方面也有著非常優越的性能，噪聲環境可降低至37dB。

透明光伏玻璃幕墻系統，在可持續性方面，真正使玻璃成為一種可再生的能源；在美觀性方面，70%的可見光透射率保證了玻璃幕墻立面通透的建筑美感。

3 建筑表皮機械化與數字化的平衡：動態投影建筑立面

隨著技術的進步，建筑對環境的響應能夠以一種前所未有的有趣形式實現——建筑能夠根據環境的實時變化，產生動態的變化。

動態建筑表皮能夠調節溫度。最典型的案例是Aedas事務所在阿布扎比設計的AlBahar塔。建筑外立面的傘狀幕墻單元隨著太陽移動軌跡開合，避免高溫和眩光影響室內，降低空調制冷需求，提高建筑的可持續性。動態幕墻單元的星形設計，不僅美觀，也繼承了傳統的伊斯蘭遮陽設計，回應了伊斯蘭文脈。

動態建筑表皮不僅能夠響應溫度和光環境的變化，還能形成一種呼吸一般的效果。比如Urban Art Projects事務所與藝術家NedKahn合作設計的布里斯班機場國內航站樓停車樓立面，立面的250000塊鋁板單元會隨著風的流動形成呼吸般的立面漣漪波紋和位移，陽光穿透機械化的動態立面，帶來復雜的光影美感。通透的建筑表皮設計還具有實際環境效益，在停車空間起到通風、遮陽、擋雨的作用[2]。

動態建筑表皮比起調控自然光線、溫度或雨水，更是一種美學上的設計提升。比如UNStudio事務所設計的Galleria Centercity超市建筑，在66000m2表面積的立面上，采用了電腦生成的動態投影技術，而不僅是前述建筑表皮采用的機械動態變化。建筑外立面的實體并沒有物質性狀的改變，但建筑表皮的彩色動態投影波紋起伏使整個建筑仿佛都隨之晃動，加強了建筑作為社交和文化交流的聚會場所的交流媒介特性，并得以進一步強調了建筑的公共空間屬性。大型超市建筑空間，越來越具有高度的社會公共性，人們在這些空間見面、聚會、吃喝、購物，它不再僅僅只是純粹的商業空間，也為使用者提供了社交平臺和文化傳播的媒介。因此，UNStudio事務所設計的動態建筑表皮是一種雙層視錯覺結構，白天，建筑立面是一種機械化的動態立面表皮，以波紋鋁條的流動性模擬公共空間的流動感；夜晚，在機械化的建筑表皮之上，附著了大型的LED彩色投影，以各種公共商業活動為主題，進行LED動態燈光設計，隨全年節慶和商業活動的開展而不斷變化。動態投影的建筑表皮以其實時傳輸、精準復制的特性，構成了建筑使用者與世界之間交流、傳播信息的表層媒介空間，有著重要的傳播學意義[3]。

動態建筑表皮，在可持續性方面，能夠調控光線、溫度、雨水、氣流等自然因素，保證建筑環境的舒適度；在美觀性方面，體現出一種實時反饋、瞬時變化的動態美感；在動態性方面，結合了機械動態調節和數字化動態表達。

4 建筑表皮的構成設計策略

通過上述三種性能化新材料新技術構成的建筑材料和建筑外立面形態分析，筆者將所體現的建筑表皮構成策略分為三大類：可持續、美觀、動態的建筑表皮構成設計。

可持續的建筑表皮構成設計，一方面體現在增強材料本身的保溫隔熱性能，從而有效地通過建筑表皮設計，對熱量損失或熱量獲得的速率進行主動控制，比如聚碳酸酯板材建筑表皮對紫外線的100%阻隔，以及-40~115℃的耐溫區間幅度。另一方面，建筑表皮從純粹的物質材料構成轉化為可再生的建筑能源，也是一種主動式的可持續建筑表皮設計策略，比如透明光伏玻璃幕墻系統，將玻璃主動轉化成了光伏發電系統。此外，一座對環境友好的建筑，設計的最佳起點始終是盡可能地采用地域性的被動熱舒適策略，比如機械動態建筑表皮，通過表皮的疏密變化，引導建筑空間的空氣流動，從而更好地實現自然通風效果。

美觀的建筑表皮構成設計，在前述三個具體設計措施的應用里，主要體現為對模糊性建筑美感的追求、對透明性建筑美感的追求，以及對瞬時性建筑美感的追求。這些美感的實現，能夠直接通過建筑材料、建筑技術的性能特征實現，并能夠在建筑整體給予人們直接的感官體驗。

動態的建筑表皮構成設計，不僅體現在聚碳酸酯板材建筑表皮由不同顏色、透明度設計疊合的視覺效果動態，以及不同可見光透射率設計選型形成的光線層次動態，還包括結合自然環境動態調節響應機制和數字化LED投影動態立面技術的復合動態建筑表皮設計策略，是當下數字化技術提升帶來的建筑表皮設計的技術進步。

5 結語

可持續、美觀、動態的建筑表皮設計，從設計策略的主動性而言，是建筑師設計愿景的內核延展，從設計策略的被動性而言，是響應自然環境和社會環境的表達媒介。新材料、新技術構成的建筑表皮設計策略研究，對建筑師當下的建筑設計，有著重要的實踐指導意義。