基于環境因素變化的動態表皮設計研究

1 研究背景

近年來隨著人們生活水平的提高，人們對于居住環境的要求也不斷提高。舒適的室內環境逐漸成為人們熱衷于追求的目標，一般的建筑表皮難以應對復雜的氣候變化，為了達到舒適的室內環境，造成了能源的浪費，不利于可持續發展，但動態表皮的出現很好地解決了這個問題。動態表皮一般由表皮動態構件、微氣候感應設備、自動調控系統等組成，是一個集合了數字技術和建筑技術的復合系統。動態表皮基于氣候適應性特征，選擇性地引入了對室內環境有利的風、光、熱等自然因素，創造了舒適的室內環境；針對受室外氣候影響不斷變化的室內環境，可調控的動態建筑表皮，在氣候適應性方面相比一般表皮顯得更有優勢，能夠提高室內的舒適度和建筑節能效率

。基于不同的設計方式，動態表皮可對一種或多種環境因素進行調控，如熱環境、光環境、風環境等。文章主要從影響室內舒適度的風環境、光環境、熱環境入手，基于不同的案例分析如何將動態表皮應用于建筑單體中，總結出適用于單體建筑的動態表皮設計方法。

2 國內外動態表皮設計現狀

2.1 國外動態表皮設計現狀

國外對于動態表皮設計的研究已經持續多年，早在20 世紀50 年代，美國建筑師約翰·弗里德曼就創建了動態表皮的研究團隊，到了80 年代，邁克爾提出了建筑皮膚的理念。隨著科技的進步，動態表皮的設計更加具有多樣性。通過多年的研究實踐，國外形成了諸多動態表皮的研究體系，如動態學意義上的表皮設計和氣候環境的適應性表皮設計等。國外部分學者對動態表皮的相關研究內容如下：

對于應用型本科院校而言，教師專業化就是指根據社會對應用型人才的需求，教師遵循應用型特征的教育教學規律，特別注重專業實踐能力。教師專業化發展強調教師的終身學習和終身成長，包括職前培養、新任教師培養和在職培訓，在教師的整個專業生涯中，通過學習和專業訓練，提高專業素養、專業實踐能力和個人職業道德等，促進教師從新手到熟手，從熟手到專家。

瓦倫蒂娜等學者采用環境參數化的表皮設計方法，通過參數化設計方法進行動態表皮的設計嘗試，并通過實驗數據驗證其可行性。羅爾等學者梳理了現有的氣候適應性建筑表皮數據，并進行了分類研究，分析了氣候適應性的影響因素。

2.2 國內動態表皮研究現狀

近年來，動態表皮技術逐漸在我國興起。國內一些學者對于動態表皮提升室內舒適度進行了相應的研究。

部分學者從適應性價值角度對建筑表皮進行了相應的研究。李芃等學者梳理了建筑表皮對建筑形體、空間的塑造作用，提出了建筑表皮對于建筑本身的價值闡述。

熱環境因素是對建筑室內舒適度影響最大的，室內外熱量傳遞的主要方式有：熱對流、熱輻射和熱傳導。常用的評價室內熱環境的指標有：黑球溫度WBGT、生理等效溫度PET 和熱舒適度指數PMV 等，其中最常用的是PMV，它充分考慮了室內空氣溫度、空氣濕度、氣流狀況、平均輻射溫度等四個環境因素。

全新富氧煤粉側吹還原工藝處理紅土鎳礦工藝特點：①采用粉煤和煤，成本低；②煙氣利用余熱鍋爐回收余熱，特別是二次燃燒熱。得到的蒸汽可用作發電或其他生產用途；③鎳鐵品位控制靈活。

還有一些學者從室內物理環境的角度對動態表皮開展了相應的研究。馮剛等學者通過軟件模擬分析的方式，提出了動態表皮構件提升室內光環境的設計方法

。李保峰等學者提出了夏季雙層表皮提升室內熱環境的設計策略，并通過實驗監測得到的數據驗證了雙層表皮的實際性能

。高金峰等學者通過文獻研究得出了動態表皮構件的不同形式，強調了動態表皮對于室內風環境的調節作用

。

徐州市地處蘇魯豫皖四省交界處，素有“五省通衢”、“五通匯流”、“淮海商埠”之稱。2000 年起，隨著人居規模發展和城市規模的擴張以及古彭廣場的改造、中心商圈的崛起，徐州市的商業格局開始發生改變。商圈從“集中與分散相結合”到“中心商圈—商業綜合體”的布局不斷演化。2010年以前的徐州商業的業態格局主要以大型綜合商場、中型百貨商店、零售超市為主。2013年云龍萬達商業綜合體運營，直到最近三胞廣場開業，短短5年內商業空間發生了巨大的轉變，商業綜合體發展迅速。如云龍萬達商業綜合體成為徐州東部地區的城市副中心；三胞廣場加速了南區商圈的形成；美的廣場填補了新城區的商業空白等（如表1所示）。

通過對既有的研究梳理可知，目前國外對于動態表皮的研究已趨于成熟，應用廣泛。國內學者對于動態表皮和室內舒適度的研究較為零散，缺乏系統性。文章通過對國內外既有案例的分析，系統梳理了動態表皮提升室內舒適度的設計方法，以期對國內動態表皮研究起到一定的參考作用。

3 影響室內舒適度的環境因素

3.1 風環境因素

過濾后的熱榨漢麻籽油外觀顏色為深墨綠色，油脂透明，有香濃油味；冷榨漢麻籽油外觀顏色為淺墨綠色，油脂透明，有清香的油味。從圖1漢麻籽油剛壓榨后過濾的照片看出，熱榨油比冷榨油顏色深，可能的原因是熱榨油壓榨條件溫度較高，油脂中含有較多的有色色素。同種榨油方式在不同儲存條件顏色不同，可能的原因是油脂中含有色素的物質發生了變化。筆者將低溫避光作為其他儲存方式的對照，原因是低溫油脂較穩定。

良好的自然通風可以顯著提升室內的舒適度，通過自然通風強化室內外的風循環系統，利用室外冷風帶走室內熱量，從而減少空調的使用，降低能源消耗。根據原理的不同，可以將通風方式分為兩種：一種是機械通風，主要利用機械設備，如新風機等實現對室內風環境的控制；另一種是不需要利用機械設備的自然通風，主要通過調整建筑朝向、開窗位置和功能布局等優化室內風環境。

獸醫臨床上,隨著抗生素的大量使用,細菌耐藥性問題逐漸凸顯。與抗生素相比,溶葡萄球菌酶專一降解細菌細胞壁肽聚糖成分中的甘氨酸肽鍵,使細菌因細胞壁溶解而死亡。因為獨特的殺菌機制和純生物特性,使其不易產生耐藥性和毒副作用。加上溶菌酶的復配,不僅擴大了殺菌譜,還增強了溶葡萄球菌酶的殺菌效率[10]。

3.2 光環境因素

不同的室內環境因素所需要的動態表皮形式也不盡相同，此次將對室內風、光、熱等環境因素的動態表皮設計進行分類研究。

黃玲說這個傷疤是她曾經的丈夫給她的，現在，他在監獄。他們是在2010年8月經人介紹相親認識的，9月就結了婚。結婚之后剛開始兩人相處得還不錯，很快，黃玲就懷上了孩子，原本以為幸福的生活會這樣延續下去。沒想到后來她的丈夫就開始酗酒，每次喝完酒就會打她，眼角的傷疤，就是有一次他的丈夫用啤酒瓶打傷的，而那一次，她也失去了孩子。

3.3 熱環境因素

其次，從動態層面來看，嚴格限制農用地轉為建設用地，對建設用地實行總量控制和對耕地實行特殊保護乃是土地用途管制權概念的動態化表達。我國1998年《土地管理法》修訂時，所確立的土地用途管制法律制度，就是針對在當時耕地資源大量銳減，土地利用失控的背景下，為有效保護耕地資源而實行的一項非常嚴格的土地管理制度。這一制度的確立借助于建設用地的總量控制和耕地資源的特殊保護兩項配套制度來實現其有效運行的目標。

熱環境在夏季和冬季對室內的影響最為顯著。夏季室外熱量傳入室內，冬季室內熱量傳入室外。熱量的傳遞破壞了室內的熱平衡，造成人體的不舒適，需要通過機械設備維持室內的熱舒適，這就造成了能源的嚴重浪費。室內外熱量主要是通過建筑表皮進行傳遞，因此國內外許多建筑通過靈活可變的動態表皮來應對夏季和冬季的極端氣候。

4 基于環境因素變化的動態表皮系統設計

動態表皮集合了建筑、結構、自動化等多學科專業技術，對于室內舒適度的調控主要是通過感應器對室內外環境進行感應，并通過設備控制表皮單元的大小和方向，控制室內外風、光和熱等自然因素的交換，維持室內熱舒適平衡，進而降低建筑能耗

。

室內良好的天然采光可以有效地提升室內的舒適度，減少人工照明，降低能耗。但不同的建筑對于光的需求也不盡相同，如展覽一類的建筑需要相對暗一些的環境，醫療建筑則需要均勻的光照等；而針對同一建筑一天內的不同時段，光環境的變化也會對舒適度產生一定的影響，如早晚相對較暗需要更多的自然光，而正午光線較強會產生眩光，因此需要降低光照強度，提高采光均勻度。

光在提高室內亮度的同時還會帶來太陽輻射熱，因此建筑表皮設計需要分不同時段綜合考慮兩種因素。夏季氣溫較高需要降低進入室內的太陽輻射熱，冬季氣溫較低需要提高進入室內的太陽輻射熱。

4.1 通風設計

自然通風可以促進身體與周圍空氣的熱交換保持人體舒適，并降低機械通風設備的運行能耗

。利用動態表皮實現對風速和風向的有效控制，為室內提供舒適的風環境。例如海南省海口大廈就是室內風環境和動態表皮設計的代表性案例。海口大廈地處海南省屬于夏熱冬暖氣候區，需要考慮夏季防熱，因此建筑通風尤為重要。海口大廈2 號樓的平面類似于卵形，建筑布局朝向和平面空間的設計都是為了更好地順應自然風，在外界風環境的作用下，室內形成正壓區，在外部空間形成負壓區，內外風壓差強化了建筑的整體通風效果。

除了利用整體布局設計加強建筑通風外，還運用了動態表皮設計進一步強化了建筑的通風效果。通過設計一種可人工開啟的“鰭”，根據室內的溫度自行控制“鰭”的開關。當室內溫度較高時，通過控制開關把“鰭”打開，利用自然風帶走室內的熱量；當室內溫度較低時，把“鰭”關閉，維持室內溫度。

4.2 采光設計

動態表皮對于光的控制較為簡單，能夠通過轉動、折疊、滑動等方式改變光照面積。此外結合材料的反射能力，還能改變光照的方向。如果與照度監測設備相結合，還可以通過計算機的自動化控制系統最大限度地利用自然采光，滿足室內光照需求。

同時，動態立面的變化也使室內形成了一種神秘的光影變化。這種類似于相機光圈的變化，使得室內的光斑具有韻律和幾何的美感

。如巴黎阿拉伯世界研究中心就是室內光環境動態表皮設計的代表性案例，阿拉伯世界研究中心的建筑表皮是由一個個可旋轉的正六邊形單元構件組成，如圖1 所示。通過單元構件的旋轉調節進入室內的光線，當室內較亮時，構件旋轉到與光線垂直，減少光線進入室內的量；當室內較暗時，構件旋轉到與光線平行，增大光線進入室內的量。

4.3 遮陽設計

傳統遮陽構件形式單一，無法滿足不同季節人們對于太陽輻射熱的需求。因此為了更好地應對不斷變化的室外氣候，提升室內舒適度，需要靈活可變的動態遮陽構件

。根據原理的不同，動態遮陽分為兩種：一種是不利用機械設備的被動式遮陽；另一種則是通過設備控制遮陽系統的主動式遮陽。

4.3.1 被動式遮陽

基于動態表皮的主動式遮陽設計可以結合陽光房、中庭等空間綜合利用太陽輻射熱，如圖3 所示。在不同時間或不同季節，對陽光房、中庭的熱量需求也有所不同，夏季溫度較高，通過構建旋轉展開遮陽板，減少進入陽光房等房間的太陽輻射熱；冬季溫度較低，通過構建旋轉收縮遮陽板，增加進入陽光房等房間的太陽輻射熱提高室內熱舒適度，實現全季節的動態調控

。同時利用主動式遮陽的可調節性結合監控和計算機自動化控制裝置，將白天多余的熱量存儲在中庭、陽光房等房間內，晚上溫度下降，再將白天存儲的熱量釋放進入室內，維持室內的熱舒適平衡，實現全天候的動態調控。

4.3.2 主動式遮陽

主動式遮陽通過引入機械設備調控，操作起來更加靈活多變，涵蓋了折疊、位移、多維旋轉、充氣等多種形式。主動式遮陽系統可以根據使用者的喜好自由的調節，真正意義上實現了全季節、全天候、全方位的動態調控。

被動式遮陽是一種結合自然生態系統的遮陽方式，常見的形式是在建筑外部構建垂直綠化系統，如圖2 所示。利用植物的生長規律，夏季茂盛的植物正好形成了一道天然的遮陽屏障；冬季植物葉片凋零，增加了太陽輻射熱的入射量，可以提高室內溫度。垂直綠化系統可以說是動態表皮最簡單、最有效的利用方式。這種方式不僅可以提升室內熱舒適，還具有很好的裝飾效果。

(2)從旅游區位熵來看，黃山市、池州市、安慶市、宣城市、合肥市、蕪湖市、六安市為旅游發展優勢區域，其他城市旅游發展狀況一般，為一般旅游區域．

元數據是地理信息系統數據庫建設的基礎，是一種對城市各類數據的描述性數據信息，具有數據共享的特征。隨著數字化城市建設進程的加快，導致社會各行各業對準確的、詳實的多源數據的需求日益增加，加之各類數據庫的逐步普及，不同用戶對數據需求的差異，促進不同結構數據之間的轉化、更新、檢索，甚至是數據集成等都離不開元數據。元數據有利于空間數據的生產和相互轉化利用，使得元數據成為建設地理信息系統數據庫的重要橋梁。

5 基于環境因素變化的動態表皮構件設計

5.1 動態表皮構建單元形式設計

動態表皮單元形式分為規則和不規則兩種，常見的外形有三角形、矩形、六邊形、弧形、扇形等。表皮單元通過鋼結構骨架附著在建筑外側，呈現出密集且有規律性的排布。排布形式需要根據建筑功能、結構形式、結構穩定性等方面共同決定。

5.2 動態表皮構件單元尺寸設計

動態表皮單元尺寸的設計應與建筑整體相協調，特別是層與層之間需要考慮構建的銜接問題。較大的單元構件不僅安裝、運輸成本較高，對于結構的力學性能要求更高，轉動所消耗的能量更多。

較小的單元構件會增加設備故障的概率，維護成本較高。根據建筑高度，合理地設計動態單元組件，可以有效地提高運行效率，降低維護費用。

5.3 動態表皮構件單元運動方式設計

動態表皮構件的運動方式有轉動、縮放、移動、折疊、扭轉等幾類，更多的是將幾種方式結合起來的復合運動方式。但過于復雜的構件轉動方式會提升構件損壞的概率，降低構建的使用壽命，增加維護成本，因此在構建運動方式的設計上應盡量采用簡單的復合運動方式。

5.4 動態表皮構件單元材料設計

動態表皮位于建筑最外部需要承受極端氣候的侵蝕，所以材料的選擇十分重要，一般多采用高強度、輕質、堅韌的材料。材料的選擇不僅限于金屬材料，還可以選擇與光伏等多晶硅構件結合，節能的同時向外界輸送電能。或者選擇與綠植等生態表皮結合，形成垂直綠化景觀。

6 結語

創造一個舒適的居住環境是建筑師不懈追求的目標，無論是對既有項目的改造亦或是新建項目，動態表皮在建筑的節能和提高室內舒適度等方面都發揮著巨大的作用。文章采用案例分析的方法，針對影響室內舒適度的風、光、熱等環境因素進行分析，從宏觀到微觀分層次提出基于環境因素變化的動態表皮設計方法。以期為今后的動態表皮設計提供一定借鑒。

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