動態建筑設計理念和方法研究

方幫華 王光照

1. 中國市政工程中南設計研究總院有限公司 湖北 武漢 430010；

2. 徐輝設計股份有限公司 河南 鄭州 450000

引言

隨著城鎮化的推進和經濟快速發展，越來越多的人口向城市聚集，對建筑質量的要求也越來越高。在此過程中，建筑物也應順應社會文化發展方向，以多元化的形式融入城市中，為居民的工作和生活提供更加舒適的空間。在此背景下，有學者就提出了“動態建筑”設計理論，即借助各種連接、齒輪、控制系統等使建筑物實現旋轉、伸縮、折疊、移動等。由于，動態建筑在我國起步較晚，且涉及多學科的交叉整合，使得相關設計理論并不成熟，可以參考的落地項目少。同時，設計人員對動態建筑理解較膚淺，難以制定出合理的設計方案，因此，進一步研究動態建筑設計方法具有重要的工程意義[1]。

1 動態建筑表現特征和實現手段分析

1.1 動態建筑表現特征

動態建筑目前并沒有統一的分類方法，按結構類型可劃分為支撐結構件可動、外圍護結構件可動、內部空間分隔結構件可動、裝飾性結構件可動等；按動態變化范圍可劃分為混合變化和單一的變化，不論按何種方式進行劃分，動態建筑都呈現以下特征[2]。

1.1.1 空間可塑性。建筑空間不僅承載使用功能，還要能體現出場所精神，故空間塑造的好壞是評判建筑物設計水平的重要因素。一般建筑對空間的塑造是靜態的，本質上由多個固定的空間組成。動態空間則恰恰相反，可以將多個空間重新進行塑造，利用不同空間的優勢，通過垂直、水平等不同移動方向進行空間劃分，打通各空間之間的距離以及相互關系，打造更舒適的居住體驗環境，提升建筑空間活力。

1.1.2 需求響應性。動態建筑的需求響應特征主要體現在兩方面。一是對功能需求的響應。人可以根據自身需求對動態建筑不斷進行調整，達到改善條件的目的，通過人為干預使得功能需求響應處于被動狀態；二是建筑內部隨著環境也會發生不同響應。外界的溫度。濕度等環境都會成為影響因素，這時可設置電子感應設備來判斷這種變化，從自動調整建筑物的內部環境，使其保持在一個較舒適的狀態。由此可知，建筑物對環境變化的響應屬于主動式響應。

1.1.3 技術可行性。動態建筑內部結構較為繁雜，各空間、各構造元素之間都錯綜復雜，要實現動態功能，一定要有體系化的設計方案和專業的技術支持。這就需要一套全面的控制系統，通過主控制器、運動控制器等實現對建筑各空間位置、運動速度等的移動。運動控制系統組成及功能如表1所示[3]。

表1 動態建筑的運動控制系統

1.2 動態建筑實現手段

1.2.1 活動關節。在動態建筑中，應設置活動關節將靜態原件連接，轉化為活動部件。活動關節不僅要傳遞荷載，還要能在某些方向上相對移動。在設計動態建筑時，常用的活動關節有旋轉關節和軸承連接兩類。

旋轉關節是繞軸轉動的鉸接元件間的典型連接（只有單一的旋轉自由度），包括鉸鏈、轉動副等，其主要作用是打開或關閉它們所連接的部件[4]；

軸承連接又分為滑動和滾動兩類，液體具有潤滑作用，通過滑動摩擦，可將滑動表面相互阻隔，減輕表面相互磨損，抗沖擊能力輕；滾動軸承由內圈、外圈、滾動體和保持架組成，具有維護簡單、成本低等優點，但在沖擊力作用下易損壞。

1.2.2 齒輪和傳動器。齒輪將能調節動力或改變作用力的方向，將建筑物動態可變因素的運動方式進行轉換。而傳動器可將動力轉換為機械功，即利用靜態部件（定子）和運動部件（轉子或電樞）的排列和連接，產生旋轉、滑動、折疊等運動。

1.2.3 材料。相關研究成果表明，材料類型和占比會影響動態建筑物整體移動情況，選取輕盈的材料在使用上更靈活多變，各個空間結構越容易調節，且各動態元素間的連接越緊密。動態建筑可移動部件常用的材料有金屬（鐵、鋁、銅、鋅等）、高分子聚合物、天然材料（竹子、皮革等）、碳纖維。

1.2.4 動力系統。動力系統是指整體設備中需要動力機（電動機、液壓馬達、氣動馬達等）來帶動工作，通過動力實現建筑的位移和轉換，達到空間的協調和最佳舒適度。

2 動態建筑設計方法

2.1 生成設計方案

由上可知，動態可變是動態建筑最關鍵的特征，故共動態建筑在設計階段應重點關注可變方式的選擇和相關技術的應用。本文結合國內外工程案例，對旋轉、伸縮、折疊、移動等可變方式進行詳細闡述。

2.1.1 旋轉。一般來說，人們對于居住建筑環境的朝向更為在意，此時便凸顯出旋轉的重要，以一個點為中心像周圍轉動，通過旋轉實現朝向的變化。可旋轉動態建筑物的起始形態和最終形態是固定的，在旋轉過程中會呈現各種形態以適應外界環境變化。以圖1所示的沙里夫哈住宅（Shanfi-ha）為例[5]：為了確保建筑空間在不同時間段都能獲取較優質的光照，采用“旋轉盒子”的設計理念，如圖當盒子打開時，光源可在不同時間通過不同旋轉角度進入房間且人可進入陽臺活動，當建筑不想受大量光照時，又可通過旋轉盒子關閉，進入封閉狀態。

圖1 沙里夫哈住宅旋轉形態

2.1.2 伸縮。伸縮屬于微變形，包括伸展和收縮兩層含義。在動態建筑設計時，一般是將小截面構件放進大截面空心構件中，以實現增大或減少建筑物空間的目標。建筑物構件伸縮后，其長度、表面積等物理屬性會變化，但功能基本不變。因此，動態建筑的伸縮效果主要受伸縮方向、伸縮距離兩個因素影響。

2.1.3 折疊。折疊與伸縮的區別在于維度，折疊屬于二維變形，但兩者的功能相差不大，都是通過改變構件間的連接關系來控制建筑物空間。動態建筑物的折疊有兩大特征：①體積。通過一個中心軸的壓縮，體積會發生變化，隨著軸方向上的體積不斷縮小，另一邊就會不斷變大；②性能。折疊變形應是可逆的，這就決定了建筑物功能在折疊前后是相差不大的。動態建筑物的折疊效果與折疊時所選取的軸、方向和角度都有關系，其中選擇軸作為基點尤為重要，方向和角度直接影響建筑物折疊程度和折疊效果。

2.1.4 移動。移動是最普遍的物體運動方式，根據軌跡不同，可劃分為水平移動、垂直移動、斜向移動等。動態建筑移動前后只是位置變化，功能仍保持不變，其移動效果只與移動方向、移動距離相關。

2.2 合理性驗證

為了確保圖紙上的動態建筑方案能轉化成實際工程，應當針對建筑方案開展合理性驗證，如建筑構件變動后使用功能是否滿足要求、內部與外部流線是否暢通；機械傳動機構能否確保建筑構件的穩定變動；驅動設備是否可以為建筑構件變動提供足夠的動力。上述技術問題均可利用模擬軟件或3D打印機等方式進行驗證。

3 動態建筑設計案例分析

本文基于上述動態建筑設計理念和設計方法，對某紀念館進行設計。紀念館建筑中的可動元素從景觀體驗、展覽、環境適應等方面進行設計。

3.1 景觀體驗

在建筑物東側觀景部分設置可設計動態框架（可滑動伸縮）。框架的可伸出部分設計為玻璃框架，而在建筑物內活動的部分設計成半圍合框架。在晴朗天氣下，動態框架收入建筑中，游客可進入室外平臺觀賞內部景觀；在連續降雨或大風等不良天氣下，動態框架伸出建筑外，罩住室外平臺，使其成為室內空間的一部分。

3.2 展覽

將建筑物展廳設置為鋼框架結構，外部覆蓋玻璃幕墻，框架內設置可升降樓板，可結合展覽內容，隨意升降變動，形成具有一定特色的展覽空間。同時，為了確保提升動態展覽空間的安全性，建議在鋼框架結構的頂部設置可移動玻璃欄桿，以保證游客在觀賞期間的安全性。

3.3 環境適應

在展廳玻璃幕墻的外圍設置可旋轉的鋁制遮陽板，設置效果見圖2。遮陽板能夠根據室外陽光強度和照射方向旋轉，以動態調節展廳內的溫度和光照強度。在冬季低溫寒冷天氣，可將遮陽板大角度轉動，使展廳內得到更多光照，提高室內溫度；在夏季炎熱天氣，遮陽板可以隨陽光照射角轉動，遮蔽陽光，避免室內溫度過高。

圖2 遮陽板旋轉前后狀態

4 結束語

本文分析了動態建筑的表現特征、實現手段及設計方法，并依托某實例闡述了具體設計方案，研究成果表明動態建筑具有空間可塑性、需求響應性、技術可行性，其主要實現手段包括旋轉關節、軸承連接、齒輪、動器、材料、動力系統等。同時，動態建筑在具體設計時，可采用旋轉、伸縮、折疊、移動等變形方式。為了確保動態建筑設計方案能轉化為實際工程項目，還需要對方案進行合理性驗證。雖然目前動態建筑設計理論不完善，落地項目較少，但隨著建設技術的發展，未來有良好的前景。