基于數字技術的建筑互動表皮設計研究

摘 "要：近年來，國內一些建筑設計領域的學者通過數字技術手段對建筑互動表皮設計的研究已積累了大量知識成果，并沿著多樣化、智能化探索不斷擴展。本文首先梳理了近十幾年來國內高校建筑學科基于數字技術在建筑互動表皮設計方向的文獻言論、搭建原型以及實踐成果，總結并歸納出這些設計成果的研究重點和具體內容，根據相關資料對當下現狀進行了分析，以期為未來的建筑互動表皮設計實踐提供相應的理論參考。

關鍵詞：數字技術；建筑表皮；互動設計

從工業時代到智能時代，數字化技術與多學科融合的成果不斷影響著中國建筑師的設計思維與設計方式。在克勞斯·施瓦布的《第四次工業革命》一書中，詳盡闡述了可植入科技、大數據分析、物聯網、智慧城市、3D打印、無人駕駛、人工智能、工業機器人、區塊鏈科技等數字化技術對我們社會產生的巨大影響。特別是中國作為制造業強國，在當前階段，存在著傳統轉型和產業升級等嚴峻問題。在這次技術改革中，數字化技術不僅打破了人們對于建筑的傳統理解，而且逐漸地介入到建筑設計流程中來。建筑互動表皮作為數字化技術與多學科融合的成果，其工作原理是通過傳感器與計算機的介入建立建筑表皮與外界環境的動態聯系，達到即時響應環境變化[1]。建筑互動表皮可以有效地節約自然資源、減少碳排放量、降低建筑能耗，達到調節室內環境作用，賦予建筑表皮新的美學內涵。本文從近年來國內高校建筑互動表皮設計的研究成果出發，整理歸納了基于數字化技術的建筑互動表皮設計。一部分內容是建筑互動表皮設計策略，另一部分則是互動表皮的物理原型開發，總結歸納其中的研究難點，開拓對建筑互動表皮設計的思考，以期在建筑實踐中作進一步的探索。

一、建筑互動表皮

2011年，以著名建筑師邁克爾·斯泰西為代表召開的“適應性建筑”（Adaptive Architecture‖） 會議在倫敦建筑中心舉行。作為一場互動建筑領域里開創性的會議，首次提出互動建筑的四個主要研究方向：建筑互動表皮、可轉變結構、仿生材料以及智能系統。在越來越重視環境保護與建筑能耗問題的今天，表皮作為建筑環境的界面與能耗的調節者，對于它的互動設計已成為當下建筑學科的熱門研究領域之一。建筑表皮互動可以采用不同的設計方式來進行對風環境、熱環境、光環境、雨水、光伏發電等環境影響因素的調節。其中包括互動表皮遮陽系統、智能材料互動、充氣式互動表皮、功能互動表皮，還有一些則是作為媒介的表皮，利用光、聲、感帶給人視覺、聽覺、觸覺的感官互動，并以此來表達某種建筑精神內涵與文化隱喻。

1987年，在法國巴黎落成的阿拉伯世界文化服務中心（Arab World Institute）是首個擁有建筑互動表皮系統的大型建筑項目，開創了互動表皮設計的先河。該建筑表皮的互動系統設計相對復雜，整個系統由大概30000個光敏膜組成且表皮材料主要是鋁和玻璃，在構造形式上采用了一種如同照相機光圈般的百葉機械裝置，工作原理是外部機械表皮根據太陽的位置，通過機械系統控制改變開孔率大小從而控制光亮和透明度，以此來維護建筑內部適宜的光環境。雖然在不久之后，因為機械系統故障和后期維護成本太過于昂貴這兩個主要原因，該表皮的機械系統不再被使用，但是這是互動技術在建筑表皮上的一次舉足輕重的實踐，對后來的互動表皮理論與事件發展具有積極的推動作用。

二、基于數字技術的建筑互動表皮設計研究

（一）設計策略與實踐研究

國內的建筑院校教學研究較于國外起步相對晚一些，但是隨著國內研發技術能力和建筑學的快速發展，也出現了越來越成熟的有關建筑互動表皮領域的研究成果。在學術理論方面，以設計策略研究具多，為后期的實踐探索打下了一定的理論基礎。在設計實踐方面，主要以實驗物理原型開發為主。原型開發一直是互動建筑研究過程中最關鍵的環節之一。原型的作用是讓設計師能夠在一系列特定條件下對物理模型進行測試實驗和仿真體驗。實驗后的物理模型可直接轉變為實際應用，應用的結果又可檢驗原型設計是否在實踐中可行，最后將收集的數據結果在專業分析軟件中進行對比研究并進行方案優化設計。

1.互動表皮類型化研究

哈爾濱工業大學虞剛教授的團隊一直聚焦于在互動建筑領域進行類型化的研究。該團隊分別從表皮、結構、空間、媒體等多個設計載體進行有關互動原型的實驗，如表皮互動原型——動態立面（DYNAMIC FACADE）、結構互動原型——葉亭（LEAVES PAVILION）、媒體互動原型——信息門（HEXAGON INFO-WALL）、空間互動原型——動態交織（DYNAMIC INTERLEAVING）等。其原型的實驗過程可以被分為四個環節：設計初期階段構想、互動實體模型設計、互動控制系統設計以及數控制造與組裝。這些研究成果被詳細地記錄在虞剛教授發表的《走向互動建筑》這本著作中，其中闡述了他近幾年在互動建筑上的類型化研究，方便讀者清楚地了解有關互動建筑的基本形式和其設計過程[2]。

2.互動表皮設計方法研究

由廈門大學石峰教授的團隊創建的XMU數字建造社自2020年開始舉辦數字建造營培訓活動，致力于建造為學生提供多樣性探索數字化設計的平臺。在第2期數字建造營結營成果中，石峰教授所指導的學生成果主要以為仿生建筑表皮和互動建筑模塊設計方法為主，學生通過grasshopper工具和使用Java等編程語言，生成了一系列可動建筑表皮設計方案。如基于含羞草運動模式的可變建筑表皮、響應風速的可變氣動表皮以及基于采光的可動建筑表皮等。這樣的生成設計突破了傳統建筑師的手與腦的限制，實踐了“形式追隨性能”的設計范式。通過代碼邏輯與數控機器的結合，創作者能夠生產一系列個性化定制的建筑產品。數字化的設計與建造方法讓設計思維更加理性，并賦予了可動建筑表皮更多的想象空間。除此之外，在石峰教授撰寫的文章中，還展示了多種基于建筑物理環境性能優化的可變建筑表皮的參數化設計方法，并提出了其設計步驟細節[3]。

3.互動表皮形式美學研究

在2020國際人居環境與未來城市大會上，天津大學馮剛教授分享了題為“形態可變的建筑表皮系統設計”[4]的研究匯報，歸納總結了動態表皮可變單元常見設計方式。在教學與設計實踐中，馮剛教授的團隊一直致力于動態建筑表皮的研究，試圖通過建筑表皮的運動模式來達到優化室內物理環境的目標，并同時關注動態的建筑形式美學。該團隊近期在智能材料在動態表皮的應用上做了一系列研究，例如從動態表皮材料入手，將玻璃纖維鋁箔貼紙與椴木板進行搭配組合，并利用材料吸熱膨脹率差異的特性，讓組合材料產生彎曲或者復原的形態，通過形狀變化的材料實現表皮智能可變。在對表皮原型進行多次測試之后，馮剛教授的團隊又將該原型應用在室內與建筑設計實踐中。第一個表皮實踐是應用在室內設計中，開發一款酒店衛生間的遮擋軟裝產品（如圖1），當淋浴噴頭產生水汽，墻壁就會像花一樣打開；而在如廁時，材料關閉孔洞起到遮蔽作用。材料的疏密程度經過設計，能保證在低處的材料尺度小且密集，在高處的材料較大且稀疏，以保證視線隱約的效果。而第二個表皮實踐的花房濕敏智能表皮設計則是在第一個設計的基礎之上的優化升級（如圖2）。其設計是具體探討材料的纖維方向以及不同的組合方式能夠形成怎樣的孔洞形態，進而開發出了更大尺度、更強耐久性的材料能夠應用在建筑中的場景。設計目的是為了在陽光充足的時候表皮自動打開引入自然光，同時也可以吸引更多的人到建筑中來，亦或是在晚上的時候打開表皮讓光線散出來，讓此處成為一個更加吸引人的場所。

4.建筑互動遮陽表皮研究

自2009年9月開始至今，湖南大學的胡骉教授團隊就已經進行了多次有關于建筑互動遮陽表皮設計的數字建筑Workshop。工作營因地制宜地充分發揮湖南大學學科交叉優勢，從本校的設計藝術學院工業設計系請來師生作為指導教師，幫助營員解決建模和編程的掃盲學習，并在胡骉老師的帶領下有計劃地組織學生以小組為單位，對建筑互動遮陽表皮進行方案設計。值得一提的是每屆工作營一直都是堅持以實物落地建造為結營成果，為建筑互動遮陽表皮的設計探索提供了實踐性研究。湖南大學建筑學院老系樓門廳數字遮陽頂棚設計是2012年Workshop的結營成果，該項目由312個相似四邊形為基礎的通透多面體組成連續曲面，隨著位置的移動，通過調節控制Rhino模型的Grasshopper的設計參數，多面體的遮陽角度會隨著太陽照射角度的變化而變化[5]。長沙市特殊教育學校建筑互動遮陽表皮是湖南大學胡骉教授團隊2022年落成的項目（如圖3）。項目由一套建筑互動遮陽表皮互動控制系統所主導。該系統分為交互式控制系統與程序式控制系統，當交互式控制系統的光敏傳感器接收到外界光線環境變化信息，觸發程序式控制系統，將信號轉換為機械運動，從而控制機械傳動實現遮陽扇葉的折疊運動，有效解決了廊道內的遮陽問題。

（二）基于數字技術研究的趨勢

從前文的內容我們不難看出，高校建筑學科在互動建筑方面的研究，早已跨過了理論基礎方面研究，來到設計裝置開發和實際項目應用的階段。無論是致力于互動建筑與智能建造的哈爾濱工業大學（深圳）建筑學院互動建筑設計課程，還是關注于多樣性探索互動表皮設計的廈門大學建筑與土木工程學院XMU數字建造社，這些研究團隊所產出的成果均表明，互動技術本身所提供的支持已經遠遠超過建筑學對互動技術的理解和需求[6]。建筑設計者將不再被技術的問題所限制，僅需利用好現有的開源資源，就可創造出建筑互動表皮不同的可能性。根據近幾年高校建筑學科基于數字技術在建筑互動表皮設計方向的研究趨勢來看（如表1），未來的互動建筑表皮研究將有可能聚焦以下幾個方面：1.互動表皮材料響應環境變化；2.互動表皮響應使用者行為；3.建筑表皮互動控制系統設計；4.建筑互動表皮的施工技術等。這些研究將會以互動裝置原型設計作為實驗重點，其原型開發程度將會決定建筑互動表皮的實際應用效果。通過大量類型化實驗與讓建筑具有了更多的表皮智能化屬性，實現了與環境因素的交流，加快了城市向建筑智能化、建成環境智慧化的轉變。

（三）互動控制系統的開發

建筑互動表皮的實踐應用離不開互動原型的設計，互動原型的核心部分是互動控制系統的開發，而開發系統則是整個研究中的關鍵所在。筆者基于以往所在設計團隊研發的建筑互動表皮案例，提出了一種新的互動控制系統設計思路（如圖4）。根據功能將互動控制系統分為交互模塊與動態模塊，交互模塊可由環境變化的使用者的行為進行激活，動態模塊在交互模塊的控制下進行動作響應。交互模塊包括傳感器與反饋裝置，運動模塊包括信號運算裝置、電機驅動裝置以及機械傳動裝置，電機驅動裝置和機械傳動裝置可分為整體成組式和單元體活動式。與以往的表皮控制系統不同的是，此系統在交互模塊增加了反饋系統，通過反饋來尋求優化設計方案，達到閉環式的設計尋優，形成自上而下的整體的互動控制系統。利用該系統設計成的建筑互動遮陽表皮可根據光線的強度變化改變動態模式，通過花瓣狀的遮陽板進行閉合或者打開，達到即時響應互動遮陽采光的效果。

圖4 互動控制系統設計（圖片來源：筆者自繪）

三、總結與展望

綜上，經過10余年的努力，我國高校建筑學科基于數字技術在建筑互動表皮設計的研究已形成了一定的規模，一些成果已應用于實踐項目和課程教學，其內容涉及到建筑、機械、藝術、計算機科學、材料等學科知識交叉范疇。互動表皮的出圈是在挑戰建筑師對傳統建筑表皮的理解、重塑人們的日常生活、推動建筑從“靜”到“動”的轉型?；颖砥ぷ钤绯霈F的起因是因居住者防御外界惡劣環境的需求。時至今日，數字技術雖然在不斷地迭代和革新，但其根本地目的依舊是為了給居住者營造一個舒適的生存環境。與以往不同的是，作為建筑互動表皮的設計者，從設計階段開始，就要更多地注重如何做到節能減排與可持續發展，踐行綠色建造理念，將智能與環保有效地融合到設計中，為我國建筑行業綠色發展做出貢獻。

參考文獻：

[1]胡骉，王禹淳.建筑表皮互動遮陽系統設計研究探析[J].中外建筑，2022（3）：44-50.

[2]虞剛.走向互動建筑[M].南京：江蘇鳳凰科技出版社，2017.

[3]崔艷秋，孫文博，薛小川，等.基于光熱環境優化的動態建筑表皮單元運動方式研究——以旋轉表皮為例[J].建筑節能，2022（10）：31-38.

[4]馮剛，陳達，苗展堂.“動態封裝”——可變建筑表皮系統設計研究[J].建筑師，2018（1）：116-123.

[5]胡骉.透明表皮——湖南大學建筑學院老系樓門廳數字遮陽頂棚設計[J].城市建筑，2013（19）：106-109.

[6]虞剛，李力.建筑作為互動——以東南大學四年級建筑設計課程為例[J].世界建筑，2018（7）：111-115，123.

作者簡介：王禹淳，碩士，惠州學院美術與設計學院專任教師。