高層建筑動態智能化低能耗表皮設計研究

摘 要：高層建筑能源消耗巨大，傳統高層建筑表皮具有防護和承重的功能，但對外部物理環境與使用者之間的調節能力不足，制約了高層建筑降低能耗的潛力。隨著結構技術和智能化技術的發展，高層建筑表皮逐漸從原來的承重結構中脫離出來，并呈現出智能化演進趨勢。本文旨在分析高層建筑動態智能化表皮針對室外光環境、熱環境、風環境等因素的氣候適應性，對高層建筑動態智能化表皮的工程進行實踐探索。

關鍵詞：高層建筑；動態智能化表皮；氣候適應性；低能耗

中圖分類號：TU 201 " "文獻標志碼：A

高層建筑可以節約城市土地資源，在建造到運營的整個過程中都需要消耗大量的能源。統計顯示，大型高層建筑總能源消耗相當于普通公共建筑的6～8倍。其主要原因是高層建筑巨大的體量及表面積與外界自然環境有密切能量交換。建筑表皮是室內外環境的交互界面，通過建筑表皮流失的熱量是建筑能耗的主要部分，尤其是玻璃表皮。研究表明，玻璃表皮的熱量流失可占建筑表面積流失熱量的20%～40%。因此，控制建筑表皮熱量流失是降低高層建筑能耗的策略[1]。

目前，隨著人工智能技術和結構技術的發展，建筑表皮動態智能化設計成為建筑表皮發展的新趨勢。與傳統的固定式表皮相比，建筑動態智能化表皮具有更大的靈活性，對建筑外部物理環境具有更好的適應、調節能力。

1 高層建筑動態智能化表皮的氣候適應性

戈特弗里德·森佩爾（Glttfried·Semper）曾在關于“形式”的討論課中提出：建筑的表皮就是一種‘覆蓋’，水平屋面抵擋氣候的影響，豎向墻體抵擋野獸的攻擊。

顯然，早期建筑表皮的主要功能是防護和承重。隨著技術、經濟的發展，建筑表皮逐漸具有了相對獨立性。在工業革命后，建筑表皮從原來的承重結構中逐漸脫離出來，鐵和玻璃讓建筑表皮設計有了全新的理念。隨著全球性生態問題的日益凸顯，建筑師們開始嘗試設計適應氣候的建筑表皮[2]。目前，建筑表皮不僅是簡單的維護空間和裝飾作用，還充當了建筑“外部環境的過濾器”[3]。高層建筑動態智能化表皮設計的關鍵就是最大程度地利用外部環境的有利因素，減少外部環境的不利因素。

傳統靜態的高層建筑表皮是消極而被動的，對外部環境波動缺乏有效的適應能力。而動態建筑表皮作為一個多功能的構件集合，充當了室內外能量交換的調節適應系統，對高層建筑的內外環境狀態和建筑能耗有重大影響，如圖1所示[4]。

2 高層建筑動態智能化表皮的氣候適應性類型分析

2.1 針對光環境適應性的高層建筑動態智能化表皮

光是影響建筑室內環境的重要因素，通過有效利用自然光可以減少建筑的采光能耗。當夏季室內溫度較高時，通過遮蔽太陽光也可以減少建筑的制冷能耗。室外光環境的不斷變化影響建筑室內光環境的舒適性。通過動態建筑表皮的設計方式調節室外光環境對室內光環境的影響，這對高層建筑室內舒適度及建筑能耗具有較好的影響。

2.2 針對熱環境適應性的高層建筑動態智能化表皮

由于室外熱環境的變化影響了室內熱舒適條件，因此將空調系統引入高層建筑的室內環境中，用來控制室內熱環境的質量水平。空調系統的能耗是高層建筑能耗中的主要組成部分。建筑表皮對室外熱環境的適應能力決定了建筑室內對空調系統的需求程度和建筑能耗量。

美國學者維克多·奧吉亞（Victor Olgyay）曾提出“變化遮陽”的概念：只要精心設計，最簡單的遮陽板也可以成為高效率的太陽福射控制器—夏季阻擋太陽福射，冬季引入陽光。應對熱環境變化是控制建筑制冷能耗和保溫能耗的關鍵，也是動態建筑表皮的一個重要功能[5]。動態建筑表皮對室外熱環境的適應性可以有效減少夏季建筑的制冷能耗，也對建筑立面形式的設計創新有指導意義。

2.3 針對其他環境因素的適應性的高層建筑動態智能化表皮

高層建筑表皮除了針對光和熱環境的適應性研究，其他環境因素，例如風環境、聲環境也是研究的重要因素。良好的通風可以將室內多余的熱量、廢舊氣體都排到室外，在炎熱的夏天起到很好的降溫作用，可以有效提高室內風環境的舒適度和健康性[6]。

建筑動態智能化表皮對聲環境也可以起到調節作用。以共鳴音樂室為例，為提高聲環境的質量，這個項目通過改變吊頂自身形態，設計了一個動態適應性的建筑“內表皮”，對室內聲環境有較好的調節作用。

3 高層建筑動態智能化表皮實踐分析

3.1 阿拉伯Al Bahar塔

阿布扎比投資委員會的總部大樓Al Bahar塔位于阿聯酋的首都阿布扎比，這個地區有高強度的沙塵和太陽紫外線輻射，大氣溫高達49℃。Al Bahar塔利用當地傳統建筑應對極端氣候的策略，由幕墻與動態智能化遮陽表皮系統構成，形成雙層圍護結構，可以根據太陽運動和日照自動調節折疊的動態表皮，如圖2所示[7]。

玻璃纖維穿孔遮陽板和不銹鋼框架構成三角形單元，組成傘狀裝置，通過中央活塞收縮折疊到不同的角度，變化暴露在紫外線下的玻璃面積。當紫外線輻射強度低時，傘狀裝置會收縮，釋放內層幕墻采光面積，當受到陽光直射時，動態表皮將會適當打開。由塔頂的傳感器收集風、光、雨環境參數，經控制軟件智能化控制傘狀裝置的實時動態。遮陽裝置并非覆蓋整個外立面，通過模擬分析玻璃幕墻表面的太陽得熱，在超過400W/m2的表皮區域設置智能化遮陽裝置。在采用動態智能化遮陽表皮后，玻璃幕墻的太陽得熱顯著降低，如圖3所示。

高層建筑會面臨高風荷載的問題。設計者通過風洞試驗測試傘狀裝置所受到的風荷載強度。由于建筑采用流體形態和動態表皮系統對風荷載產生的壓力有積極的影響，因此測試結果平均在1.5kPa～3.5kPa，如圖4所示。表皮單元即使在90m/s的風速下受到的壓力值也不會超過最大允許值。

通過比較采用動態智能化遮陽表皮和傳統表皮的建筑整體冷負荷，動態智能化遮陽表皮的室內單位面積的太陽得熱比傳統表皮減少約20%，如圖5所示。經過實測，Al Bahar塔的動態智能化遮陽表皮能使建筑的整體能源消耗降低20%，辦公空間的能源消耗降低50%，建筑的整體碳排放量可減少20%。

3.2 埃森克虜伯總部大樓

在埃森克虜伯的歷史遺跡帶，蒂森克虜伯集團建造了新總部大樓。建筑群環繞布置在中央水池周圍，形成公園般的景觀。總部Q1是主要建筑和功能核心，其設計了一個在水軸中心的玻璃立方體。

總部建筑的表皮形象源自外殼和核心重合疊加的連續原理。大型玻璃幕墻表皮被部分附上穿孔金屬板材、金屬網和動態遮陽百葉窗。通過變化的自然光線可以智能調節這些附屬構件以適應外部環境，如圖6所示。動態遮陽系統是將大約400000根金屬“羽毛”錨固到3150根不銹鋼移動桿上，通過控制器進行移動和開合。

不銹鋼百葉窗以豎向為軸，通過旋轉運動，變換表皮模式調節光線和熱輻射，使其進入室內，如圖7所示。可以關閉1280個電動構件，形成一個堅固的外殼，根據太陽的位置進行調節，可以完全打開，使室內獲得最大的光照，如圖8所示。金屬羽毛的形狀分為三角形、矩形和梯形，當太陽照射它們時，金屬反射光線，遠看像是魚的鱗片，使建筑形成了一個特別的建筑表皮。動態遮陽系統除了可以對室外熱環境進行調節，還可以對室外光環境進行調節利用。這1280個元素可以獨立移動，根據室內將自然光引導到內部空間，減少照明用電的能耗，并盡可能不遮蔽室內使用者的視野。總部的特殊金屬外殼立面形式成功結合了建筑設計與創新前沿以及可持續和節能建筑體系。此外，埃森克虜伯總部大樓還采用了熱源地泵等節能系統，通過提高能源效率和資源可持續利用，將能耗總體降低20%～30%。

4 結語

動態智能化建筑表皮因其可變的性能，對室外光環境、熱環境、風環境等有較高的適應性，不僅彌補了傳統高層建筑表皮對外部物理環境與使用者之間調節能力不足的缺陷，還有效降低了高層建筑能源消耗，改善了室內舒適度，是一種極具潛力的低能耗高層建筑表皮解決方案。同時，吸取傳統建筑應對外部環境的經驗，運用智能化技術、現代材料擴展和迭代傳統建筑所采用的方法，是基于氣候適應性的高層建筑動態智能化表皮設計的有效路徑。

參考文獻

[1]呂愛民. 應變建筑 [M].上海：同濟大學出版社，2003.

[2]理查茲，T.R.哈姆扎， 楊經文建筑師事務所.生態摩天大樓[M].北京：中國建筑工業出版社，2005.

[3]珍妮 . 洛弗爾.建筑表皮設計要點指南 [M].李宛，譯.南京：江蘇科學技術出版社，2014.

[4]李保峰. 適應夏熱冬冷地區氣候的建筑表皮之可變化策略研究[D] .北京：清華大學，2004.

[5]黃媛.將建筑的可運動，可變化理念運用于建筑設計的研究方法初探 [J].華中建筑，2006（7）：78-81.

[6]張雪松. 高性能建筑立面設計研究[J].建筑學，2009（5）：81-83.

[7]朱仁杰. 夏熱冬冷地區氣候響應式動態建筑表皮設計方法研究[D] .天津：天津大學，2019.