略論建筑表皮材料的設(shè)計(jì)范文

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1傳統(tǒng)表皮材料的創(chuàng)新性應(yīng)用

許多傳統(tǒng)建筑材料，如粘土、木材、竹子等，在漫長的人類建筑史中，發(fā)揮了重要作用。SDE2010競賽規(guī)則中，特別強(qiáng)調(diào)傳統(tǒng)建筑材料的創(chuàng)新性應(yīng)用，其目的是鼓勵(lì)各參賽團(tuán)隊(duì)對(duì)傳統(tǒng)建筑材料進(jìn)行發(fā)掘，使得傳統(tǒng)材料在新技術(shù)新工藝的激發(fā)下煥發(fā)新的活力。法國格里諾博爾大學(xué)的參賽作品“ArmadilloBox”采用了粘土材料并對(duì)其進(jìn)行了創(chuàng)新性應(yīng)用（圖1）。粘土是一種古老的建筑材料，傳統(tǒng)粘土具有良好的蓄熱、存濕能力并有較好的防火性能，隨著新型加工技術(shù)的產(chǎn)生，工業(yè)化粘土制品開始應(yīng)用于建筑表皮，主要包括粘土磚、粘土板及粘土涂層等。在作品中，粘土飾面板應(yīng)用于建筑內(nèi)墻，一方面，粘土飾面板為優(yōu)秀的蓄熱體，能有效延緩溫度波動(dòng)；另一方面，粘土所特有的吸濕性，對(duì)室內(nèi)濕度的保持有益。除此之外，還采用了粘土輻射板系統(tǒng)（WEM），WEM以布置于建筑內(nèi)墻面的粘土輻射板為末端，用水作媒介，通過WEM輻射板，將熱量或冷量輻射出去，用于建筑制冷或采暖。試驗(yàn)證明該方式具有良好的效率。中國同濟(jì)大學(xué)的參賽作品“BambooHouse”，采用了中國南方傳統(tǒng)的建筑材料———竹子。竹子重量輕，彈性和韌性好，其特有的空心結(jié)構(gòu)決定了竹子的抗彎強(qiáng)度比實(shí)心桿件強(qiáng)，加之竹子生長周期短，耐腐蝕性好，使其成為良好的建筑表皮材料。BambooHouse中竹子通過技術(shù)處理后應(yīng)用于建筑的柱、梁、墻及屋頂?shù)榷嗵帲绕涫峭鈮ΑambooHouse的外墻由兩層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，內(nèi)層是SIP板（StructuralInsulationPanel），外層是將竹子用鐵絲連接起來固定于其后的內(nèi)墻板，中間形成了空腔，該結(jié)構(gòu)使其具有良好的保溫隔熱性能。建筑的南側(cè)外墻將太陽能光電板（PV板）與竹子結(jié)合起來，在滿足太陽能發(fā)電的同時(shí)，還表達(dá)了對(duì)中國傳統(tǒng)文化的尊重。

2新型光伏表皮材料的建筑一體化

隨著太陽能利用技術(shù)的不斷發(fā)展，光伏材料逐步應(yīng)用于建筑表皮，光伏組件與建筑墻體、門窗、遮陽板及屋頂?shù)冉Y(jié)合，形成了光伏表皮。光伏表皮為技術(shù)性表皮，具有雙重作用，它既承擔(dān)傳統(tǒng)建筑表皮保溫隔熱的作用，又能利用太陽能發(fā)電發(fā)熱。與以往建筑設(shè)計(jì)中常采用遮擋、隱藏光伏組件的處理方式不同，SDE2010參賽作品中光伏表皮與建筑高度集成，光伏表皮自身獨(dú)特的肌理形成的技術(shù)美已成為建筑立面不可或缺的組成部分。德國柏林技術(shù)和經(jīng)濟(jì)專業(yè)大學(xué)的參賽作品“LIV-INGEQUIA”中（圖3），設(shè)計(jì)理念清晰，建筑形式完整。屋頂?shù)碾[框太陽能光電板（PV板）與屋頂無縫拼接，渾然一體，建筑風(fēng)格協(xié)調(diào)。建筑南立面采用薄膜太陽能光電池所組成的遮陽折疊門，具有遮陽與太陽能光伏發(fā)電的雙重功效，并形成了較好的室內(nèi)外景觀。建筑的外墻和屋頂均由黑色經(jīng)過熱處理的木材組成，以增加建筑的被動(dòng)蓄熱能力。在這里光伏表皮不再是附加的裝飾，而是整個(gè)建筑有機(jī)的組成部分。德國斯圖加特應(yīng)用技術(shù)大學(xué)的參賽作品“Home+”（圖4），在其建筑屋頂和東西立面上設(shè)置太陽能光電板。東西立面外墻的太陽能光電板為多晶硅光電模塊，采用了特殊工藝使得光電板呈金黃色漸變的立面效果，一改傳統(tǒng)光電板單調(diào)的黑灰色。屋頂?shù)墓怆姲鍨閱尉Ч韫怆娔K，創(chuàng)造性地采用了新型的光伏/熱系統(tǒng)（PV/T）。該系統(tǒng)將吸熱板布置于光電板背面，吸熱板后附有銅管，銅管中以水為媒介，將光電板發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的熱量通過水傳輸?shù)剿渲袃?chǔ)存。該方式在保存了熱量的同時(shí)降低了光電板自身溫度，提高了發(fā)電效率。

3表皮材料的復(fù)合化與可調(diào)節(jié)性

建筑外部環(huán)境周期性的變化，要求建筑表皮須具有調(diào)節(jié)的能力，達(dá)到維持室內(nèi)環(huán)境在人體舒適度范圍內(nèi)的目的。單一材料組成的表皮已無法應(yīng)對(duì)復(fù)雜的外部環(huán)境變化，因此，建筑表皮材料的復(fù)合化成為必然趨勢。復(fù)合表皮通過新技術(shù)將一系列單層材料組合，形成具有多重功能的表皮。該復(fù)合表皮并非單層材料的簡單疊加，而是每個(gè)單層均可獨(dú)立調(diào)節(jié)，并與建筑的保溫隔熱、遮陽通風(fēng)結(jié)合在一起。美國弗吉尼亞理工大學(xué)的參賽作品“Lumenhaus”采用了一種稱為“Eclipsis”的系統(tǒng)（圖5）。這是一種具有完整結(jié)構(gòu)，能夠調(diào)節(jié)的復(fù)合系統(tǒng)，具有外遮陽、保溫隔熱及自然通風(fēng)等多重作用。構(gòu)造層次從外而內(nèi)分別為不銹鋼圓孔片組成的調(diào)光遮陽板、半透明的聚碳酸酯保溫隔熱板、可推拉紗窗、可推拉玻璃門、紗質(zhì)窗簾五部分。各部分通過開啟和閉合均可進(jìn)行獨(dú)立調(diào)節(jié)。外層調(diào)光遮陽板的孔洞經(jīng)精心設(shè)計(jì)，通過計(jì)算確定圓孔遮光片前后傾斜角度，以達(dá)到對(duì)進(jìn)入室內(nèi)陽光的控制，同時(shí)保證了室內(nèi)的自然通風(fēng)。半透明的聚碳酸酯保溫隔熱板是良好的保溫隔熱材料，Lumenhaus的自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)室內(nèi)外溫度變化，控制保溫隔熱板的開啟閉合，使室內(nèi)溫度保持穩(wěn)定。Lumenhaus的屋頂太陽能光電板構(gòu)成了屋頂?shù)臒峋彌_層，避免陽光直射造成的溫度波動(dòng)，同時(shí)，太陽能板還能根據(jù)日光高度的不同自動(dòng)調(diào)節(jié)角度，以達(dá)到最高發(fā)電效率。西班牙加泰羅尼亞理工大學(xué)的參賽作品“LOW3”（含義是低造價(jià)、低能耗、低影響）（圖6），該住宅由內(nèi)外兩層表皮組成，內(nèi)表皮為不加外裝飾面的SIP板，外表皮為半透光的聚碳酸酯陽光板構(gòu)成。外表皮在屋頂與南、東、西外墻處均可開啟，兩層表皮間約200m3的灰空間，其中布置有綠色植物。夏季白天外表皮關(guān)閉，起遮陽作用，灰空間內(nèi)的植物可降溫，夜間可完全開放兩層表皮自然降溫；冬季白天外表皮關(guān)閉，半透明材料可吸收太陽輻射，起陽光溫室作用，夜間內(nèi)外表皮均關(guān)閉。通過內(nèi)外雙層表皮的開啟與閉合，可有效地應(yīng)對(duì)室外環(huán)境波動(dòng)。除此之外，為適應(yīng)參賽期間西班牙炎熱的氣候，很多參賽團(tuán)隊(duì)均采用了帶有相變材料（PCM）的建筑材料構(gòu)成建筑表皮。相變材料多數(shù)為鹽水混合物和石墨等組成并封裝于建筑屋頂、外墻或地板。相變材料通過固態(tài)液態(tài)轉(zhuǎn)化釋放潛熱維持室內(nèi)溫度的穩(wěn)定，具有良好的調(diào)節(jié)性。

4表皮材料的地域文脈與美學(xué)表達(dá)

建筑表皮是建筑形式美的外在表達(dá)是建筑性格的物質(zhì)載體。以往人們關(guān)注的重點(diǎn)是建筑表皮材料的物理性能，如今更加注重表皮材料的多樣化表達(dá)，強(qiáng)調(diào)表皮材料與地域文脈的關(guān)聯(lián)以及材料自身的技術(shù)美學(xué)。天津大學(xué)的參賽作品“Sunflower”，將中國傳統(tǒng)建筑文化中的四合院、天井及白墻灰瓦等引入設(shè)計(jì)中（圖7）。在建筑的東、南、西三個(gè)立面布置光伏發(fā)電板，光伏發(fā)電板的紋理模仿中國傳統(tǒng)建筑中青磚的造型。頂層閣樓的坡屋頂上，布置光伏發(fā)電板和太陽能真空管，真空管整齊排列，模仿中國傳統(tǒng)坡屋頂建筑中的瓦屋面。光伏材料自身的表現(xiàn)力得以展現(xiàn)，同時(shí)傳達(dá)了中國傳統(tǒng)建筑的歷史文脈。美國佛羅里達(dá)大學(xué)的參賽作品“CrackerHouse”，以當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)的建筑形式“Crackers”為原型。建筑南側(cè)外墻采用了圓柱形薄膜光伏電池格柵，除了發(fā)電之外還能提供遮陽。該格柵式的光伏電池與建筑主體的木格柵形成了很好呼應(yīng)，展示了美國傳統(tǒng)建筑的地域文脈和新型光伏表皮的藝術(shù)魅力。

隨著可持續(xù)發(fā)展思想與材料技術(shù)的進(jìn)步，建筑表皮材料正向技術(shù)與藝術(shù)完美結(jié)合的方向發(fā)展。SDE2010競賽中，各參賽團(tuán)隊(duì)的作品為我們提供了表皮材料利用的新思路和新方法，展示了當(dāng)今表皮材料應(yīng)用中的技術(shù)創(chuàng)新和美學(xué)表達(dá)，為建筑表皮材料研究提供了有益的啟發(fā)。

本文作者：張晟、、李偉單位：天津城市建設(shè)學(xué)院、天津市建筑設(shè)計(jì)院