纺织建筑学：点亮房屋皮肤

郑成雁

美国《纺织世界》载文称，纺织材料与膜材料正在成为建筑设计用材。织物原本是可斟酌用作建筑材料的一种重要因素，当织物用于时尚时，它也是一种柔软的包裹材料，维护人体皮肤；当我们扩展其范围和尺度，应用于建筑领域时，它就会形成一种适合的宜居空间，通过了解纤维如何结合湿度、热量和空气运作，应用其在建筑中，有助于创造一种高效节能并兼具灵活性的住所。在传统观点中，人们认为纺织品只能作为软性纤维使用，但是在建筑设计中应用纺织物，就发现它越来越有助于创建可变的动态样貌。例如Moomoo建筑事务所在波兰设计的建筑，外墙三面采用混凝土构筑，另外一面则使用了窗帘布品，遇到海边刮风，该建筑就会变幻无穷。

纺织建材的历史渊源

纵观建筑发展史——从古埃及金字塔到古希腊罗马的框架结构，再到哥特式圆顶，最终到20世纪的现代建筑——我们不难发现一个趋势：建筑由实体模块逐渐演变为通透的钢筋和玻璃结构。

一份关于早期埃及砖木结构的档案记录了最早的距今5000年的石材建筑，而埃及人对来世与永恒的珍视创造了石器文化。古文化中心由埃及转向希腊和罗马后，石材依然是主要建材，但希腊罗马的寺庙中，大量石料用于建造巨柱，整体用料反而有所减少。比较经典的三种柱式依次是多立克柱体、爱奥尼柱式和科斯林柱式——其剖面逐渐细长。随着拜占庭与罗马教堂的出现，石柱重量越来越轻；12世纪在北欧兴起哥特式建筑，其飞拱设计的引入进一步减轻了梁柱重量，而且，能映射出超自然美感的玻璃幕墙使建筑本身能自我支撑高达150英尺而不倒。

20世纪，钢构与捆绑式桁架的快速形成以及新玻璃墙技术的出现，共同推动了实体模块向轻薄外墙的转变。20世纪初，玻璃已成为建材首选，桁架结构、斜肋构架、玻璃竖框以及桥架系统的幕墙随处可见。各大公司纷纷使用玻璃高塔作为信誉和透明度的象征。发展至今，建材已越来越轻，比如毛皮与薄片构成的建筑膜材。有趣的是，当今世界上两大高科技公司——谷歌与苹果——目前都在研究如何用玻璃与四氟乙烯混材薄片装饰新公司总部大厦外墙。

总而言之，回顾4000年的建筑史，我们不难发现，由过去建造的实心金字塔向未来膜材建筑正在不断发展并成为一种线性趋势。人类能否在这一建筑旅程中进一步减少用材，建造更具可持续性的建筑，减少地球行星上的碳排放呢？答案是肯定的。织物与箔膜，以及其他膜材非常适合用于建筑外表。其优点是受力可弯曲，能够防水保温，且能层叠使用或通过细小缝合形成复杂表面。织物作为建材在古代居民的篷式建筑中已被广泛使用。而今，新型合成材料、计算机分析与数字模型的应用，使得纤维膜材已成为一种永久性的建筑外表新材料。

模仿人体皮肤的建材

要阐明未来建筑外表及制造表皮的新方法，我们需要仿生人类皮肤。人类的皮肤可分为三层：外表、真皮和皮下组织。外表包括汗腺孔与毛干；中间真皮包含结缔组织、毛囊、汗腺以及一部分肌肉组织；皮下组织则包括动脉静脉血管以及连接各层的组织。

各层功能不同，结合人类的皮肤，能为身体抵挡湿气、病害以及阳光的照射。要将这种多层结合的方法引入建筑学，还得了解建筑外表所必要的各种功能。

人类皮肤不仅十分敏感，可以将诸如压力、温度之类的信息传送给大脑，而且有很强大的愈合能力，这是为维持其保护作用而形成的功能。如何将这两种属性结合到同一件人造材料中，这是斯坦福大学化学工程学院教授鲍哲南与其团队长期从事的研究课题。该团队已成功制作人造皮肤，它不仅触觉灵敏，且在室温下可快速自愈，这对生物医学纺织业意义重大。研究人员成功结合了两种材料——有自愈能力和导电性的塑料聚合物。

今天，可穿戴与智能服装领域已取得巨大的进展。新技术将智能路径引入建筑材料纤维，从而制造出电子织物。市面上已出现带有心率感应的袜子、运动内衣、T恤衫，以及快速编织的电子元件。随着这一市场的不断发展，衍生技术很有可能对建筑外表技术产生影响。几年前，位于纽约的FTL工程设计工作室曾协助克劳迪娅·克鲁斯以及宝马公司开发团队，他们为由意大利著名女演员吉娜·劳洛勃丽吉达而得名吉娜的一款概念车研发一种延展式编织体。该编织体是基于纺织外表的轻量级铝制框架，从工业设计角度出发，这一纺织外表研究还处于早期阶段，而且又面临如何使用最少材料取得最大效果的问题。

大行其道的水立方膜材结构

建筑表层结构有三种——框架支撑膜、线缆与撑杆支架膜以及气承式或气压式充气结构。这三种结构均需给表面预加应力，且需做成宽松的3D表面，不论是同向或反向都要保持平衡。最理想的状态是，外表有相等张力且为最小曲面，但常常由于空间的原因，两个相反主方向上的张力不同。使用力密法或松弛法的电脑程序无论是否可用于找形分析，都要通过有限元分析制作平衡结构表面以承受下拉力或上提力。

预加应力的纤维膜材一般是鞍形曲面——双曲抛物面或者环面；而旋转曲面也是双曲面或环面。另一不能忽视的优越性是，这类纤维膜材具有绝佳的消音效果。在复杂建筑外表中，这些基本构件集合成多个板面，不同表面之间由峰线与谷线连接，以构造出复杂的几何形状。各峰线与谷线的交会构成了3D线性单元。

生成形状的因素有很多，比如声学、场地限制、日照角度和风的角度。若使用声学方法，首先就要利用光谱制作反射面以融合并反射声波。建筑究竟应有什么流行趋势，古典或流行，这取决于反射面的种类，圆锥曲面和同向曲面多用于收集噪音，因此大多数舞台使用一系列双曲面以获得最好的内部体验。

2008年，北京水立方与美国的爱达荷州太阳谷音乐厅相继完成，这些建筑就是利用了纤维声学反射和场地限制构建音乐厅的定波发生器。音乐厅是落基山地区的滑雪胜地，许多奥斯卡影星经常光顾此地。在该项目中，FTL工作室用一系列高大的挡土墙构建出音乐空间。音乐活动多在夏季举办，但该项目的积雪负载超过100 lb/ft2（488.24kg/m2），漂流物負载更是高达200 lb/ft2。FTL明白，交响乐建筑需要融合度假帐篷的季节性特点以及永久设施能够调整适应舞台和声学要求的能力。他们也认识到，以当地的积雪负载，永久性的织物结构不可行。最终，他们采用了拉伸钢网格模式以及坚实的木质材料，以应对巨大的垂直载荷。在研究这一方案时，FTL发现木材十分符合音乐环境，这可融入周围建筑中。铜顶保持斜率的细小差别也为临时缆索结构增添了一些坚实的触感。看台上覆盖着拉伸织物膜，每年都会赶在冬天来临之前被拆除。

单从消音角度看，木质屋顶能够让缆索网下面的声学反射板增幅的声音变得更加浑厚，稍加调整即可适用于任何音乐模式。而在该项目中，他们结合缆索网与拉伸织物的混合方案解决了这一复杂的设计挑战。

纺织结构的多功能化

张力结构的一大優势就是可用作遮挡物。膜材的这一用法自古就有——无论是古罗马竞技场的“帆”，还是阿拉伯贝多因人的黑山羊帐篷，抑或是覆盖西班牙南部街道的“遮篷”。只要建筑物有0～40%的透光度，其遮挡的比例就可因不同的气候和地区而调整。19世纪气象专家柯本按地球上植物寿命将全球气候做了分类，我们可据此制作遮挡与隔离用的轻型结构。如针对北欧湿冷气候所采用的膜材就会与美国西北部的炎热干燥气候不同，也不同于中美洲的炎热潮湿气候。

针对湿冷气候，箔片枕状结构比较合适；在炎热干燥气候下，则多采用网眼织物；若是炎热潮湿气候，则采用有助于空气流动和自然冷却的立体织物。

FTL在设计位于纽约杨克斯的帝国城大赌场的入口时考虑过北方气候。他们开发了一套四氟乙烯箔片枕状系统，由钢筋索撑网壳撑起赌场入口，并有可容纳30辆车的面积为其遮蔽雨水和阳光。这一设计还包含照明功能，作为赌场的标识。FTL将索撑网壳设计成环形，也尝试过线缆的形式，以减轻钢重。这种枕状结构透光度高达98%，可替代玻璃屋顶和外墙。

就本质而论，膜结构中大量使用无支撑跨距，这些都可改装成太阳能薄膜，为内部空间发电。此外，张拉膜可用作风力涡轮的侧支架，这样一来，小型涡轮在风速较低时也可高效运行。自从1998年FTL在纽约美国国立设计博物馆第一次应用太阳能板后，他们就开始研究使用非晶体硅胶和铜铟镓硒（CIGS）技术开发建筑表面发电的替代方法。然而发电量每平方米面积仅有5瓦，因此这一方法效率还不高，但因建筑表皮的屋顶面积大，太阳能薄膜发电效率低的缺点并不明显。

收集雨水是纺织建筑的另一大功能。从罗马时代起，集水就一直是屋顶的重要功能之一。而现在，随着可持续发展以及雨水收集越来越受重视，人们对把雨水收集到水箱中以再利用的需求也日显突出。膜材是理想的雨水收集材料，且屋顶形状可随意调整，这成为建筑物的一大水景。工程学的应用还可将水收集并储存在地下，以供灌溉。位于美国达拉斯的FabriTec公司就因此荣获2010年度国际工业纺织品协会卓越奖。

FTL还设计了位于底特律闹市区的罗莎·帕克斯转运中心。该转运中心旨在整合6个公交车等候区，并连通捷运系统——城市的轻轨系统。他们设计了6000平方米的顶棚，可容纳13辆公交车同时上下客。由于独特的城区地域以及轻轨等轨道系统，基础浇筑十分有限，然而，顶棚设计又要求覆盖街道以及轻轨，对此，FTL的解决方案是建造一组整体张拉线缆制成的A形杆架，撑起8个弯曲桁架。将桁架悬挂在路面上方，下面就是公交车停靠区域。桁架与部分A形杆架有最高点和最低点，其间的膜材就会有张曲率，因此膜材就可收集雨水，并将其储存在水箱中。膜材最低处有沟槽与跨接管，可将雨水导入景观组成的集水池中。集水区域周围有嵌入式的座椅供等车的乘客使用，而收集的雨水会用于浇灌景观植被。

建筑使用功能不同，其外表所需元素就不同。未来研究的重点是如何将这些不同的元素整合到多种外表方案中，正如人体皮肤一样，有多种不同的功能。就目前来看，纤维纺织膜结构建筑正在出现，它整合的系统将分层，建筑立面材料将会变成一种多孔多功能的膜材，映射整个自然界，这才是绿色环保带有可持续性纺织建筑学的真实含义。

（据美国《纺织世界》http：//www.textileworld.com/textile-world/nonwovens-technical-textiles/2016/09/textile-architecture-light-building-skins/最新资料）