基于环境因素变化的动态表皮设计研究

1 研究背景

近年来随着人们生活水平的提高，人们对于居住环境的要求也不断提高。舒适的室内环境逐渐成为人们热衷于追求的目标，一般的建筑表皮难以应对复杂的气候变化，为了达到舒适的室内环境，造成了能源的浪费，不利于可持续发展，但动态表皮的出现很好地解决了这个问题。动态表皮一般由表皮动态构件、微气候感应设备、自动调控系统等组成，是一个集合了数字技术和建筑技术的复合系统。动态表皮基于气候适应性特征，选择性地引入了对室内环境有利的风、光、热等自然因素，创造了舒适的室内环境；针对受室外气候影响不断变化的室内环境，可调控的动态建筑表皮，在气候适应性方面相比一般表皮显得更有优势，能够提高室内的舒适度和建筑节能效率

。基于不同的设计方式，动态表皮可对一种或多种环境因素进行调控，如热环境、光环境、风环境等。文章主要从影响室内舒适度的风环境、光环境、热环境入手，基于不同的案例分析如何将动态表皮应用于建筑单体中，总结出适用于单体建筑的动态表皮设计方法。

2 国内外动态表皮设计现状

2.1 国外动态表皮设计现状

国外对于动态表皮设计的研究已经持续多年，早在20 世纪50 年代，美国建筑师约翰·弗里德曼就创建了动态表皮的研究团队，到了80 年代，迈克尔提出了建筑皮肤的理念。随着科技的进步，动态表皮的设计更加具有多样性。通过多年的研究实践，国外形成了诸多动态表皮的研究体系，如动态学意义上的表皮设计和气候环境的适应性表皮设计等。国外部分学者对动态表皮的相关研究内容如下：

对于应用型本科院校而言，教师专业化就是指根据社会对应用型人才的需求，教师遵循应用型特征的教育教学规律，特别注重专业实践能力。教师专业化发展强调教师的终身学习和终身成长，包括职前培养、新任教师培养和在职培训，在教师的整个专业生涯中，通过学习和专业训练，提高专业素养、专业实践能力和个人职业道德等，促进教师从新手到熟手，从熟手到专家。

瓦伦蒂娜等学者采用环境参数化的表皮设计方法，通过参数化设计方法进行动态表皮的设计尝试，并通过实验数据验证其可行性。罗尔等学者梳理了现有的气候适应性建筑表皮数据，并进行了分类研究，分析了气候适应性的影响因素。

2.2 国内动态表皮研究现状

近年来，动态表皮技术逐渐在我国兴起。国内一些学者对于动态表皮提升室内舒适度进行了相应的研究。

部分学者从适应性价值角度对建筑表皮进行了相应的研究。李芃等学者梳理了建筑表皮对建筑形体、空间的塑造作用，提出了建筑表皮对于建筑本身的价值阐述。

热环境因素是对建筑室内舒适度影响最大的，室内外热量传递的主要方式有：热对流、热辐射和热传导。常用的评价室内热环境的指标有：黑球温度WBGT、生理等效温度PET 和热舒适度指数PMV 等，其中最常用的是PMV，它充分考虑了室内空气温度、空气湿度、气流状况、平均辐射温度等四个环境因素。

全新富氧煤粉侧吹还原工艺处理红土镍矿工艺特点：①采用粉煤和煤，成本低；②烟气利用余热锅炉回收余热，特别是二次燃烧热。得到的蒸汽可用作发电或其他生产用途；③镍铁品位控制灵活。

还有一些学者从室内物理环境的角度对动态表皮开展了相应的研究。冯刚等学者通过软件模拟分析的方式，提出了动态表皮构件提升室内光环境的设计方法

。李保峰等学者提出了夏季双层表皮提升室内热环境的设计策略，并通过实验监测得到的数据验证了双层表皮的实际性能

。高金峰等学者通过文献研究得出了动态表皮构件的不同形式，强调了动态表皮对于室内风环境的调节作用

。

徐州市地处苏鲁豫皖四省交界处，素有“五省通衢”、“五通汇流”、“淮海商埠”之称。2000 年起，随着人居规模发展和城市规模的扩张以及古彭广场的改造、中心商圈的崛起，徐州市的商业格局开始发生改变。商圈从“集中与分散相结合”到“中心商圈—商业综合体”的布局不断演化。2010年以前的徐州商业的业态格局主要以大型综合商场、中型百货商店、零售超市为主。2013年云龙万达商业综合体运营，直到最近三胞广场开业，短短5年内商业空间发生了巨大的转变，商业综合体发展迅速。如云龙万达商业综合体成为徐州东部地区的城市副中心；三胞广场加速了南区商圈的形成；美的广场填补了新城区的商业空白等（如表1所示）。

通过对既有的研究梳理可知，目前国外对于动态表皮的研究已趋于成熟，应用广泛。国内学者对于动态表皮和室内舒适度的研究较为零散，缺乏系统性。文章通过对国内外既有案例的分析，系统梳理了动态表皮提升室内舒适度的设计方法，以期对国内动态表皮研究起到一定的参考作用。

3 影响室内舒适度的环境因素

3.1 风环境因素

过滤后的热榨汉麻籽油外观颜色为深墨绿色，油脂透明，有香浓油味；冷榨汉麻籽油外观颜色为浅墨绿色，油脂透明，有清香的油味。从图1汉麻籽油刚压榨后过滤的照片看出，热榨油比冷榨油颜色深，可能的原因是热榨油压榨条件温度较高，油脂中含有较多的有色色素。同种榨油方式在不同储存条件颜色不同，可能的原因是油脂中含有色素的物质发生了变化。笔者将低温避光作为其他储存方式的对照，原因是低温油脂较稳定。

良好的自然通风可以显著提升室内的舒适度，通过自然通风强化室内外的风循环系统，利用室外冷风带走室内热量，从而减少空调的使用，降低能源消耗。根据原理的不同，可以将通风方式分为两种：一种是机械通风，主要利用机械设备，如新风机等实现对室内风环境的控制；另一种是不需要利用机械设备的自然通风，主要通过调整建筑朝向、开窗位置和功能布局等优化室内风环境。

兽医临床上,随着抗生素的大量使用,细菌耐药性问题逐渐凸显。与抗生素相比,溶葡萄球菌酶专一降解细菌细胞壁肽聚糖成分中的甘氨酸肽键,使细菌因细胞壁溶解而死亡。因为独特的杀菌机制和纯生物特性,使其不易产生耐药性和毒副作用。加上溶菌酶的复配,不仅扩大了杀菌谱,还增强了溶葡萄球菌酶的杀菌效率[10]。

3.2 光环境因素

不同的室内环境因素所需要的动态表皮形式也不尽相同，此次将对室内风、光、热等环境因素的动态表皮设计进行分类研究。

黄玲说这个伤疤是她曾经的丈夫给她的，现在，他在监狱。他们是在2010年8月经人介绍相亲认识的，9月就结了婚。结婚之后刚开始两人相处得还不错，很快，黄玲就怀上了孩子，原本以为幸福的生活会这样延续下去。没想到后来她的丈夫就开始酗酒，每次喝完酒就会打她，眼角的伤疤，就是有一次他的丈夫用啤酒瓶打伤的，而那一次，她也失去了孩子。

3.3 热环境因素

其次，从动态层面来看，严格限制农用地转为建设用地，对建设用地实行总量控制和对耕地实行特殊保护乃是土地用途管制权概念的动态化表达。我国1998年《土地管理法》修订时，所确立的土地用途管制法律制度，就是针对在当时耕地资源大量锐减，土地利用失控的背景下，为有效保护耕地资源而实行的一项非常严格的土地管理制度。这一制度的确立借助于建设用地的总量控制和耕地资源的特殊保护两项配套制度来实现其有效运行的目标。

热环境在夏季和冬季对室内的影响最为显著。夏季室外热量传入室内，冬季室内热量传入室外。热量的传递破坏了室内的热平衡，造成人体的不舒适，需要通过机械设备维持室内的热舒适，这就造成了能源的严重浪费。室内外热量主要是通过建筑表皮进行传递，因此国内外许多建筑通过灵活可变的动态表皮来应对夏季和冬季的极端气候。

4 基于环境因素变化的动态表皮系统设计

动态表皮集合了建筑、结构、自动化等多学科专业技术，对于室内舒适度的调控主要是通过感应器对室内外环境进行感应，并通过设备控制表皮单元的大小和方向，控制室内外风、光和热等自然因素的交换，维持室内热舒适平衡，进而降低建筑能耗

。

室内良好的天然采光可以有效地提升室内的舒适度，减少人工照明，降低能耗。但不同的建筑对于光的需求也不尽相同，如展览一类的建筑需要相对暗一些的环境，医疗建筑则需要均匀的光照等；而针对同一建筑一天内的不同时段，光环境的变化也会对舒适度产生一定的影响，如早晚相对较暗需要更多的自然光，而正午光线较强会产生眩光，因此需要降低光照强度，提高采光均匀度。

光在提高室内亮度的同时还会带来太阳辐射热，因此建筑表皮设计需要分不同时段综合考虑两种因素。夏季气温较高需要降低进入室内的太阳辐射热，冬季气温较低需要提高进入室内的太阳辐射热。

4.1 通风设计

自然通风可以促进身体与周围空气的热交换保持人体舒适，并降低机械通风设备的运行能耗

。利用动态表皮实现对风速和风向的有效控制，为室内提供舒适的风环境。例如海南省海口大厦就是室内风环境和动态表皮设计的代表性案例。海口大厦地处海南省属于夏热冬暖气候区，需要考虑夏季防热，因此建筑通风尤为重要。海口大厦2 号楼的平面类似于卵形，建筑布局朝向和平面空间的设计都是为了更好地顺应自然风，在外界风环境的作用下，室内形成正压区，在外部空间形成负压区，内外风压差强化了建筑的整体通风效果。

除了利用整体布局设计加强建筑通风外，还运用了动态表皮设计进一步强化了建筑的通风效果。通过设计一种可人工开启的“鳍”，根据室内的温度自行控制“鳍”的开关。当室内温度较高时，通过控制开关把“鳍”打开，利用自然风带走室内的热量；当室内温度较低时，把“鳍”关闭，维持室内温度。

4.2 采光设计

动态表皮对于光的控制较为简单，能够通过转动、折叠、滑动等方式改变光照面积。此外结合材料的反射能力，还能改变光照的方向。如果与照度监测设备相结合，还可以通过计算机的自动化控制系统最大限度地利用自然采光，满足室内光照需求。

同时，动态立面的变化也使室内形成了一种神秘的光影变化。这种类似于相机光圈的变化，使得室内的光斑具有韵律和几何的美感

。如巴黎阿拉伯世界研究中心就是室内光环境动态表皮设计的代表性案例，阿拉伯世界研究中心的建筑表皮是由一个个可旋转的正六边形单元构件组成，如图1 所示。通过单元构件的旋转调节进入室内的光线，当室内较亮时，构件旋转到与光线垂直，减少光线进入室内的量；当室内较暗时，构件旋转到与光线平行，增大光线进入室内的量。

4.3 遮阳设计

传统遮阳构件形式单一，无法满足不同季节人们对于太阳辐射热的需求。因此为了更好地应对不断变化的室外气候，提升室内舒适度，需要灵活可变的动态遮阳构件

。根据原理的不同，动态遮阳分为两种：一种是不利用机械设备的被动式遮阳；另一种则是通过设备控制遮阳系统的主动式遮阳。

4.3.1 被动式遮阳

基于动态表皮的主动式遮阳设计可以结合阳光房、中庭等空间综合利用太阳辐射热，如图3 所示。在不同时间或不同季节，对阳光房、中庭的热量需求也有所不同，夏季温度较高，通过构建旋转展开遮阳板，减少进入阳光房等房间的太阳辐射热；冬季温度较低，通过构建旋转收缩遮阳板，增加进入阳光房等房间的太阳辐射热提高室内热舒适度，实现全季节的动态调控

。同时利用主动式遮阳的可调节性结合监控和计算机自动化控制装置，将白天多余的热量存储在中庭、阳光房等房间内，晚上温度下降，再将白天存储的热量释放进入室内，维持室内的热舒适平衡，实现全天候的动态调控。

4.3.2 主动式遮阳

主动式遮阳通过引入机械设备调控，操作起来更加灵活多变，涵盖了折叠、位移、多维旋转、充气等多种形式。主动式遮阳系统可以根据使用者的喜好自由的调节，真正意义上实现了全季节、全天候、全方位的动态调控。

被动式遮阳是一种结合自然生态系统的遮阳方式，常见的形式是在建筑外部构建垂直绿化系统，如图2 所示。利用植物的生长规律，夏季茂盛的植物正好形成了一道天然的遮阳屏障；冬季植物叶片凋零，增加了太阳辐射热的入射量，可以提高室内温度。垂直绿化系统可以说是动态表皮最简单、最有效的利用方式。这种方式不仅可以提升室内热舒适，还具有很好的装饰效果。

(2)从旅游区位熵来看，黄山市、池州市、安庆市、宣城市、合肥市、芜湖市、六安市为旅游发展优势区域，其他城市旅游发展状况一般，为一般旅游区域．

元数据是地理信息系统数据库建设的基础，是一种对城市各类数据的描述性数据信息，具有数据共享的特征。随着数字化城市建设进程的加快，导致社会各行各业对准确的、详实的多源数据的需求日益增加，加之各类数据库的逐步普及，不同用户对数据需求的差异，促进不同结构数据之间的转化、更新、检索，甚至是数据集成等都离不开元数据。元数据有利于空间数据的生产和相互转化利用，使得元数据成为建设地理信息系统数据库的重要桥梁。

5 基于环境因素变化的动态表皮构件设计

5.1 动态表皮构建单元形式设计

动态表皮单元形式分为规则和不规则两种，常见的外形有三角形、矩形、六边形、弧形、扇形等。表皮单元通过钢结构骨架附着在建筑外侧，呈现出密集且有规律性的排布。排布形式需要根据建筑功能、结构形式、结构稳定性等方面共同决定。

5.2 动态表皮构件单元尺寸设计

动态表皮单元尺寸的设计应与建筑整体相协调，特别是层与层之间需要考虑构建的衔接问题。较大的单元构件不仅安装、运输成本较高，对于结构的力学性能要求更高，转动所消耗的能量更多。

较小的单元构件会增加设备故障的概率，维护成本较高。根据建筑高度，合理地设计动态单元组件，可以有效地提高运行效率，降低维护费用。

5.3 动态表皮构件单元运动方式设计

动态表皮构件的运动方式有转动、缩放、移动、折叠、扭转等几类，更多的是将几种方式结合起来的复合运动方式。但过于复杂的构件转动方式会提升构件损坏的概率，降低构建的使用寿命，增加维护成本，因此在构建运动方式的设计上应尽量采用简单的复合运动方式。

5.4 动态表皮构件单元材料设计

动态表皮位于建筑最外部需要承受极端气候的侵蚀，所以材料的选择十分重要，一般多采用高强度、轻质、坚韧的材料。材料的选择不仅限于金属材料，还可以选择与光伏等多晶硅构件结合，节能的同时向外界输送电能。或者选择与绿植等生态表皮结合，形成垂直绿化景观。

6 结语

创造一个舒适的居住环境是建筑师不懈追求的目标，无论是对既有项目的改造亦或是新建项目，动态表皮在建筑的节能和提高室内舒适度等方面都发挥着巨大的作用。文章采用案例分析的方法，针对影响室内舒适度的风、光、热等环境因素进行分析，从宏观到微观分层次提出基于环境因素变化的动态表皮设计方法。以期为今后的动态表皮设计提供一定借鉴。

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