基于室内热舒适目标为导向的气候适应性可变建筑表皮生成研究——以成都地区为例

乔宇， 侯婧雯

（西南交通大学建筑学院）

1 引言

相关研究指出，建筑在日常使用过程中的能源消耗有近一半是由建筑表皮的性能直接或者间接造成的[1]。随着建筑设计方法和建筑技术的不断发展，有关建筑表皮的研究逐渐兴起，气候适应性逐渐成为建筑表皮设计的重要考虑因素。气候适应性本是来自生物学领域的概念，本意是指生物通过表皮与外部自然环境进行物质与能量交换来维持自身的生态平衡。认为能够适应气候不断变化的建筑表皮被称为“适应性建筑表皮”。在气候适应性建筑的设计研究中，“动态可变”是一个重要的研究方向，1972年，Charles Eastm提出“适应性的建筑理论”，主张利用机械技术来实现建筑的动态可变和互动性[2]。1981年，由英国建筑师Michael Davies首次提出建筑皮肤的概念[3]。具有动态可变特征的建筑表皮，在适应气候环境变化方面更加灵活积极，能够实现建筑与外界环境的良性互动，改善室内环境并且提高节能效率[4]。

本次在对成都地区可变建筑表皮生成的研究中，是基于ladybug参数化设计平台完成实验，可变建筑表皮的特性决定在设计过程中需要大量的数据支持来应对复杂的气候环境。所以本文的目标是：

①分析成都地区的气候特点，采用参数化设计工具LadyBug Tools，基于建筑性能优化的角度，提高夏季公共建筑室内热舒适的同时，以降低空调制冷能耗为目标。提出合理的节能设计策略。

②形成表皮的形态；并通过建筑性能的模拟预测其使用效果，并对效果形成反馈，根据反馈的结果对方案再次优化，形成合理的表皮形态。

2 气候适应性可变建筑表皮的相关理论

2.1 概念生成

在建筑系统中，与气候联系最为紧密的是建筑表皮。对外，建筑通过建筑表皮获取或者屏蔽气候的影响；对内，依靠建筑围护结构维持室内环境相对稳定，减少建筑能耗，满足人体对于舒适度的需求。气候适应性建筑表皮应能有效地利用气候环境，通过控制室内的通风、热量、日照、眩光等环境因素，实现室内环境的相对稳定。为了实现这种气候适应性，建筑表皮的各种变量，位置、范围、形状覆盖程度、可以调节程度以及使用者的操作都十分重要，最终决定建筑表皮的性能表现[5]。

2.2 运行原理

气候适应性可变建筑表皮可以根据外界环境条件（风、光、热、声等）或者根据使用者对于建筑的不同功能需求，利用多种手段来调节表皮的形态以及功能。根据不同的需求来改变建筑的表皮的性能。气候适应性建筑表皮的运动形式可以分为两类，宏观运动和微观运动。本次设计是通过宏观运动形式采用机械控制系统来控制建筑表皮的形态。

2.3 可变建筑表皮对外部环境的响应

可变建筑表皮可以通过自身大小、形状、颜色、角度等参数的变化；控制室内风、光、热等环境因素的能量交换，使得室内空间获得最佳的舒适度并降低能耗。

2.4 LadyBug Tools可变建筑表皮参数化设计的设计方法

Ladybug Tools是基于Grasshopper平台的参数化性能分析工具。基于Ladybug Tools可变建筑表皮参数化设计方法包含5个步骤，各个步骤之中可再细分若干具体措施，2、3、4步之间可以进行循环反馈得到最优解（见图1）。下面结合该设计流程，探究成都地区公共建筑基于风环境和光环境的可变建筑表皮的生成过程。

图1 参数化设计方法

3 气候适应性可变建筑表皮的生成

3.1 根据气象资料分析制定环境响应策略

气象资料分析是可变建筑表皮设计的前提，在气候适应性的设计导向之下，通过表皮形态来响应气候环境的变化，通过建筑表皮形态的变化来调整室内的物理环境。同时结合气候特征，来制定相应的环境响应策略。本次实验是通过对建筑表皮形态的变化，实现对建筑光环境和风环境的调节，从而达到改善室内环境舒适度，降低建筑能耗。

通过Ladybug的气象数据可视化分析（见图2），成都市气候环境有以下特点：年平均温度较高，昼夜温差较小，夏季炎热多雨，多集中于夏秋两季，日照较少，全年太阳辐射强度和辐射量较低，全年相对湿度较高，夏季湿热问题严重，风速较低。根据成都市建筑气候的特征，初步制定可变建筑表皮设计的环境响应策略（见表1）。

图2 成都市气候数据

表1 可变建筑表皮环境响应策略

续表

3.2 根据典型气象节点制定可变建筑表皮适应性参数以及控制周期

根据上述对成都地区气候特征的分析，并根据其调节目标制定的调节策略确定具体气候适应性建筑表皮的参数和控制范围；根据该地区典型的气象节点，应在春分、夏至、秋分等时间对建筑表皮的可调节的参数进行调节，具体的调节周期为：实时调控+季节调控。

3.3 生成适应性可变建筑表皮形体

可变建筑表皮的形体包括基本形体以及在相应周期控制周期下经过运动转变生成的一系列形体。基本形体由Grasshopper通过设计算法控制相应的变量生成，同时还包含了不同形体之间的转化等内容。本文尝试采用文献[6]的方法来模拟设置表皮结构。根据表皮的运动形式，以三角形为例，借助滑动，旋转两种运动形式的变化来控制建筑表皮的形体。控制表皮形体的参数，例如矩形的边长、三角形的旋转角度、三角形滑动的距离都由Grasshopper中的滑块来控制。我们根据需要设置滑块的数值范围；同时，在今后的寻优设计中，通过对单个变量或者是多个变量的变化寻优，来获取对于某一要素性能或者是整体性能的最优解。

3.4 建筑性能模拟验证与反馈分析

通过Grasshopper模拟平台，可以对建筑表皮的变化是否达到预期目标进行验证，即在本次实验中，是否达到对于光环境和风环境的改善的目的，最终达到降低室内空调建筑能耗、提高室内舒适度的目标。同样Grasshopper模拟平台还可以通过插件Galapagos Octopus，结合遗传算法和退火算法对实验结果进行寻优，找到最合适的参数设置，达到最佳的室内物理环境。

4 结语

本文从可变建筑表皮生成概念出发，尝试归纳了可变建筑表皮的生成机理、运行模式，同时还对气候适应性建筑表皮对自然环境的响应进行归纳总结；最后以成都地区气候特征为例，采用ladybug模拟参数化设计平台，尝试生成适合该地区气候特征的可变建筑表皮。