动态建筑设计理念和方法研究

方帮华 王光照

1. 中国市政工程中南设计研究总院有限公司 湖北 武汉 430010；

2. 徐辉设计股份有限公司 河南 郑州 450000

引言

随着城镇化的推进和经济快速发展，越来越多的人口向城市聚集，对建筑质量的要求也越来越高。在此过程中，建筑物也应顺应社会文化发展方向，以多元化的形式融入城市中，为居民的工作和生活提供更加舒适的空间。在此背景下，有学者就提出了“动态建筑”设计理论，即借助各种连接、齿轮、控制系统等使建筑物实现旋转、伸缩、折叠、移动等。由于，动态建筑在我国起步较晚，且涉及多学科的交叉整合，使得相关设计理论并不成熟，可以参考的落地项目少。同时，设计人员对动态建筑理解较肤浅，难以制定出合理的设计方案，因此，进一步研究动态建筑设计方法具有重要的工程意义[1]。

1 动态建筑表现特征和实现手段分析

1.1 动态建筑表现特征

动态建筑目前并没有统一的分类方法，按结构类型可划分为支撑结构件可动、外围护结构件可动、内部空间分隔结构件可动、装饰性结构件可动等；按动态变化范围可划分为混合变化和单一的变化，不论按何种方式进行划分，动态建筑都呈现以下特征[2]。

1.1.1 空间可塑性。建筑空间不仅承载使用功能，还要能体现出场所精神，故空间塑造的好坏是评判建筑物设计水平的重要因素。一般建筑对空间的塑造是静态的，本质上由多个固定的空间组成。动态空间则恰恰相反，可以将多个空间重新进行塑造，利用不同空间的优势，通过垂直、水平等不同移动方向进行空间划分，打通各空间之间的距离以及相互关系，打造更舒适的居住体验环境，提升建筑空间活力。

1.1.2 需求响应性。动态建筑的需求响应特征主要体现在两方面。一是对功能需求的响应。人可以根据自身需求对动态建筑不断进行调整，达到改善条件的目的，通过人为干预使得功能需求响应处于被动状态；二是建筑内部随着环境也会发生不同响应。外界的温度。湿度等环境都会成为影响因素，这时可设置电子感应设备来判断这种变化，从自动调整建筑物的内部环境，使其保持在一个较舒适的状态。由此可知，建筑物对环境变化的响应属于主动式响应。

1.1.3 技术可行性。动态建筑内部结构较为繁杂，各空间、各构造元素之间都错综复杂，要实现动态功能，一定要有体系化的设计方案和专业的技术支持。这就需要一套全面的控制系统，通过主控制器、运动控制器等实现对建筑各空间位置、运动速度等的移动。运动控制系统组成及功能如表1所示[3]。

表1 动态建筑的运动控制系统

1.2 动态建筑实现手段

1.2.1 活动关节。在动态建筑中，应设置活动关节将静态原件连接，转化为活动部件。活动关节不仅要传递荷载，还要能在某些方向上相对移动。在设计动态建筑时，常用的活动关节有旋转关节和轴承连接两类。

旋转关节是绕轴转动的铰接元件间的典型连接（只有单一的旋转自由度），包括铰链、转动副等，其主要作用是打开或关闭它们所连接的部件[4]；

轴承连接又分为滑动和滚动两类，液体具有润滑作用，通过滑动摩擦，可将滑动表面相互阻隔，减轻表面相互磨损，抗冲击能力轻；滚动轴承由内圈、外圈、滚动体和保持架组成，具有维护简单、成本低等优点，但在冲击力作用下易损坏。

1.2.2 齿轮和传动器。齿轮将能调节动力或改变作用力的方向，将建筑物动态可变因素的运动方式进行转换。而传动器可将动力转换为机械功，即利用静态部件（定子）和运动部件（转子或电枢）的排列和连接，产生旋转、滑动、折叠等运动。

1.2.3 材料。相关研究成果表明，材料类型和占比会影响动态建筑物整体移动情况，选取轻盈的材料在使用上更灵活多变，各个空间结构越容易调节，且各动态元素间的连接越紧密。动态建筑可移动部件常用的材料有金属（铁、铝、铜、锌等）、高分子聚合物、天然材料（竹子、皮革等）、碳纤维。

1.2.4 动力系统。动力系统是指整体设备中需要动力机（电动机、液压马达、气动马达等）来带动工作，通过动力实现建筑的位移和转换，达到空间的协调和最佳舒适度。

2 动态建筑设计方法

2.1 生成设计方案

由上可知，动态可变是动态建筑最关键的特征，故共动态建筑在设计阶段应重点关注可变方式的选择和相关技术的应用。本文结合国内外工程案例，对旋转、伸缩、折叠、移动等可变方式进行详细阐述。

2.1.1 旋转。一般来说，人们对于居住建筑环境的朝向更为在意，此时便凸显出旋转的重要，以一个点为中心像周围转动，通过旋转实现朝向的变化。可旋转动态建筑物的起始形态和最终形态是固定的，在旋转过程中会呈现各种形态以适应外界环境变化。以图1所示的沙里夫哈住宅（Shanfi-ha）为例[5]：为了确保建筑空间在不同时间段都能获取较优质的光照，采用“旋转盒子”的设计理念，如图当盒子打开时，光源可在不同时间通过不同旋转角度进入房间且人可进入阳台活动，当建筑不想受大量光照时，又可通过旋转盒子关闭，进入封闭状态。

图1 沙里夫哈住宅旋转形态

2.1.2 伸缩。伸缩属于微变形，包括伸展和收缩两层含义。在动态建筑设计时，一般是将小截面构件放进大截面空心构件中，以实现增大或减少建筑物空间的目标。建筑物构件伸缩后，其长度、表面积等物理属性会变化，但功能基本不变。因此，动态建筑的伸缩效果主要受伸缩方向、伸缩距离两个因素影响。

2.1.3 折叠。折叠与伸缩的区别在于维度，折叠属于二维变形，但两者的功能相差不大，都是通过改变构件间的连接关系来控制建筑物空间。动态建筑物的折叠有两大特征：①体积。通过一个中心轴的压缩，体积会发生变化，随着轴方向上的体积不断缩小，另一边就会不断变大；②性能。折叠变形应是可逆的，这就决定了建筑物功能在折叠前后是相差不大的。动态建筑物的折叠效果与折叠时所选取的轴、方向和角度都有关系，其中选择轴作为基点尤为重要，方向和角度直接影响建筑物折叠程度和折叠效果。

2.1.4 移动。移动是最普遍的物体运动方式，根据轨迹不同，可划分为水平移动、垂直移动、斜向移动等。动态建筑移动前后只是位置变化，功能仍保持不变，其移动效果只与移动方向、移动距离相关。

2.2 合理性验证

为了确保图纸上的动态建筑方案能转化成实际工程，应当针对建筑方案开展合理性验证，如建筑构件变动后使用功能是否满足要求、内部与外部流线是否畅通；机械传动机构能否确保建筑构件的稳定变动；驱动设备是否可以为建筑构件变动提供足够的动力。上述技术问题均可利用模拟软件或3D打印机等方式进行验证。

3 动态建筑设计案例分析

本文基于上述动态建筑设计理念和设计方法，对某纪念馆进行设计。纪念馆建筑中的可动元素从景观体验、展览、环境适应等方面进行设计。

3.1 景观体验

在建筑物东侧观景部分设置可设计动态框架（可滑动伸缩）。框架的可伸出部分设计为玻璃框架，而在建筑物内活动的部分设计成半围合框架。在晴朗天气下，动态框架收入建筑中，游客可进入室外平台观赏内部景观；在连续降雨或大风等不良天气下，动态框架伸出建筑外，罩住室外平台，使其成为室内空间的一部分。

3.2 展览

将建筑物展厅设置为钢框架结构，外部覆盖玻璃幕墙，框架内设置可升降楼板，可结合展览内容，随意升降变动，形成具有一定特色的展览空间。同时，为了确保提升动态展览空间的安全性，建议在钢框架结构的顶部设置可移动玻璃栏杆，以保证游客在观赏期间的安全性。

3.3 环境适应

在展厅玻璃幕墙的外围设置可旋转的铝制遮阳板，设置效果见图2。遮阳板能够根据室外阳光强度和照射方向旋转，以动态调节展厅内的温度和光照强度。在冬季低温寒冷天气，可将遮阳板大角度转动，使展厅内得到更多光照，提高室内温度；在夏季炎热天气，遮阳板可以随阳光照射角转动，遮蔽阳光，避免室内温度过高。

图2 遮阳板旋转前后状态

4 结束语

本文分析了动态建筑的表现特征、实现手段及设计方法，并依托某实例阐述了具体设计方案，研究成果表明动态建筑具有空间可塑性、需求响应性、技术可行性，其主要实现手段包括旋转关节、轴承连接、齿轮、动器、材料、动力系统等。同时，动态建筑在具体设计时，可采用旋转、伸缩、折叠、移动等变形方式。为了确保动态建筑设计方案能转化为实际工程项目，还需要对方案进行合理性验证。虽然目前动态建筑设计理论不完善，落地项目较少，但随着建设技术的发展，未来有良好的前景。