天大建筑学院冯刚：形态可变的建筑表皮系统设计
建筑从诞生起，就处在不停的运动中。2020国际人居环境与未来城市大会暨第十届园冶高峰论坛期间，天津大学建筑学院副院长冯刚在建筑设计与城市风貌学术研讨会上发表题为《形态可变的建筑表皮系统设计》的演讲，通过巴黎阿拉伯世界文化中心、格拉茨技术大学生物催化实验室、阿布扎比AL Bahar双塔等项目，与大家分享了动态表皮可变单元常见设计方式，并介绍了其在教学与设计实践中进行的创作，鼓励建筑师们对形态可变的建筑表皮进行积极探索。
门、窗的开合可以使建筑空间在封闭与开敞间不停转换，可以使空气、热、光实现室内外的 交换与平衡。供水系统、空调系统、燃气系统等都是建筑内外物质与能量传递的媒介。建筑 就如同一个生命体，有自己的循环系统，也有一层与外界相隔离的“表皮”，它同样可以像生物的皮肤一样进行设计。
形态可变的建筑表皮（动态表皮）
所谓动态表皮，就是可以主动或被动地控制建筑室内外通风与采光的方式与数量，最优化室内外光、风、热交换过程，改善室内物理环境，节约能耗。这些动态的建筑构件每天，甚至每小时都在变化，建筑立面也随之成为一种不断变化的动态结构，随着时间的变化呈现不同的立面肌理效果，赋予建筑以更加丰富的内涵。
与呼吸式幕墙等生态或技术层面的表皮设计不同的是，动态表皮的视角更加宽广，它是一个综合了建筑学、CAAD技术、自动控制技术、材料、仿生等领域知识的系统工程，寻求生态、技术与艺术的完美平衡。它不仅有节能的价值，其本身也具有很强的形式和美学的价值。
动态表皮可变单元常见设计方式
动态建筑表皮有不同的处理方式，但它们的目的是相同的，通过一种形态可变的处理方式达到一种优化设计和提供个性化建筑立面的效果。
1.形态可变的遮阳系统
可变遮阳系统是最常见的可变表皮形式，其主要设计原理是根据日照的方向与高度角来调 节建筑立面遮阳构件的方向与角度，以实现室内光照环境最优化控制。可变遮阳系统是目前发展最为成熟的动态表皮设计方式。
努维尔设计的巴黎阿拉伯世界文化中心于1987年建成，是现代可变表皮技术第一个比较成熟的作品。因为这是一个阿拉伯文化的研究性机构，于是设计师借鉴了当地的窗的基本图饰，为建筑赋予一种文化的内涵。设计师通过类似于相机光圈的折叠方式，能够让光线在叶片孔洞中发生变化，对进入室内的光线进行有效地控制。从遮阳本体来说，它已经超越了一个百叶窗的价值，它带给人们的是一种形式的美感和空间的光影效果，已经成为一种艺术层面的可变遮阳。它开启了一种可变式遮阳的先河，打开一种新的设计思路。
厄恩斯特与吉尔伯特事务所的一系列作品简化了可变遮阳的一些设计原理，同时加入了艺术的元素。生物催化实验室项目的表皮是类似于屏风的设计系统，不同房间的使用者会自主地控制百叶窗的折叠，达到一种独自的遮阳效果。在百叶窗的侧面，有很多颜色的区分，达到一种丰富的色彩效果，带来一种新的视觉体验。
基弗技术展厅把自己生产的铝板用于建筑的表皮，达到了一种很好的广告效果。下图为建筑可变表皮在不同时间不同情况下所能产生的变化效果。通过简单地像书一样折叠，这个建筑可以呈现出不同的表情。有些是纯功能性的，包括对阳光的回应，使室内光环境更加舒适。而有些是纯艺术性的，它可以通过立面可变表皮的组合，使建筑呈现不同的表情，这也是可变表皮的一种美学价值。
德国Q1办公楼在普通的立方体形体上又提出了一种“金属羽毛”的可变表皮系统。建筑表皮的设计就像一片片羽毛，这些羽毛可以沿着中轴折叠旋转，可以把玻璃幕墙进行部分遮蔽和全部打开。这些羽毛有两种旋转方式，一种是中轴旋转，另一种是每一个叶片像百叶窗一样呈水平角度的旋转，这个幕墙就成为一个360度全向的遮阳体系，可以为建筑提供一个最优化的室内采光效果，从而节约空调、照明等能耗。
阿布扎比Al Bahar双塔是一个高层建筑，它用一个伞状的结构起到一种可变的遮蔽室内空间的效果。在幕墙外侧增加一个伞状的结构，从而使建筑有更多的生态美学的意义。据介绍，这个系统可以使建筑节能达到50%，减少照明、空调能耗。
墨尔本皇家理工大学设计中心项目，通过成组的磨砂玻璃的圆片，使建筑达到一种对阳光的有效控制。建筑表皮的玻璃页片分成了很多组，在一般的结构和设备的层次上是一种固定的设计，而在窗的位置，玻璃叶片可以绕中轴成组地旋转，使建筑在不同的时间不同的环境条件下具有不同的表情。但是玻璃叶片存在一些损坏和跌落，也造成了一些负面影响，在一定时段内建筑底层是被围挡起来的，这也是建筑师意想不到的事情。
天津大学建筑学院师生团队也做了一些研究性的设计，对遮阳表皮进行探索。他们提出通过两个齿圈相对旋转来实现一种孔洞的可控制，它中间采用了一种具有弹性和良好耐候性的膜结构，通过内外两个齿圈彼此的位移而实现孔洞大小的控制。建筑表皮的每组齿圈都可以独立地进行控制，这样每个房间外部的立面效果和内部的采光效果都可以进行有效的调控，同时可以呈现一种丰富的建筑立面表情。
2.智能材料为基础的形态可变表皮
智能表皮材料当受到特定的环境变化的刺激时，会改变原有材料的物理性能。这种能根据环 境变化而改变的材料，广泛应用于工程设计、时尚娱乐与工程建设中，对于可持续发展的建筑设计也具有重要价值。刺激智能材料改变的外部条件有光、热、电、声等多种因素。
关于温度敏感材料，首先来了解一下金属片热胀冷缩的性能。大家很熟悉的双金属片，在一定温度变化范围内（室温变化范围内）有8%左右的伸长度。基于此原则，可以设计一系列的根据温度变化而类似于钟表发条系统的可变的百叶或者孔洞的遮挡盖片。当室温发生变化时，它可以自主地或者被动地打开、关闭，从而使室内的热量保存或者分散到室外，达到一种平衡。南加州大学的一位教授用金属片做了一个有趣的参数化结构，这个体系随着日照的影响，表皮像羽毛状的金属片可以卷曲和关闭。当阳光从建筑上移走的时候，这些羽毛会马上落回原来的位置，灵敏度非常高。
还有一类湿度敏感材料，其基本原理就是用吸湿不同的木材经过叠加，形成一系列根据湿度变化能够卷曲、恢复平整的材料。国外的一个实验性的小建筑，在湿度相对不同的情况下，这些孔洞的内外层的木材发生了不同的涨缩，于是孔洞可以打开关闭形成一定的可变表皮，从而使水分能够快速地在室内外之间进行交换。冯刚教授要求学生做研究时，要超越普通木材简单叠加的形式，让大家试验不同的金属、纸等各种材料，达到一种对复合材料的更全面地探索。经过大家的努力，最终找到了敏感度最高的复合材料。
气动肌腱是荷兰参数化建筑师卡斯·奥斯特霍斯的一个建筑幕墙的研究。它的原则是通过一种气动的撑杆使橡胶的建筑表皮像人的眼皮、肌肉一样地打开关闭，达到一种对室内空间的光环境、风环境等有效地调控。类似的作品还有韩国2012世博会主题馆，它的表皮设计了“鱼鳃”装的层状结构，可以实现弹性形变，可随着室内外物理环境的变化需求自我调整性状。
充气结构为基础的智能表皮系统
在ETFE材料气枕内部设计可以调节遮阳的建筑构件。
2000汉诺威世博会德国馆、西班牙巴塞罗那媒体信息中心的建筑表皮都是采用了气枕系统，进而实现了对室内采光的有效干预，进而优化室内采光。
映射环境的可变形态表皮
建筑立面设计单元为可变结构。这种结构可在外部环境的影响下做被动变化，从而将环境的 变化映射到建筑的立面上。这类可变表皮生态层面的意义较弱，而更加注重建筑立面与环境 的关系与自身的艺术性。
匹兹堡儿童博物馆建筑表皮上有很多轻质的塑料片，在风的作用下可以自由地摆动，使建筑表皮形成一种波光粼粼的效果。布里斯班机场航站楼水波样的效果是怎样实现的呢？表皮的穿孔金属板在安装时螺栓是没有拧紧的，在风的作用下可以使金属板进行轻微的摆动，从而形成水波的效果。
冯刚教授团队对不同类型的表皮进行了分析和评价，评价中有很多项目借鉴了国外类似的研究，然后加入了很多自己的内容。图表说明动态表皮并不是在每一项中都表现优良，它只是在某些方面有其独到的精彩设计，而在有些方面是有其本身的劣势，包括在造价上，基本都比通常的建筑造价高。在目前情况下，真正建造起来的并得到认可的作品不是非常多，但是每一个完成的作品都是建筑上的精品，建筑师们也在做积极的尝试，期待有更多的作品献给大家。
冯刚教授团队的上海图书馆东馆投标方案进入了最后一轮评审。这个方案在图书馆建筑上设计了一种能开合的金字塔状的表皮，在光照下可以对图书馆室内进行有效的光的调节，同时对建筑表情有动态的回应。可以利用文字、图案，或者通过对房间采光调节，从而使建筑具有动态可变的表情。
