汪瑜嬌 石 峰

花格紋樣作為文化符號(hào)具有強(qiáng)烈的地域特色，在不同文化中有不同的表達(dá)，常常被運(yùn)用在建筑中。中國(guó)傳統(tǒng)的花格紋樣歷史悠久，運(yùn)用于傳統(tǒng)建筑的門窗中分隔空間、調(diào)節(jié)光線，在園林的花窗、漏窗、洞門、鋪地等均有體現(xiàn)，起到裝飾作用并有所寓意，構(gòu)成園林的主題體系。江南古典園林中的花窗，增加空間的層次，使靜景產(chǎn)生流動(dòng)之感，人們既欣賞不斷變化的自然景色，又欣賞花窗洞門不斷變化的形狀式樣，信步游覽時(shí)達(dá)到移步換景變化無(wú)窮的效果[1]。在現(xiàn)代建筑中，傳統(tǒng)花格紋樣的運(yùn)用為建筑增加傳統(tǒng)韻味與地域色彩，然而靜止的花格圖案已經(jīng)不能滿足日益增長(zhǎng)的審美需求，傳統(tǒng)園林藝術(shù)在城市中的拓展需求不斷增加[2]。

運(yùn)用在建筑中的動(dòng)力學(xué)技術(shù)使得建筑不再局限于靜止，計(jì)算機(jī)的普及以及計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的發(fā)展增加了動(dòng)態(tài)表皮的可能性，建筑師利用跨學(xué)科的技術(shù)付出諸多實(shí)踐，20世紀(jì)80年代讓·努維爾設(shè)計(jì)阿拉伯世界文化中心[3]，將阿拉伯文化符號(hào)融入在動(dòng)態(tài)表皮中；2008年北京奧運(yùn)會(huì)中的“水立方”在形似水分子的表皮單元中采用可充氣的薄膜材料，通過(guò)充氣單元的啟動(dòng)與停止維持穩(wěn)定的氣壓[4]，2012年建成的阿布扎比塔（Al Bahar Towers）基于阿拉伯花格圖案，通過(guò)可展開的表皮構(gòu)件應(yīng)對(duì)沙漠特殊氣候環(huán)境[5]。動(dòng)態(tài)表皮能夠在給定外力作用下發(fā)生彈性變形，并且按照給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律恢復(fù)，從而具備與環(huán)境等同的變化或多于環(huán)境的變化能力，創(chuàng)造智能化、動(dòng)態(tài)化和技術(shù)化的新型建筑空間[6]。表皮的動(dòng)態(tài)模式中，可以通過(guò)表皮單元的物理運(yùn)動(dòng)如旋轉(zhuǎn)、滑動(dòng)、折疊改變表皮狀態(tài)，可變的新型材料為建筑表皮提供了許多可能性，例如薄膜材料充氣變形或相變材料改變物理狀態(tài)等使表皮發(fā)生變化[7]。在綠色建筑領(lǐng)域，氣候適應(yīng)性的動(dòng)態(tài)建筑表皮采用智能控制系統(tǒng)或特殊材料等，對(duì)某一種或多種環(huán)境因素進(jìn)行調(diào)節(jié)適應(yīng)多變的氣候環(huán)境[8]。而數(shù)字技術(shù)作為一種新的工具，更好地連接了建筑與環(huán)境的互動(dòng)設(shè)計(jì)，置入機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)建筑表皮結(jié)合嵌入式計(jì)算技術(shù)，創(chuàng)造出能夠?qū)ν饨缥锢憝h(huán)境做出反應(yīng)并對(duì)自身重新配置的建筑設(shè)施或構(gòu)件[9]，從而與使用者進(jìn)行互動(dòng)或響應(yīng)氣候條件的變化。

本文探究在動(dòng)態(tài)建筑表皮中實(shí)現(xiàn)中國(guó)傳統(tǒng)花格圖案的轉(zhuǎn)譯，從傳統(tǒng)花格圖案中提取運(yùn)動(dòng)模式，嘗試將花格圖案轉(zhuǎn)譯為動(dòng)態(tài)表皮單元，其運(yùn)動(dòng)在識(shí)別到用戶活動(dòng)時(shí)被觸發(fā)，創(chuàng)造出另一種形式的“移步換景”效果，增強(qiáng)空間與人的互動(dòng)性，同時(shí)豐富光影效果及外觀效果。

1 花格元素的提煉

1.1 幾何元素提取

現(xiàn)代建筑當(dāng)中，傳統(tǒng)的花格紋樣被簡(jiǎn)化提煉并應(yīng)用于建筑外立面的設(shè)計(jì)以及室內(nèi)的分隔、裝飾，在建筑中呈現(xiàn)出豐富的視覺(jué)效果和地域文化特色[10]?；炷敛牧系倪\(yùn)用使得花格圖案的轉(zhuǎn)譯有了新的發(fā)展，隨著材料和技術(shù)的發(fā)展，建筑表皮能夠脫離于結(jié)構(gòu)，從而獲得更多的自由度和可能性，花格元素的轉(zhuǎn)譯也出現(xiàn)更多的嘗試[11]。

已有運(yùn)用于表皮的花格紋樣大多靜止或以圖案自身的多樣性達(dá)到視覺(jué)上動(dòng)態(tài)的效果，本文在表皮單元置入機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)花格圖案在建筑表皮上的動(dòng)態(tài)化。古典花窗中的花格圖案可以看作一種基礎(chǔ)幾何學(xué)的平面鑲嵌圖形，基礎(chǔ)幾何學(xué)按照周期性可分為周期性和非周期性，按照鑲嵌單元可分為多邊形和非多邊形鑲嵌[12]。許多復(fù)雜的花格圖案可以提取為周期性的多邊形平面鑲嵌，考慮到作為動(dòng)態(tài)表皮的可操作性，文章選擇簡(jiǎn)化的凸多邊形的鑲嵌單元，進(jìn)行平面運(yùn)動(dòng)模式的設(shè)計(jì)，并通過(guò)單元的裝飾還原復(fù)雜的花格圖案效果，在保留傳統(tǒng)意蘊(yùn)的同時(shí)創(chuàng)造造型簡(jiǎn)約、可變的花格表皮，不斷運(yùn)動(dòng)的取景框和自然景觀結(jié)合，達(dá)到豐富的視覺(jué)效果（圖1）。

圖1 花窗圖案中的幾何單元提取

1.2 運(yùn)動(dòng)形式分析

針對(duì)鑲嵌單元進(jìn)行平面運(yùn)動(dòng)模式，首先對(duì)邊數(shù)最少組合方式單一的等邊三角形進(jìn)行嘗試。在六個(gè)三角形單元的基本組合中，將中心和外側(cè)的頂點(diǎn)兩兩相連，如圖2初始的組合為狀態(tài)1，推拉鉸接處將圖形以中心點(diǎn)為基礎(chǔ)向外展開。對(duì)展開過(guò)程中單元運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行分析：各三角形分別繞鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，相鄰的三角形相對(duì)做鏡像運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)方向相反；完全展開時(shí)為狀態(tài)2，圍合為正六邊形；各三角形繼續(xù)沿原方向旋轉(zhuǎn)，則圖形重新收縮到狀態(tài)3（圖2）。當(dāng)三角單元繼續(xù)增加，使相鄰的三角形頂點(diǎn)兩兩連接，組合圖形仍然可以被展開，且每點(diǎn)最多可以連接六個(gè)三角形單元。展開過(guò)程中，相鄰的三角形旋轉(zhuǎn)方向相反，最大相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為240°。

圖2 三角形單元運(yùn)動(dòng)模式的折紙示意

除等邊三角形外，將其他常見幾何形進(jìn)行組合，其中等腰直角三角形組合后可以展開，但展開后無(wú)法繼續(xù)活動(dòng)收縮至原始的鑲嵌圖形。四角相等的正方形、長(zhǎng)方形、菱形均可以進(jìn)行完整的展開、收縮運(yùn)動(dòng)，即相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)180°（圖3）。

圖3 不同幾何形狀的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

多邊形邊數(shù)大于等于5，展開時(shí)單元相互重疊，無(wú)法在同一平面上運(yùn)動(dòng)。而對(duì)于異形的三角形和四邊形進(jìn)一步嘗試發(fā)現(xiàn)，只有組合時(shí)每個(gè)頂點(diǎn)相接處圖形單元的數(shù)量為偶數(shù)的圖形可以展開。

1.3 復(fù)雜形狀的衍生

對(duì)于更加復(fù)雜的花格紋樣，可以在簡(jiǎn)單幾何形狀的基礎(chǔ)上進(jìn)行局部加減，形成單個(gè)復(fù)雜圖形的平面鑲嵌或兩個(gè)不同單元的平面鑲嵌（圖4）。在具體表皮構(gòu)件的設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)鏤空或增加裝飾層達(dá)到這一效果，在保證運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，形成更加符合古典花格圖案的動(dòng)態(tài)形式。

圖4 復(fù)雜形狀的衍生

2 機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)表皮可以分為核心控制層、動(dòng)力層、骨架層以及閉合的邊界層四個(gè)基本層次[6]。本文首先基于正三角形的平面鑲嵌單元，歸納總結(jié)圖形變化中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，探究動(dòng)力層的設(shè)計(jì)。

2.1 機(jī)械運(yùn)動(dòng)原理

在圖形運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，盡管各個(gè)三角形單元均在旋轉(zhuǎn)，理論上只需要推動(dòng)兩點(diǎn)或帶動(dòng)部分單元轉(zhuǎn)動(dòng)就可以聯(lián)動(dòng)整個(gè)圖形。如圖5的組合中，為了平衡各方向的作用力，將中心三角形的中心點(diǎn)固定，同時(shí)帶動(dòng)該三角形以及最外側(cè)的多個(gè)三角形旋轉(zhuǎn)，處于兩者之間的其余三角形在內(nèi)側(cè)推力和外側(cè)拉力共同作用下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。完成一次運(yùn)動(dòng)后所有三角形均旋轉(zhuǎn)120°，相鄰三角形反向旋轉(zhuǎn)且旋轉(zhuǎn)速度相同。另外，觀察發(fā)現(xiàn)，除中心的三角形外，其余三角形在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)各自的中心始終在直線上移動(dòng)，在完全展開時(shí)移動(dòng)的距離達(dá)到最大，而后向內(nèi)移動(dòng)。當(dāng)組合中三角形數(shù)量增加時(shí)，即在圖5組合的基礎(chǔ)上，外側(cè)增加層數(shù)，仍然能夠按照上述規(guī)律運(yùn)動(dòng)。依據(jù)沿直線軌跡的運(yùn)動(dòng)對(duì)于機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)（圖5～6）。

圖5 三角形單元運(yùn)動(dòng)模型

2.2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在基于正三角形鑲嵌單元的表皮構(gòu)件設(shè)計(jì)中，為了使用單個(gè)電機(jī)帶動(dòng)整體旋轉(zhuǎn)，需要將最外側(cè)三角形的旋轉(zhuǎn)與中心三角形的旋轉(zhuǎn)聯(lián)系起來(lái)。首先，如圖7所示，以兩層三角形的組合為例，三角形聚攏時(shí)，以圖形中心為圓心，過(guò)最外側(cè)三個(gè)三角形Δa、Δb、Δc中心做圓；以圓心為起點(diǎn)做中心三角形三邊的垂線，與圓相交于點(diǎn)A、B、C，將A、B、C三點(diǎn)與最外側(cè)三個(gè)角的圓心A’、B’、C’兩兩相連。當(dāng)中心三角形圍繞圓心轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線段AA’、BB’、CC’的長(zhǎng)度始終保持不變，且與連接的外側(cè)三角形相對(duì)角度保持不變，與其中一邊垂直。根據(jù)這一規(guī)律，設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)輪并設(shè)桿件連接A2A2’、B2B2’、C2C2’，帶動(dòng)中心三角形轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)三角形a、b、c的中心沿直線運(yùn)動(dòng)，并控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度。此時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)輪其半徑為（L 為三角形單元的邊長(zhǎng)） ：

圖6 層數(shù)增加時(shí)三角形組合的運(yùn)動(dòng)模式

圖7 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)同樣的探究方法，可以設(shè)計(jì)以其他多邊形作為鑲嵌單元的動(dòng)態(tài)表皮機(jī)械系統(tǒng)。在實(shí)際模型制作中，為了降低運(yùn)動(dòng)中的阻力，可以根據(jù)層數(shù)疊加多層轉(zhuǎn)動(dòng)輪及桿件控制整體運(yùn)動(dòng)。

3 模型設(shè)計(jì)及制作

本文利用探究所得的機(jī)械原理，基于正三角形的鑲嵌單元進(jìn)行動(dòng)態(tài)表皮單元構(gòu)件動(dòng)力層、骨架層以及核心控制層的設(shè)計(jì)，并制作實(shí)體模型，結(jié)合電路設(shè)備以及控制程序，研究作為動(dòng)態(tài)表皮的一種可能性。受到材料尺寸限制，選擇前文探究中三層三角形的模型。

3.1 單元設(shè)置及動(dòng)力系統(tǒng)

本模型中采用單一電機(jī)提供動(dòng)力來(lái)源。設(shè)置三角形單元邊長(zhǎng)為7c m，為了增強(qiáng)轉(zhuǎn)動(dòng)的穩(wěn)定性，模型中將單體各角進(jìn)行半徑4 m m 的倒圓角。采用雙層轉(zhuǎn)動(dòng)輪控制整體運(yùn)動(dòng)，圓半徑分別為R1=8.08cm，R 2=1 2.1 2 c m。三角形單元經(jīng)過(guò)倒圓角后，其中心點(diǎn)到頂點(diǎn)距離減小，展開后整體圖形減小，桿件長(zhǎng)度及轉(zhuǎn)動(dòng)輪半徑需要適量調(diào)整，經(jīng)過(guò)計(jì)算當(dāng)R1’=6.96cm，R2’=10.41cm時(shí)，運(yùn)動(dòng)中誤差最小。根據(jù)六個(gè)被連接的三角形單元的運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)置直線軌道控制沿直線運(yùn)動(dòng)。使得兩層轉(zhuǎn)動(dòng)輪同向轉(zhuǎn)動(dòng)，采用內(nèi)層輪的桿件控制角度，固定與三角片連接的一側(cè)；外側(cè)桿件兩側(cè)均為可活動(dòng)的鉸接。

3.2 骨架系統(tǒng)

模型所用材料以木板為主，摩擦阻力較大處替換不銹鋼材料，通過(guò)螺絲、卡口進(jìn)行連接固定。采用兩層三角形框架支撐模型，前側(cè)框架上固定六條軌道，后側(cè)框架固定軸承，用于支撐轉(zhuǎn)動(dòng)的構(gòu)件。雙層轉(zhuǎn)動(dòng)輪連接并固定，從而保持轉(zhuǎn)動(dòng)角速度相同，并由置于底部的電機(jī)通過(guò)齒輪控制其轉(zhuǎn)動(dòng)。三角形表皮單元之間通過(guò)雙孔的連接件進(jìn)行連接，表面增加六角形鏡面亞克力板，增加裝飾效果（圖8）。

圖8 模型構(gòu)件分解圖

3.3 核心控制系統(tǒng)

在模型的制作中，我們利用Arduino平臺(tái)實(shí)現(xiàn)與使用者的互動(dòng)，采用紅外傳感器，根據(jù)是否感應(yīng)到人體活動(dòng)控制42步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)停止及正轉(zhuǎn)、倒轉(zhuǎn)，從而控制表皮的開合?？刂品桨笧椋焊袘?yīng)到人靠近時(shí)，模型由初始狀態(tài)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，展開到最大程度后繼續(xù)收縮完成一次運(yùn)動(dòng)。此時(shí)再次讀取感應(yīng)信號(hào)，若感應(yīng)到人活動(dòng)，則模型逆轉(zhuǎn)60°達(dá)到完全展開的狀態(tài)后再次讀取感應(yīng)數(shù)據(jù)；若無(wú)法感應(yīng)到信號(hào)，即人靜止或已經(jīng)離開，則模型逆轉(zhuǎn)120°回到初始狀態(tài)（圖9）。

圖9 Arduino控制方案

3.4 模型使用效果

連接電路，將程序輸入后，當(dāng)感應(yīng)范圍內(nèi)有人活動(dòng)，模型中的三角形單元根據(jù)人的行為進(jìn)行順時(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。增加六邊形鏡面裝飾后，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生更加豐富的形態(tài)變化，展開與聚攏時(shí)組成不同的花格圖案；當(dāng)光束直射時(shí)，還能夠產(chǎn)生不斷變化的彩色光效果（圖10）。應(yīng)用于建筑表皮，可將三角形單元進(jìn)一步增加，多個(gè)模塊進(jìn)行組合，置入三角形格架中，觀者所到之處的三角形隨之轉(zhuǎn)動(dòng)展開產(chǎn)生一定的互動(dòng)效果，或采用其他控制方案進(jìn)行動(dòng)態(tài)的控制。另外，也可將構(gòu)件的組合適當(dāng)圍合，對(duì)于空間起到一定的限定作用，作為公共空間的藝術(shù)裝置等，與傳統(tǒng)山水元素相結(jié)合，營(yíng)造城市中的園林景觀（圖11）。

圖10 模型照片

圖11 應(yīng)用效果設(shè)想

模型制作中由于材料、設(shè)備有限，實(shí)際模型轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中摩擦阻力較大、轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中同時(shí)需要抵抗重力，容易出現(xiàn)卡頓、齒輪脫離；同時(shí)，由于倒圓角和三角形單元的連接方式，三角形的轉(zhuǎn)動(dòng)與其中心直線運(yùn)動(dòng)不能完全協(xié)調(diào)。另一方面，展開時(shí)，較大的轉(zhuǎn)動(dòng)輪對(duì)于視覺(jué)效果有一定影響，需要在后續(xù)研究中進(jìn)一步改善。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)原理探究及模型制作，本文對(duì)于傳統(tǒng)花格圖案到動(dòng)態(tài)建筑表皮轉(zhuǎn)譯進(jìn)行了一定的嘗試，初步證明作為裝飾性表皮的可行性。根據(jù)前文總結(jié)的機(jī)械原理，該表皮構(gòu)件可以繼續(xù)擴(kuò)大，通過(guò)單一電機(jī)控制更多的三角形單元；將多個(gè)構(gòu)件進(jìn)行組合作為建筑的裝飾性表皮，增加建筑風(fēng)格的地域性、產(chǎn)生豐富的視覺(jué)效果。通過(guò)增加承接面、改變支撐框架與電機(jī)位置，可以將該模型作為室內(nèi)吊頂裝置。另外，鏡面裝飾產(chǎn)生的生動(dòng)的視覺(jué)效果也表明其作為與傳統(tǒng)文化相關(guān)的廣場(chǎng)藝術(shù)裝置、舞臺(tái)裝置的可能性等。在未來(lái)的研究中，也可以改變控制模式，采用風(fēng)、光、熱相關(guān)的傳感器等，三角形單元的展開與閉合結(jié)合可變的膜材料，根據(jù)外部物理環(huán)境調(diào)節(jié)通風(fēng)、透光、反射熱輻射的效果，應(yīng)用于綠色建筑的適應(yīng)性表皮。

在傳統(tǒng)花格圖案中提取的組合形式當(dāng)中，本文中僅對(duì)正三角形單元的組合形式進(jìn)行模型實(shí)踐，對(duì)于前文所述的其他幾何形的組合，仍可以進(jìn)一步研究各自運(yùn)動(dòng)的機(jī)械原理是否與正三角形的組合一致，應(yīng)該如何設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。至于衍生的復(fù)雜圖案，通過(guò)改變材料、增加裝飾層、鏤空或其他手段增加對(duì)于傳統(tǒng)花格圖案的暗示，在運(yùn)動(dòng)當(dāng)中也能達(dá)到豐富的變化形式，滿足不同場(chǎng)景當(dāng)中更加多樣的應(yīng)用。

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