喬宇， 侯婧雯

（西南交通大學建筑學院）

1 引言

相關研究指出，建筑在日常使用過程中的能源消耗有近一半是由建筑表皮的性能直接或者間接造成的[1]。隨著建筑設計方法和建筑技術的不斷發(fā)展，有關建筑表皮的研究逐漸興起，氣候適應性逐漸成為建筑表皮設計的重要考慮因素。氣候適應性本是來自生物學領域的概念，本意是指生物通過表皮與外部自然環(huán)境進行物質與能量交換來維持自身的生態(tài)平衡。認為能夠適應氣候不斷變化的建筑表皮被稱為“適應性建筑表皮”。在氣候適應性建筑的設計研究中，“動態(tài)可變”是一個重要的研究方向，1972年，Charles Eastm提出“適應性的建筑理論”，主張利用機械技術來實現建筑的動態(tài)可變和互動性[2]。1981年，由英國建筑師Michael Davies首次提出建筑皮膚的概念[3]。具有動態(tài)可變特征的建筑表皮，在適應氣候環(huán)境變化方面更加靈活積極，能夠實現建筑與外界環(huán)境的良性互動，改善室內環(huán)境并且提高節(jié)能效率[4]。

本次在對成都地區(qū)可變建筑表皮生成的研究中，是基于ladybug參數化設計平臺完成實驗，可變建筑表皮的特性決定在設計過程中需要大量的數據支持來應對復雜的氣候環(huán)境。所以本文的目標是：

①分析成都地區(qū)的氣候特點，采用參數化設計工具LadyBug Tools，基于建筑性能優(yōu)化的角度，提高夏季公共建筑室內熱舒適的同時，以降低空調制冷能耗為目標。提出合理的節(jié)能設計策略。

②形成表皮的形態(tài)；并通過建筑性能的模擬預測其使用效果，并對效果形成反饋，根據反饋的結果對方案再次優(yōu)化，形成合理的表皮形態(tài)。

2 氣候適應性可變建筑表皮的相關理論

2.1 概念生成

在建筑系統(tǒng)中，與氣候聯系最為緊密的是建筑表皮。對外，建筑通過建筑表皮獲取或者屏蔽氣候的影響；對內，依靠建筑圍護結構維持室內環(huán)境相對穩(wěn)定，減少建筑能耗，滿足人體對于舒適度的需求。氣候適應性建筑表皮應能有效地利用氣候環(huán)境，通過控制室內的通風、熱量、日照、眩光等環(huán)境因素，實現室內環(huán)境的相對穩(wěn)定。為了實現這種氣候適應性，建筑表皮的各種變量，位置、范圍、形狀覆蓋程度、可以調節(jié)程度以及使用者的操作都十分重要，最終決定建筑表皮的性能表現[5]。

2.2 運行原理

氣候適應性可變建筑表皮可以根據外界環(huán)境條件（風、光、熱、聲等）或者根據使用者對于建筑的不同功能需求，利用多種手段來調節(jié)表皮的形態(tài)以及功能。根據不同的需求來改變建筑的表皮的性能。氣候適應性建筑表皮的運動形式可以分為兩類，宏觀運動和微觀運動。本次設計是通過宏觀運動形式采用機械控制系統(tǒng)來控制建筑表皮的形態(tài)。

2.3 可變建筑表皮對外部環(huán)境的響應

可變建筑表皮可以通過自身大小、形狀、顏色、角度等參數的變化；控制室內風、光、熱等環(huán)境因素的能量交換，使得室內空間獲得最佳的舒適度并降低能耗。

2.4 LadyBug Tools可變建筑表皮參數化設計的設計方法

Ladybug Tools是基于Grasshopper平臺的參數化性能分析工具。基于Ladybug Tools可變建筑表皮參數化設計方法包含5個步驟，各個步驟之中可再細分若干具體措施，2、3、4步之間可以進行循環(huán)反饋得到最優(yōu)解（見圖1）。下面結合該設計流程，探究成都地區(qū)公共建筑基于風環(huán)境和光環(huán)境的可變建筑表皮的生成過程。

圖1 參數化設計方法

3 氣候適應性可變建筑表皮的生成

3.1 根據氣象資料分析制定環(huán)境響應策略

氣象資料分析是可變建筑表皮設計的前提，在氣候適應性的設計導向之下，通過表皮形態(tài)來響應氣候環(huán)境的變化，通過建筑表皮形態(tài)的變化來調整室內的物理環(huán)境。同時結合氣候特征，來制定相應的環(huán)境響應策略。本次實驗是通過對建筑表皮形態(tài)的變化，實現對建筑光環(huán)境和風環(huán)境的調節(jié)，從而達到改善室內環(huán)境舒適度，降低建筑能耗。

通過Ladybug的氣象數據可視化分析（見圖2），成都市氣候環(huán)境有以下特點：年平均溫度較高，晝夜溫差較小，夏季炎熱多雨，多集中于夏秋兩季，日照較少，全年太陽輻射強度和輻射量較低，全年相對濕度較高，夏季濕熱問題嚴重，風速較低。根據成都市建筑氣候的特征，初步制定可變建筑表皮設計的環(huán)境響應策略（見表1）。

圖2 成都市氣候數據

表1 可變建筑表皮環(huán)境響應策略

續(xù)表

3.2 根據典型氣象節(jié)點制定可變建筑表皮適應性參數以及控制周期

根據上述對成都地區(qū)氣候特征的分析，并根據其調節(jié)目標制定的調節(jié)策略確定具體氣候適應性建筑表皮的參數和控制范圍；根據該地區(qū)典型的氣象節(jié)點，應在春分、夏至、秋分等時間對建筑表皮的可調節(jié)的參數進行調節(jié)，具體的調節(jié)周期為：實時調控+季節(jié)調控。

3.3 生成適應性可變建筑表皮形體

可變建筑表皮的形體包括基本形體以及在相應周期控制周期下經過運動轉變生成的一系列形體?；拘误w由Grasshopper通過設計算法控制相應的變量生成，同時還包含了不同形體之間的轉化等內容。本文嘗試采用文獻[6]的方法來模擬設置表皮結構。根據表皮的運動形式，以三角形為例，借助滑動，旋轉兩種運動形式的變化來控制建筑表皮的形體。控制表皮形體的參數，例如矩形的邊長、三角形的旋轉角度、三角形滑動的距離都由Grasshopper中的滑塊來控制。我們根據需要設置滑塊的數值范圍；同時，在今后的尋優(yōu)設計中，通過對單個變量或者是多個變量的變化尋優(yōu)，來獲取對于某一要素性能或者是整體性能的最優(yōu)解。

3.4 建筑性能模擬驗證與反饋分析

通過Grasshopper模擬平臺，可以對建筑表皮的變化是否達到預期目標進行驗證，即在本次實驗中，是否達到對于光環(huán)境和風環(huán)境的改善的目的，最終達到降低室內空調建筑能耗、提高室內舒適度的目標。同樣Grasshopper模擬平臺還可以通過插件Galapagos Octopus，結合遺傳算法和退火算法對實驗結果進行尋優(yōu)，找到最合適的參數設置，達到最佳的室內物理環(huán)境。

4 結語

本文從可變建筑表皮生成概念出發(fā)，嘗試歸納了可變建筑表皮的生成機理、運行模式，同時還對氣候適應性建筑表皮對自然環(huán)境的響應進行歸納總結；最后以成都地區(qū)氣候特征為例，采用ladybug模擬參數化設計平臺，嘗試生成適合該地區(qū)氣候特征的可變建筑表皮。