略论建筑表皮材料的设计范文

1传统表皮材料的创新性应用

许多传统建筑材料，如粘土、木材、竹子等，在漫长的人类建筑史中，发挥了重要作用。SDE2010竞赛规则中，特别强调传统建筑材料的创新性应用，其目的是鼓励各参赛团队对传统建筑材料进行发掘，使得传统材料在新技术新工艺的激发下焕发新的活力。法国格里诺博尔大学的参赛作品“ArmadilloBox”采用了粘土材料并对其进行了创新性应用（图1）。粘土是一种古老的建筑材料，传统粘土具有良好的蓄热、存湿能力并有较好的防火性能，随着新型加工技术的产生，工业化粘土制品开始应用于建筑表皮，主要包括粘土砖、粘土板及粘土涂层等。在作品中，粘土饰面板应用于建筑内墙，一方面，粘土饰面板为优秀的蓄热体，能有效延缓温度波动；另一方面，粘土所特有的吸湿性，对室内湿度的保持有益。除此之外，还采用了粘土辐射板系统（WEM），WEM以布置于建筑内墙面的粘土辐射板为末端，用水作媒介，通过WEM辐射板，将热量或冷量辐射出去，用于建筑制冷或采暖。试验证明该方式具有良好的效率。中国同济大学的参赛作品“BambooHouse”，采用了中国南方传统的建筑材料———竹子。竹子重量轻，弹性和韧性好，其特有的空心结构决定了竹子的抗弯强度比实心杆件强，加之竹子生长周期短，耐腐蚀性好，使其成为良好的建筑表皮材料。BambooHouse中竹子通过技术处理后应用于建筑的柱、梁、墙及屋顶等多处，尤其是外墙。BambooHouse的外墙由两层结构构成，内层是SIP板（StructuralInsulationPanel），外层是将竹子用铁丝连接起来固定于其后的内墙板，中间形成了空腔，该结构使其具有良好的保温隔热性能。建筑的南侧外墙将太阳能光电板（PV板）与竹子结合起来，在满足太阳能发电的同时，还表达了对中国传统文化的尊重。

2新型光伏表皮材料的建筑一体化

随着太阳能利用技术的不断发展，光伏材料逐步应用于建筑表皮，光伏组件与建筑墙体、门窗、遮阳板及屋顶等结合，形成了光伏表皮。光伏表皮为技术性表皮，具有双重作用，它既承担传统建筑表皮保温隔热的作用，又能利用太阳能发电发热。与以往建筑设计中常采用遮挡、隐藏光伏组件的处理方式不同，SDE2010参赛作品中光伏表皮与建筑高度集成，光伏表皮自身独特的肌理形成的技术美已成为建筑立面不可或缺的组成部分。德国柏林技术和经济专业大学的参赛作品“LIV-INGEQUIA”中（图3），设计理念清晰，建筑形式完整。屋顶的隐框太阳能光电板（PV板）与屋顶无缝拼接，浑然一体，建筑风格协调。建筑南立面采用薄膜太阳能光电池所组成的遮阳折叠门，具有遮阳与太阳能光伏发电的双重功效，并形成了较好的室内外景观。建筑的外墙和屋顶均由黑色经过热处理的木材组成，以增加建筑的被动蓄热能力。在这里光伏表皮不再是附加的装饰，而是整个建筑有机的组成部分。德国斯图加特应用技术大学的参赛作品“Home+”（图4），在其建筑屋顶和东西立面上设置太阳能光电板。东西立面外墙的太阳能光电板为多晶硅光电模块，采用了特殊工艺使得光电板呈金黄色渐变的立面效果，一改传统光电板单调的黑灰色。屋顶的光电板为单晶硅光电模块，创造性地采用了新型的光伏/热系统（PV/T）。该系统将吸热板布置于光电板背面，吸热板后附有铜管，铜管中以水为媒介，将光电板发电时产生的热量通过水传输到水箱中储存。该方式在保存了热量的同时降低了光电板自身温度，提高了发电效率。

3表皮材料的复合化与可调节性

建筑外部环境周期性的变化，要求建筑表皮须具有调节的能力，达到维持室内环境在人体舒适度范围内的目的。单一材料组成的表皮已无法应对复杂的外部环境变化，因此，建筑表皮材料的复合化成为必然趋势。复合表皮通过新技术将一系列单层材料组合，形成具有多重功能的表皮。该复合表皮并非单层材料的简单叠加，而是每个单层均可独立调节，并与建筑的保温隔热、遮阳通风结合在一起。美国弗吉尼亚理工大学的参赛作品“Lumenhaus”采用了一种称为“Eclipsis”的系统（图5）。这是一种具有完整结构，能够调节的复合系统，具有外遮阳、保温隔热及自然通风等多重作用。构造层次从外而内分别为不锈钢圆孔片组成的调光遮阳板、半透明的聚碳酸酯保温隔热板、可推拉纱窗、可推拉玻璃门、纱质窗帘五部分。各部分通过开启和闭合均可进行独立调节。外层调光遮阳板的孔洞经精心设计，通过计算确定圆孔遮光片前后倾斜角度，以达到对进入室内阳光的控制，同时保证了室内的自然通风。半透明的聚碳酸酯保温隔热板是良好的保温隔热材料，Lumenhaus的自动控制系统根据室内外温度变化，控制保温隔热板的开启闭合，使室内温度保持稳定。Lumenhaus的屋顶太阳能光电板构成了屋顶的热缓冲层，避免阳光直射造成的温度波动，同时，太阳能板还能根据日光高度的不同自动调节角度，以达到最高发电效率。西班牙加泰罗尼亚理工大学的参赛作品“LOW3”（含义是低造价、低能耗、低影响）（图6），该住宅由内外两层表皮组成，内表皮为不加外装饰面的SIP板，外表皮为半透光的聚碳酸酯阳光板构成。外表皮在屋顶与南、东、西外墙处均可开启，两层表皮间约200m3的灰空间，其中布置有绿色植物。夏季白天外表皮关闭，起遮阳作用，灰空间内的植物可降温，夜间可完全开放两层表皮自然降温；冬季白天外表皮关闭，半透明材料可吸收太阳辐射，起阳光温室作用，夜间内外表皮均关闭。通过内外双层表皮的开启与闭合，可有效地应对室外环境波动。除此之外，为适应参赛期间西班牙炎热的气候，很多参赛团队均采用了带有相变材料（PCM）的建筑材料构成建筑表皮。相变材料多数为盐水混合物和石墨等组成并封装于建筑屋顶、外墙或地板。相变材料通过固态液态转化释放潜热维持室内温度的稳定，具有良好的调节性。

4表皮材料的地域文脉与美学表达

建筑表皮是建筑形式美的外在表达是建筑性格的物质载体。以往人们关注的重点是建筑表皮材料的物理性能，如今更加注重表皮材料的多样化表达，强调表皮材料与地域文脉的关联以及材料自身的技术美学。天津大学的参赛作品“Sunflower”，将中国传统建筑文化中的四合院、天井及白墙灰瓦等引入设计中（图7）。在建筑的东、南、西三个立面布置光伏发电板，光伏发电板的纹理模仿中国传统建筑中青砖的造型。顶层阁楼的坡屋顶上，布置光伏发电板和太阳能真空管，真空管整齐排列，模仿中国传统坡屋顶建筑中的瓦屋面。光伏材料自身的表现力得以展现，同时传达了中国传统建筑的历史文脉。美国佛罗里达大学的参赛作品“CrackerHouse”，以当地传统的建筑形式“Crackers”为原型。建筑南侧外墙采用了圆柱形薄膜光伏电池格栅，除了发电之外还能提供遮阳。该格栅式的光伏电池与建筑主体的木格栅形成了很好呼应，展示了美国传统建筑的地域文脉和新型光伏表皮的艺术魅力。

随着可持续发展思想与材料技术的进步，建筑表皮材料正向技术与艺术完美结合的方向发展。SDE2010竞赛中，各参赛团队的作品为我们提供了表皮材料利用的新思路和新方法，展示了当今表皮材料应用中的技术创新和美学表达，为建筑表皮材料研究提供了有益的启发。

本文作者：张晟、、李伟单位：天津城市建设学院、天津市建筑设计院