牛爆了!看看这些非线性建筑表皮!【技术帖】

建筑师杂志2018-12-05 06:51:16

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有关建筑表皮的定义

从语言生成上说,在古代中国的建筑术语里没有建筑表皮这个词汇,建筑表皮这个词是直接从英语单词“Building skin”,直译过来的,建筑表皮的原始概念与生物学相关,强调建筑的保护性,在生物学意义中,建筑可以比作成一个外围护结构是皮,结构是骨,空间是灵魂的生物体。另一种建筑表皮解释是来源于表皮的定义,表皮具有界面的属性,这种观点是一个系统与另一个系统的连接部(实体或者虚体)都可以称之为界面,或者表皮(陈龙,2003)。


在表皮的定义范围中,建筑表皮的概念更接近于“建筑的具象表皮”的理解,因为建筑设计实践活动中最直接的设计过程指向的首先是建筑表皮物理特性,强调建筑表皮的物理微观细节和建筑材料的呈现方式,在这种意义上“建筑的具象表皮”建立在以物质形态呈现的建筑发展的各种风格流派之上,它可以作为依附于空间的建筑的内外立面或称为非平面界面的空间分隔物,担当建筑结构和建筑功能的任务。


当今一些建筑师对建筑表皮的理解也具有多样性,有一些重视的是建筑的生物学意义中的作用,认为建筑表皮如同建筑的维护结构体,其功能应同动物的皮肤功能一样,可以起到保护、调节室内温度,交换空气,适应外界环境改变的作用。还有一种观点是从建筑表皮的抽象概念发展而来的,认为建筑表皮并非简单的具有一定分离意识的维护体系,这只是建筑表皮认识上的阶段性思维,并非建筑表皮的全部,建筑表皮是一种相对模糊的概念,不论在空间位置上,厚度上甚至其介质上,都应该用具有发展的眼光来看待它。它是一种看似模糊实则清晰的表皮意思(冯路,2004)。

“非线性”一词的引入

在《大英百科全书》中,线性与非线性是按照系统来定义:“线性系统是指系统对于某种力的响应是严格成比例的,不会出现像混沌行为那样的力的巨大放大,非线性系统的行为模式则是变化多端,根本不可能用精致数学分析进行描述。直到巨型计算机变得成为可控制的时候,人们对非线性系统的本性才有了一点点探索,对司空见惯的混沌有了一些了解。”


非线性科学是研究大千世界复杂奇妙的非线性现象,从中归纳其共性、建立从确定性论到概率论之间桥梁的一门学科。而其对人类发展影响的另一重要方面是其对人类抽象思维发展的影响,非线性思维方式已经成为人类最重要的科学思维方式,非线性科学的产生标志着人类的认识由线性现象领域进入非线性现象领域,是人类认识和科技发展的一次由量到质的重大飞跃。

非线性建筑表皮

非线性建筑表皮是指在非线性科学影响下,形成的非线性的建筑表皮,它具有动感和复杂的形态。非线性建筑表皮具体的说包含两种,即非线性建筑的表皮和线性建筑中具有非线性特征的表皮部分。


1960 年代以来,生产力和科学技术飞速发展,产生新兴的科学——复杂性科学。它与各个学科都紧密结合,并被引入到建筑设计中,特别是非线性科学与建筑的结合更加紧密,出现了一批把非线性建筑理论运用到建筑设计中的建筑师,比如,蓝天组,埃森曼、盖里、扎哈·哈迪德、库哈斯、李伯斯金和屈米等等。


非线性建筑表皮的设计方法


一.混沌理论作为非线性建筑表皮设计的基础

混沌理论是非线性理论的重要组成部分,混沌理论的特点之一就是对其无法做出长期准确的判断。依据混沌理论,建筑师的创作应该以自然本身的规律和人类自身对外部世界的感受来进行。混沌现象存在人类生活的各个角落,漂浮在天空的云彩,起伏不断的山峦,川流不息的河水等等。整个宇宙都是混沌的,万事万物都有关联性。混沌理论指导我们细心的观察事物,透过现象看到本质。


1.以自然形式为原型的设计方法

原型类比

(浮游之岛——马岩松)

(浮游之岛——马岩松)

(浮游之岛顶视图——马岩松)

马岩松的设计方案——浮游之岛,其建筑表皮正好顺应植物的叶片的自由形态,好像是一排巨大的树叶覆盖在传统的城市建筑之上,他通过尝试以这种新的城市组织原则对“机器美学”和“垂直城市”立场的质疑。


具象模仿

(鱼舞餐厅——弗兰克·盖里)

(鱼舞餐厅——弗兰克·盖里)

弗兰克·盖里的设计思路让人捉摸不透,可以用“既在情理之中,又在意料之外”来形容他,比如,他在日本神户设计的鱼舞餐厅,位于神户的一个高速公路旁边。建筑包括餐馆外的鲤鱼雕像,从严格的意义上说那算不上一座建筑,只是在广场上平地跃起一条高 19.8 米高的巨型鲤鱼,按着非线性定义来说这也是具有非线性特征的建筑表皮,它成为神户市的一个标志。这条鱼有完美的形式和神奇的动态感,在餐馆里就餐,隔着蓝色的玻璃观察窗外的这条大鱼,就好像在海底世界一样。


2.以曲线为基础要素的设计方法

美是一种混沌状态,大自然就是因混沌而美丽,这种美感是跟非线性有关的。曲线作为非线性的一个重要形式,曲线的形态是自然界普遍形态的概括,曲线天生就被人们所喜爱,曲线具有柔和性,自然性,复杂性和动力性,这在一定的程度上为契合了建筑表皮形式的多样性,在建筑表皮中运用大量的曲线也是理所应当的事情。(Cristina Bechtler,1999


动态的形式

对建筑动态形式的追求自古有之,建筑具有动态的形式,由建筑表皮体现出来,非线性建筑表皮依据混沌理论,具有动态的曲线形式。近些年来出现了一大批关注建筑复杂性和动态形式的建筑师,他们建筑表皮的共同点就是由现代主义的机械表皮向非线性表皮的转变。这种转变的过程包括由平面向纵深、由封闭向开放、由清晰向模糊。突出表现了一种更加强烈和具有时代感的流动性。

(意大利RE高铁站——卡拉特拉瓦)

(意大利RE高铁站——卡拉特拉瓦)

(意大利RE高铁站——卡拉特拉瓦)

意大利RE高铁站由卡拉特拉瓦设计,一共19个模块,每个模块由25个钢原件组成,每个元件间距1米。该建筑的线性体系已经不复存在,而非线性体成为主角,面与面的分隔变得模糊,已经融为了一体,墙面直接延续到屋顶 ,贯穿南北,重14000吨钢材,长483,蜿蜒的曲线不仅是对传统结构形式的重新定位,界面消解使形体更加流动,富有动感。这种设计方法是对柯布西耶“新建筑”标准中“平面、体量、表皮”的挑战,也是对密斯建筑理念的革命。


连续自由的曲面形式

(宝马世界——蓝天组)

(宝马世界室内效果——蓝天组)

(宝马世界夜景——蓝天组)

蓝天组 2007 年设计的宝马世界是一座新车交付中心、技术和设计工作室、画廊、青少年中心和酒吧等功能为一体的综合建筑,采用一片巨大的玻璃体将各个功能涵盖在内,就像一片云彩,由双螺旋体支撑,体现了对异质元素的包容,自螺旋体向上,分为两层:一层向上升起,一层向下伸出,下部顶棚随意变化,双螺旋锥体向上升起的动势强化屋顶的悬浮感,建筑更加柔和而轻盈。


3.折叠成型的设计手法

法国著名的哲学家吉尔·德勒兹是著名的创造概念的大师,非线性建筑受到他的思想影响。1986 年,德勒兹出版了《褶子:雷布尼兹和巴洛克》一书。德勒兹在书中提出了一个褶子的世界,在这个世界中时间和空间是随着物质的折叠 (Folding)、展开和再折叠而生成。他提出弯曲是褶子形成的理想基本元素,可被视为“纯粹的关于线或者点的事件。”

(BBC Music Box 方案效果)

(BBC Music Box 方案效果)

(BBC Music Box 模型)

BBC Music Box设计方案,建筑的界面连为一体,并且和楼地面同样联在一起,空间已经改变了常规形式,形成一个完整统一的空间体系。建筑表皮采用一大一小对称的折叠形式,下部连为一体,表皮形成内外空间的界面,打破了立面和平面的界限。


二.几何规律的逻辑性表现

无论当代建筑非线性表皮形式如何发展,但是其形成的表述仍然离不开几何学的支持。虽然今天的几何学无论在方法还是在范畴上都与以往传统的几何学有很大的改变,但是几何作为建筑表皮设计中的基本要素之一,同样对今天的非线性建筑表皮的设计有深远的影响。这些几何学在设计中的运用已经改变了传统建筑表皮的设计观念。


1.表皮形式的分形拓展法

Carl Bovil 在其著作《建筑设计中的分形几何》 (Fractal Geom-etry in Architecture and Design)中谈到,分形几何应用于建筑中主要有两个方面。首先,分形改变了以“人是万物的尺度”这一传统观念的影响,使建筑设计更加注重建筑自身局部与整体,建筑与环境之间的体量对比。其次,分形几何原理特别是自相似分形与自仿射分形原理及其典型模型,是表达非线性的复杂性的重要方式。


分形几何具有一些特征,通俗上讲,一个系统由可以分为多个子系统,而子系统仍然由更下一级的系统组成,在这里,每个子系统都具有和上一级系统相同构成方式和结构逻辑,那这系统就具有分形几何的特征。


自相似性

自相似性是分形几何的一个重要的特性,分形体的不同层次在形状上相似,并且通过一定的方式形成一个更大的整体。

(墨尔本联邦广场——彼得·戴维森

(墨尔本联邦广场表皮细节——彼得·戴维森

(墨尔本联邦广场表皮分形构成)

当代建筑师不断的将这一理论运用到建筑设计之中,彼得·埃森曼是最早将分形理论主动运用到建筑设计中的建筑师,特别是在他的住宅设计中。而越来越多的建筑师逐渐在建筑表皮设计中运用分形几何的自相似性质,也具有较大的影响力。比如,彼得·戴维森设计的墨尔本联邦广场,在这个设计作品中建筑师运用了分形几何的三维化表达,建筑表皮形式的构成是基于一个具有二分之一比例关系的直角三角形转化而成的网络而形成。每 2 个这种相同比列的三角形组合成 3 种三角形和 1 种矩形,这样依次的反复,拼合,形成一个复杂的无穷的建图形肌理,就形成了这种自相似性的建筑表皮。


(墨西哥利物浦百货公司——Rojkind Arquitectos事务所

(墨西哥利物浦百货公司表皮细节——Rojkind Arquitectos事务所

(墨西哥利物浦百货公司表皮建造过程——Rojkind Arquitectos事务所

出自Rojkind Arquitectos事务所之手的墨西哥利物浦百货公司,建筑表皮是浮动框的扩展,创造一个外部和内部空间的缓冲-渗入到立面作为外部世界的一个展示。深度近3米,材料是三层玻璃纤维、钢、铝和玻璃是分层的六角网格。设计线条流畅曲折,看上去仿佛充满未来感的转轮叶,灵活、流畅和充满动感。 网格创建一个动态的表面充满活力。


几何编织法

分形几何的影响下,编织具有了新的含义,编织的操作从二维进入到三维,一维的线组织二维的表面相互交叠缠绕使表皮有了一定的空间深度。这种编织的过程形成的空间维度增加了表皮的复杂性。当下许多建筑都采用受分形几何理论影响的编织的表皮处理方式。

Metropol Parasol

Metropol Parasol施工过程

Metropol Parasol顶部平台

位于西班牙古城塞维利亚的一座巨型木结构建筑Metropol Parasol,由波动动起伏的木板组合而成,建筑面积近5000平方米,高度为28.5米,堪称当今世界上规模最大的木结构建筑。尽管极具未来主义色彩的设计,建筑所使用的材料却十分简单,基座是混凝土柱,顶部是木制结构,超大面积顶棚采用独特的蜂窝状结构,看起来像腾空而起的蘑菇云。利用编织的手法,由最基本的四边形为基本单元,通过不断的拼合,重复,编织形成了整体的表皮肌理,这些由四边形编织而成的建筑表皮具有不同层次上分形几何的特点。


2.表皮形式的拓扑变形法

拓扑几何研究的是一种柔性的运动,这是和传统欧式几何最显著的不同,传统的欧式几何是在运动中保持自身形态的不变性,物体上的任意两点不管物体如何变化,它们的相对位置是不会发生改变的(陈志毅,2005)而拓扑几何研究的是物体在保持自身性质的前提下,也就是没有发成质变的情况下,随着物体的运动变化,物体上两点的位置也会相应发生变化。


在数字化越来越受到重视的当今社会,拓扑学对研究非线性建筑表皮就有启发性的意义。建筑表皮的设计研究,从欧几里得的欧式几何式的形体到拓扑变形的形态差异,而今传统的欧式几何已经不再受到建筑师的青睐,他们抛弃了永恒均质的几何特征,开始追求非线性的不确定性和流动性。运用曲线形式表达拓扑变形的复杂的思维机制。拓扑学形成建筑表皮的变化和流动,拓扑变形的发展过程中,变形是重要的形式,利用各种条件进行虚拟变形,得到各个层面的体验。总之,拓扑思维改变了人们对二元概念的看法。拓扑思维指导下进行非线性建筑表皮设计,通过连续的形体改变。反映建筑师表达的目的,提供了有效的设计策略,即使是不规则的建筑表皮曲面,也能够切割成有限块,并拼合成为和指定的具有同样面积的表皮曲面。

Peter Cook设计的格拉茨艺术博物馆

格拉茨艺术博物馆拓扑变形

奥地利格拉茨艺术博物馆就这样具有拓扑表皮形态的建筑,它风格激进,表皮形态与众不同:从拓扑变形的角度讲,设计者对这种仿生物形态的几何形体进行了拉伸,形成了一个个乖张的突出“喷嘴”。这些“喷嘴”状采光窗在浑圆的表皮上更加显得异常突出,这种“喷嘴”状采光窗正是在曲面的表皮进行局部的拓扑同胚拉伸而形成的,外突于光滑的表皮。


三.信息的多样化表现为设计目的

1.不稳定的表皮突变

我们可以这样描述突变,把它形容成拆一堵墙,拆的方式不同就会有不同的结果,如果从上往下拆,一块一块的拆,整个墙的稳定性是逐渐变化的过程。要是从墙的底部往上拆,这样总会有一个时刻,整个墙面就会瞬间失去稳定性而崩塌。这种结构的不稳定情况就是突变。


非线性思维指导下,建筑设计本身就充满着矛盾,却追求最优的结果。达到一种平衡是设计追求的目标。因此出现了突变论对应的产物错位手法。


生态吊舱——Howeler + Yoon Architecture and Squared Design Lab

生态吊舱——Howeler + Yoon Architecture and Squared Design Lab

生态吊舱由Howeler + Yoon Architecture和Squared Design Lab设计制造位于波士顿市中心,是一个临时的垂直藻类生物反应器。该吊舱将作为生物燃料来源和微型孵化器,它是一个开放并可重新配置的结构体系。生态吊舱依附在建筑表面形成建筑表皮,现场的机器人电枢可将藻类生长的模块进行重新配置,最大限度的提高藻类的生长。建筑表皮随着藻类生长条件的改变而不断变化,灵活性和可重构的设计理念,使建筑达到一种新的不稳定的平衡,这就是一种错位手法的体现,在矛盾中找到一种平衡。


2.表皮作为信息化的载体

数字时代到来了,在建筑表皮中植入数字信息,比如像自由流动的电流、柔软的数字化显示屏幕等等。各种视觉媒体,电脑网络成为人们接受和交流信息的主要媒介。我们观察事物的视觉习惯,都带有信息特征。信息符号通过建筑表皮传递给人们。所以许多建筑师更大胆的利用信息技术来设计建筑表皮,反映建筑的时代气息,反映媒体时代的特征。


(风之塔表皮变换——伊东丰雄

伊东丰雄所选择了时尚的道路,把建筑当做服饰等流行艺术。主要研究的是用信息化的处理使得消费社会的变幻特征获得诗意的发展。从消费社会的生活和生产方式中吸取信息运用到建筑实践中。“风之塔”是他实践中的一个典型的作品,这个建筑非常简洁,建筑表皮形态为最基本的形体——圆柱。伊东丰雄对它的处理手法是:为了迎合消费社会大众的心理他把表皮设计成可以改变不同颜色的巨大“屏幕”,运用灯光技术在不同的时间显示不同的颜色,传递不同的信息。由于灯光效果可以自主调节,依据周围物理和自然环境的不同而发生改变,这样整个建筑表皮时而明亮时而昏暗,跳跃变化,成为具有流动感并且可以观看的音乐。


非线性建筑表皮越来越受到建筑师的重视,基于当代非线性理论在建筑领域应用的不断深入,非线性建筑表皮的形式表现呈现出多样化的特点。非线性科学的相关问题,成为今天普遍研究的主题,因此非线性科学观成为一种新的世界观,改变了当代建筑师既有的建筑思维,使建筑师以一种宏观与微观兼具的眼光来观察世界,以期对真实世界深入了解。非线性科学的思维模式与非线性建筑表皮的研究方法相结合,提供了一种全新的研究建筑表皮的视角(何晓斌,2010)


非线性建筑表皮的表皮技术


一.结构技术


从古至今,结构体系一直对建筑形式产生深远的影响。薄壳结构、桁架结构、膜结构、网架结构等结构体系建立了各种各样建筑形式,表现出丰富多彩的建筑形态。近年来出现了复合结构体系,也就是说由两种或者两种以上的结构形式结合在一起,组成共同的结构体系,出现了更加丰富的建筑形式。(陈龙,2003)如果把复合结构体系分成多种级别,那么主结构就可以由多个一级结构组成,表皮从其中解放出来产生了独立的表皮结构,甚至可以有更次一级的结构。各级结构形式与表皮结构形态形成不同的组合,形成了当代更加丰富的结构体系。


如果把建筑结构体系看做一个整体,那么结构表现就是一种的趋势。整体设计就是对结构表现的一种归纳总结。不管什么时期建筑都是由建筑结构组建起来的,没有结构就没有建筑,结构体系丰富了建筑表皮的生存土壤。


当代建筑大多数都是建立在复杂结构体系基础上,结构体系分为两种,一种是主辅关系,主结构起主要作用决定建筑的本质,次要结构为辅,起到装饰点缀的作用,反映社会审美层面的问题。另一种是并置的关系,这种关系就是不分主次,几种结构体系共同承担受力。彼此呼应,建筑的体量关系清楚明白,共同承担视觉、文化、艺术等表达。


通过结构技术的表现,建筑传达了艺术性,结构性表皮的表现超出了力学本身的含义,带来了一种象征意义。结构类型的多样带来了建筑功能的解放,同时建筑精神与意义的表达在很多方面不断突破限制。随着社会的发展,技术不断进步,结构技术为建筑表现和功能整合提供了基础,结构与表皮共生,由于力学结构的巨大表现力使得建筑表皮的表达寓意更加深远。


1.结构与表皮的融合

由UAP Principal,和Daniel Tobin设计Breakwater Beacon坐落在红海边上。这座地标性的建筑,其设计灵感来源于阿拉伯古老的航海传统,如今它成为了灯塔的现代诠释。

(Breakwater Beacon)

(Breakwater Beacon)

(Breakwater Beacon)

(Breakwater Beacon)

建筑采用预制混凝土块作为材料,独特的无定形六边形为单元体块,在复杂的结构之下,塔顶围合成椭圆形尖顶。建筑的视觉重点落到结构之上,结构形态直接暴露,建筑表皮就是结构本身。从整体构思到细部处理,结构是建筑的主导,并以建筑表皮的形式体现着结构的美感。一个能够适应建筑类型的结构体系以其复杂性和合理性为基础体现时代特征。这种处理手法比传统的建筑形式更具有视觉冲击力,在结构技术的支持下表皮与结构的融合更加紧密。


2.表皮依附于结构并暴露结构构件

(Incineration Line)

(Incineration Line)

(Incineration Line)

(Incineration Line)

Erick van Egeraat设计的Incineration Line作为丹麦罗斯基勒市的第二个标志性建筑,它将该城市的废弃物转化为可利用的能量。该建筑的表皮由褐色铝板制成,铝板表面用激光切割不同大小的圆孔。实际上建筑结构与表皮之间相互分离,透过表皮上的圆孔可以看到局部暴露出的结构构件。建筑表皮本身没有独立的结构而是依附在建筑主体结构之上,结构的其它部分仍然被表皮覆盖。夜间,表皮上的圆孔与编程过的灯光相结合,强调了建筑物的产业特色。


3.表皮形态反映结构形态

(Rock Gym)

(Rock Gym)

(Rock Gym)

(Rock Gym结构剖面)

为了吸引更多的攀岩人士,New Wave Architecture利用马赞达兰的岩石在伊朗的Polur设计建造了室内外攀岩馆Rock Gym。巨石般的表皮包围着结构,结构的物理属性和视觉属性都被掩盖在表皮之下,结构本身不能和外界进行直接的物理接触,但是建筑表皮部分可以反映结构的形态和属性。该建筑的表皮还为攀岩者提供了室外的攀岩场所,并将周围的景观与攀岩者的视野紧密结合,表皮被赋予了功能上的意义。建筑表皮就是整个建筑与环境的边界。它具有着建筑的外观,主体结构都是以建筑表皮的形态来展现出来。为了能传达多元含义建筑表皮间接的反应结构,这样建筑表皮对结构实现了整体上的遮挡和掩盖。用不透明的巨石材料包裹建筑结构构件,用透明的玻璃等等来解决建筑采光、通风、交流等功能要求。既做到建筑结构的隐藏,又通过表皮的形式表现出结构的美感。


二.材料技术


本节以材料的发展为主线,深入探讨了非线性建筑表皮的生成机制,以及不同的材料在非线性建筑表皮生成过程中所表现出来的不同特性,从材料的发展轨迹中分析非线性建筑表皮的特性,有助于更深入理解非线性建筑表皮的生成。当代科学技术迅猛发展,材料的选择更加多样化,正是由于不同材料的选用,带来了丰富多变的表皮特性。对材料的研究主要从现有材料性能的更深层次的挖掘和对新材料的技术运用,材料对建筑表皮的生成非常重要,建筑材料可以丰富建筑表皮的形象,表达建筑的性格和气质。(冯路,2004)

下面我们例举了几类有代表性的材料,来分析其对建筑表皮的影响:


1.现有材料

石材

(瓦萊塔城门)

(瓦萊塔城门)

(瓦萊塔城门)

(瓦萊塔城门)

2008年,伦佐•皮亚诺建筑工作室就已经开始从事于“瓦萊塔城门”项目。这一项目旨在改变进入马尔他的首都的入口。


为了在过去与现在之间建立起意味深远的联系,皮亚诺与CFF filiberti携手,共同选择了一种独出心裁的当地石材设计建筑表皮,用于装饰具有历史意义的建筑物与外墙。建筑表皮不但能够营造出一种和谐的室外装饰形成被风蚀的艺术效果,而且还能够调节建筑物需要的能量、控制进入建筑物内部的光线总量。在设计综合设施的外墙的时候,建筑师们考虑到了太阳光线的角度。因此,建筑表皮采用百叶窗结构的设计,便于调节室内的空气。


木材

木材作为原生态的建筑材料它对环境基本上没有危害,受到许多建筑师的青睐。现在建筑师借助计算机技术,分析原生态材料的力学性能。探索原生态材料的新的利用渠道。满足现代设计的要求,在表皮形态上多是对其非线性受力的状态的呈现。

(Damiani Holz & Ko木材公司总部旧址扩增项目)

(Damiani Holz & Ko木材公司总部旧址扩增项目)

(Damiani Holz & Ko木材公司总部旧址扩增项目)

(Damiani Holz & Ko木材公司总部旧址扩增项目)

建筑设计事务所Damiani KO 承接了意大利滑雪胜地布列瑟农的Damiani Holz & Ko木材公司总部旧址扩增的工程项目。建筑的内部空间制作和外部表皮的大量使用木质材料展示了多层实木胶合板的不同凡响的多种用途。 项目最具特色的是他们在建筑表皮上整体采用了百页式仿鱼鳍形垂直多层实木胶合板 ,间隔的创造出具有动感的结构,他们把板材按事先设计好的形状遵循一定的顺序裁成不规则形状,然后再把它们按照既定的垂直方向和造型组装起来, 木质仿鱼鳍形垂直多层实木胶合板仿佛就像一个巨大的信封,它那向外部突出的百页形波浪式造型还可以对建筑大楼四面的几个巨大的窗户有遮挡阳光作用 。


玻璃材料

玻璃是一种比较广泛应用的材料,具有许多优秀的性能,比如透明、透光。因为能透过玻璃看到建筑内部,能够带来创造性的视觉效果,用玻璃作为建筑表皮材料,所营造的出来的建筑氛围既轻巧、晶莹又显得建筑整体轻巧使建筑整体具有漂浮感。

(Integral Iluminación商业大厦)

(Integral Iluminación商业大厦)

(Integral Iluminación商业大厦)

(Integral Iluminación商业大厦)

Integral Iluminación商业大厦从南到北由两层菱形地块组成,建筑师Jannina Cabal设计。金属材料为结构,玻璃材料为表皮表现全新的建筑形象,随着建筑内部灯光的变化,建筑更加精致透明,辉煌华丽。


金属材料

(EMP博物馆)

(EMP博物馆)

(EMP博物馆)

(EMP博物馆)

弗兰克·盖里设计的纽约EMP博物馆,其巨大的金属非线性表皮,在周围环境的衬托下震撼力十足。“对我来说,金属就是这个时代的材料,它们可以使建筑成为雕塑”——弗兰克·盖里。科技进步,材料技术的发展,金属材料的更多属性被人们发掘,它具有很好的延展性,利用这个特点金属材料可以被塑造成各种非线性形体。金属材料的形、色、质都能够被自由的表现,通过加工处理,金属材料可以形成一定的形状,特别是现在数字技术的运用,金属可以精确的切割成各种形状柔软并且富有美感。金属材料的色彩表现力也很强,可以反映自然,情感和人的心理,并且与功能相呼应。当代一些先锋派建筑师采用金属材料作为建筑 表皮,视觉冲击力很强。


2.新型材料

碳纤维

(fiberwave凉亭)

(fiberwave凉亭)

(fiberwave凉亭)

(fiberwave凉亭)

伊利诺伊理工大学建筑学院的碳研究设计工作室利用其在材料研究领域的最新成果打造了一座“ fiberwave凉亭”,该凉亭表皮由碳纤维面板构成。受到了双阀壳结构的启发,该建筑通过面板反复重叠构成整体结构。通过参数化建模软件的辅助,形成了一个波浪状的球体造型,具有承受转移和变形的张力。亭子由重约0.5公斤,厚2毫米的板制成,轻巧却又极其坚固,展示了碳纤维的优势。在它的未结合状态时,该材料是一种灵活的和可延展的织物,其能够用剪刀剪下,并容易形成建筑所需的三维模具。当涂覆具有固化效力的环氧树脂之后,它就变得如钢铁般坚硬。每块两侧都有两个并排的金属片。这些链接由垂直螺栓销连接固定,能够使设计具有柔韧性。


亚克力

(Reiss Store and HQ)

(Reiss Store and HQ)

(Reiss Store and HQ)

(Reiss Store and HQ)

位于伦敦的Reiss Store and HQ是环球设计工作室的杰作,建筑表皮由双层玻璃层和夹杂其间的亚克力雨屏构成。组装亚克力的面板上有周期性的开口,以此诱导烟囱效应来冷却这个朝南的玻璃幕墙。内蚀刻更精细的垂直条纹表皮有一个复杂的加工轮廓——亚克力实心板被大型的立式机械切割成不同的宽度和深度,抽象的效果是类似于条形码,但是斜看时呈现丝绸片波光粼粼的质感。晚上睡觉的时候亚克力表皮是侧光式,它给建筑带来改变外观的能力。


亚克力(PMMA)材料透明度、透光率非常好,并且具有很好的耐候性、抗腐蚀性。它还有良好的适应性、喷涂性,阻燃性、抗冲击性等等。这种材料逐步的应用到建筑之中。对于亚克力材料的选用,建筑师经过长时间的反复比较和斟酌,首先,这种材料是比较普遍使用的装饰材料,加工技术比较成熟。其次,亚克力材料具有较强的导光性,这一点被建筑师充分利用到光线设计中,白天的时候,亚克力管将阳光引入室内,夜晚的时候,在每根管子一侧安装的 LED 灯将整个场馆点亮。夜幕降临,灯火点亮的时候,更具有意想不到的璀璨效果。


半透明混凝土


(半透明混凝土)

(半透明混凝土)

(半透明混凝土)


一提到“混凝土”首先想到的是仓库工业风、单调的色彩、暗沉的采光。本图全文设计联为联偶介绍的是“半透明混凝土”,光线可以直接从中间穿过,就像会发光一样。通常是在混凝土中加入导光材料,通常是光纤,这样光线就可以通过导光材料的折射穿透砖块。

透明混凝土砖成分是由普通混凝土和玻璃纤维组成的,因此这种新型混凝土便可透过光线。它是由匈牙利建筑师阿隆 · 罗索尼奇发明的,并通过展览迅速在业界传播。半透明混凝土在2001年开始研制,已获取专利,适用于各种类型的建筑表皮和构造。


三.数字技术


数字技术作为由科技革命带来的一种手段、一种工具,在建筑设计行业有着广泛的应用,同时其对以数字化为基础的非线性建筑表皮的设计也有着极为深远的影响。数字化技术不仅通过软件将我们的想法可视化,也为建筑设计带来更科学、更精确和更有效的工作方法,而且数字化设计还影响到我们的思维过程,其对非线性建筑表皮的创作思维、创作方法以及建筑形式、建筑建造等诸多方面有着积极的跨越式的作用。(陈志毅,2005)


1.思维冲击——基于算法研究的表皮内在自组织形式

算法(algorithm)对于表皮以及空间结构的影响是目前在数字化领域的研究热点。通过对于自我组织的算法不断研究,“算法”建筑师们提供了以往人脑和手工绘图方式无法创造的新形式。这种设计研究的理论基础是以复杂科学为指导的分形几何与集群智能。经过一系列的脚本程序,建筑表皮以细胞式的相互作用为规则进行自我繁殖,并通过多次迭代不断生长和发展,生成视觉上无序的复杂形式。


不同于从整体形态出发的思维方式,这种思维方式的革命之处在于,整个逻辑关系中,细胞个体的运动与细胞之间的运动或几何空间关系是算法的关键,整体形态只是细胞相互关系作用下的某种特定状态表现结果,是一种自下而上的思维,算法表面的研究更多的是着眼于数学几何算法与空间形态的内在关系本身,而且生成的结果是滞后并且不可预料的。

(纤维塔)

(纤维塔)

(纤维塔)

(纤维塔)

Kokkugia事务所是基于算法研究的先锋。他们的设计大多停留在概念阶段,却成为了参数化设计领域研究的风向标。其2008年的项目纤维塔,它的表皮纤维混凝土壳体是基于早期的外骨架塔楼的类型而生成的,将结构以及当代塔楼的各层构造压缩为一个单独的壳体,这种自组织的形式由细胞分裂的过程方式而生成。壳体具有自我表现力并起到装饰作用,是一种非线性的结构操作,并通过网络路径来传递荷载,依靠的是一个集中组织的整体,而不是有层级的分离元素。它的构造在几何上是复杂的,在相对单一的壳体厚度中,使用传统的网架技术来建造一个高速异化的塔楼;一系列研究在同时进行,一个基于算法设计方法的媒介发掘了装饰、结构以及空间秩序的生成,通过发展塔楼的迭代层级,最初的研究定位在纤维网架的内部,之后的不同迭代测试了波动的内部结构,由外部壳体决定的中庭的空间可能性。


2.建筑表皮智能化

由于飞速发展的微电子技术与微机控制技术的应用,才解决建筑环境的变化所提出的表皮控制问题。对表皮系统的控制而言,智能化表皮感知周围环境变化的过程,使得表皮系统具有感知、分析、反应等共存的特性,决定了控制系统所处理的信息量大、处理过程复杂;而智能化的实时性要求又决定了必须在一个非常短的瞬间完成测量、运算与控制,要求计算机及其接口具有高速处理信息的能力。采用经典的线性控制方法对表皮进行控制很难达到理想效果。神经网络包含输入层、隐含层和高压功率线性输出层组成的三层前馈网络系统,其中隐含层包含非线性神经元,压电元件作为传感器、驱动器,利用神经元网络模型对表皮的动力学特性进行了设计,神经元网络可以并行处理和存贮记忆等,以及处理非线性控制问题的能力。智能化表皮“不仅只是一个反应的装置,它更具有记忆和自我学习的功能。感应器和记录器被广泛地分布在智能化的互动环境系统中,其系统也因此可以更精确地记录复杂的使用者的行为,并能透过使用者的行为的改变而更新学习。”

(FRAC Centre)

(FRAC Centre)

(FRAC Centre)

(FRAC Centre)

巴黎建筑师jakob + macfarlane 在法国奥尔良设计了的FRAC Centre,拥有动态的表皮,建筑表皮由几百个二极管组成,这些二极管安装在棱柱形的铝金属立面上,每根二极管根据结构顶点组合出不同的密度。这个新设计成为原有老建筑和城市环境之间一个新的无形的界面,建筑表皮通过点、线、面与光线互动关联。建筑师根据气候资料和数字动画场景来模拟实时的光线效果。


四.生态技术


人类过度地向自然索取造成了环境恶化,再加上能源消耗、资源浪费等问题,人类自身的生存和发展已经受到严重的威胁。而建筑业正是十分消耗物质资料的产业,所以建筑生态、节能成为了普遍关注的问题。


建筑表皮作为建筑与外界直接接触的界面,是建筑的重要的组成部分,同时也是建筑内外能量和环境的交换与分隔的载体。现在表皮设计成为生态设计的重点,它兼具形式与功能的双重使命。表皮作为内外的界面,可以对外界物理环境的改变进行调节以此来保持内部的舒适程度。现在建筑师把目光逐渐的转移到生态建筑设计上来,建筑表皮的生态化成为当今可持续发展的重要课题。


1.注重表皮与地域性契合

原始的生态化在人类社会发展的进程中很多建筑中都体现出来,中国地方传统的竹楼、窑洞;非洲的传统民居;欧洲以石材为基础的建筑;美洲的土著人的建筑等等。都是人类早期的生态建筑形式,也可以称之为“生态建筑”的萌芽。历史上,生态化特征的建筑表皮主要是从建筑材料的原生性中体现出来。(何晓斌,2010)

(维拉纽瓦公共图书馆)

(维拉纽瓦公共图书馆)

(维拉纽瓦公共图书馆)

(维拉纽瓦公共图书馆)

哥伦比亚的维拉纽瓦公共图书馆是一个就地取材,创建可持续低技术建筑的优秀案例。由于地处热带需要减少对建筑的维护来确保它的充分散热,同时也为了将地域性和生态性的精神引入建筑设计,该建筑的表皮所使用的材料是当地河道中的石头以及可持续采伐的松树。从当地的地域环境出发,对材料的完美的运用充分的诠释了自然,做到了与地域环境的完美结合。


2.物理环境的适应

托马斯·赫尔佐格是著名的建筑师和建筑教授 1996 年起草制定了《建筑和城市在应用太阳能宪章》,其中明确要求了建筑的外墙要对光,热和空气穿透具有可调节性。根据不同的气候变化作出相应的调整。比如,避免太阳直射、避免眩光、通风。隔热、调节温度等等。


托马斯·赫尔佐格认为建筑表皮不仅是建筑内外的空间分隔,也是内外能量交换的媒介。建筑表皮的节能设计体现在对建筑采暖和保温隔热的设计上,体现在对太阳能的利用上。注重能量的动态平衡,满足建筑内部空间的舒适性。


现在,随着智能技术、虚拟现实、纳米材料和数码科技的不断发展,人类生存环境不断恶化的情况下,建筑表皮的内外环境的能量交换受到越来越重要的重视。建筑表皮被赋予更多的内容和功能,已经从二维走向三维,四维,它已经成为承载声,光,热,空气等物理因素在建筑内外空间之间交换的媒介。下面例举风环境对非线性建筑表皮的生成影响。


建筑通风的方式是利用自然风压,空气温差进行通风。利用温度的差异使得空气密度产生变化,由于重力的作用空气不断向上运动。一般情况下,对于较低的建筑,风的影响并不明显。但是对于建筑高度超过一定数值的情况,风的作用就不能不给予考虑。高层建筑主要考虑的是风压效应和梯度风效应。

(瑞士再保险公司总部大厦)

(瑞士再保险公司总部大厦)

(瑞士再保险公司总部大厦)

(瑞士再保险公司总部大厦)

福斯特设计瑞士再保险公司总部大厦是典型的具有非线性建筑表皮形态的建筑,是生态功能的典范。由于建筑具有流线型的建筑表皮,被人们形象的成为酸黄瓜或者是雪茄。建筑高度 179.8 米,建筑面积 41810 平方米,地上 40 层,地下 1 层。建筑结构具有特殊的设计,整个建筑上下层楼板之间留有一定的空间,这个空间作为缓冲区,这种空间与楼板形成一定的角度,螺旋依次向上,最后形成螺旋形态前庭,因为这样的螺旋前庭受益于空气动力学,每个楼层都能获得良好的通风。降低中央空调的运营成本。建筑表皮形态优美,这种造型是通过科学计算出来的,高层建筑在同等条件下,原型体量要比方形体量在接受风荷载的作用面上减少 10%,这个设计的基本原则是生态和环境友好。设计者细致分析建筑周围的环境,尽力减少建筑所带来的不良影响。在电脑上模拟风洞测试,目前这种形态是最优解,是空气动力学赋予建筑这样的外观,换句话说就是由于风环境的影响,建筑表皮才确定了流线形式。流线型的建筑表皮对周围的气流产生了引导,使之和缓的通过。这样的气流被建筑边缘锯齿状布局的边庭的开启窗所捕获,帮助实现建筑的自然通风。圆形的平面可以避免气流在高大的建筑前受到阻碍,在建筑周围产生强烈的下旋气流和强风。建筑底部有细微的收进,这样有利于让近地与人接触的气流更加柔和,渐细的外轮廓可以有效降低建筑随着高度而增加的水平风压。


3.建筑表皮的节能

建筑物与外界之间时刻发生着能量传递,有能量传递就会伴随能量的损失。所以减少建筑中能量的散失,提高建筑中的能源利用率,成为了建筑节能的宗旨。建筑节能的方式有很多,当今,通过对建筑表皮的设计,而降低建筑能量消耗的方式,已经成为有效实用的节能措施。

(ARCA-Regler公司办公室)

(ARCA-Regler公司办公室)

(ARCA-Regler公司办公室)

(ARCA-Regler公司办公室)

Anin Jeromin Fitilidis 为阀门制造商“ARCA-Regler”公司在德国设计了他们新的办公室和生产设施——一个依靠地热能为自身供能的建筑。


穿孔的金属表皮环绕在玻璃两侧,以过滤阳光。表皮的外层上贴有能降低该建筑太阳能曝光的滤纸。55%的滤纸是打印出来的,这样的设计给建筑表皮提供了通透性,同时也防止内部太阳能流失。除了玻璃部分的表皮,金属部分的双表皮模拟复杂的曲率,建筑表皮将公司的工作设备置身其内。工作设备的两端由可再生能源供电。该建筑通过地热探头获取能量,减少了加热或制冷的需求,从而保持恒温。



相关文献:

  1. Art and Architecture in Discussion 作者:Cristina Bechtler

  2. 信息时代建筑非线性三维形态研究 作者:陈志毅

  3. 表皮的历史视野 作者:冯路

  4. 表皮的阐释 作者:陈龙

  5. 当代非线性表皮设计研究 作者:何晓斌

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