建筑從誕生起，就處在不停的運動中。2020國際人居環境與未來城市大會暨第十屆園冶高峰論壇期間，天津大學建筑學院副院長馮剛在建筑設計與城市風貌學術研討會上發表題為《形態可變的建筑表皮系統設計》的演講，通過巴黎阿拉伯世界文化中心、格拉茨技術大學生物催化實驗室、阿布扎比AL Bahar雙塔等項目，與大家分享了動態表皮可變單元常見設計方式，并介紹了其在教學與設計實踐中進行的創作，鼓勵建筑師們對形態可變的建筑表皮進行積極探索。

　　門、窗的開合可以使建筑空間在封閉與開敞間不停轉換，可以使空氣、熱、光實現室內外的 交換與平衡。供水系統、空調系統、燃氣系統等都是建筑內外物質與能量傳遞的媒介。建筑 就如同一個生命體，有自己的循環系統，也有一層與外界相隔離的“表皮”，它同樣可以像生物的皮膚一樣進行設計。

形態可變的建筑表皮（動態表皮）

　　所謂動態表皮，就是可以主動或被動地控制建筑室內外通風與采光的方式與數量，最優化室內外光、風、熱交換過程，改善室內物理環境，節約能耗。這些動態的建筑構件每天，甚至每小時都在變化，建筑立面也隨之成為一種不斷變化的動態結構，隨著時間的變化呈現不同的立面肌理效果，賦予建筑以更加豐富的內涵。

　　與呼吸式幕墻等生態或技術層面的表皮設計不同的是，動態表皮的視角更加寬廣，它是一個綜合了建筑學、CAAD技術、自動控制技術、材料、仿生等領域知識的系統工程，尋求生態、技術與藝術的完美平衡。它不僅有節能的價值，其本身也具有很強的形式和美學的價值。

動態表皮可變單元常見設計方式

　　動態建筑表皮有不同的處理方式，但它們的目的是相同的，通過一種形態可變的處理方式達到一種優化設計和提供個性化建筑立面的效果。

形態可變的遮陽系統

　　可變遮陽系統是最常見的可變表皮形式，其主要設計原理是根據日照的方向與高度角來調 節建筑立面遮陽構件的方向與角度，以實現室內光照環境最優化控制。可變遮陽系統是目前發展最為成熟的動態表皮設計方式。

　　努維爾設計的巴黎阿拉伯世界文化中心于1987年建成，是現代可變表皮技術第一個比較成熟的作品。因為這是一個阿拉伯文化的研究性機構，于是設計師借鑒了當地的窗的基本圖飾，為建筑賦予一種文化的內涵。設計師通過類似于相機光圈的折疊方式，能夠讓光線在葉片孔洞中發生變化，對進入室內的光線進行有效地控制。從遮陽本體來說，它已經超越了一個百葉窗的價值，它帶給人們的是一種形式的美感和空間的光影效果，已經成為一種藝術層面的可變遮陽。它開啟了一種可變式遮陽的先河，打開一種新的設計思路。

　　厄恩斯特與吉爾伯特事務所的一系列作品簡化了可變遮陽的一些設計原理，同時加入了藝術的元素。生物催化實驗室項目的表皮是類似于屏風的設計系統，不同房間的使用者會自主地控制百葉窗的折疊，達到一種獨自的遮陽效果。在百葉窗的側面，有很多顏色的區分，達到一種豐富的色彩效果，帶來一種新的視覺體驗。

　　基弗技術展廳把自己生產的鋁板用于建筑的表皮，達到了一種很好的廣告效果。下圖為建筑可變表皮在不同時間不同情況下所能產生的變化效果。通過簡單地像書一樣折疊，這個建筑可以呈現出不同的表情。有些是純功能性的，包括對陽光的回應，使室內光環境更加舒適。而有些是純藝術性的，它可以通過立面可變表皮的組合，使建筑呈現不同的表情，這也是可變表皮的一種美學價值。

　　德國Q1辦公樓在普通的立方體形體上又提出了一種“金屬羽毛”的可變表皮系統。建筑表皮的設計就像一片片羽毛，這些羽毛可以沿著中軸折疊旋轉，可以把玻璃幕墻進行部分遮蔽和全部打開。這些羽毛有兩種旋轉方式，一種是中軸旋轉，另一種是每一個葉片像百葉窗一樣呈水平角度的旋轉，這個幕墻就成為一個360度全向的遮陽體系，可以為建筑提供一個最優化的室內采光效果，從而節約空調、照明等能耗。

　　阿布扎比Al Bahar雙塔是一個高層建筑，它用一個傘狀的結構起到一種可變的遮蔽室內空間的效果。在幕墻外側增加一個傘狀的結構，從而使建筑有更多的生態美學的意義。據介紹，這個系統可以使建筑節能達到50%，減少照明、空調能耗。

　　墨爾本皇家理工大學設計中心項目，通過成組的磨砂玻璃的圓片，使建筑達到一種對陽光的有效控制。建筑表皮的玻璃頁片分成了很多組，在一般的結構和設備的層次上是一種固定的設計，而在窗的位置，玻璃葉片可以繞中軸成組地旋轉，使建筑在不同的時間不同的環境條件下具有不同的表情。但是玻璃葉片存在一些損壞和跌落，也造成了一些負面影響，在一定時段內建筑底層是被圍擋起來的，這也是建筑師意想不到的事情。

　　天津大學建筑學院師生團隊也做了一些研究性的設計，對遮陽表皮進行探索。他們提出通過兩個齒圈相對旋轉來實現一種孔洞的可控制，它中間采用了一種具有彈性和良好耐候性的膜結構，通過內外兩個齒圈彼此的位移而實現孔洞大小的控制。建筑表皮的每組齒圈都可以獨立地進行控制，這樣每個房間外部的立面效果和內部的采光效果都可以進行有效的調控，同時可以呈現一種豐富的建筑立面表情。

智能材料為基礎的形態可變表皮

　　智能表皮材料當受到特定的環境變化的刺激時，會改變原有材料的物理性能。這種能根據環 境變化而改變的材料，廣泛應用于工程設計、時尚娛樂與工程建設中，對于可持續發展的建筑設計也具有重要價值。刺激智能材料改變的外部條件有光、熱、電、聲等多種因素。

　　關于溫度敏感材料，首先來了解一下金屬片熱脹冷縮的性能。大家很熟悉的雙金屬片，在一定溫度變化范圍內（室溫變化范圍內）有8%左右的伸長度。基于此原則，可以設計一系列的根據溫度變化而類似于鐘表發條系統的可變的百葉或者孔洞的遮擋蓋片。當室溫發生變化時，它可以自主地或者被動地打開、關閉，從而使室內的熱量保存或者分散到室外，達到一種平衡。南加州大學的一位教授用金屬片做了一個有趣的參數化結構，這個體系隨著日照的影響，表皮像羽毛狀的金屬片可以卷曲和關閉。當陽光從建筑上移走的時候，這些羽毛會馬上落回原來的位置，靈敏度非常高。

　　還有一類濕度敏感材料，其基本原理就是用吸濕不同的木材經過疊加，形成一系列根據濕度變化能夠卷曲、恢復平整的材料。國外的一個實驗性的小建筑，在濕度相對不同的情況下，這些孔洞的內外層的木材發生了不同的漲縮，于是孔洞可以打開關閉形成一定的可變表皮，從而使水分能夠快速地在室內外之間進行交換。馮剛教授要求學生做研究時，要超越普通木材簡單疊加的形式，讓大家試驗不同的金屬、紙等各種材料，達到一種對復合材料的更全面地探索。經過大家的努力，最終找到了敏感度最高的復合材料。

　　氣動肌腱是荷蘭參數化建筑師卡斯·奧斯特霍斯的一個建筑幕墻的研究。它的原則是通過一種氣動的撐桿使橡膠的建筑表皮像人的眼皮、肌肉一樣地打開關閉，達到一種對室內空間的光環境、風環境等有效地調控。類似的作品還有韓國2012世博會主題館，它的表皮設計了“魚鰓”裝的層狀結構，可以實現彈性形變，可隨著室內外物理環境的變化需求自我調整性狀。

充氣結構為基礎的智能表皮系統

　　在ETFE材料氣枕內部設計可以調節遮陽的建筑構件。

　　漢諾威世博會德國館、西班牙巴塞羅那媒體信息中心的建筑表皮都是采用了氣枕系統，進而實現了對室內采光的有效干預，進而優化室內采光。

映射環境的可變形態表皮

　　建筑立面設計單元為可變結構。這種結構可在外部環境的影響下做被動變化，從而將環境的 變化映射到建筑的立面上。這類可變表皮生態層面的意義較弱，而更加注重建筑立面與環境 的關系與自身的藝術性。

　　匹茲堡兒童博物館建筑表皮上有很多輕質的塑料片，在風的作用下可以自由地擺動，使建筑表皮形成一種波光粼粼的效果。布里斯班機場航站樓水波樣的效果是怎樣實現的呢？表皮的穿孔金屬板在安裝時螺栓是沒有擰緊的，在風的作用下可以使金屬板進行輕微的擺動，從而形成水波的效果。

　　馮剛教授團隊對不同類型的表皮進行了分析和評價，評價中有很多項目借鑒了國外類似的研究，然后加入了很多自己的內容。圖表說明動態表皮并不是在每一項中都表現優良，它只是在某些方面有其獨到的精彩設計，而在有些方面是有其本身的劣勢，包括在造價上，基本都比通常的建筑造價高。在目前情況下，真正建造起來的并得到認可的作品不是非常多，但是每一個完成的作品都是建筑上的精品，建筑師們也在做積極的嘗試，期待有更多的作品獻給大家。

　　馮剛教授團隊的上海圖書館東館投標方案進入了最后一輪評審。這個方案在圖書館建筑上設計了一種能開合的金字塔狀的表皮，在光照下可以對圖書館室內進行有效的光的調節，同時對建筑表情有動態的回應。可以利用文字、圖案，或者通過對房間采光調節，從而使建筑具有動態可變的表情。