Research on Oesign Pattems of Climate Responsive Building Skin
舒欣|SHUXin
摘要：气候适应性设计是当前建筑设计领域的前沿课题.本文以气候适应性建筑表皮为切入点，在阐述基本理念的基础上，提出其独特的表皮组件和调控系统.从而归纳出气候运应性建筑表皮设计模式，对其在表皮设计策略、表 皮组件运用以及调控方式等方面在设计过程中四个阶段的应用进行指导.
关键词：气候适应性建筑表皮、表皮组件、调控系统、设计模式
Abstract: Climate responsive design is an adanced subject in the field of contemporary architectural design. Froman angle of imate responsive building skin this paper sets out to exlicate the basic concept and put foward the unique building skin ponents and control system. It summarizes design mode of dimate responsive build-ing skin and instructs the possible appliations in four stages of design process in terms of skin desin stratey.skin ponents application and control methods.
Key words: Climate Responsive Building Skin Components of Building Skin Control Systems Design Mode
建筑表皮是位于自然界与人类居住的室内空带来新的契机，建筑师们一方面向乡土建筑学习，间之间的物质界面，用于分离和过滤外部与内部重新审视其被动式技术手段所承载的气候适应性环境.从历史的观点看在内外环境间创造一个功能：另一方面借助先进的主动式建筑表皮组件筑表皮的设计，
有效的屏障，主要是为了抵御恶劣的外部环境和来协助维持室内外气候间的平衡，并以可调控地 严酯的气候条件.乡土建筑在地方文化和气候环方式应对内外气候环境和人为干预.然而时至今境的熏染下，经过长年试错，行生出集资源，气候日，无论在国际或地区层面，气候适应性建筑表和技术于一体的建筑表皮.因此，乡土建筑表皮可皮和其替代用语既未形成明确的定义，也没建立调气候适应性建筑表皮的原型，即能够通过各自独起统一立法及设计战略框架来指导气候适应性建特的技术和形式有效地应对不同的气候特征.
20世纪以来，技术发展，快速城镇化以及舒适度需求的与日俱增，都对传统建筑表皮的设计和建造模式带来巨大冲击，其具备的气候适应性功能也开始从本体剥离，转而求助于建筑设备解源危机爆发，建筑学界才开始正视能源危机和环在一定范围内稳定的适应特性，具体表现为对温境问题带来的巨大挑战，转而追求与环境交互的度.湿度.光风和水等气候因子的协调应对.造技术研究”，填号，20150724004友好型输出，这也给气候适应性建筑表皮的发展与“CimateAdaptation”相对应，而是与“Cimate
十一，气候适应性建筑表皮的理念生成
气候适应性理念源自于生物学领域，就生物却给环境带来一系列负面影响，直至1973年能指在外界气候条件变化的情况下，保持自身状态江苏省建设系统科技计封化夏建筑表皮解决方案，以保证建筑的高能效和环境建筑学研究语境下的“气候适应性”则并不完全
Response”的含义更为贴近，亦常被译作“气候响应”或“气候应答”、建筑的气候适应性研究不仅涉及气候因素对室内物理环境和舒适度的影响，还包含气候对建筑结构安 全性和材料耐久性的影响，以及为建筑组件和使用者行为提供调节的可能性等问题，
的需求.理想的气候适应性建筑表皮应当如同一层可调节其张开程度的渗透膜，有效地过滤气候资源，控制室内的通风，热量.日照和眩光等因素，实现内部环境的 动态平衡（图1)，为了高度实现这种气候适应性，建筑表皮的各种变量，如位置范围，覆盖程度，形状，可调节程度以及使用者操作等因素都至关重要，直接影响最终的性能表现.
生物的气候适应性主要依靠其表皮的调节能力，一方面，生物体通过表皮保护自己.抵御外界的不良气候环境：另一方面， 通过表皮与外界气候环境进行物质和能量交换，维持自身生态平衡，反观建筑系统与气候环境联系最为紧密的也是建筑表皮，对外，建筑通过建筑表皮获取或屏蔽气候的室内环境，满足人体的舒适度需求.对 资源：对内，依靠建筑表皮维持相对稳定比生物系统和建筑系统，能够发现两者应对气候相似的态度和方式.它们都导求对外部气候资源的有效利用，以维持内部的稳定状态.通过建立生物表皮与建筑表皮提炼出建筑表皮适应气候的有效手段. 的气候适应性机制类比框架[表1]，即可
二、气候适应性建筑表皮的调控系统
过去百年间，为了更好地适应气候环境.建筑表皮由一种相对固定的构件体系转 变为一系列组件构成的多层次可调控系统.一方面，每个可调控的组件蕴含着一个明确的物理功能，犹如过滤器一般将复杂多变的外部气候资源转化为舒适宜人的室内微气候：另一方面，这些组件与表皮的外面层建 立联系，赋予了表皮形式更多的可能性.
气候适应性建筑表皮应当利用人为或自动控制等手段，通过表皮的构件运动功能变化和材料性能改变等方式，保持室 内气候环境的相对稳定状态，满足使用者
1.建筑表皮组件
动式的遮阳，采光系统到主动式的太阳能. 建筑表皮组件的内容涵盖广泛，从被
生物表皮与建筑表皮的气候适应性机制类比框架表1
生物表皮 建筑表皮图解重要组成部分 兼皮组织，包括毛发、汗孔、包括门、窗、墙体、遮阳构件、 肪层等 保温隔热层系统瘤求 内稳态，能量的转化和利用，保 障生存条件，适宜生物肿属类别 适宜建筑类型和功能需求，促进 保证内部环境的相对稳定，节能气候适应对象 自然光，温度、湿度、风等 白然和人工光源，温度、湿度、 健康生物形态、表皮组成、表皮组织 建筑兼皮的形式、窗墙比、建筑 风等形态 途径：建筑表皮的功能变化，构 材料方式 气线 适皮 生理 途径：表皮或局部器官的形态改 变，功能变化和应激反应 机制：内稳态 件运动以及相关构件材料的性能 变化行为 生物体的休眠，生活方式和集穴 机制：人为或自动控别[BMS） 建筑表皮改造，加国或移动等行为等
机械系统都属于这一范時，因此有必要根据功能和性能特征对表皮组件进行系统地梳理和分类，对于气候适应建筑表皮而言，分类应从其工作原理入手，按服与自然气 候要素的对应关系，建筑表皮组件可分为日光组件，通风组件，热量组件和能源组件.各组件间的良性协作是提升建筑表皮性能的重要手段.
个相互关联的复杂系统，表皮组件的运用 同时，由于气候适应性建筑表皮是一方式并不能采取简单的拼贴式操作，而应当在考虑整个系统综合性能的基础上，对表皮组件进行统筹安排和合理布局.为了Pull Youl，可将建筑表皮从上至下划分为 减少表皮组件间的“相互影响”IPush Me三个功能区间，并根据特定的需求将表皮组件整合于不同的功能区间内，从而建立起表皮组件间良性的互动关系（图2）.
2.调控设计原理
适应性意味着有能力对新情况或新局势作出反应和调整，而基于适应性的调控设计则通常是赋予一种变化的能力，这种 变化涉及建筑表皮在一定时间段内，功能
图1.气候适应性建筑表皮的各种调节手段
或性能的改变，甚至物理性质的变化.根据变化维度的差异，适应性调控可以分为三个层次：灵活性（二维变化1.转换性[三维变化）和响应性（四维变化）（表2），每 个层次的调控都各具特点，在层次递进的同时，适应性功能表现也逐级增强，
此外，根据气候环境的变化规律和复杂状况，宜采取不同的调节周期以及形式各异的调控方式：灵活性调控通常针对较 长的调节周期，采用手动控制的非机械系统或易于调节的机械系统：转换性调控则适用于昼夜调节的建筑表皮，常使用电动机械控制和自动控制的可变构件：响应性调控作为实时控制模式，需运用智能控制系 统，利用传感器，处理器和执行器等设备进行动态调控.并可对控制模式进行优化
图2.气候适应性建筑表皮的四类表皮组件
3.调控设计策略
气候适应性建筑表皮的调控策略应当建立在合理选用建筑表皮组件的基础上， 再选择适合的调控方式.为了更好地指导具体的建筑实践，笔者制定了一个调控设计路线，详细阐述了建筑表皮组件在采暖制冷.采光.通风和能源等方面应对气候的调控设计步骤.该路线中的调控设计过 程包括对前人经验的概括和笔者实践教学的理论总结[表3].
[11合理选用被动式建筑表皮组件
在对建筑表皮进行基本优化之后，应当首先选用那些节能环保的被动式建筑表 皮组件，从而进一步改善自然采光，通风.制冷和采暖等效果.室外气候的季节变化
适应性调控的三个不同层次特征 表2返应性 特征要索20变化，涉及建筑表皮配置的变化 灵活性 布局，外观，采光，墙体，窗户，可提作元素，组件， 推拉门或墙百叶?置等.这些调整通常由使用者操作） （调整建筑表皮的特定元素，如表皮组件的布局，配长调节周期 转换性 被动式技术30变化：涉及建算表皮组件的形式和结构的改变 形式，结构、模式等（空网转换） 登夜调节 被动式与主动式相结合的技术4D变化：涉及实时的功能变化（随时间而改变 响应性 系统、材料、环境、使用者需求、传感器和驱动.应对外界刺激） 实时调节 主动式技术
气候适应性建筑表皮的调控设计路线 表3步骤 采暖 制冷 自然光忧化与调白然通风优化组 采光 通风 大阳能优化组件 能源步豫1 特伦布墙 被动式采暖组件 被动式制冷组件 控期件 件建筑表皮组件 合理选用被动式 水墙 阳光间 垂直绿化系统 特坨布墙 相安材料能件 光埃重定向系统 遮阳系统 可控通风组件 隔含通风组件 通风翼片 透期隔热组件 (T)相安材料组件 低湿加娇系统 高温制冷系统 高效的人工用明 能湿生成系统优先选择低能耗 太阳能集热系统 太阳能冷却系统 -LED - 光伏电板组件 (PV板)建筑表皮组件 步豫3 加热系统 水幕系统 冷茸系统 人工限明 机械通风系境 大阳能集热系统高效运用主动式 对流敢热塞 散的器 抽风式对流散热 8 灯具建筑表皮组件 表皮加热系统 空调系统 空调系统 表皮冷如系统 分散式通风系统步骤4 人工调座，简便易行，节能环保，操控灵活，但调节性较强，难以满足多变的气候条件和使整合决策调控 方式 智能调胶，典备动态性，交互性，响应性等特点，能够实时应对外界变化的气候环境：其实 用者黄求际调节效果取决于对使用者和气候条件的理解状况，以及各类技术的运用成熟度
和昼夜节律都直接关系到这些组件的有效运作.因此在该阶段如何恰如其分地选择和运用表皮组件十分重要，它是降低能耗的关键因素.
（21优先选择低能耗建筑表皮组件
在上一步骤的基础上，为了更大程度上满足室内舒适度的需求，还应选用适用的低能耗建筑表皮组件，其特点主要表现效利用.在该阶段中，可再生能源的生成， 为以太阳能系统为代表的可再生能源的有分配和运输全过程的优化和整合是实现建筑表皮最佳性能的关键因素.
（31高效运用主动式建筑表皮组件
求时就需要求助于传统的主动式建筑表皮 当低能耗建筑表皮组件不足以满足需组件.但由于主动式表皮组件需要消耗大
量的能量，且相互间易造成一定的矛盾和冲突，因此该步骤的重中之重在于理清各个组件系统的原理和特征，确保各组件系统的协调工作，高效运行.
(4]整合决策调控方式
在上述设计策略的基础上，最后的步骤是选择合适的调控方式，它取决于气候条件、经济成本和业主需求等诸多因素.人工调控的非机械或机械系统具有简便易行，操 控灵活，经济环保等优势，但更适用于气候条件稳定.变化节律较长的地区：智能调控系统具有动态性，交互性和响应性等特点，它利用先进的环境感应设备和复杂的控制算法将建筑表皮组件与建筑管理系统联系 起来，统筹安排，协同决策，能够实时应对气候环境的复杂变化，与此同时，智能调控系统应当建立在对室外气候条件和室内舒适度需求的充分理解基础上，其中各类技术的成熟运用度，使用者和智能系统间的交互 状况等因素都会影响实际的调控效果.
三.气候适应性建筑表皮的设计阶段之前的设计成果，它直接决定了该阶度地实现自然通风，屋顶为展馆内部提供了 模式
通过对气候适应性建筑表皮的理念和调控系统的梳理，能够发现与传统意义上的建筑表皮相比，气候适应性建筑表皮蕴含更为丰富的内涵，其设计过程也涉及气候.能源，技术等多方面因素的综合考量， 首先，地域气候，建筑微环境和使用者的权衡技术系统与建筑表皮设计之间的关系提升气候适应性建筑表皮的可持续性能，设计模式不仅应在宏观上控制和协调各类设计因素，还应将建筑表皮的性能目标拆分为多个子目标，合理排布于各个设计阶段中，通过对子目标的评估最终实现高品质的建筑表皮成果.
鉴于设计过程的复杂性，本文将设计模式界定为四个主要执行阶段，分别为信段和整合决策阶段.各阶段都具备各自独建筑结构和表皮形式，能够在夏季捕捉凉风，追
图3.迪支森水基金会服务大楼利用气候条性和场地信息模拟分析进行建筑表皮设计
形成独立的设计循环.建筑师应当关注每存的捌树为人们创造了一个具有中心集聚个循环设计流程间的重合部分，也就是本效应的遮阴空间，可开启的木门能够最大程段的设计重点和设计难度.
1.信息分析阶段（InformationAnalysis Stage)
主要包括室外气候条件，场地状况，周边环 先进行资料信息的收集整理和分析工作，感知体验等因素被提到重要位置，这一切境.室内气候环境，自然资源以及经济支出都依赖于技术手段的有力支撑，因此整合等因素.经过信息的收集与整理，建立简明段开始着手于初始概念方案的形成，从建的建筑表皮设计原则：气候资源利用自然筑表皮的朝向和整体形态上入手，优化建成为该设计模式的首要诉求：此外，为了光.太阳辐射，风.降水）.室内环境营造（热筑的体形系数和采光状况，合理控制建筑及被动式技术运用等，并在全面的信息分析基础上，制定整个项目的详细定位及可运用于设计各个阶段的可持续性能目标.
斯第一座自循环建筑，通过整体的、非工业 迪克森水基金会服务大楼作为德克萨化的项目定位创造了一个完全符合当地气收材料，同时通过复合材料或材料的复合候环境的可持续建筑，通过对气候条件和场息分析阶段.概念设计阶段，方案优化阶地信息的分析模拟，设置了一个相对灵活的
特的设计工具.设计内容和技术特征，并同时阻挡冬季的寒风，较深的悬臂结构和现自然采光的同时也将室内热空气排出，项目选用对环境影响极小的天然材料，积极寻求与当地气候和周围环境的互动对话，是一座 与自然相互联系的展馆[图3].
作为设计的初始阶段，建筑师应当首2.概念生成阶段（ConceptGeneration Stage)
在充分获取各类信息资源之后，该阶舒适.光环境.空气质量.声学条件）.以表皮的外延面积：在考量各类建筑表皮技 术特征的基础上，选择与项目设计要求契合度最高的建筑表皮类型；根据自然采光和自然通风的有效组织方式，设计合适的窗润口比例.百积，形状和位置：合理运 用材料策略，积极地就地取材并利用可回构造方式提升建筑表皮性能.
由于当地气候条件和场地的局限，如退缩规定，高度限制等，曼谷农作物办公
室通过调整整体形态，将每个楼层稍微错的细节特征，优化可操作性，以实现对不段，通过对项目总体定位和气候适应性目些悬垂的屋橡提供了充足的遮阴地，丰富提升建筑表皮性能.了空间使用的多样性，同时堆叠式平台也策略建立起建筑的微气候，有助于中和可能出现的不平衡气候现象.
3.方案优化阶段（SchemeOptimization Stage)
在概念设计成果的基础上，此时应当根据建筑的气候适应性目标，对整个设计将建筑表皮组件融入建筑表皮的设计之刺激并带动了当地的传统工艺经济的发展，中，当综合运用多种表皮组件时，应考量各组件间的相互关系，综合选择合理的调控方式，力求协同效益的最大化：此外， 应当详细模拟分析自然环境中的光，热.风等具体气候信息，系统地调整建筑表皮
图4.曼谷农作物办公室--利用相互叠加的形态调整和表皮速阳构件校准形成的方案
中.建筑表皮也采取符合泰国热带气候的验平台，以检验各项设计策略和技术手段在形式的美学表达等方面的考量，通过调整 使室外景观渗透到建筑的多个功能区域是立足于中国西南温和气候区的可持续试合.建筑表皮细部的完善：以及建筑表皮复合表皮策略，在玻璃幕墙外窗设置垂直当地气候，文化和经济条件下的可行性.结建筑形体，优化表皮构件尺寸以提升节能足以从各个方向减少紫外线的照射，通过候的双层表皮，首层是带通风口的简易玻璃和调节方式，利用计算机模拟工具优化建 过滤强光和太阳辐射，降低对空调的依赖幕境，二层为疏密变化的藤编表皮组件.藤筑表皮的综合性能等措施共同实现建筑表性（图4）.建筑通过各种有效的表皮设计编表皮组件的细节设计是以建筑表面太阳皮的可持续目标.辐射和风压分布的模拟结果为参照，安排四种疏密的藤编单元分布于表皮上，配合节点采用地道风代替常规空调，通风组件置于双筑形体，将建筑北侧压低到景观土坡中， 构造设计，保证外观和耐久性.示范楼同时体化的出风口（图51.模块化的双层表皮系项目进行深入的细节设计和优化.首先应体现责州当地的风土特色.更在一定程度上 制技术从而实现快速装配，不仅使建筑高度
4.整合决策阶段（Decision IntegrationStage)
此阶段是形成完整设计方案的最后阶
开，以创造出相互叠加的悬臂和露台.这同气候条件的有效调控，节约能耗，综合标的重新审视，建筑师需要运用自己的综合素养对设计成果进行最终的整合和决位于贵安新区的清控人居科技示范楼策.具体内容涉及建筑表皮设计策略的整
龙湖超低能耗建筑主题馆作为一个获得被动房认证的超低能耗示范建筑，考虑到保温和供暖能耗的限制，合理地调整建层表皮空腔和地址设备夹层，室内为内装一而南侧则利用全玻璃幕墙在冬季获取最大的太阳辐射，夏季则利用联动百叶防热：中庭底部的天窗白天引入阳光，夜间通风散热，成为昼夜平衡的调蓄口：新风组件 系统借助室内空间形态，在低处送新风，利用热压原理，有效组织室内风环境（图6）.该建筑通过各种技术手段的综合应用将被动房的要求转换为整合思维下的可持续建筑的设计表达，并让建筑北侧借助景观消 隐于场地，南侧则借幕墙的镜面反光消隐于自然.
图5.清控人屑科技示范楼 利用藤编表皮单元和通风组件优化结合西成的模块化双层表皮系统
