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1傳統表皮材料的創新性應用

許多傳統建筑材料，如粘土、木材、竹子等，在漫長的人類建筑史中，發揮了重要作用。SDE2010競賽規則中，特別強調傳統建筑材料的創新性應用，其目的是鼓勵各參賽團隊對傳統建筑材料進行發掘，使得傳統材料在新技術新工藝的激發下煥發新的活力。法國格里諾博爾大學的參賽作品“ArmadilloBox”采用了粘土材料并對其進行了創新性應用（圖1）。粘土是一種古老的建筑材料，傳統粘土具有良好的蓄熱、存濕能力并有較好的防火性能，隨著新型加工技術的產生，工業化粘土制品開始應用于建筑表皮，主要包括粘土磚、粘土板及粘土涂層等。在作品中，粘土飾面板應用于建筑內墻，一方面，粘土飾面板為優秀的蓄熱體，能有效延緩溫度波動；另一方面，粘土所特有的吸濕性，對室內濕度的保持有益。除此之外，還采用了粘土輻射板系統（WEM），WEM以布置于建筑內墻面的粘土輻射板為末端，用水作媒介，通過WEM輻射板，將熱量或冷量輻射出去，用于建筑制冷或采暖。試驗證明該方式具有良好的效率。中國同濟大學的參賽作品“BambooHouse”，采用了中國南方傳統的建筑材料———竹子。竹子重量輕，彈性和韌性好，其特有的空心結構決定了竹子的抗彎強度比實心桿件強，加之竹子生長周期短，耐腐蝕性好，使其成為良好的建筑表皮材料。BambooHouse中竹子通過技術處理后應用于建筑的柱、梁、墻及屋頂等多處，尤其是外墻。BambooHouse的外墻由兩層結構構成，內層是SIP板（StructuralInsulationPanel），外層是將竹子用鐵絲連接起來固定于其后的內墻板，中間形成了空腔，該結構使其具有良好的保溫隔熱性能。建筑的南側外墻將太陽能光電板（PV板）與竹子結合起來，在滿足太陽能發電的同時，還表達了對中國傳統文化的尊重。

2新型光伏表皮材料的建筑一體化

隨著太陽能利用技術的不斷發展，光伏材料逐步應用于建筑表皮，光伏組件與建筑墻體、門窗、遮陽板及屋頂等結合，形成了光伏表皮。光伏表皮為技術性表皮，具有雙重作用，它既承擔傳統建筑表皮保溫隔熱的作用，又能利用太陽能發電發熱。與以往建筑設計中常采用遮擋、隱藏光伏組件的處理方式不同，SDE2010參賽作品中光伏表皮與建筑高度集成，光伏表皮自身獨特的肌理形成的技術美已成為建筑立面不可或缺的組成部分。德國柏林技術和經濟專業大學的參賽作品“LIV-INGEQUIA”中（圖3），設計理念清晰，建筑形式完整。屋頂的隱框太陽能光電板（PV板）與屋頂無縫拼接，渾然一體，建筑風格協調。建筑南立面采用薄膜太陽能光電池所組成的遮陽折疊門，具有遮陽與太陽能光伏發電的雙重功效，并形成了較好的室內外景觀。建筑的外墻和屋頂均由黑色經過熱處理的木材組成，以增加建筑的被動蓄熱能力。在這里光伏表皮不再是附加的裝飾，而是整個建筑有機的組成部分。德國斯圖加特應用技術大學的參賽作品“Home+”（圖4），在其建筑屋頂和東西立面上設置太陽能光電板。東西立面外墻的太陽能光電板為多晶硅光電模塊，采用了特殊工藝使得光電板呈金黃色漸變的立面效果，一改傳統光電板單調的黑灰色。屋頂的光電板為單晶硅光電模塊，創造性地采用了新型的光伏/熱系統（PV/T）。該系統將吸熱板布置于光電板背面，吸熱板后附有銅管，銅管中以水為媒介，將光電板發電時產生的熱量通過水傳輸到水箱中儲存。該方式在保存了熱量的同時降低了光電板自身溫度，提高了發電效率。

3表皮材料的復合化與可調節性

建筑外部環境周期性的變化，要求建筑表皮須具有調節的能力，達到維持室內環境在人體舒適度范圍內的目的。單一材料組成的表皮已無法應對復雜的外部環境變化，因此，建筑表皮材料的復合化成為必然趨勢。復合表皮通過新技術將一系列單層材料組合，形成具有多重功能的表皮。該復合表皮并非單層材料的簡單疊加，而是每個單層均可獨立調節，并與建筑的保溫隔熱、遮陽通風結合在一起。美國弗吉尼亞理工大學的參賽作品“Lumenhaus”采用了一種稱為“Eclipsis”的系統（圖5）。這是一種具有完整結構，能夠調節的復合系統，具有外遮陽、保溫隔熱及自然通風等多重作用。構造層次從外而內分別為不銹鋼圓孔片組成的調光遮陽板、半透明的聚碳酸酯保溫隔熱板、可推拉紗窗、可推拉玻璃門、紗質窗簾五部分。各部分通過開啟和閉合均可進行獨立調節。外層調光遮陽板的孔洞經精心設計，通過計算確定圓孔遮光片前后傾斜角度，以達到對進入室內陽光的控制，同時保證了室內的自然通風。半透明的聚碳酸酯保溫隔熱板是良好的保溫隔熱材料，Lumenhaus的自動控制系統根據室內外溫度變化，控制保溫隔熱板的開啟閉合，使室內溫度保持穩定。Lumenhaus的屋頂太陽能光電板構成了屋頂的熱緩沖層，避免陽光直射造成的溫度波動，同時，太陽能板還能根據日光高度的不同自動調節角度，以達到最高發電效率。西班牙加泰羅尼亞理工大學的參賽作品“LOW3”（含義是低造價、低能耗、低影響）（圖6），該住宅由內外兩層表皮組成，內表皮為不加外裝飾面的SIP板，外表皮為半透光的聚碳酸酯陽光板構成。外表皮在屋頂與南、東、西外墻處均可開啟，兩層表皮間約200m3的灰空間，其中布置有綠色植物。夏季白天外表皮關閉，起遮陽作用，灰空間內的植物可降溫，夜間可完全開放兩層表皮自然降溫；冬季白天外表皮關閉，半透明材料可吸收太陽輻射，起陽光溫室作用，夜間內外表皮均關閉。通過內外雙層表皮的開啟與閉合，可有效地應對室外環境波動。除此之外，為適應參賽期間西班牙炎熱的氣候，很多參賽團隊均采用了帶有相變材料（PCM）的建筑材料構成建筑表皮。相變材料多數為鹽水混合物和石墨等組成并封裝于建筑屋頂、外墻或地板。相變材料通過固態液態轉化釋放潛熱維持室內溫度的穩定，具有良好的調節性。

4表皮材料的地域文脈與美學表達

建筑表皮是建筑形式美的外在表達是建筑性格的物質載體。以往人們關注的重點是建筑表皮材料的物理性能，如今更加注重表皮材料的多樣化表達，強調表皮材料與地域文脈的關聯以及材料自身的技術美學。天津大學的參賽作品“Sunflower”，將中國傳統建筑文化中的四合院、天井及白墻灰瓦等引入設計中（圖7）。在建筑的東、南、西三個立面布置光伏發電板，光伏發電板的紋理模仿中國傳統建筑中青磚的造型。頂層閣樓的坡屋頂上，布置光伏發電板和太陽能真空管，真空管整齊排列，模仿中國傳統坡屋頂建筑中的瓦屋面。光伏材料自身的表現力得以展現，同時傳達了中國傳統建筑的歷史文脈。美國佛羅里達大學的參賽作品“CrackerHouse”，以當地傳統的建筑形式“Crackers”為原型。建筑南側外墻采用了圓柱形薄膜光伏電池格柵，除了發電之外還能提供遮陽。該格柵式的光伏電池與建筑主體的木格柵形成了很好呼應，展示了美國傳統建筑的地域文脈和新型光伏表皮的藝術魅力。

隨著可持續發展思想與材料技術的進步，建筑表皮材料正向技術與藝術完美結合的方向發展。SDE2010競賽中，各參賽團隊的作品為我們提供了表皮材料利用的新思路和新方法，展示了當今表皮材料應用中的技術創新和美學表達，為建筑表皮材料研究提供了有益的啟發。

本文作者：張晟、、李偉單位：天津城市建設學院、天津市建筑設計院