基于材料技术的非线性建筑表皮生成研究

【摘要】 本文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。

【关键词】 非线性；建筑表皮；材料运用；技术生成

[Keywords]Nonlinear; building skin; materials used; technology generation

中图分类号：F406文献标识码： A 文章编号：

在西方建筑史中，砖石结构是18世纪之前建筑的主角，19世纪出现了铸铁，到了20世纪钢筋混凝土得到广泛应用。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，给建筑带来了丰富多变的表皮特性。

建筑表皮是指建筑和外部空间直接接触的界面（包括屋顶和四壁），以及由此展现出来的形象和构成方式。包含表皮和承重结构结合在一起自由形式，反映物质和精神的双重存在，同时也反映建筑与广泛的社会文化审美层面产生的联系。

一、现有材料的发展

1、钢筋混凝土

图1 城市星云

混凝土作为建筑材料从古罗马时期就已使用，经历了长时间的发展，因其出色的性能得到了广泛应用。当代新技术运用到混凝土中，建筑师所受的约束越来越少，可以实现以前不能完成的设计。同时，可持续发展受到普遍关注，混凝土的潜力得到更深一步的挖掘。它可以减少人们对环境的破坏，混凝土朝着更轻量化、更耐用、更美观的方向发展。如今，最新的混凝土技术已经成熟，可塑剂使其变得更加柔软，加速剂和混凝剂可以改变混凝土的凝固时间，颜色添加剂可以改变混凝土成型的颜色，甚至还可以通过添加光纤维的方法来改变混凝土的透明度。扎哈·哈迪德对混凝土的可塑性研究很有热情，她一直致力于用混凝土表现具有视觉冲击力的建筑作品。城市星云是她运用混凝土材料的代表作品。通过新技术的运用，混凝土具有石材般的质感和光泽，同时也使建筑表皮形态更加优美生动（图1）。

2、玻璃

图2 德国国会大厦穹顶

玻璃是一种应用广泛的材料，具有许多优秀的性能，比如透明、透光，用玻璃作为建筑表皮材料，所营造出来的建筑氛围既晶莹剔透又显得建筑整体轻巧，具有漂浮感。玻璃材料被建筑师用来表现全新的建筑形象，建筑更加精致透明，辉煌华丽。德国国会大厦穹顶（图2），用玻璃材料做表皮，具有良好的光学性能，既能反射光线，也能透过光线，改善了室内环境。

3、金属

图3 CORCORN艺术中心

弗兰克·盖里说过：“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。”1科技进步以及材料技术的发展，使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。运用现代数字技术，金属可以被精确地切割成各种形状，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。盖里设计的CORCORN艺术中心（图3），采用巨大的金属非线性表皮，在周围环境的衬托下具有强烈的视觉冲击力。

4、原生态材料

近年来，环保问题受到社会广泛关注，建筑也提倡利用对环境污染少，资源消耗低的材料，建筑师必然把目光聚焦到原生态材料上，如竹子、木材等等诸如此类的材料。它们对环境基本上没有危害，因此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状态的呈现。

图4 世博会西班牙馆

2010年上海世博会西班牙馆（图4），采用了柳条编织的表皮，被称为“篮子展馆”。这种表皮材料的创造手法，是中西两国都有的传统手工工艺，反映了两国的文化对话。

二、新材料的研究

第三次科技革命以来，材料技术取得了巨大的进步，借助信息技术与生物工程的支持，出现了许多新材料。这些新材料内部结构发生了改变，表现出更多新的特性，而且更智能、更环保。

1、碳纤维材料

纳米碳管是先进的材料，它由圆柱状排列的碳分子构成，具有这样分子结构的材料硬度非常强，用这种材料做成的织物，强度可以抵御子弹射击。这种材料广泛应用在汽车、飞机制造领域。目前建筑师们正在探索这种材料在建筑应用的可能性。

扎哈·哈迪德设计的法国波城多媒体图书馆（图5），具有非线性形态的建筑表皮。采用高强碳纤维结构层和复合结构层，正是由于这种材料的使用，建筑具有很高的强度，既满足了结构支撑要求，又节能环保。

图5 法国波城多媒体图书馆 图6 上海世博会英国馆

2、亚克力

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。这种材料正逐步应用到建筑之中。

上海世博会英国馆（图6），设计创意超凡。建筑表皮由 6万根亚克力杆件组成，每个杆件之间的距离仅有100—150毫米，在每个亚克力杆的端部，都镶嵌着植物的种子。每根亚克力管子长约7.5米，安放在6米长的套管内，以避免过度弯曲。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，具有意想不到的璀璨效果。

3、ETFE

图7 安联足球场

ETFE是人工高强度氟聚合物，它具有耐高温、耐腐蚀、透光性、阻燃性、防火性、自洁性等性能，在建筑中应用的前景十分广泛。通常这种材料作为膜结构材料应用于建筑中，德国安联足球场（图7）就是一个由2826个ETFE气囊覆盖，气囊为长度4m~8m宽度2m~4.25m的菱形，内中装置了红、白、蓝三色霓虹灯，在比赛时可变换颜色，渲染气氛。

结语

莱特曾说过：“对于创造性的艺术家来说，每一种材料有它自己的信息，有它自己的歌。2材料技术的不断进步推动了建筑历史的发展。材料对于建筑师来说就好比音乐家笔下的音符，画家手中的颜料。正是有了建筑材料技术的不断进步，建筑师的理念和意图才能更大程度地变为现实。不同材料表现出不同的形、色、质，建筑师可以根据不同材料的性质选择它们，表达自己的设计意图。相信随着材料技术的不断发展，必将促进新的更多的非线性建筑表皮形态的出现，也会出现更多具有时代意义的建筑作品。

注释

参见曹巍.弗兰克.盖里的作品与思想(附光盘)[M].北京.中国电力出版社，2005

参见王纬纬.建筑材料的视觉传达研究[D].西南交通大学建筑学论文.2004：42

参考文献

司徒娅，郭颖莹.“篮子展馆”——西班牙馆[J].建筑学报，2010（5）

顾英.跨界演绎的创意设计——英国馆[J].建筑学报，2010（5）

[美]托伯特·哈姆林. 建筑形式美的原则. 中国建筑工业出版社, 1982

[日]伊东丰雄建筑设计事务所编著.慕春暖译. 建筑的非线性设计——从仙台到欧洲. 中国建筑工业出版社, 2005（12）

作者简介：

1、何晓斌 男 助理工程师 中国航天建设集团有限公司 哈尔滨工业大学建筑学硕士

2、慕昆朋 男 助理工程师 中国航天建设集团有限公司 哈尔滨工业大学建筑学硕士

3、李玲玲 女 教授 哈尔滨工业大学建筑学院

"受黑龙江省自然科学基金资助 项目编号e201127 "