湿皮

建筑师: Achim Menges ArchitectSteffen ReichertOliver

David KriegInstitute for Computational

designation地点: 奥尔良，法国项

目年份: 2013
类别: 展馆

气象敏感亭

“这是一个向木头投降的问题，然后通过将操作与物质联系起来，而不是将形式强加于物来追踪它的走向” (吉尔斯·德勒兹和费利克斯·瓜塔里)

HygroSkin-气象敏感馆项目探索了一种新颖的气候响应建筑模式。尽管大多数对环境响应的尝试都严重依赖于复杂的技术设备，这些设备叠加在原本惰性的材料结构上，但该项目使用了材料本身的响应能力。木材相对于水分含量的尺寸不稳定性被用来构造对气象敏感的建筑表皮，该表皮可根据天气变化自主打开和关闭，但既不需要提供操作能量，也不需要任何类型的机械或电子控制。在这里，材料结构本身就是机器。

旅行亭的模块化木皮是利用最初平面胶合板的自成型能力来设计和生产的，以根据材料的弹性行为形成圆锥形表面。在每个机器人制造模块的深凹面内放置了一个天气响应孔。对这些孔的湿度响应行为进行实质性编程，为在不断反馈和与周围环境的相互作用中提供了非常简单但真正的生态嵌入式架构的可能性。响应的木材复合材料皮肤直接响应环境相对湿度的变化来调节展馆的孔隙率。这些气候变化-构成我们日常生活的一部分，但通常逃避我们的意识感知-触发了木质皮肤的沉默，物质与生俱来的运动。展馆外部和内部之间关系的这种微妙而恒定的调节提供了环境和空间体验的独特融合。

该项目由奥尔良FRAC中心委托其著名的永久收藏，并将在2013年9月14日开幕的ArchiLab 2013-自然化建筑展览中首次展出。

项目概念: 对气象敏感的体系结构的响应通常被认为是由无数机械和电子传感，致动和调节设备实现的技术功能。与高科技设备叠加在其他惰性材料上相反，《自然》提出了一种根本不同的无技术策略: 在各种生物系统中，响应能力实际上已经根深蒂固于材料本身。该项目采用类似的设计策略，对响应式材料系统进行物理编程，既不需要多余的机械或电子控制，也不需要外部能源的供应。在这里，材料与环境一致地计算形式。

该项目探索了原型建筑体积，盒子和深沉起伏的皮肤之间的张力，该皮肤嵌入了复杂的气候响应孔簇。展馆的信封同时是承重结构和对气象敏感的皮肤，它是从薄胶合板的弹性弯曲行为计算得出的。该材料形成锥形表面的固有能力与7轴机器人制造工艺结合使用，以构造28个几何上独特的部件，容纳1100湿度响应孔。

孔径响应于从30% 到90% 的范围内的相对湿度变化，这等于在温和气候中从明亮的晴天到多雨的湿度范围。在与当地小气候的直接反馈中，展馆不断调整其开放程度和孔隙率，调节信封的透光性和视觉渗透性。这种交换导致内部空间的外壳，照明和内部空间的不断波动。表面的吸湿性驱动提供了环境和空间体验的独特融合; 通过对气象敏感的建筑皮肤的微妙和无声的运动，对精致，局部变化和不断变化的环境动态的感知得到加强。不断变化的表面体现了在材料本身内部感知，致动和反应的能力。

仿生原理: 物质根深蒂固的反应性自然界已经发展出各种与气候影响相互作用的动态系统。对于建筑，一种特别有趣的方式是可以在云杉锥中观察到的水分驱动运动。与主动细胞压力变化产生的其他植物运动不同，这种运动是通过对湿度变化的被动响应而发生的。因此，它不需要任何感觉系统或运动功能。该运动独立于任何代谢功能，因此不消耗任何能量。在这里，响应能力是材料的吸湿行为及其自身各向异性特性所固有的。各向异性表示材料特性的方向依赖性。吸湿性是指物质在干燥时从大气中吸收水分，在潮湿时向大气中产生水分的能力，从而使水分含量与周围的相对湿度保持平衡。

这样，云杉锥的运动植根于材料与外部环境相互作用的内在能力，它显示了结构化组织如何被动地响应环境刺激: 圆锥体的打开 (干燥时) 和关闭 (润湿时) 是由鳞片材料的双层结构实现的。外层由平行，长且密集堆积的厚壁细胞组成，通过膨胀或收缩对相对湿度的增加或减少产生吸湿性反应，而内层保持相对稳定。所产生的层的不同尺寸变化转化为刻度的形状变化，从而导致圆锥体的刻度打开或关闭。

科学发展: 湿度响应木材复合材料该项目建立在超过六年的设计研究经验的基础上，研究了云杉锥提供的仿生原理，以开发不需要任何感官设备，运动功能甚至操作能量输入的气候响应建筑系统。这项研究使木材成为最古老，最常见的建筑材料之一，可以作为对气候敏感的天然复合材料。在开发基于简单的四分之一切枫木单板的湿度响应单板复合元件时，利用了木材的各向异性尺寸行为。在湿气的吸附和解吸过程中，环境湿度的变化引发了木材细胞组织中微纤维之间的距离变化，从而导致尺寸的明显各向异性变化。通过精确的形态衔接，可以使用此尺寸变化来触发响应元件的形状变化。

可以对所开发的材料进行物理编程，以响应相对湿度的变化来计算不同的形状。在这个项目中，由于相对湿度的快速上升，元素在几分钟内从打开变为关闭。单板复合元件在一个令人惊讶的简单组件中仪表化了材料的响应能力，该组件同时嵌入了传感器，无能量电动机和调节元件。这种运动的可逆性和可靠性已经在大量的长期测试中进行了测试和验证，无论是在受控的实验室条件下还是在室外应用中。但是，这是第一次为该展馆开发独特的气象敏感建筑围墙而综合积累的知识。

技术发展: 弹性自成型和机器人制造的模块化结构该项目从事了多年的机器人预制，基于组件的结构和弹性自成型结构的设计研究。对于该展馆，基于薄平面胶合板的弹性行为以及材料形成圆锥形表面的相关能力，开发了计算设计过程。计算过程整合了材料在弹性弯曲过程中物理计算形式的能力，所得建筑部件的累积结构，所有接头的计算细节以及使用7轴工业机器人制造所需的机器代码的生成。每个组件均由双层蒙皮组成，该蒙皮最初自形成为圆锥形表面，然后通过真空压制连接以生产夹层板。模块化面板上的最终形式定义，达到精确的公差水平，是通过机器人修整来实现的。弹性弯曲的蒙皮表面的结构能力允许由非常薄的胶合板组件构成的轻质但坚固的系统。

通过对结构的全面激光扫描验证了自成形过程的准确性。他们揭示了计算导出的设计模型与材料满量程计算的实际物理几何形状之间的平均偏差小于0.5毫米。这不仅表明材料行为和设计计算的集成不再是理想化的目标，而是可行的命题。它还展示了如何将计算设计过程集中在材料行为上而不是几何形状上，从而使表演能力和材料的足智性得以展开，从而将设计空间扩展到了迄今尚未探索的建筑可能性。