由薄玻璃制成的自适应外墙系统



双金属带

外墙在控制建筑物的能量流动和能源消耗方面发挥着重要作用。

调节内部和外部条件的选择在可持续建筑解决方案的新方法中具有重要意义。对气候适应性外墙的研究表明,可移动外墙在改善室内环境质量条件和节能方面具有非常大的潜力。

过去已经实现了许多可移动的立面,但是使用厚度为 0.5 毫米到 2 毫米的薄玻璃开辟了一个全新的领域,允许玩弄外皮的几何形状并有机会制作它通过运动适应。

薄玻璃需要曲面才能在静态使用中获得结构刚度。在动态立面中,薄玻璃的高度灵活性允许通过弯曲元件而不是在可折叠刚性面板系统中实施铰链来改变尺寸和位置的新选择。

几何形状基于已知的可展开表面理论,用于在运动过程中保持低应力水平。因此,外墙可以由冷弯或弯曲的夹层薄玻璃层制成,这些玻璃层提供更好的密封性、更简单的结构、坚固性和耐用性的可移动部件,这些部件可以被驱动或自主移动。

通过将传统的可移动立面的原理应用于可弯曲的几何形状,建筑师可以为设计过程提供一个新的工具集,并将在本文中通过设计示例进行解释。创建了一些基于上述理论的概念来解释原理并讨论它们的适用性。

介绍

2016 研究中心“Josef Ressel 结构玻璃应用薄玻璃技术中心”成立,研究例如薄玻璃极限弯曲强度的测定等课题,探索薄玻璃应用的新领域或为建筑师创造新的设计可能性。

该研究中心的另一个目标是系统地收集有关建筑物中一般可移动结构的现有知识,并将这些专业知识应用于薄玻璃制成的外墙,例如气候适应性建筑外壳。根据模型规模和实际尺寸原型的经验,使用 Rhinoceros 3D with Grasshopper 和来自 Rhino 环境的其他插件,在弯曲运动学方面执行和测试计算机模型。

作为一个关键点,在德国杜塞尔多夫的 Glasstec 2014 上展示的可移动顶篷的真实尺寸模型,如下图 01 所示,是在可移动结构中利用薄玻璃的潜力的绝佳示范。这个树冠也是申请上述研究项目的起点。首先在计算机模型中研究了几个原型模型以评估其可行性,然后构建为纸板模型或透明合成模型,以逐步优化系统以最终构建现实生活中的应用程序。

活动雨篷

图 1 活动雨篷

自适应组件

适应性(lat.adaptare:adapt,adjust)是对环境边界条件的反应,可应用于薄玻璃应用领域。反应和边界条件都是多种多样的。外墙通常必须满足有关结构安全、气密性、能见度、照明、温度和降水的要求。反应可能是透明度、导光、通风等方面的变化。

在下文中,薄玻璃边缘和薄玻璃元素的移动被视为本文提供的薄玻璃幕墙的应用。自主驱动器可以通过将执行器的物理形状变化转换为运动来直接从自主执行器驱动,也可以由电子电路间接驱动,该电路将测量的传感器输入转换为单个驱动设备或多个同步设备。

几何形状的变化需要从测量信息导出的运动序列。在自主移动元件的情况下,物理效应的直接驱动可以按比例放大到我的简单机械乘法器单元(例如剪刀或杠杆元件)的实际运动。

电能以及温度、空气湿度、光或压力等物理脉冲都可以用作信息流的触发器。关于适应性,一种关于稳健性和可持续性的有前途的类型是直接自治系统,其功能独立于能源供应。图 02 显示了自适应系统的各个组件。

自适应系统组件/JRC

图 2 自适应系统组件/JRC

正如上面的图 02 中提到的,这些组件被组合起来以构建自适应系统。自适应所需的组件在以下子章节中指定。

传感器技术

温度、空气湿度、太阳辐射等环境环境可以用温度计、湿度计或总辐射表等传感器量化,这些环境可以转换为电脉冲。这些脉冲促使系统控制以生成执行器运动的操作信号。

执行器

来自传感器的输入信号通过执行器启动运动。后者的功能是为系统或机制提供动力。执行器可以分为两组,自主执行器和受控执行器。

自主执行器

智能材料承担传感器的任务,在不使用控制技术的情况下控制自己。自适应功能材料可分为两类:半智能材料能够在少数情况下采用变化。智能材料具有永久性可逆特性,可以通过物理影响​​触发,例如温度、光、压力、电脉冲、磁脉冲或化学脉冲。[1]

自主供电系统的最大优势是永久性的工作流程,并且不依赖于例如能源。以下标题为“自适应系统”的章节显示了各种形式的自主执行器。

受控执行器

来自传感器技术的传输命令是过程循环的一部分并启动执行器,如图 3 所示。 对于受控系统,过程工程是相关的,例如,电能通过电动线性执行器作为信号转换为线性运动。

电动直线执行器

图 3 电动直线执行器 [2]

乘数

乘法器用于提高系统的效率。致动器驱动的机械运动是力和路径的产物。例如,点 C 到 C´ 的小位移 u 被转换为点 A 到 A´ 和 B 到 B´ 的缩放运动,如图 4 所示的杠杆系统。 根据几何形状,可以设置转换如预期的。

通常,倍增单元可以构建为齿轮、皮带驱动器等,也可以用作可以以旋转或线性方式进行的力倍增过程。[3]

杠杆系统/JRC

图 4 杠杆系统/JRC

自适应系统

使用自适应系统最令人印象深刻的方法是使用自主元素。这些系统的自我调节是各种组件正确组合的结果,目的是创建自主立面应用程序。

空气湿度、温度或光照等影响导致的形态、透明度和聚集状态的变化/JRC

图5 空气湿度、温度或光照等影响导致的形态、透明度和聚集状态的变化/JRC

在以下子类别中描述了两种适应外墙的策略:外墙的透明度以及外墙应用程序的移动方式,两者都可以自主执行

看法

首先,立面的功能是将内部和外部分开。此外,美学和设计对建筑具有重要意义,而结构物理价值则对舒适性负责。即使外墙的透明度与房间内的光线强度有关,它们也无法防止因日晒而过热。因此,建立自主监管是在整个生命周期中节约能源的一个因素。

具有纳米胶囊结构的热致变色树脂层位于玻璃层之间,可用作切换工具。透明度是纳米结构的结果,它使太阳辐射能够穿过树脂层。为了达到开关温度,纳米胶囊的结构发生变化并扩散,进而增加反射。[4] & [5]

热致夹层玻璃的功能原理

图6 热致夹层玻璃的功能原理,[4]

低温 (a) 和高温 (b) 状态下的热致变色玻璃

图 7 低温 (a) 和高温 (b) 状态下的热致变色玻璃,[6]

木材运动

各种参数,例如厚度、木材类型和水分含量,可用于控制和设计木材的行为。木材对湿度的反应是可逆的,这意味着木材在干燥后达到初始状态。利用湿度改变木材基于三个主要参数:尺寸比、纹理取向和层压。[7]

因此,锥体的吸湿性 - 在潮湿条件下处于关闭状态,在干燥条件下处于打开状态,此时种子可以被风传播 - 因此可以通过由抗性和一个驱动层。[8]

由于吸湿性,双层木材的形状转变,通过 A) 扭曲,B) 弯曲,C) 正弦曲线。

图 8 由于吸湿性,双层木材的形状转变,通过 A) 扭曲,B) 弯曲,C) 正弦曲线。[9]

由薄玻璃制成的适应性外墙可以通过双木结构进行调节。木材对湿度的依赖及其在干燥和润湿后恢复到原始状态与双层层压相结合,是为自主系统供电的一个有吸引力的选择。

双金属

由双金属制成的执行器是热活性元件,会因热变化而不断变形。条纹、带状或卷状形式的双金属是常见的使用示例。更具体的应用是热卡盘和由于其几何形状不连续工作的元件。电镀或化学涂层工艺进一步提高了元件的耐腐蚀性。[10]

双金属带

图 9 双金属带,[10]

固定在薄玻璃上的双金属带可用作外墙的自主温度控制系统。由于日晒、遮阳或通风系统因外墙应用变形而导致温度升高。

形状记忆合金

形状记忆合金致动器利用温度变化占据原始位置。一次性元件在加热时会改变它们的形状。相比之下,双向元件在加热时呈现高温形状,在冷却时呈现低温形状。

形状记忆合金效应示意图

图10 形状记忆合金效应示意图,[11]

另一个特定模型是形状记忆合金系统,它与一次性元件和反作用力一起工作。它是一种经济的、自给自足的解决方案,可通过可逆变形实现,如图 10 所示。 [10]

对于外墙的薄玻璃应用,形状记忆合金是另一种产生运动的方式。如果日晒激活细线,形状记忆合金引起的收缩会使薄玻璃变形。[12] 尤其是可以感知到的几个位置的优势对能源生产特别感兴趣——光伏元件。

外墙薄玻璃应用

无限灯

无限光是曼哈顿摩天大楼的解决方案,按照硕士论文的范围设计。薄玻璃模块用于引导自然光。通过不同的角度,如图 11 中所述,外墙会根据太阳的位置做出反应,并让自然光深入室内空间。反射元件的最大角度在结构上是指定的,光的传输与室内采光的气氛有关。

各种太阳位置和开度角
图 11 各种太阳位置和开度角/JRC

该结构中的运动学(如图 12 所示)遵循线性运动序列。该力在垂直浮动轴承中产生拉力,由水平浮动轴承中的两根杆引导,从而触发运动 H。虚线表示系统位置的变化。

外墙系统运动学
图 12 外墙系统运动学 / JRC

自动调节通风

这个模型,垂直的,矩形的立面元素以屋顶瓦片的方式重叠。为了实现空气流通,基于给定的立面表面温度,双金属带或形状记忆合金线固定在两个垂直边缘。

端点在 z 方向的移动正在创建聚集,如图 13 所示。这种想法的优点是移动路径小,开口更大。此外,它是一种自主形式的空气通风控制,并使细带或电线在设计解决方案中变得谨慎。

自调节空气通风系统设计为双层表皮,间隙可以使用堆叠效应冷却,特别是在夏季过热的情况下。

通风换气的开启过程
图 13 通风换气的开启过程,a)关闭,b)开启过程,c)开启/JRC

薄膜光伏

能源和遮荫生产的结合是 Sheila Kennedy 的 Soft House 的目标。[13] 这些方面是使用薄玻璃元件作为具有气相沉积薄膜光伏技术的外墙的最初想法。优点是强大的:由于太阳位置和与遮阳相关的能量产生,模块的适应性方向,如图 14 所示。

光伏元件能量收集开启流程
图 14 光伏元件能量收集开启流程,a) 上午,b) 中午,c) 晚上 / JRC

此应用程序主要用于朝南的外墙。触发双层表皮的外层以追踪太阳高度。

立面系统的运动学

图 15 立面系统的运动学 / JRC

薄玻璃元件的初始形式是圆柱体的一部分。通过在每个元件顶部和底部的固定导轨的中心定义一个旋转点,改变表面方向所需的移动最小,见图 15,因此调整每个元件所需的能量和时间更少元素到有关当前阳光的入射角的最佳位置。

该概念利用薄玻璃的形状和材料特性来生产环保能源,但也为外墙提供了灵活的设计选择,因为由此产生的锥形形式提供了各种不同的外观。

结论

这项研究工作的目的是寻找薄玻璃在建筑中的新应用领域。一种新的应用是可移动和自适应系统领域。由于薄玻璃的高度灵活性,与常规厚度的玻璃相比,新的设计选项(例如外墙)变得可行。基于已知的可展开表面理论,可以设计新型“有机”外墙。

使用冷弯玻璃或由夹层玻璃层生产的弯曲夹层安全玻璃,可以在立面上实现非常有趣的元素。运动的可能性,意味着薄玻璃的永久弯曲,例如可以打开和关闭的立面元素,为建筑师的设计过程创造了新的工具。

未来的研究工作将探索薄玻璃的新应用领域。这些新应用应根据其概念进行分类,例如可展曲面理论或弯曲折叠理论。基于两种基本的运动类型——平移和旋转及其组合——将开发新的“活泼”薄玻璃结构系统。

参考

[1] Schumacher, Michael; Schaeffer, Oliver; Vogt, Michael-Marcus. (2010). Move architecture in motion: dynamic components and elements in architecture. Basel: Birkhäuser.
[2] Alibaba (Hrsg.): <https://www.alibaba.com/product-detail/LMI10-Series-Electric-LinearActuatorsfor_50030493193.html>. 24.04.2019
[3] Novacki, Zoran: Wandelbare lineare Tragsysteme – Analyse und Neuentwicklung. [Diss. TU München, Fakultät für Architetkur 2014] S.20 ff
[4] Rabe, Christian / Frauenhofer Institute for Applied Polymer Research IAP (Hrsg.): SolardimEco. High energy savings through a self-regulating solar protection glazing. <https://www.iap.fraunhofer.de/content/dam/iap/en/documents/FB2/Solardim_ECO_Fraunhofer-IAP.pdf>. 10.04.2019
[5] Bianco, Lorenza; Goia, Francesco; Serra, Valentina; Zinzi Michele (2015): Thermal and optical properties of a thermotropic glass pane: laboratory and in-field characterization. IBPC 2015.
[6] Seeboth, Arno; Lötzsch, Detlef: Thermochromic and Thermotropic Materials. [eBook] 2014. S.181
[7] Abdelmohsen, Sherif; Adriaenssens, Sigrid; Gabriele, Stefano; Olivieri, Luigi; El-Dabaa, Rana (2019): Hygroscapes: Innovative Shape Shifting Façades. In: Digital Wood Design. 2019.
[8] Poppinga, Simon; Zollfrank, Cordt; Prucker, Oswald; Rühe, Jürgen; Menges, Achim; Cheng, Tiffany; Speck, Thomas: Toward a New Generation of Smart Biomimetic Actuators for Architecture. In: Advances Materials; 1703653, 2017.
[9] Holstov, Artem; Farmer, Graham; Bridgens, Ben (2017): Sustainable Materialisation of Responsive Architecture. In: Sustainability, Volume 9, Issue 3. 2017.
[10] G.Rau GmbH & Co KG (Hrsg.): Produktbroschuere. <https://www.g-rau.de/fileadmin/gustavrau/downloads/service/downloads/produktbeschreibung/Produktbroschuere_web.pdf>.08.04.2019
[11] G.Rau GmbH & Co KG (Hrsg.): Thermische Aktuatoren. <https://www.g-rau.de/fileadmin/gustavrau/downloads/service/downloads/Thermische_Aktoren.pdf>. 08.04.2019
[12] Louter, Christian: Dünnglaskonzepte für architektonische Anwendungen. In: Weller, Bernhard; Tasche, Silke (Hrsg.): Glasbau 2019. Wilhelm Ernst & Sohn Verlag. 2019, S.242-243
[13] Stauffer, Nancy W., MIT Energy Initiative (04.06.2013): Building facades that move, textiles that illuminate. <http://energy.mit.edu/news/buildingfaçades-that-move-textiles-that-illuminate/>. 12.04.2019

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