一种自然通风性能驱动的模块化建筑自适应表皮系统

技术领域

本发明涉及建筑表皮系统技术领域，特别是涉及一种自然通风性能驱动的模块化建筑自适应表皮系统。

背景技术

建筑通风是建筑设计中重要的一个方面，使用者在建筑中进行活动会使室内氧气含量降低，长期大量的室内活动会使室内空气质量显著下降。为提高室内空气品质，增加室内舒适度，建筑需要进行一定程度的通风换气，建筑传统的开窗形式为分散布置的面窗，通风过程需要使用者手动打开窗体，无法对通风时间与室内各处的通风需求进行准确把控；对于商场等大空间的通风需求，常采用通风设备进行机械通风，消耗大量的能源，不符合节能减排的要求。

建筑的被动式通风技术可以利用外部自然风环境对建筑内部进行通风换气，当建筑需要进行通风时，打开建筑外立面的通风结构即可，大大减少能源的消耗，但是无法做到根据室内通风需求和室外自然条件实时调节通风结构，并且无法满足室内各处空间对于通风量的个性化需求。

建筑动态表皮系统可以根据环境和通风需求动态调节通风结构的通风量，动态表皮设计为模块化单元式，可以并列排布向四周扩展满铺，适应不同的建筑立面，但是常见的动态表皮系统结构复杂，控制困难，且开启闭合时的形态占据大量空间，并不能进行精确控制，开启闭合时的通风效率偏低，无法达到良好的通风效果，各类动态表皮缺乏美学设计，影响建筑外立面的美观。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统通风窗需要使用者手动开启和关闭，无法对通风时间和室内各处的通风需求进行精准把控；商场等大型空间机械通风的能耗过大；常见的动态表皮系统结构复杂、占用空间大、控制困难、通风效率低的问题，提出了一种自然通风性能驱动的模块化建筑自适应表皮系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：本发明提出一种自然通风性能驱动的模块化建筑自适应表皮系统，所述表皮系统共设置m*n个表皮单元紧密排列，表皮单元的行数为m，每行的表皮单元数为n，m、n为任意自然数，m和n的数值可根据建筑立面进行调整；所述表皮系统包括支撑框架、中部支架、驱动机构、模块化可折叠表皮和表皮单元拉伸装置；所述支撑框架和所述中部支架支撑建筑自适应表皮整体结构，所述驱动机构包含执行舵机和刚性固定层，每个所述表皮单元可整体向内折叠和向外伸展；

当所述执行舵机正向转动时，通过刚性固定层带动外部折叠表皮的中心方形转动，同时在表皮单元拉伸装置的牵拉作用下，表皮单元向内折叠，表皮由舒张变为收缩，表皮单元之间空隙变大，建筑通风开口率变大，反之当执行舵机反向转动，表皮由收缩变为舒张，表皮单元之间的空隙变小，建筑通风开口率变小，控制舵机旋转进而改变表皮单元折叠程度可以调节建筑通风。

进一步地，所述支撑框架包含内部框架和外部框架，所述内部框架为靠近室内一侧的网状正交刚性框架，所述外部框架为靠近室外一侧的刚性框架，其平面结构跟随所述表皮单元的外轮廓，所述中部支架为所述内部框架与所述外部框架之间的支撑结构，所述中部支架与内、外部框架刚性连接。

进一步地，内部框架为井字形正交片状刚性框架结构，各顶点处倒圆角减小结构应力，在四周边缘处开设方形隼眼；外部框架为片状刚性框架，其平面结构跟随所述表皮单元的外轮廓，各顶点处倒圆角减小结构应力，在四周边缘处开设方形隼眼；中部支架为方形片状刚性结构，内侧和外侧分别对应内、外部框架的隼眼设置隼头。

进一步地，所述模块化可折叠表皮为二维柔性可折叠板片，其位于支撑框架的外侧，依照其上的折痕将其分割为中间的一个正方形、四周的四个正方形和四个菱形，所述菱形相邻顶点所对应的内角分别为45°和135°。

进一步地，所述折痕分为山折痕和谷折痕两种，所述表皮单元中间正方形的四条边为谷折痕，表皮单元中间正方形的周围四个正方形的内侧两邻边的折痕呈现为山折痕与谷折痕交替状态，表皮单元依照所述折痕进行折叠与展开，分别呈现出整体收缩和舒张的状态。

进一步地，所述执行舵机的外壳在所述内部框架的正交节点处与内部框架刚接，所述刚性固定层为方形刚性板片，其形状与所述表皮单元按折痕分割后中间的正方形相同，所述执行舵机的舵盘、所述刚性固定层、所述表皮单元按序对齐并通过螺丝进行刚接。

进一步地，所述表皮单元拉伸装置为线性弹力绳，其一端固定于所述表皮单元外侧的一个正方形的外侧顶点处，另一端固定于距离所述顶点最近的所述外部框架的结构交叉点处；所述表皮单元的四个顶点处均设置表皮拉伸装置；位于所述表皮单元周围的四个拉伸装置为所述表皮单元持续提供由中心方形向外的拉力，使所述执行舵机正向转动时表皮单元向内折叠收缩，所述执行舵机逆向转动时模块化表皮单元向外舒张扩展。

进一步地，所述执行舵机的转动幅度的大小直接影响所述模块化折叠表皮的折叠程度，可以精确控制执行舵机的转动角度来控制所述表皮单元的折叠程度，实现对建筑自然通风的精确调控，每个表皮单元可以单独进行折叠程度的控制，分别控制不同位置的建筑自适应表皮单元折叠程度可以实现室内各区域的个性化通风需求。

进一步地，所述模块化可折叠表皮的单个覆盖面积相对小，其与外部框架相配合可以并列排布多行多列，实现无重叠得满铺建筑表面，并且做到表面平整严密，适应多元化建筑立面形态。

进一步地，每个表皮单元使用厚度为0.3mm的PP聚丙烯薄板材料整体裁切。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明提出一种自然通风性能驱动的模块化建筑自适应表皮系统，当建筑室内需要通风换气时，所述执行舵机正向转动时，通过刚性固定层带动模块化折叠表皮的中心方形转动，同时在表皮单元拉伸装置的牵拉作用下，表皮单元向内折叠，表皮由舒张变为收缩，表皮单元之间空隙变大，建筑通风开口率变大，加强建筑通风；反之当建筑自然通风需求减小时，执行舵机反向转动，表皮由收缩变为舒张，表皮单元之间的空隙变小，建筑通风开口率变小，控制舵机旋转进而改变表皮单元折叠程度可以调节建筑通风，建筑通风需求通过所需新风量进行量化，精准控制表皮单元的折叠率和立面不同区域的表皮单元的折叠可以实现对建筑自然通风过程的精确控制并且满足室内各区域的个性化通风需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的整体结构分解轴测图。

图2是本发明实施例中刚性支撑框架各部件的平面图。

图3是本发明实施例中模块化可折叠表皮的平面图。

图4是本发明实施例中模块化可折叠表皮的折叠与舒展状态的示意图。

图5是本发明实施例中驱动机构与模块化可折叠表皮结合的结构分解图。

图6是本发明实施例中可折叠表皮单元折叠与舒展状态的侧视图。

图中标记说明：101-内部框架、102-中部支架、103-外部框架、104-外部框架上的隼眼、105-中部支架上的榫头、106-内部框架上的隼眼、201-执行舵机、202-刚性固定层、203-螺丝紧固件、204-执行舵机的外壳、205-执行舵机的舵盘、301-模块化可折叠表皮(折叠度0％)、302-模块化可折叠表皮(折叠度40％)、303-模块化可折叠表皮(折叠度70％)、304-模块化可折叠表皮(折叠度100％)、305-表皮单元上的山折痕、306-表皮单元上的山折痕、307-表皮单元上的山折痕、308-表皮单元上的山折痕、309-表皮单元上的谷折痕、310-表皮单元上的谷折痕、311-表皮单元上的谷折痕、312-表皮单元上的谷折痕、313-表皮单元上的谷折痕、314-表皮单元上的谷折痕、315-表皮单元上的谷折痕、316-表皮单元上的谷折痕、401表皮单元拉伸装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

本发明提出一种自然通风性能驱动的模块化建筑自适应表皮系统，所述表皮系统共设置m*n个表皮单元紧密排列，表皮单元的行数为m，每行的表皮单元数为n，m、n为任意自然数，m和n的数值可根据建筑立面进行调整；所述表皮系统包括支撑框架、中部支架、驱动机构、模块化可折叠表皮和表皮单元拉伸装置；所述支撑框架和所述中部支架支撑建筑自适应表皮整体结构，所述驱动机构包含执行舵机和刚性固定层，每个所述表皮单元可整体向内折叠和向外伸展；

当所述执行舵机正向转动时，通过刚性固定层带动外部折叠表皮的中心方形转动，同时在表皮单元拉伸装置的牵拉作用下，表皮单元向内折叠，表皮由舒张变为收缩，表皮单元之间空隙变大，建筑通风开口率变大，反之当执行舵机反向转动，表皮由收缩变为舒张，表皮单元之间的空隙变小，建筑通风开口率变小，控制舵机旋转进而改变表皮单元折叠程度可以调节建筑通风。

所述支撑框架包含内部框架和外部框架，所述内部框架为靠近室内一侧的网状正交刚性框架，所述外部框架为靠近室外一侧的刚性框架，其平面结构跟随所述表皮单元的外轮廓，所述中部支架为所述内部框架与所述外部框架之间的支撑结构，所述中部支架与内、外部框架刚性连接。

内部框架为井字形正交片状刚性框架结构，各顶点处倒圆角减小结构应力，在四周边缘处开设方形隼眼；外部框架为片状刚性框架，其平面结构跟随所述表皮单元的外轮廓，各顶点处倒圆角减小结构应力，在四周边缘处开设方形隼眼；中部支架为方形片状刚性结构，内侧和外侧分别对应内、外部框架的隼眼设置隼头。

所述模块化可折叠表皮为二维柔性可折叠板片，其位于支撑框架的外侧，依照其上的折痕将其分割为中间的一个正方形、四周的四个正方形和四个菱形，所述菱形相邻顶点所对应的内角分别为45°和135°。

所述折痕分为山折痕和谷折痕两种，所述表皮单元中间正方形的四条边为谷折痕，表皮单元中间正方形的周围四个正方形的内侧两邻边的折痕呈现为山折痕与谷折痕交替状态，表皮单元依照所述折痕进行折叠与展开，分别呈现出整体收缩和舒张的状态。

所述执行舵机的外壳在所述内部框架的正交节点处与内部框架刚接，所述刚性固定层为方形刚性板片，其形状与所述表皮单元按折痕分割后中间的正方形相同，所述执行舵机的舵盘、所述刚性固定层、所述表皮单元按序对齐并通过螺丝进行刚接。

所述表皮单元拉伸装置为线性弹力绳，其一端固定于所述表皮单元外侧的一个正方形的外侧顶点处，另一端固定于距离所述顶点最近的所述外部框架的结构交叉点处；所述表皮单元的四个顶点处均设置表皮拉伸装置；位于所述表皮单元周围的四个拉伸装置为所述表皮单元持续提供由中心方形向外的拉力，使所述执行舵机正向转动时表皮单元向内折叠收缩，所述执行舵机逆向转动时模块化表皮单元向外舒张扩展。

所述执行舵机的转动幅度的大小直接影响所述模块化折叠表皮的折叠程度，可以精确控制执行舵机的转动角度来控制所述表皮单元的折叠程度，实现对建筑自然通风的精确调控，每个表皮单元可以单独进行折叠程度的控制，分别控制不同位置的建筑自适应表皮单元折叠程度可以实现室内各区域的个性化通风需求。

所述模块化可折叠表皮的单个覆盖面积相对小，其与外部框架相配合可以并列排布多行多列，实现无重叠得满铺建筑表面，并且做到表面平整严密，适应多元化建筑立面形态。

实施例

参照图1至图6，本发明提出一种自然通风性能驱动的模块化建筑自适应表皮系统，包括内部框架101、中部支架102、外部框架103、中部驱动机构201-205、模块化可折叠表皮301-316、表皮单元拉伸装置401，在本实施例中，表皮系统共设置9个表皮单元紧密排列为三行，每行的表皮单元数为3个。

参照图1和图2，在本实施例中，支撑框架包含内部框架和外部框架，内部框架101为靠近室内一侧的刚性框架，其为井字形正交片状刚性框架结构，各顶点处倒圆角减小结构应力，在四周边缘各处开设三个方形隼眼。外部框架103为靠近室外一侧的刚性框架，为片状刚性框架，其平面结构跟随所述表皮单元的外轮廓，各顶点处倒圆角减小结构应力，在四周边缘处各开设三个方形隼眼。中部支架102为内部框架与所述外部框架之间的支撑结构，其为方形片状刚性结构，内侧和外侧分别对应内、外部框架的隼眼104、106各设置三个隼头105，本实施例中对应内、外部框架101、103的四边共设置四个中部支架102，将所述中部支架102与内、外部框架101、103通过榫卯结构刚性连接。在本实施例中，内、外部框架101、103与四个中部支架102构成表皮系统的刚性结构支撑。

参照图3，所述模块化可折叠表皮301为二维柔性可折叠板片，其位于所述外部框架103的外侧，本实施例中，每个表皮单元301使用厚度为0.3mm的PP聚丙烯薄板材料整体裁切，参照图3所示，表皮单元上的12条折痕可以将其分割为中间的一个正方形、四周的四个正方形和四周的四个菱形，所述菱形相邻顶点所对应的内角分别为45°和135°。

参照图3，所述折痕分为山折痕305-308和谷折痕309-316两种，模块化可折叠表皮301中间正方形的四条边为谷折痕313-316，表皮单元301中间正方形的周围四个正方形的内侧两邻边的折痕呈现为为山折痕与谷折痕交替状态，即305、306、307、308为山折痕，309、310、311、312、313、314、315、316为谷折痕。所述表皮单元301可以依照所述折痕进行折叠与展开，分别呈现出整体收缩和舒张的状态，参照图4所示，表皮单元301的折叠状态对应的折叠度为0％、表皮单元302的折叠状态对应的折叠度为40％，表皮单元303的折叠状态对应的折叠度为70％，表皮单元304的折叠状态对应的折叠度为100％。

参照图5，在本实施例中，驱动机构201-205包括执行舵机201、刚性固定层202和螺丝紧固件203。执行舵机的外壳204与舵盘205相对的一侧与内部框架101贴合，固定安装于内部框架101的结构交叉点处，使执行舵机的舵盘205旋转轴穿过内部框架101的结构交叉点，舵机外壳204与内部框架101保持平行。刚性固定层202为方形刚性板片，其形状与所述表皮单元301按折痕分割后中间的正方形相同，其上打孔用于穿入螺丝紧固件203。所述表皮单元301按折痕分割后中间的正方形与刚性固定层202对齐，刚性固定层202上的孔洞与执行舵机的舵盘205上的孔洞对齐，使用螺丝紧固件203对所述表皮单元301、所述刚性固定层202、所述执行舵机的舵盘205进行连接紧固。

参照图6，所述表皮单元拉伸装置401为线性弹力绳，其一端固定于所述表皮单元301外侧的一个正方形的外侧顶点处，另一端固定于距离所述顶点最近的所述外部框架的结构交叉点处，依照上述逻辑，所述表皮单元的四个顶点处均设置弹性拉伸装置。位于所述表皮单元周围的四个弹性拉伸装置401为所述表皮单元301持续提供由中心方形向外的拉力。当建筑室内需要增大自然通风时，所述执行舵机的舵盘205正向旋转，表皮单元拉伸装置401为所述表皮单元301四周的四个正方形提供向外的拉力，在两者的共同作用下，所述表皮单元301沿着折痕305-316向内折叠收缩，表皮之间的空隙增大，建筑通风率提高；反之当建筑室内需要减小自然通风时，所述执行舵机的舵盘205逆向转动时，在所述弹性装置的拉力作用下，表皮单元304向外舒张扩展，表皮之间的空隙减小，建筑通风率降低。

参照图1和图2，在本实施例中，内部框架101、中部支架102、外部框架103的材料使用10mm厚度的木制板材，将上述板材经过激光切割加工形成各个部件，之后通过榫卯结合将各部件进行组装，形成建筑自适应表皮的刚性结构支撑。

参照图3，在本实施例中，所述模块化可折叠表皮301的材质选用0.3mm厚度的PP聚丙烯薄板材料，使表皮单元可以通过折叠形成清晰明显的折痕305-316，同时表皮单元具有一定硬度和韧性使之能够由折叠状态恢复至舒展状态。

本实施例中模块化可折叠表皮为手性结构，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，如本实施例的单元化可折叠表皮的镜像对映体等，都属于本发明保护的范围。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，不能以此来限定本发明之权利范围。专业技术人员可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。