気候変動に適応する建築外装

建築工学において、気候適応型建築外皮（CABS）とは、環境の変化に動的に対応するファサードまたは屋根のことです。従来の建築物は静的な外皮構造を持つため、変化する気象条件や居住者のニーズに対応することができません。適切に設計されたCABSには、暖房、冷房、換気、照明における省エネルギーに貢献し、建物の室内環境の質を向上させるという2つの主要な機能があります。

^{Loonenら[ 1 ]} によるCABSの説明には、次のように書かれている。

気候適応型建築外装は、変化する性能要件や変動する境界条件に対応して、時間の経過とともにその機能、特徴、または挙動の一部を繰り返し可逆的に変化させる能力を持ち、建物全体の性能向上を目的としています。

この定義は、CABSに準拠するいくつかの構成要素を示しており、本稿ではそれらについて解説する。

定義の最初の部分は、その基本的な特性、つまり適応型エンベロープ、言い換えれば新しい状況に適応できるスキンを持つことに関連しています。これは、エンベロープが「望ましい結果を達成するためにわずかに変化する」、「新しい状況に慣れる」ことができ、必要に応じて元の状態に戻ることもできる必要があることを意味します。居住者の望ましい条件は屋内ですが、屋外の環境の影響を受けます。これらの結果は広く定義できますが、CABSの目的は、必要な最小限のエネルギーを消費して、シェルター、保護、快適な屋内環境品質を提供することであるという点で合意があります。したがって、目標は、建物を周囲の環境に敏感にすることで、建物内の人々の幸福と生産性を向上させることです。^{[ 2 ] [ 1 ]}

CABSは、互いに競合したり、場合によっては矛盾したりするさまざまな要求を満たす必要があります。たとえば、自然光と眩しさ、新鮮な空気とドラフト、換気と過剰な湿度、シャッターと照明器具、熱取得と過熱などの間で妥協点を見つける必要があります。^{[ 3 ]}これらの妥協点を管理するために必要な外皮のダイナミズムは、たとえばコンポーネントを移動したり、気流を導入したり、材料の化学変化を起こしたりすることによって、さまざまな方法で実現できます。^{[ 2 ]}しかし、適応機能を設計や既存の建物に単に追加するだけでは不十分で、それらをシステム全体として統合する必要があります。^{[ 4 ] [ 3 ]}したがって、CABS技術を使用することで、「製造された」屋内空間から「媒介された」屋内空間への変革のためのさまざまな機会が得られます。^{[ 1 ]}

CABSは、さまざまな用語で表現できる外装コンセプトの名称の一つにすぎません。「適応型」という用語には、アクティブ、アドバンスト、ダイナミック、インタラクティブ、キネティック、レスポンシブ、インテリジェント、スイッチブルなど、さまざまなバリエーションがあります。さらに、レスポンシブアーキテクチャ、キネティックアーキテクチャ、インテリジェントビルディングといった概念も密接に関連しています。CABSとの主な違いは、適応が建物の外殻レベルで行われるのに対し、他の概念は建物全体のアプローチを考慮している点です。

他のシステムと同様に、CABS（コンピュータ支援行動システム）にも分類可能な複数の独立した特性があります。そのため、同じCABSがこれらのカテゴリすべてに何らかの形で当てはまる可能性があります。CABSごとに異なるのは、それぞれの属性に基づいて分類されるサブカテゴリです。文献に見られる可能性のある分類例を以下に示します。

気候変動適応型カーテンウォールの新興技術

気候適応型建築カーテンウォールは、変化する性能要求や変動する環境条件に応じて、熱伝達特性（U値およびSHGC）を繰り返し可逆的に変更できる能力を備えています。この適応は、建物の全体的な効率性を向上させることを目的としています。

この機能により、外部電源に頼ることなく、建物の外皮のパラメータを自律的に継続的に調整することが可能になります。主な目的は、建物が周囲の環境に敏感に反応できるようにすることで、建物内の人々の快適性と生産性を向上させることです。さらに、適応型シェルは省エネルギー効果ももたらし、この技術は総エネルギー消費量を30%削減できる可能性を示しています。

しかし、単に技術を進歩させるだけでは十分ではなく、新しい技術が既存のインフラにシームレスに統合されることも同様に重要です。これを実現するために、このシステムは気密カーテンウォールパネル内の空気循環によって建物の外殻の熱伝達特性を継続的に変化させ、望ましい効果を実現します。その結果、この先駆的な技術は、高層ビルの二酸化炭素排出量を大幅に削減すると同時に、居住者の快適性を向上させます。 ^{[ 6 ]}

太陽光応答システム

これらは、さまざまな形式で太陽エネルギーを管理することに基づいています。通常、外部、統合、内部、二重スキン、換気キャビティの 5 種類の太陽制御装置のいずれかを使用します。最初の種類の太陽エネルギーは太陽熱です。このタイプのエネルギーに関連する CABS は、冬に太陽熱の取得を最大化し、夏にそれを最小化することを目的としています。この技術の例としては、ソーラーバレル壁 (水で満たされたオイル バレル)、屋根上のウォーター バッグ、動的断熱、および外気温に応じて適切な色と反射率を得るための壁上のサーモクロミック(温度によって色が変わる) 材料などがあります。^{[ 4 ]}

太陽エネルギーのもう 1 つの種類は太陽光です。このエネルギー源と連携する CABS は、室内照度レベル、分布、窓からの眺め、およびグレアの制御に基づいています。これらのタスクを実行するには、主に 3 つの方法があります。従来の機械システム (ベネチアン ブラインドから複雑な電動システムまで幅広いオプション)、革新的な機械システム (回転式、格納式、スライド式、アクティブ デイライト、および自動調整窓スキーム)、およびスマート ガラスまたは半透明材料 (サーモクロミック、フォトクロミック、エレクトロクロミック材料)。この最後のものは窓に使用され、光学特性、照明方向、視覚的外観、および熱物理的特性の変化という 4 つの方法で目的を達成できます。これらのスマート材料の中で、建物のファサード用の電気的に活性化されたガラスは商業的に実現可能になり、建物内のスマート材料の最も目に見える指標となっています。^{[ 4 ]} 3 番目の種類の太陽エネルギーは太陽光発電で、これは主に統合型太陽光発電システムの設置に依存しています。 CABSとみなされるには、個別に可動するパネルではなく、運動能力を備えている必要があります。通常、これは太陽エネルギーの捕捉を最大化するために、太陽追尾システムを使用することによって実現されます。^{[ 4 ]}

空気の流れに反応するシステム

これらは自然換気と風力発電に関連するものです。前者は、室内空間に蓄積されがちな二酸化炭素、水蒸気、臭気、汚染物質の過剰分を排出することを目的としています。同時に、通常は外部から取り込む新鮮な空気と入れ替える必要があります。^{[ 7 ]}この種の技術の例としては、キネティック屋根構造や二重外装ファサードなどがあります。その他のあまり一般的ではないタイプのCABSは、風力発電を行うものです。つまり、建物に組み込まれた小型風力タービンを介して風力エネルギーを電気エネルギーに変換します。これは、例えば各階の間に水平に設置された風力タービンとして実現できます。その他の例としては、ダイナミックタワー、マイアミのCORビル、シカゴのグリーンウェイセルフパークガレージなどの建物が挙げられます。^{[ 4 ]}

その他の天然資源システム

雨、雪、その他の自然資源の利用状況が考慮されている可能性がある。残念ながら、この問題に関する追加情報は見つからなかった。

時間枠の尺度に基づいて

動的な技術として、CABS は時間の経過とともにさまざまな構成を示すことができ、数秒から建物の寿命中に顕著な変化まで及ぶ。したがって、時間枠スケールに基づく 4 つの適応タイプは、秒、分、時間、季節である^{[ 5 ] [ 1 ] 。}

数秒で発生する変動は、自然界ではランダムに見られます。例えば、風速や風向の短期的な変動は、風力発電システムにおける外皮の変動を引き起こす可能性があります。数分で発生する変動の例としては、日照量に影響を与える雲量があります。したがって、このようなエネルギーを使用するCABSもこのカテゴリーに分類される可能性があります。数時間単位で調整される変化としては、気温の変動や、空を横切る太陽の軌跡などがあります（太陽の空での動きは連続的なプロセスですが、その軌跡はこの時間スケールで行われます）。最後に、一部のCABSは季節を問わず適応できるため、広範な性能上の利点をもたらすことが期待されます。^{[ 1 ]}

変化の規模に基づいて

CABSの適応行動は、そのメカニズムの働き方に関係している。したがって、それらは行動の変化（マクロスケール）に基づくものか、特性の変化（ミクロスケール）に基づくものかのいずれかである。

マクロスケールの変化

これは「運動エンベロープ」とも呼ばれ、ある種の目に見える動きが存在することを意味し、通常は建物の外殻の構成にエネルギーの変化をもたらします。これは一般的に、折り畳み、スライド、拡張、折り目付け、蝶番付け、巻き上げ、膨張、扇状化、回転、カールなどの少なくとも1つの動作を実行できる可動部品によって実現されます。^{[ 3 ] [ 8 ] [ 9 ]}

適応レベルに基づいて、マクロスケールのメカニズムは、インテリジェントビルディングスキンと応答型ファサードシステムの 2 種類のシステムに分類できます。前者は、中央集中型ビルディングシステムとセンシング機器を使用して気象条件に調整します。居住者の反応から学習し、将来の気象変動を考慮してそれに応じて対応できる必要があります。この種の機能の例としては、ビルディングオートメーションや、ルーバー、日よけ、開閉可能な窓、スマートマテリアルアセンブリなどの物理的に適応するコンポーネントなどがあります。^{[ 2 ]}

応答型ファサードシステムは、インテリジェントな建物の外装と同じ機能と性能特性を備えていますが、さらにインタラクティブな側面も備えています。つまり、建物システムが自らを調整し、時間とともに学習することを可能にする計算アルゴリズムなどのコンポーネントを組み込んでいます。したがって、応答型建物の外装は、居住者の要望を満たし、そのフィードバックから学習するメカニズムを備えているだけでなく、建物と居住者が継続的かつ発展的な対話を行う二重の教育経路も促進します。^{[ 2 ]}

微細な変化

これらの変化は、熱物理的特性や不透明な光学的特性を介して、あるいはある形態から別の形態へのエネルギーの交換を介して、材料の内部構造に直接影響を与えます。^{[ 8 ] [ 9 ]}適応レベルを考慮すると、これらは通常スマート材料のカテゴリに分類されます。これらは、温度、熱、水分、光、電場、磁場などの外部刺激によって変化することを特徴としています。この種の材料を使用する上で重要な考慮事項は、その変化が可逆的か不可逆的かということです。^{[ 2 ]}

デザイナーの注目を集める最も魅力的な特性は、即時性またはリアルタイム応答性であり、これにより機能性と性能が向上し、同時にエネルギー消費量が削減されます。例としては、エアロゲル、相変化材料（マイクロカプセル化ワックスなど）、塩水和物、サーモクロミックポリマーフィルム、形状記憶合金、温度応答性ポリマー、構造一体型太陽光発電、スマートサーモバイメタル自己換気スキンなどがあります。^{[ 2 ] [ 8 ] [ 9 ]}

コントロールタイプに基づいて

制御方式には、内在性制御と外在性制御の2種類がある。

内在制御

これらは自己調整システムであるという特徴があり、つまり適応能力が不可欠な機能です。温度、相対湿度、降水量、風速、風向などの環境条件によって刺激されます。この自己完結型の制御は、外部の意思決定装置を必要とせず、環境影響が主な駆動要因であるため、「直接制御」と呼ばれることもあります。したがって、必要な部品が少ないこと、および燃料や電力を必要とせずに即座に変化できることは利点と見なされる可能性があります。ただし、欠点は、設計された環境条件と変動に対してのみ機能することです。^{[ 5 ] [ 1 ]}

外的制御

この種の制御は、現在の状態と望ましい状態との比較に基づいて動作を変更することでフィードバックを活用できます。その構造は、センサー、プロセッサ、アクチュエータの 3 つの主要コンポーネントで構成されています。これらをロジックコントローラで囲むことで、分散型 (ローカルプロセッサによって制御) または集中型 (上位の制御ユニットを介して) の 2 つのレベルで変更を行う能力が得られます。利点としては、満足度と幸福のために手動で介入できる高度な制御が可能になることが挙げられます。欠点としては、さまざまなコンポーネントが必要になることが挙げられます。^{[ 3 ] [ 5 ] [ 1 ]}

インスピレーションの尺度に基づいて

人間の基本的な特性の1つは、新しいものを創造する能力です。出発点としてインスピレーションが必要であり、それは自然や自分自身のアイデアなどの他の源から得られます。したがって、生物の形態的または生理学的特性、あるいは自然な行動を非生物科学で利用することはバイオミメティクスとして知られており、建築科学で一般的に使用されています。このインスピレーション源を得るCABSは、バイオミメティック適応型建築スキン（Bio-ABS）として知られています。このように、特性と行動の変動は、環境的、機械的、構造的、または材料的に効率的な戦略を建物に提供する生物学的表現から転送されます。^{[ 5 ]}

生体模倣適応型建築外装材には、2 つの分類方法があります。1 つ目は、生体模倣アプローチに基づくものです。これは、問題が解決される順序によって区別されます。2 つの可能性があります。生物学的ソリューションによって解決されるべき技術的問題の特定から開始される (トップダウン) か、技術的問題を解決するための生物学的ソリューションの検討から開始される (ボトムアップ) かです。Bio-ABS の 2 番目のカテゴリは適応レベルに基づいており、形態学的 (形状、構造、テクスチャに基づく)、生理学的、または行動的の 3 つのタイプがあります。^{[ 5 ]}

建物はライフサイクル中にさまざまな変化する状況にさらされます。気象条件は年間を通してだけでなく、一日を通して変化します。また、居住者の負荷、活動、好みも常に変化します。エネルギーと快適性の観点からこのダイナミズムに対応するため、CABSは建物の外皮を介したエネルギー交換を時間とともに積極的に調整する機能を提供します。これにより、主な気象条件と快適性のニーズに応じて、優れた省エネルギーの機会が生まれます。^{[ 10 ]}

建物は建設されるだけで周囲の環境に変化をもたらしますが（太陽光パターンや風の変化など）、外部資源の利用を最大限に高めることで、環境への影響を軽減できます。そのため、CABSは「既存の自然エネルギーを利用して空間を照明、暖房、換気する」^{[ 2 ]}ことで、最高の熱快適性を実現します。例えば、ファサードに使用するガラスに太陽光発電の原理を組み込むことで、新しい外装材は建物のエネルギー需要を満たすために、地域で無公害の電力を生成します。^{[ 2 ]}また、自然光の利用を促進し、外部の景色が見える窓から差し込む自然光は「生産性、精神機能、記憶力の向上につながる」^{[ 7 ]とされています。}

建物の外皮は、熱的快適性、視覚的快適性、さらには居住者の作業効率に関連する室内の物理的環境を決定する最も重要な設計パラメータの 1 つです。^{[ 4 ]}より健康的で生産性の高い空間の創造を促進するには、自然光だけでなく自然換気やその他の外部リソースも考慮する必要があります。これらは、環境ベースの技術として CABS が現在行っているタスクです。したがって、CABS は静的な外皮よりも優れた性能を持つだけでなく、「刺激的な美学、変化の美学」も提供します。^{[ 7 ]}

CABSが変化する状況に柔軟に対応できるという事実は、リアルタイムの変化の中でも高いレベルのパフォーマンスを維持する機会を与えてくれます。これは予測と反応によって実現されます。したがって、システムは環境の不確実性に対処でき、これは非常に高く評価されています。この柔軟性は、CABSでは次の3つの方法で実現されます。適応性（屋内と屋外の間の気候調整）、多機能性（時間の経過とともに複数の新しい役割）、および進化可能性（より長い時間軸での変化に対処する能力）。^{[ 1 ]}

動的で持続可能な技術の使用は、建物の外皮の環境的および経済的パフォーマンスを向上させる可能性を提供します。たとえば、熱回避機能とパッシブ冷却機能により、冷房エネルギーの必要性が少なくなり、必要な機械設備が削減されるため、建物のコストを削減できます。^{[ 7 ]}満足のいく作業環境と経済的パフォーマンスに対する要求が高まっているにもかかわらず、CABSはこの目標を達成する可能性を秘めています。^{[ 3 ]}

Mols ら^{[ 3 ]}が主張するように、CABS は未熟な概念であり、実際の応用例が少ないため、さらなる研究が必要です。同様に、未開拓の概念であるため、「建物の外殻を適応型にすることの真の価値はまだ不明であり、既存の概念や技術でこの潜在能力のどれだけが利用可能かは推測するしかない」のです。^{[ 10 ]}現在の段階では、この概念は実践的というより理論的なものであり、構築されたプロジェクトではなくシミュレーション技術によって裏付けられています。Kuru ら^{[ 5 ]}は、彼らの研究から、実際の産業プロジェクトよりも学術プロジェクトの方が頻繁に行われていると述べて、この点を補足しています。

CABSの概念は変化を前提としているため、静的な環境よりも運用・保守活動が高度な機器や技術と関連付けられることがあります。これは、潜在的な故障へのより一層の注意、修理の必要性、そして場合によっては運用・保守コストの増加など、いくつかの影響を及ぼします。また、集中制御センターの必要性も、この問題に影響を与える可能性があります。したがって、どのような技術を選択するかは、慎重に検討すべき問題です。

しかし、レヒナー^{[ 7 ]}は、現在の自動車の信頼性は、長期間にわたってほとんど修理を必要としない可動システムを作ることができることを示していると述べています。彼はこの考えを、「優れた設計と材料を使用すれば、露出した建築システムは、冬の海水や氷にさらされても非常に信頼性が高くなる」という言葉で締めくくっています。^{[ 7 ]}したがって、これらのタイプの技術の運用と保守には懸念がありますが、そのようなデバイスの種類、材料、設計の決定には解決策があるようです。

CABSは動的なメカニズムであるため、エネルギー供給状況に依存する可能性があります。一方、受動的な技術は能動的に動作しないため、この問題は発生せず、変化に対するシステムの堅牢性が向上します。外部入力（電力、熱エネルギー、データなど）に依存しないため、停電時でも機能を継続できます。したがって、継続的な運用を可能にするために、一部のCABSでは、二次エネルギー源などのバックアップ手段の利用が推奨されるでしょう。

最後に、いくつかのCABSの制御が不十分であることは欠点と見なされるかもしれない。スマートマテリアルに依存するものなど、乗員が制御できないCABSもある。このような場合、乗員の要望を満たさないと、好ましくない結果が生じる。したがって、特定のテクノロジーを制御できる可能性は、デバイス、意図、達成すべきタスクに応じて、強みにも弱みにもなり得る。^{[ 2 ]}

歴史的に、ファサードは建物の主要な耐荷重構造要素であり、その機能性と材質が制限されていました。現代では、ファサードは構造的な役割から解放されることが多く、エネルギーの節約/生成、快適性のための熱特性の提供、変化する状況への適応など、さまざまな状況に適合するための柔軟性が高まっています。^{[ 5 ]}現代の建設方法、材料科学の発展、電子機器の価格低下、制御可能なキネティックファサードコンポーネントの利用可能性により、環境状況によりよく対応できる革新的な建物の外装ソリューションのための豊富な可能性がもたらされ、ファサードが生きている有機体のように振る舞うことが可能になります。 ^{[ 1 ]}

しかし、CABSの現状のほとんどは、これらの技術の背後にある概念をよりよく理解し、それを建物に実用的に移転および実装することに焦点を当てています。 Kuruら^{[ 5 ]}は、生体模倣適応型建築スキン（Bio-ABS）の3つの主要な制限を特定しています。提案されている制限は、開発レベル、多様な環境要因の調整、および性能評価です。

彼らは、未熟な概念にありがちなことだが、計画されているプロジェクトの大部分は概念段階にあると指摘している。主な理由の一つは、建築、バイオミメティクス、エンジニアリングといった複数の分野を組み合わせて、最終的に開発、分析、性能測定を行うことの難しさである。さらに、生物学的ソリューションを特定し、建築システムに導入する手順は限られている。現在のソフトウェアには、Bio-ABSの性能を模倣できる特定のツールや方法がないという点で限界がある。この問題に加えて、デジタルモデルから物理的なアプリケーションへの移行には、さまざまな分野の専門家のチームワークが必要となるが、これは時に実現が難しい場合がある。^{[ 5 ]}

もう一つの現状の欠点は、単機能のCABSに焦点を当てていることであり、これは改善の機会を無駄にしている。CABSの背後にある考え方は、建物の外皮ごとに1つだけではなく、さまざまな内部および外部要因に対応できる外皮を持つことである。さらに、CABSタスクのサポートと開発の速度は不均一である。たとえば、Kuruらの研究^{[ 5 ]}の結果によると、照明管理CABSは最も包括的に開発されているが、エネルギー規制は最も研究されていない。したがって、照明管理CABSの実装が加速する可能性が高い一方で、エネルギー規制に関連するものは遅れているように見えるかもしれない。同様に、現在行われている研究は断片的な開発によって特徴付けられている。その一部は材料科学の方向（たとえば、切り替え可能なガラス、適応可能な熱容量、可変断熱）に向かい、その他は創造的なプロセスに向かっている。^{[ 10 ]}

上記のような欠点があるため、現在、建物のエネルギー効率を高める最も一般的な方法は、建物全体（外壁だけでなく）を対象としたアプローチを採用することです。ブラインドやルーバーなどの遮光技術や換気用の開閉式窓を除けば、快適な室内空間を実現するためにパッシブ技術やスマート技術を取り入れたファサードの例はほとんどありません。したがって、これらの問題を克服するためには、この分野における今後の改善が必要となるでしょう。

CABSの成長を促進するには、いくつかの課題に取り組む必要があります。まず、気候パターンに基づいて動的システムを分析できるカスタムメイドのソフトウェアを作成することです。さらに、ソフトウェアが現在起こっている行動の将来の結果を予測および検証できれば、より正確な結果が得られます。これは、CABSのソフトウェアにロジック制御を導入することで改善できます。最後に、よりユーザーフレンドリーなインターフェースを作成することで、これらのツールの使用が容易になります。^{[ 5 ] [ 10 ]}

この考えに従えば、ソフトウェアだけでなく、CABSが現在収集しているトピックの範囲も拡大できるだろう。したがって、エネルギー、水、熱を管理および制御する新しい方法の創出を模索する必要がある。その方法の1つは、生物学的方法を模倣して、それを建物の実用的な方法に変換する方法を工学的に検討することである。自然からのインスピレーションは大きな可能性を秘めているように思われる。^{[ 5 ]}

アイデア開発の共通の特徴は、成長し繁栄するためにはリスクを取らなければならないということです。したがって、失敗する可能性が開かれます。CABSも例外ではなく、開発者が成功するためには、例えば、長い回収期間や高い運用コストに関連するリスクを取る必要があります。Molsら^{[ 3 ]}は、「開発者がリスクを取ることを選択した場合、結果は有益であると主張される」と述べています。これらのリスクの一部は、CABSの背後にある不確実性に起因します。リスクを軽減する方法は、運用パフォーマンスを監視し、入居後の評価を実施して、現在の文献で不足している現在のCABSの実際のパフォーマンスに関するデータを増やすことです。^{[ 1 ]}結論として、CABSのアイデアが成功するためには、すべての建物の利害関係者の支援とコミットメントが必要です。

CABSの概念はまだ比較的新しいものの、^{[ 1 ]}世界中の建物で数百もの概念が見られます。^{[ 11 ]}次のリストは、注目すべき例の概要を示しています。