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自選設計議題寫作發表(四)

數位建築發展與應用

 

 

一、何為數位建築

電腦近年來廣泛被運用在建築設計上，利用電腦繪圖繪製各類平面、立面、剖面、細部等二度空間到電腦模型運用、動畫製作、數位媒材製作甚至是電子時代的機具輔助的雷射切割，以及越來越多的智慧型住宅，電腦在建築設計上的應用越來越多元。建築設計因『電腦』這個『數位媒材』設計思考的加入，引發了比傳統建築設計更具突破性的建築發展，而數位化與電腦輔助繪圖更是引領全球建築設計趨向新的數位電子時代，建築基本要素包含機能、形式、量體、空間，均有機會被重新定義。這些由建築師與電腦數位化程序共同主導設計過程下所產生的新現象，科技與網際網路日益發達的情況，在國際間越來越多人將之統稱為『數位建築』(digital architecture)。(劉育東，2001)

 

而數位建築到目前為止發展可以初步歸納為：「凡是將各類電腦數位媒材，關鍵性的運用於建築設計的過程中包含(設計概念、早期設計、設計發展、細部設計(圖一)、施工計畫、營造過程)等，任何一個階段或是部份階段，乃至於全部過程」，並因在機能、形式、量體、空間、建築理念等，有突破性的成果建築，都可以被廣義的視為數位建築。(劉育東，2001，2007) 

 

 (圖一)伍斯特閣樓，內部牆面細部

 

 

二、數位建築發展

1940年代由許多科學家與工程師共同發明『數位計算機』也就是電腦，電腦的發明深深影響未來文明發展。1950年英國數學家特林(註一)曾提及一個『會運算且具智慧的機器』概念，他認為複雜的數學可以透過簡單的機械原理運算，其發展的『特林機器』成為後來電腦的雛形。1963年電腦已具備繪圖能力。1965年，人工智慧也就是研究讓電腦作工作，而這些工作在目前人類作的比電腦好，在一次的研討會中被提出。1970年代，專家系統與知識性系統理論逐漸被提出，由於設計方法的引進，學者開始把『會運算的機器』轉化成『會思考的機器』，並提出『機器是否會做設計』的重要議題。1989年之前，當時所有的數位基本條件原則上都已成熟，只是欠缺臨門一腳，在1990年普立茲克獎建築師法蘭克‧蓋瑞應用電腦輔助繪圖設計了巴塞隆納魚(圖二)，1992年如期完成這條自由形體的魚，而蓋瑞也立刻迷上的這個可以讓他為所欲為的數位設計。1997年蓋瑞更完成了曠世鉅作 ─ 西班牙畢爾包的古根漢博物館(圖三、四)，蓋瑞克服了大型建築會遇到的空間、結構、材料、單元生產及現場組構的種種困難，而數位建築正因畢爾包古根漢博物館的創造，正式揭開新時代的來臨。 

 

 (圖二)1992年蓋瑞完成的巴塞隆納魚

 

 

(圖三、四)畢爾包古根漢美術館電腦模型線架構與建築實照(1993-1997)

 

 

三、數位技術與工具

隨著電腦技術的升級，電腦週邊硬體或軟體也隨著在進步，電腦從最初始的文書處理或資料整理近而發展到電腦輔助繪圖，近年來逐漸轉為電腦輔助設計、電腦衍伸設計和數位技術(繪圖、影像、模型、動畫、多媒體整合、網際網路、虛擬實境等)，最終為現今全球認同的數位建築。這其中不外乎軟體的開發，電腦易操作性與快速而準確的運算，近年來運用於建築設計上的軟體有Microstation、Auto CAD、ArchiCAD這些是最為基礎的繪圖軟體，目前更有可以顯現更為精緻的電腦模型與彩現的軟體，如FormZ、Softimage、Sketchup、3D Studio等建模繪圖軟體，又或者更高階的Alias、ProE、Maya等可做動畫和工業設計相關之繪圖軟體，因為軟體的開發，可突破的建築形式越來越複雜(圖五)，越來越高難度的模型也隨著繪圖軟體的開發，可以利用既簡單又完整的方式彩現模擬、動畫演出。 

 

 (圖五)複雜的型態空間

 

 

四、數位設計應用於建築

畢爾包美術館的完成，對法蘭克‧蓋瑞來說，是最大的突破也是最完美的試驗，電腦輔助設計與製造的科技讓他更接近工匠，從最初基地分析調查、設計概念模擬、簡易的草圖、電腦模型、虛擬建築、虛擬環境模擬、動畫模擬、數位施工圖、數位製造等，建築成型的過程中，有無數複雜的介面，從最初設計到最終施工階段，每一步驟都說明了電腦不再是不人性的機器，並突破傳統垂直水平的構造方式與設計思維，近年如扎哈‧哈蒂創造了非線性(註二)建築空間，具流線而自由的形體，還有越來越多連續性(圖六)，或是日趨複雜的造型概念，都需倚賴數位化的設計應用。下列試舉出建築設計在設計過程中，各階段運用數位設計與電腦輔助設計，是如何呈現因應電子世代的數位建築。 

 

 (圖六)格雷‧林電腦輔助建築設計之動態造型概念

 

1.基地分析調查

利用電腦運算，分析基地相關的物理環境，如利用電腦作基地土質、土壤調查，或是分析氣候概況，利用電腦和網際網路的發達，搜尋地形甚至運用電腦繪圖軟體繪製基地地形，甚至如3D Max繪圖軟體便可達到精確的繪製落差或較特殊之地理地形立體圖，甚至是考慮自然環境因素，勢必需要有強力的電腦實驗分析自然因子，做更有利的設計前分析。

 

2.設計概念

現今建築設計談的不僅僅是紙上的概念探討，數位化深深的影響建築設計的發展，運用電腦輔助設計可以明確的展現概念的3D思維，利用數位化的設計概念製作，可以清楚的表達設計概念的演進發展(圖七、八)，不論是較實際操作或是有天馬行空的想像，利用數位影像與介紹可以輕易表達建築師除了口述以外的想像力。又或是可以運算實際結構的形式構成，結構力學的計算和結構可行性等(圖九、十、十一) 。

 

  (圖七)布魯熱音樂廳電腦概念模型

 

 

(圖八)梅氏住宅平面與3D概念圖

 

 (圖九)雪梨歌劇院屋頂造型之電腦測試修改

 

 (圖十)橫濱車站出入口大廳剖面

 

 

(圖十一)荷蘭黑特威克赫夫博物館天花結構元素發展

 

3.簡易的草圖

法蘭克‧蓋瑞以往都會先勾勒自由的線條、不很建築的、具藝術的草圖，再逐漸發展為建築，但在這個過程中，藝術性與自由度必須因各種建築力學、材料、造價、時間等建構條件的約束，不得不修改原來天馬行空般的概念，就像雪梨歌劇院必須在反覆的妥協與堅持中才能完成。(劉育東，2007)而完成巴塞隆納魚後的蓋瑞，卻是利用了數位設計完成了許多猶如不可能的任務般的建築，數位設計讓他為所欲為的創造建築，也突破的時間的限制，材料的應用等問題；而那天馬行空的草圖正突破了以往建築形式的構成，新的時代開創更具前衛性的建築型態。

 

4.電腦模型

電腦模型可與分析模型相互運用，各自被安插於特定階段，並相互影響，因為新的透視圖形與概念的可能性，將使設計更形豐富。而分析模型成為設計上的理論反應，並賦予設計形體(圖十二)。 

 

 

(圖十二)千禧教堂，模型可以幫助預視，並追尋即將被建造之建築物的演進

 

 (圖十三)公信電子公司接待大廳數位模型

 

5.虛擬環境的模擬

擁有豐富想像力的建築師，即便專業性的可能了解建築設計的組合構成，卻也須滿足業主或大眾性一般的了解程度，利用虛擬3D模擬、3D架構的模型、虛擬影像是最好的滿足普羅大眾的視覺衝擊，也足以讓複雜的建築設計利用簡單的傳達方式得以理解。 

 

(圖十四)公信電子公司接待大廳設計模擬

 

6.動畫的模擬

目前數位建築上的動畫運用大多還是最終比圖時的虛擬實境模擬、環境動態模擬或是用人的觀點模擬動畫，多半還是為了呈現未來建築實際環境的模擬。

 

7.數位施工圖與數位製造

最終數位建築的完成最為複雜的階段就是實踐真實的建築施工與製造，為了讓施工者便於施工且施工品質更為良善，施工精確度必須堅持，需要運用數位的電子儀器機具如雷射切割，製作每個建築單元、建築材料、建築構造所需的零件與細部設計，每一片玻璃的切割、每一塊金屬浪板的曲度、或是每一塊材料的製作都需精確的利用電腦輔助繪圖與電腦機具的相互運用才能將施工的準確度達到最高，更因為實體建築並非電腦模擬，因而缺乏任一重要環節及可能造成建築的缺失與錯誤。

 

 

(圖十五、十六)為公信電子公司接待大廳的數位施工圖與利用電腦數值控制設備(CNC)製造出的曲面與折板

 

 

(圖十七、十八)RP設備與CNC電腦數值控制設備儀器

 

 (圖十九)畢爾包古根漢美術館之鋼骨結構

 

當然除了上述的數位建築之運用外，在虛擬的數位建築(圖二十)或是實虛合一的應用也相當廣泛，虛擬的數位建築利用互動裝置甚至是發達的網際網路便可達到不用買票進入博物館，還是可以體驗空間與互動的樂趣。而實虛合一的空間常用於藝術中心與媒體中心，這類的型態莫過於利用視覺、影像、2D與3D的轉換達到實虛合一，又保有空間品質的數位型態。 

 

 (圖二十)虛擬古根漢

 

 

(圖二十一)以觸控方式控制資訊走廊的數位媒體資訊

 

 

五、結論

新時代的來臨是否讓建築更依賴數位化的應用，數位建築的形成無不是讓建築設計更進一步、更有效率、更有品質、更創新的建築形式與增加建築的可看性，但還是不能忘記數位化時代的同時，不要簡略了建築設計的各個應有步驟與必要的分析，數位建築具前衛性也增加了未來建築可發展之限度，提升了工作的品質，卻也有可能讓某部份的人過分依賴建築數位性與電腦、網際網路，在『數位建築的浮現』這本書的後半段也提及，電腦未介入時的設計流程與電腦介入的設計流程差異，原則上最大不同還是在於設計中段的過程中，實體模型和繪圖中增加了電腦模型的流程階段，這顯示實體模型與先前的草圖和概念發想階段，還是需要配合人工的處理與想像思維，手工還是有其必要性。電腦繪圖不代表用電腦做建築設計，因此適當的運用電腦的數位表現建築，結合手工實體模型與發想概念的草圖階段仍是互相呼應的。

 

 

(註一)特林，英國數學家，在Computing Machinery and Intelligence(1950)論文中提出「會運算的機器」概念，特林提出一個衡量機器是否能思考的方法稱作「特林測試」，這個測試將需要二個人與一步被評估的機器，其中一個人為詢問者來分別對另一人與機器詢問同樣的問題。如果機器能愚弄詢問者，讓他相信這部機器是人，及證明機器能夠思考。

(註二)扎哈‧哈蒂創造了隨時隨地自由流暢的空間，不同於精確不變的建築盒子，更能符合每個設計案當地(在地性)的都市空間、建築需求與在地工法的複合性、多重性、及多向連結性，而這些特性也就是數位資訊中所稱的『非線性』。

 

 

參考文獻

 

CAAD TALKS 1數位建築發展Digital architecture prospects，2003，邱茂林，田園城市文化事業有限公司，台北市

 

數位建築的浮現，2001，劉育東 / 彼德艾森曼等，胡氏圖書出版社，台北市

 

數位建築與東方實驗，2007，劉育東，天下遠見出版股份有限公司，台北市

 

天生的電腦輔助建築設計好手：新一代的美國建築師，2003，Christian Pongratz

Maria Rita Perbellini，旭營文化事業有限公司，台北市

 

數位艾森曼：電子時代的事務所，2003，Luca Galofaro，旭營文化事業有限公司，台北市