軟性表皮自由形體設計與數位建構

經由第三章案例分析的結果可以得知，在軟性表皮自由形體設計與施作 流程中，參數式設計應用、表皮結構自組性、材料試驗與表皮張力支撐 結構成為很重要的決定性因素。然而，為了驗證案例分析整理出的「初 步軟性表皮設計與施作流程」，本研究將在此章節進行一系列軟性表皮 自由形體設計與施作流程的探索，以此過程驗證「初步軟性表皮設計與 施作流程」之完整性與參考價值。

因此，本研究設計流程延續第三章案例分析結果所產生的「初步軟 性表皮設計與施作流程」，設計過程則依照交通大學建築研究所針對數 位組開設的數位設計課的程序表，。此數位設計課透過批判性的探索當 代數位設計的自由形體建築過程去勾畫出數位構築的未來性(Lim, 2009)。軟性表皮自由形體設計作為其中的案例去重新定義建築表皮中 皮層與骨架的關係，並探討無骨架的軟性表皮設計與構築過程。以下五 個子步驟(sub-steps)為軟性表皮設計與構築過程：

1. 建築計畫：設計基地設定於銜接建築出入口與自然景觀的木棧 道上，人們從此處離開與進入，脫離與介入，毫不費心在此處。

因而嘗試在此處設計一個建築裝置使過客們留意與關注。設計 想法為構建如同樹冠般覆蓋與圍塑太陽（光源），當陽光（光 線）透過樹葉（表皮單元）縫隙投射於木棧道時，將會有迷人 氛圍產生。人們也開始在此停留與生活。

為達成設計構想，首先以手做編織結構概念模型(Figure 53) 草擬出自由形體的結構樣式，藉著扭轉改變模型形體探討軟性 表皮的組構方式。編織是由兩個不同方向系統的物件所組成的 綜合體，其藉由互相連結的方式產生結構自組性去形成整體的 形體(Aranda and Lasch, 2005)。可惜的是，編織系統的結構無 法符合本研究的自由形體設計所需的平滑曲線，即使此仿生結

構具有自組性。因而，如同文獻回顧中所提及，生物界自然形

Figure 55 F 數位模型

設計發展：透過 Grasshopper 轉檔至 AutoCAD 中進行攤平 理 2D 表皮單元的連接處細部

使用 CAM 工具 - 雷射切割器產生表皮單元

igure 56 參數模型

的運算定義，將定案的參數模型 (to unfold)表皮單元的動作，

(to detail)與組裝序列編號，接著

，使用的材料是常 3.

並處

見的低磅數厚紙板(bristol board)，以人工的方式將 81 個表皮單 元組構成 1:20 的中比例 CAM 模型。此時自由形體以互相交集 的連結便輕易的撐起完整的表皮結構，再以膠帶加以輔助強化 固定，1:20 比例實驗模型(Figure 57)便如同電腦模擬的數位模 型。在此可得知，由於仿生結構的表皮單元組構方式應用，軟 性表皮自由形體可以輕鬆的形成預先模擬的形體樣貌。

1/20 比例模型

為了更貼近 1：1 實體模型，再次回到 Rhinoceros 修改數 位模型的造型，使自由形體更加圓滑呈現蛹狀幾何形體(Figure 58)，接著在 Grasshopper 中調整參數數值，增加表皮單元的數 量以符合 1:10 實驗模型表皮單元該有的相對放大尺度(Figure

Figure 57

59)，接著進入 AutoCAD 進行攤平與細部處理。此次以更加柔 軟、具有透光性材料 0.15mm 的透明 Polypropylene 進行第二次 中比例 CAM 模型製作，經由雷射切割後產生了以 144 個表皮 鱗片單元組成的 1:10 實驗模型，組裝好的軟性表皮由於材質 過 於 平 滑 無 法 彼 此 卡 接 穩 固 ， 需 以 釘 書 針 固 定 滑 動 的 Polypropylene接合處，即便軟性表皮接合處都已固定，由於表 皮材料過於柔軟不具支撐力，表皮單元開始產生捲曲現象無法 自然成形，於是 1:10 比例 CAM 模型呈現癱軟狀態(unformed)，

需藉由外力支撐將模型吊起，以各向度的張力撐起表皮曲線如 同蛹狀的幾何原型，但表皮單元過於捲曲，仍舊無法形成平滑 的表皮曲面(Figure 60)。

Figure 58 F 數位模型 參數模型

Figure 60 1/10 比例模型

igure 59

4. 細部設計與施工圖：從上次的 1:10 比例 CAM 模型實驗中可以 看出表皮單元的材料在此扮演很重要的角色，關乎表皮單元的 結構自組性、自由形體的表皮圓滑度及設計需求的透光性。然 而，軟性表皮的表皮缺乏骨架支撐，模型尺度變大時需要有張 力結構支撐才能成形。為了預先解決進行 1：1 實體模型數位 建構時會遇到的難題，開始進行 1:2 比例實驗 CAM 模型製作。

再次進入 Grasshopper 參數環境中進行調整參數值的動 作，增加表皮單元的數目與調整接點的卡接程度。同樣以 0.15mm的 Polypropylene 進行第三次實驗模型製作，這次採用 加了顏色的 Polypropylene 增加表皮單元硬度。利用雷射切割 機產生了 324 個表皮單元組構成 1:2 實驗模型，此模型除了表 表皮單元之間 用銅扣(brass eyelets)連接可更靈活的調整表皮單元的向度，一 個表皮單元會有四個向度的連接點，以釣魚線固定在天花板上 的支撐點產生張力將蛹狀自由形體掛起，利用各方向的張力將 軟性表皮自由形體的幾何原型撐起，一切就緒後可以看到 1:2 比例 CAM 模型呈現蛹狀的自由形體(Figure 61)。此次的表皮 材料較不易產生捲曲現象，但表皮單元本身韌性不夠以致無法 自我支撐成形，需完全性的依靠外在結構。

皮支撐問題之外還有自重(net weight)需要解決。

Figure 61 1/2 比例模型

5. 數位建構：由先前的研究步驟得知，厚紙板是具有足夠的韌性 以達到基本的表皮自我成形，而 Polypropylene 雖具有設計需 求的透明性，但由於材料特性使得表皮單元自組性過於薄弱，

即便有仿生結構的表皮單元自組性輔助，仍舊無法達到初步的 結構要求，因而在此不予採用。

於是，正式開始最終 1：1 實體模型數位建構，第三次進 入參數式環境中進行調整參數值的動作，1：1 實體模型將以 長度 102 公分、寬度 65 公分、高度 115 公分的巨大尺度展現。

由於 Polypropylene 材質過於柔軟不具支撐力，無法表現出自 由形體的彎曲造型，於是使用第一次試驗的實驗模型所使用的 厚紙板作為材料，由於量體過大，所以使用較具支撐力的高磅 數厚紙板作為表皮材料，同樣以 brass eyelets 作為接合處的連 結可讓表皮單元隨著力量的走向微調角度。

接著，利用雷射切割機進行編號並產生了 324 個互不相同 的表皮鱗片單元組構成 1:1 實體模型。表皮單元在連接的過程 中由於紙的特質會有撕裂的狀況發生，因此必須再次重複雷射 切割新的表皮單元替換。組裝過程則需利用木架將沈重軟性表 皮撐起以進行內部的單元組裝，組裝完畢後蛹狀軟性表皮依舊 呈現癱軟狀態(Figure 62)。此時的問題與 1:2 實驗模型相似，

只是量體尺度放大兩倍。接著，仿照 1:2 實驗模型的張力結構 系統，搭建在連接戶外的室內基地平台上，在樓版上釘上鐵釘 作為支撐定點，以各向度的釣魚線吊掛起蛹狀軟性表皮，藉由 微調整線的鬆緊度與方向，利用線與樓版之間產生的張力，以 及軟性表皮自身的重力與鱗片表皮單元的結構自組性將軟性 表皮自由形體撐起。

最後，施工成果就如同最初電腦運算模擬出的效果，透過 軟性表皮自身重量所產生的重力拉扯，鱗片(bio-flakes)表皮單 元順著蛹狀自由形體的曲線變化產生等比關係的形狀漸變，

1：1 實體模型就如同數位模型一般呈現圓滑曲線的蛹狀物 (Figure 63)，軟性表皮自由形體設計與建構過程到此作為結束。

檢視軟性表皮設計的成果，巨大的蛹狀自由形體的確為此 中界空間帶來更多的注目，人們開始圍繞著如樹冠般的幾何形 體，觀賞、玩耍、談天、拍照，或是進入產生互動行為，例如 談話、看書、抽煙等。白天時，醒目的白色量體吸引人們靠近，

晚上時，昏黃燈光透過鱗片表皮單元的縫隙在地上產生陰影紋 路，使木棧道平台瀰漫迷人氛圍。

Figure 62 組構過程

Figure 63 1:1 比例原型