行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
建築實體空間與虛擬空間之類比與認知
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC92-2211-E-009-066- 執行期間： 92 年 08 月 01 日至 93 年 07 月 31 日 執行單位： 國立交通大學建築研究所 計畫主持人： 劉育東 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，1 年後可公開查詢中 華 民 國 93 年 11 月 4 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
ˇ 成 果 報 告
□期中進度報告
建築實體空間與虛擬空間之類比與認知
計畫類別：ˇ 個別型計畫 □ 整合型計畫
計畫編號：NSC 92－2211－E－009－066－
執行期間： 2003 年 8 月 1 日至 2004 年 7 月 31 日
計畫主持人：劉育東
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：ˇ 精簡報告 □完整報告
執行單位：國立交通大學建築研究所
中 華 民 國 93 年 10 月 31 日
中英文摘要
設計媒材的發展歷史中，實體模型解決了二維圖面在處理設計上的不足；電腦模型解決了 實體模型無法充分地傳達抽象設計概念的缺點，新的設計媒材的出現，解決了舊媒材無法 掌握的設計問題，同時，新媒材的出現也經常引發新的建築形式，電腦模型的出現便造就 了目前正在發展的自由形體建築，象徵著設計者藝術般的抽象概念被實現，然而，實體的 自由形體建築是否與施工前的設計概念相符？ 本研究透過以下簡單的先期實驗，以問卷的方式，調查現有的設計媒材（包含 2D 圖面、 3D 實體模型、3D 電腦模型、電腦彩現視覺模擬圖）對自由形體所呈現的空間感是否與實 際空間所呈現的空間感相符合，經過結果的統計分析，答案是否定的，因此本研究初步確 認電腦模型與彩現模擬圖無法充分傳達設計者的設計概念。回顧過去媒材歷史的發展，當 舊媒材無法掌握設計問題的時候，就必須依賴新媒材來解決。目前在設計領域所研發的各 種新媒材科技當中，虛擬實境的應用已逐漸普及化，但目前大部分應用在建築的研究都只 是侷限於傳統建築設計的模擬，而很少將虛擬實境應用在自由形體設計的議題上。因此， 本研究將探討虛擬實境模擬器是否能改善電腦媒材目前在自由形體設計上無法充分傳達設 計概念的問題？ 設計者在從事自由形體設計時也經常忽略了室內空間給人的感覺，甚至連設計者自己也不 知道這室內空間在建造完成後，會是什麼樣的狀況。透過虛擬實境模擬器相當細緻且近乎 真實的視覺效果，幫助我們更容易掌握自由形體的設計，藉由設計與人的互動性，探討空 間幻覺與設計方法的關聯性。有了虛擬實境模擬器，我們嘗試將它與自由形體設計結合， 透過這項新設備，來體驗設計者所不熟悉的自由形體室內空間經驗。在設計的各個階段皆 以虛擬實境空間模擬器進行模擬，每個設計方案都有模擬的必要性，並全程紀錄設計的發 展過程，最後彙整資料作出結論與分析。As can be seen from this very brief history of the design media, the use of physical models eradicated some of the limitations of 2D drawings; and in the same way digital models make it possible to express abstract design concepts to which the physical model is unable to give expression (Lin, 2002). New design media have been able to solve design problems that conventional media were unable to solve. At the same time, new design media also greatly influenced architectural form (Liu and Eisenman 2001). For example, digital models can make visible free-form space, and in so doing realize the abstract conceptions of the designer. However, the question as to whether or not free-form space can actually serve as the original design concept remains an unanswered question.
This study — which includes an experiment and questionnaires — examined an array of design media, including 2D drawings, three dimensional (3D) physical models, 3D digital models and computer renderings, to determine whether or not they are able to serve as fully accurate representations of free-form space. A series of statistical analyses established that such models were in fact unable to do this. Thus, the study established that digital models and computer renderings could not give complete expression to the designer’s concept. As is shown by the history of the design media, when conventional methods are unable to solve design problems, the only solution is to make use of new design technology. Recently, the use of VR has gradually been increasing used in design process. However most of these applications focus on conventional design simulation, and seldom make use of this technology to deal with the issue of free-form space. This study examines the issue of whether or not VR CAVE has the potential to overcome the limitations of computer renderings in respect to free-form space and thus give full expression to the conceptions of the designer.
It is possible that the use of a computer monitor — to render images made by computer models — is not appropriate in respect to certain types of measurements and spaces. The VR CAVE system provided effective simulations in this respect, and offered architects a natural interface through which to navigate. It was able to affect spatial judgments and generally acted to make substantial changes in the computer-generated environment. The designers who have worked with VR CAVE have been able to experience these effects at first hand. The study addresses the problems concerning the limitations of digital models and computer rendering, and explores the possibility of the design process in respect to free-form space design through the use of VR CAVE technology.
ㄧ、前言
早期在電腦尚未發展成熟時，已有一些關於呈現方式與傳統媒材的研究（Arnheim, 1969; Kostof, 2000），古代建築師用文字描述抽象的建築設計過程（Hewitt, 1985），設計過程 從「自然」到「刻意」持續演化（Alexander, 1964），發展至十九世紀之前，二維圖面仍 然只傳達了抽象的視覺思考與視覺概念化的語彙（Goldschmidt, 1999），建築設計仍處在 極具限制的呈現方式。文藝復興時期對於設計方法與呈現方式最大的貢獻，就是在設計過 程中大量地使用模型，讓造型與空間設計獲得較佳的精確度（Millon, 1994）。直到二十世 紀，造型上的限制被少數幾位建築師所突破，這些建築必須靠空間想像力來建造，在歷史 上只能期待偶爾出現，而不可能成為一種設計方法。 隨著科技的發展電腦逐漸地參與設計方法與設計過程，新的設計呈現方式，提供了傳統使 用圖面與模型之程序以外的可能性（Lai, 1997）。Mitchell（1997）分析整合傳統設計媒材與數位設計媒材，強調電腦應更普遍地延伸並融入設計過程。90 年代電腦已能精準的模 擬空間形式、光線以及材質的變化，對於暸解建築設計的議題、概念和發展有相當的幫助。 經由電腦模型的詮釋與檢討，傳統的建築元素、形式、空間等均有機會被重新定義（Madrazo,
1999）。電腦媒材確實影響設計思考與設計過程，有助於設計認知、直覺、與創造力的發揮
（Hanna and Barber, 2001），因而使數位化的建築思考模式逐漸成形（Liu, 1996; Krawczyk, 1997）。 新的設計思考方式引發新的建築形式－自由形體建築，在實務界中最具代表性的例子是當 代的 Frank O. Gehry，利用數位 3D 掃描器踰越了 2D 圖面的限制，其作品充分展露出建築 形式與空間的多樣性，呈現曲率各異的精確造型。（Zaera 1997）。數位設計媒材與自由形 體建築設計逐漸深入各個建築專業領域，透過電腦輔助製造的技術，將其數位化之造型直 接轉化為實體建築，在營造上完全沒有幾何化的妥協（Rugemer, 2001），數位時代的建築 所面臨的挑戰是如何去實現建造，自由形體設計為建築帶來許多新的可能性（Zellner, 1999; Kolarevic, 2001），並持續的挑戰建築的歷史發展。
數位媒材逐漸在設計方法與設計過程中扮演極為重要的角色（Simon, 1981; Bai and Liu,
2001），大量的研究持續試著釐清各種不同設計媒材與呈現方式所產生的影響（Eastman and
Fereshetian, 1994）。多媒體（multimedia）設計當中相當重要的一項是虛擬實境（virtual
reality, VR）。虛擬實境可定義為人與電腦所產生的動態虛擬環境（virtual environment,
VE）所發生的互動關係，其使用者介面完全不同於傳統的電腦輔助設計，徹底改變了研究 者的設計思考。目前已經有大量關於虛擬實境的研究（Belleman et al., 2001），並將虛 擬實境這項科技深入地應用在實際的建築案例上（Dam, 2000; Li et al., 2001）。目前發 展中的虛擬實境系統有許多類型，隨著個人電腦的研發，PC-based 的虛擬實境空間模擬器 （VR cave）系統愈來愈普及（Cruz-Neira, 1998; Blach et al., 1998）。
回顧過去設計媒材的歷史發展，當設計問題是既有設計媒材所無法掌握的時候，就必須依 賴更新的設計媒材來解決問題。如先前「研究問題」中之實驗之分析推論，數位媒材既然 無法在自由形體的建築設計上充分地傳達設計者極為抽象的概念，而目前虛擬實境空間模 擬器具備極高的精準度與互動性的逼真視覺模擬，彌補實驗所反應之數位媒材的不足，因 此本研究將探討如何運用虛擬實境的技術在自由形體建築的設計上？目的是使設計者在操 作自由形體建築設計時，能更精確地傳達設計概念。 本研究試圖透過虛擬實境空間模擬器來介入自由形體的建築設計過程，並搭配目前既有之 設計媒材（包含 2D 圖面、3D 實體模型、3D 電腦模型、電腦彩現視覺模擬圖、動畫），期望
藉由設計與人的互動性，輔助設計者更容易掌握自由形體設計，探討空間感知與設計方法
的關聯性，進而獲得「虛擬實境介入後的自由形體設計流程」（free-form design process
using VR cave）。
二、實驗
本計劃書進行了一項實驗，以問卷的方式調查現有的設計媒材（包含 2D 圖面、3D 實體模 型、3D 電腦模型、電腦彩現視覺模擬圖、電腦動畫）所呈現的自由形體之空間感是否與實 際空間所呈現的空間感相符合。選定的實驗案例為台北縣汐止鎮的公信電子公司總部接待 大廳設計（Liu and Lee, 2002），實驗一開始首先獲得此案例所有的原始設計資料，包含 2D 圖面、2D 影像合成、3D 實體模型、3D 電腦模型、電腦彩現視覺模擬圖、電腦動畫以及 其他相關圖面（圖 2-1），接著二十位具備熟悉數位設計媒材之有經驗設計者們，在充分仔 細的閱讀所有原始設計資料之後，比較腦中呈現的空間感知與實際參觀實體完工的公信總 部接待大廳（圖 2-2）所獲得的實際空間感知在各向度的差異性，所有實驗數據經過統計 分析之後（圖 2-3），整體的認同度結果為 37%很接近或類似，63%相異或不相同（附錄）， 因此，2D 圖面、2D 影像合成、3D 電腦模型、電腦彩現視覺模擬圖、電腦動畫等數位設計 媒材雖然解決了原設計媒材的不足，成就了非幾何自由形體建築，同時卻也由於新空間形 式因而衍生出數位設計媒材自身的不足。 圖 2-1 公信總部接待大廳之電腦模型 圖 2-2 公信總部接待大廳
圖 2-3 本實驗結果統計分析圖
三、結論
從實驗結果得知，以 2D 圖面、2D 影像合成、3D 電腦模型、電腦彩現視覺模擬圖、電腦動 畫等數位設計媒材來呈現非幾何型，複雜的自由形體建築空間已經顯然不足。為了進一步 探討新數位媒材如何在自由形體的建築設計過程上的應用及所產生的影響，未來研究希望 透過實際案例的參與式觀察，完整紀錄自由形體建築的設計過程，期望透過資料彙整與比 較分析，能夠釐清與解決自由形體的設計問題，並實驗性的以虛擬實境空間模擬器的設備 參與其設計過程，解決數位媒材不足的部分，進而建立初步的虛擬實境介入後之自由形體 設計流程，預期能確立在各個設計階段當中，各類媒材的重要性與必要性。然後，藉由一 項空間實驗的操作，以問卷計量分析的方式，檢測先前所建立的初步自由形體設計流程， 在必要時加以修正，進而獲得完整的虛擬實境介入後之自由形體設計流程。最後，此設計 流程除了經過實驗修正之外，也透過實際案例進行評估分析與再驗證，依據實際的設計發 展與回饋，作為最終修正的重要依據，預期將提出一個新的虛擬實境介入後之自由形體設 計流程。而空間模擬器可應用的層面也非常多，除了自由形體的議題之外，還有許多相關 建築、相關設計的領域等待探索，也是本文的後續研究。 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 梯廳大 小 梯廳室 內高 度 梯廳空 間比 例 櫃檯室 內高 度 櫃檯大 小 燈光 材質顏 色 動線空 間連 結 整體相 異程 度 相異 不相同 類似 很接近參考文獻
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附錄
1. 評估問卷實驗受測樣本節錄
2. 評估實驗問卷 您好！這是一份關於設計媒材研究的調查問卷，主要目的是要比較腦中呈現的空間感與實 際參觀現場所獲得的實體空間感，此問卷純為學術用途，謝謝您的協助與支持。 交通大學建築研究所 基本資料： 年齡______ 性別______ 教育程度_________________ 很 接 近 類 似 相 異 不 相 同 1. 請問梯廳的大小，與您在參觀現場之前所預想的相 異程度。 很 接 近 類 似 相 異 不 相 同 2. 請問梯廳的室內高度，與您在參觀現場之前所預想 的相異程度。 很 接 近 類 似 相 異 不 相 同 3. 請問梯廳長寬高的比例，與您在參觀現場之前所預 想的相異程度。
很 接 近 類 似 相 異 不 相 同 4. 請問接待櫃檯前的室內高度，與您在參觀現場之前 所預想的相異程度。 很 接 近 類 似 相 異 不 相 同 5. 請問接待櫃檯的大小尺度，與您在參觀現場之前所 預想的相異程度。 很 接 近 類 似 相 異 不 相 同 6. 請問接待大廳的燈光效果，與您在參觀現場之前所 預想的相異程度。 很 接 近 類 似 相 異 不 相 同 7. 請問接待大廳的各類建材的材質與顏色，與您在參 觀現場之前所預想的相異程度。 很 接 近 類 似 相 異 不 相 同 8. 請問從電梯到接待櫃檯的動線連結關係，與您在參 觀現場之前所預想的相異程度。 很 接 近 類 似 相 異 不 相 同 9. 請問整體與您在參觀現場之前所預想的相異程度。
3. 實驗結果分析 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 梯廳大 小 梯廳室 內高 度 梯廳空 間比 例 櫃檯室 內高 度 櫃檯大 小 燈光 材質顏 色 動線空 間連 結 整體相 異程 度 0 2 4 6 8 10 12 14 16 梯廳大 小 梯廳室 內高 度 梯廳空 間比 例 櫃檯室 內高 度 櫃檯大 小 燈光 材質顏 色 動線空 間連 結 整體相 異程 度 相異 類似 不相同 很接近 不相同 相同
