前瞻工程科技之未來產品概念設計---智慧建築皮層

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

前瞻工程科技之未來產品概念設計﹣﹣智慧建築皮層 研究成果報告(精簡版)

計 畫 類 別 ： 個別型

計 畫 編 號 ： NSC 95-2218-E-011-021-

執 行 期 間 ： 95 年 11 月 01 日至 96 年 04 月 30 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣科技大學建築系

計 畫 主 持 人 ： 簡聖芬

計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理：羅少宏、蕭志凱、林孟申 大學生-兼任助理：柯慧瑩

共同主持人：陳上元

處 理 方 式 ： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢

中 華 民 國 96 年 07 月 29 日

智慧建築皮層 期末報告

研究與設計團隊 簡聖芬／ 陳上元

林孟申／柯慧瑩／ 羅少宏／蕭志凱 國立臺灣科技大學建築系／逢甲大學建築系

智 慧 建 築 皮 層

前 瞻 工程 科技 之 未來 性產 品 概念 設計

摘要

資訊科技的進展使得智慧住宅的設計成為一個重要的研究方向。建築環境品質的提昇須對應於環境與使用者 的不同需求。雖然環境感測器、資訊通訊與網路科技的發展已經啟發並且創造了新的智慧裝置與智慧環境，

但是如何滿足使用者的需求仍是生活空間智慧化的重要課題。本概念設計以智慧住宅的外殼為例，整合三項 相關理論關鍵要素（1）智慧代理者，（2）涵構覺察，與（3）模糊理論，創造「智慧建築皮層」。設計成果 含建築皮層整體設計與智慧建築皮層元件設計。

A smart house design has been an important research paradigm relying on information and communica- tion technology development recently. The quality promotions in building environments should provide adaptive correspondence to different requirements of environments and needs of their occupants. Al- though making use of environmental sensors, information, communication and internet technologies have inspired and created smart equipments and environments innovatively, yet “How to satisfy occupants’

needs” is still an important issue for making living space smart. This project plans to explore potentials of a smart house envelop and propose three key elements for system integration: (1) intelligent agent, (2) context-awareness, and (3) fuzzy theory. The final product contains innovative building envelops, “smart architectural skins,” as well as components of smart architectural skins.

前 瞻 工 程 科 技 之 未 來 性 產 品 概 念 設 計 智 慧 建 築 皮 層

目錄

前言 3

概念發展方向之背景技術 3

相關設計案例評估 4

智慧建築皮層理論模型 5

皮層概念設計 7

構思基礎 7

音感應設計 7

光感應設計 8

風感應設計 9

皮層元件設計 10

構思基礎 10

Interactive Louver 10

See-through Wall Panel 13

Sensible Wall Panel 15

Responsive Roof 17

結論 20

參考文獻 21

附錄 24

前瞻工程科技之未來性產品概念設計專刊四頁 24

前言

概念發展方向之背景技術

二十世紀的建築大師科比意（Le Corbusier）指出，住宅的課題是具時代性的，新的時代必須有新的住家來 滿足新的居住生活，而設計者必須以「新時代新精神」運用新工具，才能建造出新的住家（Le

Corbusier，1977／1997）。借用科比意的想法，二十一世紀的新住家應滿足資訊時代的居住需求，結合「新 時代新精神」之資訊時代的普及運算（ubiquitous computing）新工具，來創造居住環境。而高齡社會的居 住環境，更需要在「新時代新精神」之下，結合資訊、通信、電子、運算智慧等現代的新科技，規劃、設計 並開發這個高齡化新時代的智慧住家。

從智慧住宅的文獻分析，人－物－空間是「智慧住宅」三個核心的發展向度，研究焦點可能偏向其一或其 二。在「人」的考慮上，簡易使用、付得起、可靠、易維護、具備彈性、可調適性、可升級、可置換與容易 安裝，對於物與空間仍是不變的設計原則。在「物」的整合上，研究者持續探索家電控制的諸多可能性，控 制的內容由過去定量的對於最低能源消耗與使用時間與時機的控制，藉助感測技術、運算科技，資訊與溝通 技術，逐漸導向更能反應使用者生活模式的自我程式化的能力（Mozer，1998），「中央的」控制模式導向

「分區與分散」的控制機制（Junestrand & Tollmar，1999）。在「空間」的需求上，除了新建的建築需要 發展新的技術、材料與設計，新家居科技如何藉助改建融入舊房子，並且連結網路以運作「智慧住宅」，依 然需要探索。在「人與物」上，除了探討多元與複雜使用者的活動與控制，為因應未來社會發展趨勢，例如 分散的離心的家庭，以及高齡化、少子化社會。在「物與空間」方面，1950年代住宅的建築（空間）設計雖 然已經能夠配合先進的家電科技（物），然而網路、資訊溝通與運算科技的「智慧住宅」使「物與空間」整 合的問題再度浮現。在「人與空間」上，空間裡的房屋元件也是智慧物件的一部份，它們可以協同智慧家電 一起運作並進行溝通與協調。

當今人－物－空間的整合性思考更同時考驗著房屋與家電設計者與工程師，或者迫使他們需要更緊密合作與 跨領域的研究。「智慧住宅」爭議的重點已經不在「智慧」而在於應該多麼「聰明」，以能夠反應使用者的 需要？面對即將到來的社會議題：高齡化、少子化與離心化的家庭，「物與空間」如何協同作業，以協助維 持家庭的運作、家庭成員的親情並且介護高齡者生活？人－物－空間，它們的關係，更不僅僅是在一個家庭 集中控制的，更可能是分散各地、是無線而遠端控制的。藉著科技，家庭的定義再度回到親情與連繫的重要 性，而不限於在一定點與特定場所。

有鑒於此，本計畫認為智慧科技整合應用於未來住宅之「智慧化」決定於環境代理者所選擇的演算機制，研 究項目則包括了（1）資料庫與知識庫、（2）運算機制（包括推理與學習）與（3）可調適行為的模式。本計 畫擬設計之「智慧建築皮層」即為未來住宅之空間介面。 對住宅的居住使用者而言，智慧建築皮層為環境的 代理者。環境代理者的效能評估是建立在使用者的滿意程度上的。以涵構覺察的觀點，智慧是指能夠擷取涵 構資訊，處理資訊，並且推導其意義。而智慧的模式或選擇，則牽涉了作為主體的環境代理基礎的智慧實 體、與作為客體的使用者，以及它們在環境裡產生的互動行為。因此，以環境代理者為基礎的智慧的實體能 夠根據輸入的涵構資訊；作用可調適的行動；並能夠求取「涵構改變（包括環境與使用者的情境變化）」與

「使用者需求」的最適化對應。 環境代理者具備了感知；推理與反應的能力，目的是在符合環境永續原則 下，讓使用者獲得更好的服務以及環境的控制，它的作用將使得使用者的狀態（心理或生理）發生改變，包 括心情（愉悅與厭惡等）、舒適（照度、溫度等）。

前 瞻 工 程 科 技 之 未 來 性 產 品 概 念 設 計 智 慧 建 築 皮 層

相關設計案例評估

感測器、運算機制（包括控制界面與視覺化的分析評估工具）、作用器（建築元件與其它作用的裝置），構 成了一個智慧的建築資訊系統。使用者藉由網路透過中央控制的資訊界面，可以遠端控制建築生命週期的產 物與過程（Mahdavi, 2005）。然而有別於房屋自動化所強調的集中的、中央控制的系統，本文所要提出的疑 問是，在分散的智慧環境裡，建立在開放式建築系統上，應用於不同層級的建築構件，個別的控制裝置如何 透過網路連結，並且進行溝通與協調以滿足住宅裡使用者的動態需求？ 因此，本研究選擇五個智慧化住宅的 知名案例作為初期的比較性研究（表1）。

表1 智慧化住宅的案例比較 可調適住家 Adaptive Home (Mozer, 2005)

智慧工作場所 Intelligent Workplace (Lam, 2005)

覺察住家 The Aware Home (Aldrich, 2003)

感知的建築 Sentient Buildings (Mahdavi, 2005)

PAPI智慧住宅 (Sakamura, 2005) 年份 1997~Now 1997~Now 2000~Now 2004~Now 2004~Now 所在地 美國，科羅拉多

州，包德區

美國，匹茲堡，卡內基 美侖大學，建築系館屋 頂增建物

美國，喬治亞理工大學 奧地利，維也那科技 大學建築物理與生態 系

日本，名谷屋市愛知縣

使用者 研究者自宅 教員、職員、研究生 分散的家庭成員、高齡 老人

教職員與研究生 家庭居住者

研究 目的

自我程式化的房屋:

依據使用者生活模 式的改變而改變的 自動化房屋

1、持續調整房屋狀態以 追求“使用者舒適性”與

“節約能源”的最佳化 2、房屋診斷、預防性的 維護、系統運作的決策

1、運用感測技術、網路 與資訊溝通科技將連結 分開居住的家庭 2、維持高齡者在家居住 的最大年限與最大化獨 立生活的能力

涵構覺察：追求建築 物對應環境條件與使 用者需求的動態性改 變

遍佈運算的智慧環境 中，智慧裝置的最佳化 控制

解決 方法

1、建立自我程式的 ACHE可調適住家的 控制系統

2、感測器追蹤使用 者移動

3、非監督的Q- learning增強式學 習、最佳化控制 4燈光控制對應使用 者的活動

1、運用“感測資訊系統”

與“能源監管者”，創造 動態的“建築資訊模型”

2、蒐集房屋生命週期資 料以評估（IW）的效能 3、藉著網路能力、進行 遠端的監控

1、居家覺察技術 2、自動建立成員肖像軟 體、聲控系統、遠端遙 控器、提醒與警示裝 置。

1、運用建築自我更新 維護的“動態模型”再 現與應用建築物與使 用者的“涵構資訊”以 支援建築物的運作。

2、藉由網路透過資訊 界面，遠端控制建築 生命週期的產物與過 程

1、運用“遍佈溝通器”作 為感知、運算與溝通的 基本“智慧模組”

2、智慧控制與運作維持 一座系統化工業製造的 預鑄房屋

未來 研究

探索機器學習：關 於使用者活動與特 徵的推論能力

1、確認資料的可靠性與 感測器校正

2、診斷與失誤指認 3、主動學習與調適

1、持續追求四大主題:

以人為本、技術、軟體 工程、社會意涵 2、涵構覺察運算 3、個人化健康裝備

透過“資訊模型” 技術 實現：環境監控；區 域感測；空間推理；

性能模擬；模型基礎 的控制邏輯。

智慧住宅、智慧環境擴 及到未來城市

從案例的研究發現，若單方面就環境永續的目標或者是使用者的需求，建立績效執行的標準，應該都是合理 的，但是當同時考慮使用者的需求與環境永續的目標時卻並非總是一致。換言之，人－物－空間是智慧住宅 三個核心的發展向度，例如發展使用者導向、涵構覺察的智慧系統；以及持續的開發機器推論與學習的能 力，已經是這些案例未來的研究項目。

圖2. 智慧代理者的可調適行為

智慧建築皮層理論模型

本計畫的概念設計產品「智慧建築皮層」擬在分散式智慧環境下建立環境代理者的理論性架構，代理者內部 具備模糊推論與類神經模糊的演算機制（圖 1）。因此環境代理者能夠感知外在環境的變化，進行推論，起 動建築外殼或外殼的部份元件，改變外在環境以符合使用的需求。具備人機界面的環境代理者能夠與使用者 溝通，或者藉由學習，能夠降低推論所產生的預測與使用實際使用狀況之間的差異。簡言之，環境代理者能 夠事先「推論」以避免偏向錯誤的「學習」，有效的增進「感知」與「行動」的對映能力。

圖1. 智慧建築皮層的架構

每一個代理者都將是定義清楚的智慧模組（smart module）。除此之外，環境代理者社群能夠透過合作與互 動以完成它們的設計任務。因此，代理者基礎的控制將分為兩部份描述與設定智慧裝置們的感應與行動。每 一個代理者的基本模組由感測器、運算機制與作用器（sensor, a computer and actuator）所構成，包含了軟 體與硬體。軟體代理人處理感知自感測裝置或者其它代理者的訊息，是事件驅動（event-driven）的模型，

根據計畫或子計畫，它將動作輸出以驅動建築的填充元件，執行智慧的可調適行為（behavior），可調適的 行為包括了「反應（re-action）」、「主動（pro-action）」及「互動（inter-action）」的能力（圖 2）。

前 瞻 工 程 科 技 之 未 來 性 產 品 概 念 設 計 智 慧 建 築 皮 層

代理者基礎的智慧建築皮層，作為居住者與環境溝通的界面，應該能夠同時感知人類生理或心理的需求與環 境的變化、包括外部環境（日照；風；音與雨等）以及內部環境（例如溫度；濕度；人工照明等），作出進 一步的反應、去執行（驅動或停止）外殼（包括所有建築外殼的組成元件）的作用，以修正環境情境，不但 同時改善居住者的舒適與健康，還要能符合環境永續發展的訴求。此外依據它的設計目標，智慧建築皮層不 限於由一個或數個代理者所組成。 本計畫預期完成「智慧建築皮層」的系統設計，製作一個智慧建築皮層的 局部縮尺原型，以示範「環境覺察」與「互動」。

皮層概念設計

構思基礎

以生物的表皮為理論發展的基礎，設計具有「智慧」的建築外殼，使其能與建築使用者溝通、感知建築內部 情境與外部環境，進而自行調整外殼或外殼的部份元件，以符合使用需求。「智慧」的具體表現乃在建築外 殼硬體背後運算科技的運用，如此軟硬體的配合，方能形成整體的「智慧建築皮層」系統。智慧建築皮層應 用軟體代理者技術：建築外殼、使用者、內外部環境等，都有各司其職的代理者。每一個代理者都是一智慧 模組，而環境代理者則具社群組織，能夠透過合作與互動以完成它們的設計任務。代理者基礎的智慧建築皮 層，作為居住者與環境溝通的界面，應該能夠同時感知人類生理或心理的需求與環境的變化、包括外部環境

（日照、風、音、雨）以及內部環境（如溫度、濕度、照明），作出進一步的反應、去執行外殼的作用，以 修正環境情境，不但同時改善居住者的舒適與健康，還要能符合環境永續發展的訴求（圖 3）。

圖3. 皮層與居住者、環境的溝通模式

依上述智慧建築皮層理論模型，第一階段本團隊以感應方式作為概念設計方向，根據皮層對於音、光、風的 感應，發展出三類設計案。

音感應設計

聲波速度因介質而異。建築環境中，可改變聲音傳遞因素有材料、厚度、開口、角度、溫度、濕度等。音感 應設計藉這些因素的變動，來探索空間與皮層設計。

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光感應設計

日光隨季節時間變動，介質可引發折射、反射。 建築環境中， 可控制光的因素有開口、遮陽角度、遮陽材 料、互動性等。光感應設計藉這些因素變動，來探索空間與皮層設計。

風感應設計

氣流速度因路徑寬窄而異，氣流壓力因速度變化。建築環境中， 可控制氣體流動的因素有開口、角度、材 料、溫度等。風感應設計藉這些因素變動，來探索空間與皮層設計。

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皮層元件設計

構思基礎

以生物的表皮為理論發展的基礎，設計具有「智慧」的建築外殼，使其能與建築使用者溝通、感知建築內部 情境與外部環境，進而自行調整外殼或外殼的部份元件，以符合使用需求。前章說明本團隊從建築整體設計 考量，來探討建築空間與皮層的可能性。建築整體並非單一物體，乃由多項建築元件組合而成。本章以元件 設計為重點，設計四種建築皮層元件。每一種元件均自成一體，能單獨運作，也能結合多個元件，形成一群 集而有群聚行為（emergent behavior）。如同蜂群與蟻群，單一蜜蜂或螞蟻僅有簡單之行為，而群聚之蜜蜂 或螞蟻，則形成行為表現精密的社會組織。

Interactive!Louver

建築如何應用可移動的、可調整的構件，解決自然環境與建築物及使用者所產生的需求，作出適當的調整？

人類皮膚的作用機制是建築外殼的良好典範，建築外殼可視為連結室內使用者需求與室外自然環境的皮，所 以本設計以智慧建築皮層─互動遮陽百葉為例，嘗試模擬環境、使用者需求產生時，互動遮陽百葉如何做適 當回應，並從中探討那些狀況該是自動回應，那些是手動回應。當人們得知他們所做的不同活動會使百葉產 生不同的變動，會對人的行為產生什麼影響。

我們希望建築皮層也能表現的像人類皮膚一樣，例如：當人體溫過高時，汗腺能排汗，汗水在皮膚表面蒸發 後，達到冷卻身體的效果。 在以建築皮層擬人類皮膚概念的大前提下，我們觀察到了人類的眼皮，在醫學上 稱之為「眼瞼」。當眼瞼關閉可用來保護我們的眼睛不被異物侵入，同時也能阻擋光線，讓眼睛得到充分的 休息，使我們能有良好的睡眠；當眼瞼打開又可使我們眼睛看到美好的景物。如果窗是建築物的眼睛，那窗 是否也需要一種類似於眼瞼功能的裝置？因此我們計畫設計互動百葉為建築物的眼瞼，幫使用者控制室內的 光線、溫度，讓使用者在室內能感到舒適。

回顧相關的建築案例，能互動的外遮陽由來已久。1967年世界博覽會中，由Fuller設計的美國館，就採用光 感應式遮陽。位於法國巴黎的阿拉伯文化中心（Institut du Monde Arabe），也採用光感應式圍幕牆裝置。

Expo 67 US Pavilion, Montreal Canada (1967)

Institut du Monde Arabe, Paris France (1981-1987)

Debis Building 建築為鋼筋混凝土與框架結構，外牆由兩系統組 成，第一層用不透明高隔熱板為主要的外牆保護，並且可吸收一 部份太陽的輻射和溫度；第二層使用透明表面構成，玻璃百葉窗 可減少風對於玻璃主牆體帶來的風壓，並阻擋雨進入內層玻璃、

防止建築表面的太陽輻射。百葉可依據太陽高度角來旋轉遮陽，

裝設框架結構於外牆上，增加百葉調整的靈活性。

The Environmental Building 建築的南向立 面是由外部鋼支架和可轉動的半透明葉面來 保護，葉面可阻斷所有直射到室內的太陽 光，但也可以允許一定程度的日光進入。當 天黑時，葉面變成水平，形成光的格柵。建 築管理系統每15分鐘調整葉面角度一次，使 用者也可以依據需求自行調整。

SUVA Insurance Company 建築的外牆由電腦控制的玻璃窗所構成。上方的 半透光格柵型玻璃可依據太陽光線的角度來自行調整角度，並可讓適量的光 線透射進來室內，隔絕太陽部份的輻射熱。下方玻璃，冬天關閉，夏天打 開，用來保溫、散熱。屋頂的天氣觀測裝置可為電腦提供陽光漫射、直射數 據、風速、風向、室外溫度的數據，立面的感測器可提供牆面的溫度，電腦 依據所在地的經緯度和時間計算出太陽的方位角和仰角，兩台電動機負責控 制每扇窗戶。

Design Office for Gartner 建築南北立面的半透光玻璃百葉窗，能 夠根據不同的陽光角度和強度由中央控制系統調整到最佳角度。

系統運用光感測器來獲得陽光角度和強度，並根據需求，將百葉 調整成透光模式、導光模式或遮陽模式。另設有使用者監控系 統，以防發生故障；資料記錄的裝置，可用以日後分析。

根據上述案例探討，發現百葉材質為半透光，可使陽光無法完全 照射進來室內，阻擋一部分太陽的輻射熱，又可使室內不至於太暗。另外雖然百葉是由中央控制，但也需另 設置使用者監控系統與使用者自行調整的機制。資料記錄的裝置，也有助於分析建築周圍環境的變化狀況。

然而，這些案例設計均為僅符合該建築使用之大系統，缺單一元件與組合群集之作用特性。

Interactive louver 為光、熱環境控制元件，是建築外牆附加皮層，要 能因應需求變化並保障節能永續。其基本需求為外牆遮陽百葉具節能 功效，夏天阻隔太陽熱能，冬天隔絕冷空氣。其變動的需求在外牆遮 陽百葉隨著自動太陽光照射角度而調整，使室內可維持良好的光線及 舒適的溫度；又遮陽百葉能依據使用者的需求做改變、調整。其目標 在兼顧物理環境及使用者需求，達到妥協、平衡，讓使用者處於光 線、溫度舒適的環境，同時能接收外界訊息、欣賞美景。

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依上述需求與目標，互動百葉由三部份所構成，第一部份是百葉的外框架，設置有固定端，使百葉能固定於 牆上，框架的左右兩邊內側設置有滑輪的軌道，框架上部橫桿預留有穿繩索的孔；第二部份為百葉主體支 架，又分為上支架與下支架，上支架預留有可裝設百葉葉面的孔，下支架為上支架的支撐材，上下支架運用 可活動的關節做連接，並分別於左右兩側裝置滑輪，使百葉具有可變動性；第三部份為百葉葉面，葉面兩邊 可裝置連結桿件，使百葉葉面可連動。最後運用繩索連接百葉支架，配合使用步進馬達，當馬達正轉捲起繩 索，繩索即拉動百葉支架，百葉支架順著滑輪軌道上升；反之，當馬達反轉百葉支架即下降，上升、下降程 度依馬達轉動圈數計算。

將設計好的互動百葉分別裝置於牆面上，各百葉將隨著太陽光的角度產生一序列規則的角度變化，產生一種 序列整齊的動態美感。另一部份百葉也依據各空間內的使用者產生各別的變化，形成如音符般的律動美感。

See-through!Wall!Panel

雨天引起的窗戶起霧效果，經常吸引了人們的注意，我們會利用起霧的窗戶塗鴉，在上面寫字，或者吹氣在 玻璃面上變成霧狀，再將其擦拭；玻璃轉換成霧面其微妙的變化帶給人們趣味經驗，人們對於這樣的視覺感 受是好奇的，並且由於玻璃表面霧狀的即時效果，人們有了與空間元素互動的機會。 中國古門窗大都以紙張 為材料，雖達到門窗的基本空間阻隔功能，但由於材料容易被破壞的特性，而有以手指戳破紙門窺視內部的 景象，此情形表達了人們自古偷窺的慾望。

由以上兩種情境，歸納出人對於空間感受的兩種需求；第一，人們對於可改變的建築表面材料是感興趣的；

第二，對於未知空間裡的物體，有窺探其中的慾望，人們視覺不願意受空間限制。綜合此兩種想法，建築表 面則應有所改變，在阻隔空間的介面上，應有富變化機制的建築皮層，而藉由操作皮層的改變與材料的轉 換，人與人之間可產生一種間接的溝通方式，人與空間則形成直接的對應。

本設計在空間阻隔的介面上，期望營造一道能視覺穿透的牆體，當使用者靠近並用手在牆面上塗抹或點按 時，該部位可變成透明；使用者能看到牆外的狀況。以透視能力應用於空間當中，藉由材料單元本身的調適 作用，使其呈現局部且依照使用者意念而可透視的牆體。

可改變通透度的牆，可投過牆面的色變、狀態改變或形變達成。 1987年完成位於法國巴黎的阿拉伯文化中心

（Institut du Monde Arabe），就採用以光圈機制調控牆面視線穿透性，用狀態改變來達成通透度的改變。

芝加哥藝術學院開發的 flexible curtain 用太陽能光電版組成，並以形變來控制視線穿透性。

Institut du Monde Arabe, Paris France (1981-1987) Flexible curtain by Nereim of Art Institute of Chicago

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用色變來控制視線穿透性的，則主要有可變色玻璃（switchable glazing）。可變色玻璃又分為電致變色

（electrochromic）、光致變色（photochromic）與溫度變色（thermochromic）三大類。

用狀態改變來控制視線穿透性的，又可利用偏光片的特性，兩片偏光片重疊在一起，角度為0度時呈現透明狀 態，角度呈現90度時，為不透明狀態，角度0度到90度中間，透明度呈現線性的改變。American Polarizers, Inc 將偏光片應用於飛機機窗，可作為控制光線進入的系統，取代傳統利用遮陽板或百葉的裝置。只要利用 旋轉的機制，就可使機窗從幾乎透明漸變成幾乎全黑的狀態。 台中科博館偏光畫廊（Magic Polarized Light）牆上的畫作乍看之下只是一片白，但是如果透過偏光片去看這些話，就會出現各種美麗的圖案。轉動 偏光片，畫中的顏色還會隨著角度變換。

See-through wall panel 為光環境控制元件，是建築外牆新材料，可提供 照明，要能因應需求變化。其變動需求為以手塗抹讓部份區域視覺穿透，

以及以手塗鴉流下短暫的記錄後逐漸消失； 希望藉由材料透明度變化達到 視覺穿透效果。

依上述需求與目標， 第一個方案採用電致變色玻璃。設計一道可視覺穿透 的牆體，透過對材料單位縮小的安排，於空間中模距化排列；裝置正面，

包含水平與垂直距離感測器；裝置背面，含有每塊玻璃的開關與電源供 應。系統可察覺人的靠近，並經由感測機制給予晶片訊號，啟動觸動機制 藉以表達空間機能的轉換。 形成單位模具化的材料，本設計以15*15公分的液晶玻璃為主體，由2.0公分寬的 邊框支撐，邊框設計允許使用者依照牆面尺寸，而將單元電控玻璃排列其上。溝通線路可被妥善安排於電極 用勾槽內，並由3公分寬的蓋板將線路隱藏，再以一邊框固定每一塊液晶玻璃；每個單元模具可以相互接合，

以著重材料在安裝上其客製化的特性為主要思考方向。

本設計利用對於電控玻璃單元的縮小安置，以邊框設定每一單元的模型；利用對單元控制改變的方式，在矩 陣的排列後，可應用於更大的範圍，並經由對單元的獨立控制，達到有局部透視效果的牆體。 利用局部的控 制方式的想法，發展單元化的建築皮層產品，本設計著重在每個單元可相互接合。

第二個方案則利用偏光片的特性，兩片偏光片重疊在一起，角度為0度時呈現透明狀態，角度呈現90度時，為 不透明狀態，角度0度到90度中間，透明度呈現線性的改變。 設計構想一皮層單元，可根據人的動作做改 變，當人靠近時，使用手勢的移動，造成皮層的透明度的改變。 因此利用光敏電阻被遮蔽時，轉動偏光片的 角度改變皮層的透明度。

因此皮層，隨時可依使用者的需要改變開口的位置，因此開口不再去絕於建築師的建築平面配置。不同的使 用者可決定希望開口的位置與大小，甚至可以配合不同的使用情境做不同的開口位置設與空間的封閉與開闊 性之設計。甚至可依照使用者與牆面的接近程度來改變牆面的透明度。

Sensible!Wall!Panel

為了讓空間有更靈活、更有彈性的使用，除了改變空間的配置，能再進一步思考動態結構的可行性。建築表 皮本身具有人與環境的調節功能，當使用者因需求改變空間的使用，不僅是機能上的調整，對於空間的使用 情境也應當有對應的策略；而當環境賦予建築物適當的能源時，建築表皮也應當如皮膚毛細孔一樣，具有收 縮或是擴張的功能。這使建築物具有生命一般，人與電腦最大的差別是在於，人有自我調適與自我學習的機 制，所以建築表皮如何扮演適當的角色，協調人與環境的衝突。

本設計利用結構的動態改變，在結構系統處理上，利用拉力與壓力的施予，造成相互擠壓的效果，以致能夠 達到整體形狀上的變化。透過感應器的偵測，讓空間能有更豐富的感知能力。依據使用者的活動頻率以及物 理環境的改變，建築能主動的給予回應，讓活動能夠與空間互相融合，且建築也能利用動態的改變，針對環 境的改變而讓建築能調適室內的舒適程度，動態的結構能依據環境施與的位置給予開口大小的改變，讓光與 風能有不同的進入量，達到降低能源耗費的目的。

回顧相關案例， Tristan d’Estrée Sterk利用 構件長度的改變，造成結構有動態的變化

（Sterk, 2003），使建築具有自我調適的能 力。作者在發展時有兩個構想：第一是當空 間的使用型態改變時，結構能有對應的方式

（Sterk, 2005）；第二是當風的強度過大

時，建築整體能夠因應風的方向而產生變化（Sterk, 2006）。MIT Kinetic Design Group的 Responsive Wall with Integrated Membrane（Fox, 2001a），利用感應器回饋系統

（sensor feedback system）製作一面具動力的牆，可對於人（活 動）與環境（太陽、風、陰影）做出動態回應。

前 瞻 工 程 科 技 之 未 來 性 產 品 概 念 設 計 智 慧 建 築 皮 層

Sensible wall panel 為機能環境控制元件，可作為空間區格用牆體，必要能因應需求變化。 依此需求與目 標， 本設計主要利用外部施力的方式，拉進節點與節點的距離，有如摺紙的方式，用桿件長度變化將一平面 轉變成立體的型態，並且帶動周圍桁架的造型。利用電子化的驅動方式，可增進結構的回應速度。

利用局部的控制方式，可降低不確定因素的產生，雖然效果沒多點控制的高變化度，但是在單點的收放已經 能達到所需的效果，再設置更多的裝置也只是在小部分產生動態變化，有些部分反而是造成反向效果。所以 本設計設定一單元的模型，利用一單元變化的形式，可應用於更大的範圍，例如在矩陣的排列後，可以形成 弧形和球形的的效果，或是在一片牆上只有一個單元產生變化，可形成具有弧度的空間感受。

Responsive!Roof

在建築所扮演的角色設定上，區分為「人的活動」與「環境改變」

兩方面，初步構想為：當使用機能改變時，建築的空間因應使用的 改變而產生變化，讓光與空間尺度有一程度上的變動；建築物本身 如同樹一般，能夠對環境變化產生對應，如風吹向樹時，樹葉與樹 枝會搖擺，讓風能夠穿過樹，且樹葉的變化也會影響灑下來的陽光 強度。

回顧相關案例， Hoberman是一個設計產品的公司，其產品涵蓋了建築結構、玩具等等，但是Hoberman的 設計理念及方向皆以具有變化技術為基礎，改變結構整體的尺度或形狀，例行：Liberty Science Center 是以 改變半球體的空間尺度為構想，利用外部的施力將半球體伸展成大尺度的空間（Hoberman Transformable Design，1992）；Making Responsive Buildings 為建築物的屋頂具有伸縮的能力，利用油壓構件將弧形屋 頂收回到牆頂端（Hoberman Transformable Design，2000）；Hoberman Arch是為一展覽場地的舞台設 計，舞台的幕簾利用壓克力板及金屬結構，在舞台啟用時，則幕簾回向上縮回至靜態的圓拱結構

（Hoberman Transformable Design，2002）。

MIT Kinetic Design Group的 Moderating Skylights（Fox, 2001），本案例利用聯網系統將個動態物件連 接，學習使用者的操作方式，不斷的自我調適，讓系統知道何時才是室內最佳狀態。 Umbrella Control 則以 環境與人為對象，將街道上的遮陽傘做為介面，利用感測設備偵測環境陽光的照射，以及傘下是否有人停 留，讓人在環境中不會感到不舒適。

Responsive Roof 為風、熱環境控制元件，主要是建築屋頂構造，能因應需求變化，達成節能永續。 依此需 求與目標，本設計主要以桁架系統組合而成，每個單元模型為25㎝×25㎝，整個系統內部形成三角形的構 面，利用外力拉動節點，改變節點的位置，達到摺疊的效果。當單元形狀改變後，帶動周圍的桁架系統，形 成豐富的變化。主要連接各接頭，為了接頭間的距離能保持穩定，且在動態的變換過程中，桿件所承受的拉 力與壓力增加，避免造成結構的損壞，使用強度較硬的桿件材料為主要選擇。由於本設計的旋轉角度大，接 頭採用台灣科技大學施宣光教授設計的多方向性的接頭，材質為塑膠，每個向度幾乎可達到180度的角度變 化。

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利用摺紙的概念，採取一中心的基本原理，讓接頭與桿件能自由的活動，且不會影響中心點的位置。在起初 設計時有5、6與8的接點設定，最後選擇8個接點的設計，原因是一空間桁架的基本形狀為金字塔型，而金字 塔在正反的相互銜接上，最多需要用到8個接點，所以在考慮通用性與實用性的狀況下，選擇8個接點為最後 的設計型態。本設計使用外力的方式，將節點間的距離拉近，所以必須將驅動器連接於所對應的節點上，利 用驅動器的開啟與關閉，控制節點的位置。所以採用步進馬達作為動力裝置，設置於單元模型的四周節點 旁，將節點的繩索連結步進馬達，利用步進馬達的正反旋轉，拉近或放鬆對向的節點，使結構則會從平面轉 換成立體的變化。

本設計是由桁架系統所組合而成，屋頂是由三角面所構成，側面牆的部分則是由四邊形組成，以便於屋頂形 式改變後，牆能相對造成變動。每個單元的模型尺寸為25㎝×25㎝，所組合成75㎝×75㎝×25㎝。當屋頂中央 因驅動改變結構型式時，牆也會依節點的高低不

同而塑形。在屋頂中央的下方設置鋼結構支撐，

將屋頂固定在支撐結構上。其屋頂中央結構作為 連結的部分，四端節點在變動時會沿著鋼樑移 動。將感測器設置在中支撐結構的柱上，往四周 擷取數值，可得到區域的畫面資訊，以比對人數 上的差異。在驅動裝置部分，將單元模型的四個 節點利用繩索連結至步進馬達上，設置於支撐結 構的上方，使產生動力時，能量的耗損減至最小。

設計目前採用的動力方式屬於間接的帶動節點的設計，此方式在設計上產生很大的限制，例如馬達的扭力與 速度，都會造成在設定上與情境有些許的差距，所以在技術的層面能選擇不同的驅動設備，使在動態的變化 上有更豐富的變化。在形狀改變上，摺紙是具有千變萬化的形式，在不同的節點設置，則會產生不同的形 狀，所以在未來的發展上，可以利用在節點與移動方向上，設計更多不同的動態變化效果。最後是希望藉由 本設計的概念，將動態結構可以達到單元化的目標，不一定需要在新建的建築物上使用，在目前建築過剩的 發展下，改裝現有空間與建築才是未來發展的重點。

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結論

以生物的表皮為理論發展的基礎，設計具有「智慧」的建築外殼，使其能與建築使用者溝通、感知建築內部 情境與外部環境，進而自行調整外殼或外殼的部份元件，以符合使用需求。「智慧」的具體表現乃在建築外 殼硬體背後運算科技的運用，如此軟硬體的配合，方能形成整體的「智慧建築皮層」系統。本計畫經兩個部 份的設計探討，提出依音、光、風感應的整體概念設計，以及發展四種皮層元件。未來擬開發實體互動之智 慧建築皮層模擬，進而能談討各項概念設計的可行性。

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前 瞻 工 程 科 技 之 未 來 性 產 品 概 念 設 計 智 慧 建 築 皮 層

附錄

前瞻工程科技之未來性產品概念設計專刊四頁

以生物的表皮為理論發展的基礎，設計具有「智慧」的建築外殼，使其能

與建築使用者溝通、感知建築內部情境與外部環境，進而自行調整外殼或外殼的部份元件，以符合使用需求。「智慧」的具體表現乃在建築外殼硬體背後運算科技的運用，如此軟硬體的配合，方能形成整體的「智慧建築皮層」系統。智慧建築皮層擬應用軟體代理者技術：建築外殼、使用者、

內外部環境等，都有各司其職的代理者。每一個代理者都是一智慧模組，而環境代理者則具社群組織，能夠透過合作與互動以完成它們的設計任務。代理者基礎的智慧建築皮層，作為居住者與環境溝通的界面，應該能夠同時感知人類生理或心理的需求與環境的變化、包括外部環境（日照、

風、音、雨）以及內部環境（如溫度、濕度、照明），作出進一步的反應、去執行外殼的作用，以修正環境情境，不但同時改善居住者的舒適與健康，還要能符合環境永續發展的訴求。依此概念本團隊開發出四種智慧建築皮層元件interactive louver、see-through wall panel、sensible wall panel與responsive roof。

Human skins are sensible and responsive. Architectural envelops are, however, rigid and unable to change. Using the concept of buildings as living organisms, we design smart architectural skins that are sensible, responsive and interactive to inhabitants and the environment.

智慧建築皮層

團隊教師：簡聖芬／陳團隊成員：林孟申／柯慧瑩／羅少宏／蕭志凱

Sma rt Ar chitectur al Skins

inter activ e l ouv er

光感應設計 人類的眼皮，在醫學上稱之為「眼瞼」。當眼瞼關閉可

用來保護我們的眼睛不被異物侵入，同時也能阻擋光線，讓眼睛得到充分的休息，使我們能有良好的睡眠；當眼瞼打開又可使我們眼睛看到美好的景物。如果窗是建築物的眼睛，那窗是否也需要一種類似於眼瞼功能的裝

置？本設計以互動百葉為建築物的眼瞼，幫使用者控制室內的光線、溫度，讓使用者在室內能感到舒適。平時，百葉隨著陽光調整角度；當人們靠近窗戶時，百葉則隨著人們與百葉的距離調整角度，呈現戶外景緻

↓↓皮層元件動態機構實作 皮層元件細部設計↓

運用偏光材料發展制動設計運用電控液晶玻璃

皮層元件

行為感應設計 雨天起霧的窗戶，經常吸引了人們的注意。人們

利用起霧的窗戶塗鴉，在上面寫字，或者吹氣在玻璃面上變成霧狀，

再將其擦拭；玻璃轉換成霧面其微妙的變化帶給人們趣味經驗。

牆面在區隔空間，而窗則能透視其中。將兩種表層整合，賦予智慧性

的反應，因其表面透明程度的改變，將豐富現有的行為活動與經驗。本設計在空間阻隔的介面上，期望營造一道能視覺穿透的牆體，當使用者靠近並用手在牆面上塗抹或點按時，該部位可變成透明；使用者能看到牆外的狀況。以透視能力應用於空間當中，藉由材料單元本身

的調適作用，使其呈現局部且依照使用者意念而可透視的牆體。

sensib le w all pa nel

擴張的功能；當使用機能改變時，建築的空間因應使用的改變而產生

變化，讓光與空間尺度有一程度上的變動。本設計利用結構的動態改變，在結構系統處理上，從「折紙」的構想出發，利用拉力與壓力的施予，造成相互擠壓的效果，以致能夠達到整體形狀上的變化。透過感應器的偵測，讓空間能有更豐富的感知能力。依據使用者的活動頻

率以及物理環境的改變，建築能主動的給予回應，讓活動能夠與空間互相融合，且建築也能利用動態的改變，針對環境的改變而讓建築能調適室內的舒適程度，動態的結構能依據環境施與的位置給予開口大小的改變，讓光與風能有不同的進入量，達到降低能源耗費的目的。

see-thr ough w all pa nel

↑以折紙構想發展的制動設計

←牆版皮層實作（採用台灣科技大學建築系施宣光教授之專利接頭）

responsiv e r oof

風感應設計 建築物本身如同樹一般，能夠對環境變化產生對應，如

風吹向樹時，樹葉與樹枝會搖擺，讓風能夠穿過樹，且樹葉的變化也會影

響灑下來的陽光強度。本設計利用結構的動態改變，在結構系統處理上，利用拉力與壓力的施予，造成相互擠壓的效果，以致能夠達到整體形狀上的變化。透過感應器的偵測，讓空間能有更豐富的感知能力。依據使用者的活動頻率以及物理環境的改變，建築能主動的給予回應，讓活動能夠與

空間互相融合，且建築也能利用動態的改變，針對環境的改變而讓建築能調適室內的舒適程度，動態的結構能依據環境施與的位置給予開口大小的改變，讓光與風能有不同的進入量，達到降低能源耗費的目的。

智慧科技整合應用於未來住宅之「智慧化」決定於環境代理者所選擇的演算

機制，研究項目則包括了：（一）資料庫與知識庫、（二）運算機制（包括推理與學習）與（三）可調適行為的模式。「智慧建築皮層」即為未來住宅之空間介面。智慧建築皮層可細分為三部份：（一）外皮層

—對應外環境的關係、（二）內皮層—對應內環境的關係與（三）特定用途皮層—對應環境、資訊與使用者的關係。以涵構覺察的觀點，智慧是指能夠擷取涵構資訊，處理資訊，並且推導其意義。它的作用將使得使用者的狀態（心理或生

理）發生改變，包括心情（愉悅與厭惡等）、舒適（照度、溫度等）。

智慧建築皮層理論基礎

↖概念發想

←屋頂皮層支撐架構制動設計↓動態機構實作（採用台灣科技大學建築系施宣光教授之專利接頭）