行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告
數位建築設計人才之基礎訓練(1/3)
計畫類別： 個別型計畫
計畫編號： NSC94-2516-S-011-001-
執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣科技大學建築系
計畫主持人： 簡聖芬
共同主持人： 鄭鴻銘，施宣光，施乃中 計畫參與人員： 陳俊昌
報告類型： 精簡報告
報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處理方式： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 95 年 6 月 1 日
數位建築設計人才之基礎訓練
摘要
數位運算工具(電腦)已經成為建築設計發展過程不可缺的工具。世界著名 的建築師Frank Gehry設計的「西班牙畢耳包古根漢博物館」與「美國洛杉磯迪士尼 音樂廳」，成為新世紀 的新建築樣式典範。這種新的樣式，以「數位建築」為名，其建築成果明顯呈現了數位運算 工具所帶來的影響。漢寶德先生曾提及數位建築是 一種新的形式，並將之歸類為理性主義 建築的極精密化表現。
數位運算工具沒有地域的差異性，台灣的數位建築相關研究以及數位設計的理論探討,均與 世界並駕齊驅，甚至居於領導地位。國外建築實務界運用數位設計的成果，多能直接應用在 實際建築成果；然而國內的實務界卻仍缺乏具體的表現，而只能在學術界看到小型的嘗試。
本研究將以基層數位設計人才的養成為主要目標，探討相關課程與內容的規劃,並透過課程 實驗操作來評量規劃成果。
本研究將採用實驗方式進行研究探索，分三個階段進行。第一階段為數位建築課程系列規 劃：透過文獻分析歸納，釐定數位建築設計的基本訓練要項，再由國內外相關課程資料的蒐 集與分析結果，進而完成課程系列的規劃。第二階段為實驗操作：選定第一階段課程系列規 劃中之指標性課程，進行實驗教學，並分析檢討結果。第三階段為課程系列評估：深入分析 第二階段實驗教學結果，採用系統式的評量觀念，檢討第一階段的課程系統規劃，討論研究 成果。本研究預期達成三個目的：第一、找出數位建築設計人才的基本訓練要點，進而規劃 養成的基本課程系列；第二、強化基礎原理的訓練，使設計人才能從容應付不斷更新的應用 軟體以及技術的改變；第三、以系統評量的觀點，檢視數位設計人才訓練的整個體系，讓這 個人才養成的系統能有回饋機制成為一個隨時代成長的「活」的訓練體系。
關鍵詞：設計教育、數位建築、課程系列、系統評量
Abstract
Digital computational tools have become necessary in architectural design and development processes. Architect Frank Gehry has designed buildings, such as Guggenheim Museum Bilbao and Walt Disney Concert Hall at Los Angeles, that benchmark the use of such tools. The buildings, in turn, constitute a new architectural style, Digital Architecture. Taiwan is also in the forefront of such movement. Our academic researchers publish many books in digital architecture research and digital design theory development. Unfortunately, our building industry is legging far behind. We propose to set up a special CAAD curriculum to train digital architectural designers.
This research is an empirical study. It is to be carried out in three years. In year one, we produce a preliminary design of the CAAD curriculum through digital architecture and digital design literature survey, as well as through survey of existing CAAD and digital architecture curriculums worldwide. In the second year, project investigators plan to conduct four experimental courses selected from the CAAD curriculum. Year three, the curriculum is evaluated through quality system audit method.
There are three expected contributions. First, identify the fundamental training courses of digital architectural designers. Second, strengthen the designer's training in foundational mathematical theories, in particular, discrete mathematics and analytical geometry. Third, introduce the idea of system audit in place of individual course evaluation to ensure the self-development of the CAAD curriculum.
Keywords: design education, digital architecture, CAAD curriculum, system audit
前言
數位運算工具（電腦）已經成為建築設計發展過程不可缺的工具。世界著名的建築師Frank Gehry設計的「西班牙畢耳包古根漢博物館」[23]與「美國洛杉磯迪士尼音樂廳」[22]，成為 新世紀的新建築樣式典範。這種新的樣式，以「數位建築」為名，其建築成果明顯呈現了數 位運算工具所帶來的影響。漢寶德先生曾提及數位建築是一種新的形式[12]，並將之歸類為 理性主義建築的極精密化表現[13]。本研究基於同一個立場，認為「數位建築」是數位運算 思維融入建築設計過程的最佳呈現；但是「數位建築」會是一個過渡性的用語，由於目前社 會中尚有許多建築設計人員只能運用紙筆之類的傳統工具進行設計，因而必需用「數位建 築」來強調其差異；未來社會的建築設計人員，將是能運用紙筆與數位運算工具進行設計 的，屆時將不須有特別的用語，或者就用二十一世紀的理性主義來稱之。因為，目前仍處過 度期，所以本研究以「數位建築」為主要用語。
數位運算工具沒有地域的差異性，台灣的數位建築相關研究以及數位設計的理論探討，均與 世界並駕齊驅，甚至居於領導地位。連續四年舉辦的「遠東數位建築獎」為「數位建築」的 定義提供了基礎（[15][16][17]）。邱茂林編纂的CAAD TALKS 系列叢書，也為「數位建 築」的內涵提供了許多指引（[2][3][4]）。國外建築實務界運用數位設計的成果，多能直接 應用在實際建築成果；然而國內的實務界卻仍缺乏具體的表現，而只能在學術界看到小型的 嘗試。數位建築的營建成本高，以及基層數位設計人才不足，是造成國內現況的主因。本研 究將以基層數位設計人才的養成為主要目標，探討相關課程與內容的規劃，並透過課程實驗 操作來評量規劃成果。
研究目的
本研究以基層數位設計人才的養成為主要目標，期望對建築實務界有直接影響，將國內建築 設計推展上全世界的舞台。
欲達成這個願景，本研究擬定三個目的：第一、找出數位建築設計人才的基本訓練要點，進 而規劃養成的基本課程系列；第二、強化基礎原理的訓練，使設計人才能從容應付不斷更新 的應用軟體以及技術的改變；第三、以系統評量的觀點，檢視數位設計人才訓練的整個體 系，讓這個人才養成的系統能有回饋機制成為一個隨時代成長的「活」的訓練體系。
文獻探討
本研究屬課程規劃探討，特別是應用在建築設計相關範圍。國內最直接相關的研究，屬台灣 科技大學技術及職業教育研究中心委託的研究。其中，本研究案的施乃中與施宣光兩位共同 主持人，已經在「建築數位化課程規劃」、「『建築設計』之電腦輔助」、「技職教育電腦 繪圖的學習」有最新的研究探索（參考[7][8][9]）。誠然，電腦在建築上的應用之教學研 究，早在民國八０年代就有第一階段的研究成果（如[5][6][19]），也奠基了目前技職體系的 建築課程中電腦相關課程的標準。就研究內容而言，民國八０年代的研究著重在單一數位運 算工具（電腦應用軟體）的操作訓練，而最近五年（民國九０年代初期）的研究，則著重在 以建築設計或專業學習為目標的數位運算工具整合應用。這些研究均著重在工具操作與搭配
應用，較少論及當數位運算工具成為設計思考的媒材時，若能輔以數位運算相關理論背景，
則能強化操作認知與數位設計的思維。
國際間，有關數位建築訓練課程安排的討論，多發生在電腦輔助建築設計研究之國際組織的 年度研討會。最早開始的是歐洲電腦輔助建築教育學會（European Computer-Aided
Architecture Design in Education，簡稱eCAADe），該會最近幾次的年度研討會都有數位 設計教育相關的圓桌論壇（如[43][44][45]）。以北美洲建築學者為主要成員的建築電腦輔助 設計學會（Association for Computer Aided Design in Architecture，簡稱ACADIA），也常 以建築教育為主軸探討數位運算的應用（如[38][39]）；該會 2004 年度的研討會更以數位構 築（Fabrication）為會議主題，討論數位設計成果的營建方式[40]。亞洲的建築學者則以亞 洲電腦輔助建築設計研究學會（Computer Aided Architectural Design in Asia，簡稱
CAADRIA）的年度會議為意見交換與合作討論的機會，每隔幾年都會以教育為主題進行探 討（如[41][42]）。
前述國際研討會的內容，常是來自實際建築課程運作的嘗試性成果。以國內為例，台灣科技 大學建築系曾經開設「數位建築」課程，對象為在大學部高年級學生[26]。台北科技大學建 築與都市設計研究所也曾開設「數位建築」課程，然其對象為研究生[25]。國際間有關數位 建築課程，少部分學校有直接授與碩士學位的課程系列（如[32][33][37]），其他則多在建築 專業訓練階段（大學部高年級以及研究所），提供相關課程（如[27] [28] [29] [30] [31] [34]
[35][36]）。綜觀這些課程規劃，數位建築的相關訓練，多集中在建築專業訓練階段，也就 是大學部高年級以及研究所。
研究方法
本研究採用實驗方式進行研究探索，分三個階段進行。第一階段為數位建築課程系列規劃：
透過文獻分析歸納，釐定數位建築設計的基本訓練要項，再由國內外相關課程資料的蒐集與 分析結果，進而完成課程系列的規劃。第二階段為實驗操作：選定第一階段課程系列規劃中 之指標性課程，進行實驗教學，並分析檢討結果。第三階段為課程系列評估：深入分析第二 階段實驗教學結果，採用系統式的評量觀念，檢討第一階段的課程系統規劃，討論研究成 果。
數位建築的訓練要點
本研究歸納，國內外主要數位建築學者對「數位建築」發展的論述（[1][14][24]），將之分 為兩大部分：一為數位設計思考（digital design thinking），二為數位媒材呈現（digital media presentation）。
1. 數位設計思考：或稱為數位設計方法（digital design method）乃因數位運算的特性，而 由資訊處理與資訊科技引發的設計思考方式。所謂數位運算的特性，首先是數位化的元 素。數位化的世界是一個不連續的世界，個體可以一一細數，也就是世界中的元素都是 離散的（discrete）。數位運算的第二個特性是重複性；數位世界的個體通常是元素重複
（repeat）形成的，或者透過操作方式的反覆運作（iterate）所形成。第三個特性是集結
（aggregation）；數位世界的複雜性，不是因為有眾多不同的元素，而是相同的元素透 過不同方式重複，集結而成看似不同的個體。這些集結而成的個體，可以被拆解，進而 發現其構成組織多為層級式的（hierarchical）架構。數位運算的第四個特性是過程或程 序；數位世界中元素集結成個體的過程，是可以被紀錄下來重複使用的。這個過程稱為 演算法（algorithm），可以運用在不同的元素，集結成不同的個體；也可以變動這個過 程，則用在同一種元素也能集結產生不同的個體。
數位設計思考就是利用這些基本觀念，用來操弄（manipulate）建築元素。一般的建築 訓練，養成設計者以設計產品（就如上述說明中的「個體」）為思考的主體，依賴視覺 呈現的結果與對產品形式的直接變動，來進行設計思考。而數位設計思考，則加入了以
過程的操控為主體的思考，而設計的產品只是元素經過程變動的結果，亦即設計的過程 是符號的操作。這些不連續的符號的操作（姑且稱為離散運算），為離散數學的探討重 點，是國內傳統的設計訓練中完全缺乏的。
2. 數位媒材呈現：數位媒材能透過多種傳統媒介表現，如文字、圖像、聲音及影片。建築 領域的應用則著重空間的表現，透過框架表現結構系統、量體表現空間構成、2D投影圖 面來表現設計細節等等。數位媒材更能加入時間的元素，將時間是為一個可變的符號，
加以控制，用動態的方式呈現設計的成果。然而，不論是三度空間的建築模型或是平面 的建築圖面，數位的資料都是透過符號的表示紀錄於電腦中。而基本原理則來自座標幾 何（或解析幾何），也就是建築設計成果的資料，是以幾何模型的資料內容儲存在電腦 中。
傳統的設計媒材中，三角板與平行尺能精準表現直線為主的設計，而有曲線的設計若要 精準則必須使用圓規形成不自然的曲線，若要有自然曲線則僅能使用不精準的曲線規或 曲線尺。這使得建築設計者缺乏對曲線的精準掌握。數位媒材能讓設計者精確地畫出曲 線或曲面，但要能有效控制曲線的變動，則需要臉解其幾何定義才能達成，這也是國內 傳統的設計訓練中較不重視的。
數位建築的訓練現況
根據前項歸納的「數位建築」訓練要點，本研究先試將台灣科技大學建築系（含二技部與四 技部）與中國技術學院建築工程系（含五專部、二技部與四技部）兩者的課程中，與數位運 算（電腦）相關課程之內容分析，整理得Table 1與Table 2之結果。表中之「開課年級」項 目，凡相當於大學部一二年級者，則列為「低」年級；相當於大學部三年級（含）以上者，
則列為「高」年級。
Table 1. 台灣科技大學建築系數位運算相關課程內容分析
台灣科技大學建築系的課程中（見Table 1），低年級僅規劃有一門數位運算相關課程，內 容著重在設計思考與媒材呈現的實習操作。高年級的課程，則明顯分為兩群：一群偏重數位 媒材呈現也觸及幾何模型的原理；另一群則多與研究所課程合開，偏重離散運算原理與數為 設計思考。其中「建築設計程序與方法」最為獨特，內容著重數位設計思考，但不應用電 腦。整體而言，沒有任何課程單獨著重軟體工具的應用，亦即工具的學習是根基於建築的思 考或溝通的需求；此外，離散運算與幾何模型等原理之教授，偏重在高年級。
Table 2. 中國技術學院建築工程系數位運算相關課程內容分析
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
國內低 0% 6% 25% 28% 100%
國外低 12% 10% 40% 40% 86%
國內高 0% 10% 27% 47% 87%
國外高 10% 22% 32% 43% 93%
國內研 30% 52% 9% 21% 68%
國外研 12% 45% 23% 15% 70%
離散運算 數位設計思考 幾何模型 數位媒材呈現 軟體應用程式操作
Figure 1. 國內外數位運算相關課程內容分析
中國技術學院建築工程系的課程當中（見Table 2），低年級規劃有三門數位運算相關課 程，內容單獨著重在軟體工具的應用。高年級的課程，則明顯分為兩群：一群偏重數位媒材 呈現；另一群則偏重離散運算原理與數位設計思考。整體而言，幾乎所有的課程都專注單一 項內容訓練，並且配合軟體工具的應用操作。由於課程的授課內容近幾年隨著數位運算科技 的發展，而有變動，通常很難由其課程名稱推論內容細節。上述初步對兩個學校課程系列的 分析，顯示「離散運算」與「幾何模型」這兩個數位設計的基礎原理訓練，在低年級的課程 中完全沒有。雖然「離散運算」屬數學中進階代數（algebra）的一支，而「幾何模型」則
涉及解析幾何（analytical geometry）與基礎微積分（calculus）的部分，這些都應在大學 部低年級的共同課程或者高中（高工職）階段的課程。
本研究蒐集的文獻資料第二類屬國內外各大學與「數位建築」相關的課程規劃與內容。雖然 國內外各大學授與建築（與相關）學位者為數眾多，因而相關課程資料量多但不齊全（例 如：僅有課程名稱而無內容說明）。經排除不齊全之課程資料，整理所得國內外「數位建 築」相關的課程規劃與內容，如Figure 1。資料內容來自國內12個與國外（含亞美歐三 洲）15個建築相關科系之課程。在國內課程安排中，大學部（高低年級）均無「離散運算」
之訓練；國外則有少數大學部低年級課程教授此項內容。國外學校的低年級課程即對「幾何 模型」與「數位設計思考」進行訓練；國內大學部低年級課程則多著重「軟體應用程式操 作」。研究所課程重點則國內外大致相似。
演算設計的操作向度
設計的演算法指一系列的設計操作步驟。當代的設計者在運用數位工具發展設計時，必須將 設計思考的結果，轉換為數位工具提供的基本操作（指令），才能具體呈現設計成果。相對 地，熟悉數位工具的設計者，亦能透過組合工具所提供的基本操作，轉為設計操作法來控制 與探索造形。
早期的數位設計（電腦輔助設計）研究側重在以設計思考的因子（如：機能、空間需求量、
空間關係），為輔助設計發展的控制參數（參見如：[46] [47]）。近來的數位設計研究責側 重造形的探索。Monedero對參數式設計的現況、限制與進化作回顧與探討[48]。Glymph等 人從調整參數方式來探討一些自由造形下的玻璃構造 [49]。另外，Fischer、Burry與Frazer 亦對不同參數於衍生造形上作探討 [50]。
相對於以參數控制造形，另一類數位設計研究側重探討設計發展程序的變動對設計結果的影 響。例如，Chase以7個文法基礎的設計系統來了解設計者的行為 [51]。又如，Wang與 Duarte以5種幾何形為基礎，配合形狀文法來衍生設計 [52]。再如，Duarte從文法的觀來點 探討特定區域的住宅型態 [53]，及Flanagan以文法規則來探討構成及造形的表達等 [54]。
綜合文獻的探討，本研究歸納演算式設計的操作向度有二。
1. 參數控制：採用固定的操作步驟，而設定步驟中的某些運算因子為可變動的參數。設計 者可透過變動參數的內容，引發設計成果的變動，進行設計的探索。
2. 程序控制：以一組操作步驟為基礎，進行步驟順序的變動或步驟內容的變動。設計者可 因對設計目標的重新界定，進行對原程序的調整，引發設計成果的變動，進行設計的探 索。
實驗教學
為了解上述演算式設計兩個操作向度，本研究以大學部三年級學生為對象，進行實驗性教學 操作，探索參數控制與程序控制所產生的成果。
教學操作中的基本操作共有七個步驟（如Table 3所示），對一特定圖形單元進行複製安 排，操作結果為一放射狀構成（Figure 2）。參數控制部份的操作，限制學生必須遵照步驟 進行，但可變動步驟中的參數（Table 3中劃底線的部份）。程序控制部份的操作，學生以 基礎步驟為本（Table 3），可用改變步驟順序、增加或刪除步驟等方式，進行變動。
Table 3. 教學操作中的基本操作步驟 步驟 操作
1 選定一個單元
2 【環狀複製】以XY平面為選轉平面，選定距離單元中心5m處的點作為旋轉中心，旋 轉30度角，複製11次。（完成中心的環）
3 【線性複製】選定一個單元，平移距離設定2m，複製5次。
4 【線性複製】選定下一個單元，平移距離設定1.8m，複製5次。
5 【線性複製】選定下一個單元，平移距離設定1.6m，複製5次。
6 【線性複製】選定下一個單元，平移距離設定1.4m，複製5次。
7 【線性複製】選定下一個單元，平移距離設定1.2m，複製5次。
Figure 2. 教學操作中的基本操作結果
Figure 3. 參數控制之學生操作成果
實驗性教學操作的結果顯示在僅變動參數的情況下，對形式變化的影響較小；而程序與參數 結合的控制卻大大地影響著最終的造形。例如：在調整參數的案例中，僅對移動與複製設計 操作中的「次數」做變動，其所得的變化有限。相較於調整設計操作流程的兩案例，對於增 加操作步驟或順序的調整，對結果所產生的影響則顯而易見。此部份顯現了演算式設計方法 在造形衍生上，因部份的小調整而造成大改變的特性。
Figure 4. 程序控制之學生操作成果
結論
本研究完成第一階段之數位建築課程系列規劃。研究主要以文獻探討的方式進行，達成數位 建築訓練要點歸納、國內外數位建築訓練現況整理、規劃演算設計的操作方法，並進行實驗 教學獲知訓練結果。此外，本研究透過研討會參與（將參加ICCCBE 2006中兩個教育分組 的討論），以及非正式訪談會與國外學者討論切磋。
後續研究任務為第二階段數位建築課程實驗操作，與第三階段數位建築課程系列評估。
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