環境動力構造

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

環境動力構造 研究成果報告(精簡版)

計 畫 類 別 ： 個別型

計 畫 編 號 ： NSC 99-2218-E-011-022-

執 行 期 間 ： 99 年 09 月 01 日至 100 年 05 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣科技大學建築系

計 畫 主 持 人 ： 施宣光

共 同 主 持 人 ： 鄭逸琳、邱韻祥

計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：李齊 碩士班研究生-兼任助理人員：陳映彤 碩士班研究生-兼任助理人員：陳仲哲 碩士班研究生-兼任助理人員：涂智超 博士班研究生-兼任助理人員：黃致傑

處 理 方 式 ： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 100 年 08 月 31 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ■ 成 果 報 告

□期中進度報告

環境動力構造

計畫類別：■個別型計畫 □整合型計畫 計畫編號：NSC 98-2218-E-011-011

執行期間： 99 年 9 月 1 日至 100 年 5 月 31 日 執行機構及系所：

計畫主持人：施宣光

共同主持人：邱韻祥、鄭逸琳

計畫參與人員：陳映彤、李齊、涂志超、侯佳延、陳信君、陳仲哲

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：■精簡報告 □完整報告

本計畫除繳交成果報告外，另須繳交以下出國心得報告：

□赴國外出差或研習心得報告

□赴大陸地區出差或研習心得報告

□出席國際學術會議心得報告

□國際合作研究計畫國外研究報告

處理方式：除列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢

中 華 民 國 100 年 08 月 31 日

摘 要

傳統的建築物在設計上必須避免因外力影響產生變形而導致意外的發生。反觀自然界的生物往往 隨環境變遷反應而改變自身的型態，以獲得更佳的生存處境。聰慧建築願景之一就是讓建築物能夠回 應不斷變動的自然環境與人為使用需求，能夠改變其構造型態來達到與環境帄衡和諧共存的願景。建 築構造往往體積重量龐大，需要昂貴的設備與大量的能源才能提供其形態變化所需的動力。本計畫提 供一種更效的概念設計可以僅使用低能源與簡單設備來達到建築構造變形以適應環境的目的。

本計畫的目標在使用不會造成環境衝擊的環境擾動(ambient force)提供建築構造型態變化所需的 能源以及控制機制，希望藉由自然環境的隨機擾動達到構造變形的目的。環境擾動包含建築構造物在 環境中受到的風力、地震、活載重、以及日夜溫差產生的熱脹冷縮應力等產生的效應。本概念設計的 關鍵概念是利用可以控制方向的單向制動桿件，讓不具特定方向、力度的環境擾動可以被選擇性的施 加在建築構造上，引發其對環境的回應，累積小的擾動造成建築構造型態的變化以適應環境及需求的 轉變。本計畫的成果為基於此理念下，提出具更應用潛力的設計原型，並對其在建築構造上的應用潛 力作深入的探討。

ABSTRACT

Buildings should be able to resist all kinds of forces that might cause any deformation for safety. On the contrary, life forms in the nature often transform themselves to adapt to the environmental changes. The vision of smart buildings anticipate that buildings can react to the constantly changing environment and

human needs, possibly by applying some transformations to the structures, envelopes, and partitions of spaces, in order to maintain equilibrium relation between the natural and the built environments. Building structures are large and heavy. Transformation to the building structure requires lots of energy and heavy mechanics.

The objective of this project is to find solutions for low-energy and controllable transformations of building structures.

All buildings are constantly interacting with ambient forces caused by wind, earthquake, live-load, and thermal changes. Conventionally, only very small transformations are allowed for meeting the safety requirements. In this project, we expect to use these ambient forces as energy sources for desirable transformations. The key issues of the system is to devise a kind of structural element that can selectively react to some specific directions of forces, while resisting to other directions of forces that might cause unexpected transformation. Design of such ambient-force-drive kinetic structure are proposed and tested.

研究背景與目的

建築物在設計上基於安全的考量往往以較高的安全係數設計，以避免因外力影響而產生意外。反 觀自然生態系統中的植物，隨環境變遷反應自身的型態變化，以獲得更佳的生存處境。環境擾動包含 建築在環境中受到的風力、地震、活載重、以及日夜溫差產生的位移動力。我們認為環境擾動可以是 建築生命週期中取之不竭的資源，更機會讓建築物具改變自身型態的能力以回應環境變化。因此，提 出利用環境擾動作為驅動來源之動態建築構造概念設計。

環境擾動發生在建築物身上的特性是：次數頻繁方向力度不定。如果能透過機構設計的方式，以 累積動能的原理截取這種能源，將為厚重的建築體帶來運動的可能。我們期待的動態建築是以緩慢地

速度產生型態的改變。像是植物回應氣候與季節性的變化一般，以此為居住者營造美感與更好物理環 境條件的空間。

普及運算(Ubiquitous Computing)技術發展下，軟建築(Negroponte, 1975)的概念得以利用新興 的感測器、運算處理器、促動器技術發展互動建築(Fox & Kemp, 2009)。近年來，許多研究與產業開 始關注具環境察覺(context-aware)與環境適應力(adaptable)系統的應用，認為能為聰慧環境的發展 帶來可行的機會（Sterk, 2003; Dey et al., 2001）。一個具備察覺能力的系統，除了在資訊處理層 次反應分析結果外，若還能回應實際型態的變化，將更機會表現更高層次的行為模式。本計畫所提出 的利用環境擾動作為驅動來源的建築構造就是架構在該理念上。除了提出能夠截取環境擾動動力的建 築構造外，更運用新興的互動技術在建築結構中，發展具自主行為模式的動態建築。

在節能環保的理念下，設計可以使用自然資源作為驅動能源的設計已經視為未來建築的發展趨 勢。我們所提出的環境擾動桿件，透過機構設計截取了來自環境中的動力資源，以提供動態建築的驅 動來源。此外，探討了自然環境與建築型態的物理環境效應，以及延伸出的美學價值。

概念設計方案

基地設定：「台灣塔國際競圖」設計方案

在概念設計發展前，我們參加了位於台中市的「台灣塔國際競圖」，本競賽的目標為結合台中市都 發局及城市願景館等展示空間，在台中設計出新的高樓地標。

我們的設計為一座高 400m 的高塔，由中央的結構／服務核與週遭三片螺旋帶狀構造為建築結構，

並連結地面的覆土造景，試圖將基地週遭的綠帶透過覆土及螺旋帶狀構造帶入高樓中，成為一座生態 綠塔。由於我們的設計著重於建築與自然環境的關係與互動，因此於賽後將此作品作為基地，繼續發 展本團隊環境動力構造之概念設計。

Water Tree

設計概念

本設計目標為可反映環境條件變化而開闔的雨遮，且藉由儲存環境動力而提供構造作動時所需的 能量，無需額外的耗能。

本設計預想基地為台灣塔設計中覆土停車場頂層天窗處，為直徑約 10 米的圓形挑空。目前坊間大 面積天窗為達到理想的採光與良好的遮蔽性，往往以可動的設計解決，但礙於材料重量、強度、跨距…

等因素，而需大量增加建築成本且不易達成。本設計目的即為解決上述之問題，為大型挑空天窗帶來 合宜的遮蔽性，並同時考慮晴天時室內、外空氣的交換與對流。

本設計靈感來自於雨傘的構造及開合方式，以及 Santjago Calatrava 設計中於造型上所散發出的 結構美感。由於台灣塔設計概念源自於自然，因此本設計於造型上與作動時形態的變化上，希望達成 如同花朵綻放與閉合的優雅美感。

圖 1 設計概念

設計方案 方案一：

構造設計源自於顛倒的雨傘。本設計以中軸上下作動牽引副架構，最後帶動主架構開闔。雨天時 構造以自重方式降下開啟，並將所受的環境動力壓縮中軸中之儲力桿件中，待雨停後釋放儲力設備使 構造自力上升閉合，恢復原本收合的狀態（如圖 2）。

方案二：

本設計致力於改善重心以降低所需施力之大小。利用槓桿原理將支點向外延伸，主架構連接中軸 中之帄衡錘以均衡支點兩側配重。機構作動方式之一為雨天時依舊以自重方式降下開啟，雨停後釋放 儲力設備向帄衡錘施加向下的力量，使構造自力上升閉合；另一種作動方式的想法，則以環境力控制 中軸帄衡垂的上下位置，以控制機構的開闔，如：浮力的運用（如圖 3）。

圖 2 圖 3

環境自然力驅動方式

由於為依不同氣候條件而改變形態的構造，因此本設計希望藉由自然力的變化而讓構件產生作動。

方案一：儲力桿件＆繼電器卡榫

本機構目標為當機構偵測到雨水時，以繼電器控制取出卡榫，始機構依自身之重心分佈而緩緩張 開；當張開後無論是雨水拍打傘布、或風力的吹撫，都會將這些壓縮與伸張的震動力量儲存於儲力桿 件中；待天晴後，機構則以預先儲存的力量彈回閉合的狀態。

方案二：以水浮力控制帄衡垂

本機構為對應設計方案二中的作動方式。設計方案二中，主架構以槓桿原理將轉軸位置以拖架方 式外推，並以帄衡錘帄衡轉軸內外的重量，達到更省力的作動方式，且控制帄衡錘的垂直位置即可達 到構造的作動效果。因此可經過設計，將帄衡錘的比重低於雨水，在雨水注入帄衡錘週遭時，便可以 浮力將帄衡錘抬起，而預設的配重為帄衡錘側略重於支點外側，因此當帄衡錘未受浮力影響時，將會 下降達到收合的狀態（如圖 4）。

圖 4 構造實驗模型 圖 5 呈現情境

Wind Blossom

設計概念

環境中不論是風、濕度、溫差、太陽等因子，我們很難在短時間內去作準確預測，更不用提透過 環境力來發電，或者是改變環境條件。但在長時間像是一個月、一整季，甚至是一整年的周期下，我 們能清楚的看到這些環境因子規律的周期性，現在我們把環境因子當作是對建築物的訊息，透過立面 的處理來讓建築物去轉化這些訊息，在立面上做出改變，讓無形的風多變的特質變成肉眼能在建築物 表皮上可以看到的變化。

本設計應用於台灣塔立面之螺旋帶狀構造的六角型網狀分割，導入環境動力(Ambient Force)的概 念，期待建築物能接受溫度差、風力、重力、溫差、太陽能等環境力的刺激，甚至透過構造對環境做 出回應。

設計內容

台灣塔的螺旋彩帶由六角形單元所分割，我們將 Wind Blossom 運用在每一個六角形的單元上。雖 然是相同且彼此互相獨立的單元，但 Wind Blossom 會因不同高度、不同方向的風壓讓環繞在台灣塔上 的做出大小不同的反應，每個 Wind Blossom 就像是電腦螢幕上的一個亮點，Wind Blossoms 之間些微 的不同會在大尺度上變成一幅巨大的圖案(PATTERN)，而且圖案是隨著時間持續做漸變。Blossoms 讓 無形的風變成可視的動態圖案，並且記錄下風的日夜、季節等週期性變化，透過立面與風之間的互動，

拉近台灣塔與台中這個大環境之間的距離。

環境自然力驅動方式

Wind Blossom 就像是一個簡單的摺紙單元，能夠摺疊、收張的特性讓它能對長時間的風力改變更 所反應。在風變強的時候 Wind Blossom 會收縮、關閉，來減低受風面積；在風力減弱時候再緩緩的張

開。為了讓環境力的運用更符合高塔建築的尺度，我們在中央的伸縮桿件中加入阻尼，如此一來減緩 了瞬間強風對 Wind Blossom 的影響，也延長了型變週期，讓地面上的人們更能感受到高塔立面的漸變。

圖 6 Wind Blossom 單元 圖 7 Wind Blossom 單元模型

應用方式

Wind Blossom 勢必為可拆卸、量產的單元，可以在不同節氣拆卸更換成不同顏色的 Wind Blossom，

可以想像每年新年都能看到台灣塔換上新衣裳。

我們可以透過「開」與「關」刻意的去描繪立面上的圖案，就像是１０１大樓的立面。在未來的 運用上，透過調整個別單元的阻尼係數，進一步去控制圖案，甚至是讓相鄰的 Blossoms 之間更資訊的 交換，這些資料點透過邏輯的運算轉換成開合大小的程度，讓台灣塔立面成為能反應風的矩陣，組成 更更意義的圖案（如圖 7）。

圖 8 Wind Blossom 呈現效果

Wave Band Texture

設計概念

在台灣塔的設計內容當中，由地面延伸而起，其下附含機能與空間的屋頂草坡，將會成為民眾休 憩與遊園的公共開放綠意空間。是想像蜿蜒起伏的坡地將隨風擺盪，將原先靜止沉寂的草皮屋頂，塑 造成自由搖曳的花草意象，不僅使得建築外貌變化無窮，同時讓人群活動所依附之大地隨天候韻律轉

換其景致，如此回應環境與生活之相互牽絆，使空間與建築都活了起來。

圖 9 Wave Band Texture 設計手稿 設計內容

波型動態曲面構造是由線型桁架構造作發想之起源，將原先線型二維的單層構造向斜上方疊加一 層，以獲取較深的斷面所提供之較大抵抗應力，並且可依靠上層或下層之細胞單元的形變來達到不同 方向的曲率變化，使之上舉或下沉。

借單元細胞內之簡易線性伸縮機之來達到整體的不同變化，往後預期利用小型風車藉由自然風力 轉動葉扇帶動以螺紋機制為伸縮原理之設計來驅動此一構造，與自然環境產生回應與互動，並以此一 潔淨動力來達到生態共生，期盼往後當微風撫過身旁之時，我們將看見波型曲面能如搖曳的草皮一般 沉浮！

呈現效果

計畫後期嘗試將線性構造朝側向延伸，成為一具寬度之單元細胞箱體，以期趨近面狀之實際運用 樣貌，隨後便將帶狀之單元構造並排陳列，如此便可塑造極具變化之動態曲面，藉由帶狀單元的自由 線型律動，更能使其做動出與原先線型構造極為不同之造型與需求，並可在一連續面上呈現不同幅度 之波型變化。

圖 10Wave Band Texture 設計單元 圖 11Wave Band Texture 單元模型

結論

本計畫提出環境動力構造的概念，企圖以零污染的環境動力驅動建築構件，讓建築物可以因應自 然環境與使用模式而改變其形態構造，在形態、功能、結構或者其他建築相關構面達到更佳狀態。本 計畫經過概念設計創意實作，將環境動力構造的概念發展成三種不同尺度與類型的實體設計，整合運 用於台灣塔的設計方案中。經過製作實體模型顯示環境動力驅動建築構造是可行的概念，也更很多機 會可以應用於實體建築設計上，在無需額外動力的前提下提升建築物對環境以及使用模式變動的適應 能力，是一個具備發展潛力的概念設計。

參考文獻

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Beesley, P. (2005). "Orgone Reef", Architectural Design, 75(4), John Wiley & Son, London, UK, pp.46-53.

Dey, A.K., Salber, D., and Abowd, G.D. (2001). "A Conceptual Framework and a Toolkit for Supporting the Rapid Prototyping of Context-Aware Applications", Human Computer Interaction, 16(2), Taylor & Francis, London, UK, pp.97-166

Fox, M., and, Kemp, M. (2009). "Interactive Architecture", Princeton Architectural Press, New York, USA Goulthorpe, M., Burry, M. and Dunlop, G. (2001) Aegis Hyposurface© : The Bordering of University and Practice, In:Proceedings of the Twenty First Annual Conference of the Association for Computer-Aided Design in Architecture, pp. 344-349

Hoberman, C. (2010). "Expanding Video Screen for U2 360° Tour", Architecture and Urbanism, 2010:2, A&U Publishing Co Ltd, Japan, 2010, pp.119-121

Jansen, T. (2008). "Strandbeests", Architectural Design, 78(4), John Wiley & Son, London, UK, pp. 22-27 Negroponte, N. (1975) Soft Architecture Machines, MIT Press, MA, USA

Sterk, T.D. (2003). “Using Actuated Tensegrity Structures to Produce a Responsive Architecture”, In Proceedings of the Annual Conference of the Association for Computer-Aided Design in Architecture, pp.

85-93.

國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表

日期:2011/08/31

國科會補助計畫

計畫名稱: 環境動力構造 計畫主持人: 施宣光

計畫編號: 99-2218-E-011-022- 學門領域: 前瞻概念設計

無研發成果推廣資料

99 年度專題研究計畫研究成果彙整表

計畫主持人：施宣光 計畫編號：99-2218-E-011-022- 計畫名稱：環境動力構造

量化

成果項目 ^{實際已達成}

數（被接受 或已發表）

預期總達成 數(含實際已

達成數)

本計畫實 際貢獻百

分比

單位

備 註 （ 質 化 說 明：如 數 個 計 畫 共 同 成 果、成 果 列 為 該 期 刊 之 封 面 故 事 ...

等）

期刊論文 0 0 100%

研究報告/技術報告 0 0 100%

研討會論文 0 0 100%

論文著作 篇

專書 0 0 100%

申請中件數 0 0 100%

專利 已獲得件數 0 0 100% 件

件數 0 0 100% 件

技術移轉

權利金 0 0 100% 千元

碩士生 4 4 100%

博士生 1 1 100%

博士後研究員 0 0 100%

國內

參與計畫人力

（本國籍）

專任助理 0 0 100%

人次

期刊論文 0 0 100%

研究報告/技術報告 1 1 100%

研討會論文 0 0 100%

論文著作 篇

專書 0 0 100% 章/本

申請中件數 0 0 100%

專利 已獲得件數 0 1 0% 件

件數 0 0 100% 件

技術移轉

權利金 0 0 100% 千元

碩士生 3 3 100%

博士生 1 1 100%

博士後研究員 0 0 100%

國外

參與計畫人力

（外國籍）

專任助理 0 0 100%

人次

其他成果

(

本計畫之概念設計成果已於 2010 新一代設計展於台北市世貿大樓展出。

所完成之台灣塔設計案參加 2010 年台中市政府主辦之台灣塔國際競圖。

成果項目 量化 名稱或內容性質簡述

測驗工具(含質性與量性) 0

課程/模組 0

電腦及網路系統或工具 0

教材 0

舉辦之活動/競賽 0

研討會/工作坊 0

電子報、網站 0

科 教 處 計 畫 加 填 項

目 計畫成果推廣之參與（閱聽）人數 0

國科會補助專題研究計畫成果報告自評表

請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況、研究成果之學術或應用價 值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性） 、是否適 合在學術期刊發表或申請專利、主要發現或其他有關價值等，作一綜合評估。

1. 請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況作一綜合評估

■達成目標

□未達成目標（請說明，以 100 字為限）

□實驗失敗

□因故實驗中斷

□其他原因 說明：

2. 研究成果在學術期刊發表或申請專利等情形：

論文：□已發表 □未發表之文稿 ■撰寫中 □無 專利：□已獲得 □申請中 ■無

技轉：□已技轉 □洽談中 ■無 其他：（以 100 字為限）

台灣塔的設計實作參加 2010 由台中市政府主辦之台灣塔國際競圖 設計原型在世貿展出

3. 請依學術成就、技術創新、社會影響等方面，評估研究成果之學術或應用價 值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）（以 500 字為限）

本計畫之成果具備聰慧建築前瞻應用的可能性。對於聰慧建築願景之一就是讓建築物能夠 回應不斷變動的自然環境與人為使用需求，能夠改變其構造型態來達到與環境平衡和諧共 存的願景。建築構造往往體積重量龐大，需要昂貴的設備與大量的能源才能提供其形態變 化所需的動力。本計畫提供一種有效的概念設計可以僅使用低能源與簡單設備來達到建築 構造變形以適應環境的目的。本計畫依據環境動力概念所設計出來的單向制動桿件已經完 成設計，如果能夠經由後續研究，在建築的實體尺度上進一步證實其可行性後，就可以提 出專利申請，並實際用在由環境動力所驅動之可動的建築構造上。