皮亞諾的美術館自然採光策略之構築思維研究

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

皮亞諾的美術館自然採光策略之構築思維研究 研究成果報告(精簡版)

計 畫 類 別 ： 個別型

計 畫 編 號 ： NSC 98-2221-E-011-124-

執 行 期 間 ： 98 年 08 月 01 日至 99 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 ： 施植明

計畫參與人員： 博士班研究生-兼任助理人員：劉芳嘉

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 99 年 10 月 29 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 成果報告 皮亞諾自然採光美術館的構築思維與實踐

Renzo Piano's tectonic thinking on museum daylight strategies 計畫類別：個別型計畫

計畫編號：NSC 98-2221-E-011-124 執行期間：2009/08/01-2010/07/31

計畫主持人：施植明

計畫參與人員：劉芳嘉

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

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□ 赴國外出差或研習心得報告一份

□ 赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□ 出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□ 國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、列管計畫 及下列情形者外，得立即公開查詢。

執行單位：國立台灣科技大學建築系

中 華 民 國 99 年 10 月 28 日

中文摘要

關鍵字：皮亞諾、自然採光、主動式、被動式、節能永續。

延續路康(Louis I. Kahn, 1901-1974)運用構築方式回應美術館自然採光的需 求，義大利建築師皮亞諾(Renzo Piano, 1937-)同樣以其擅長的構築技術發展出更 豐富的自然採光美術館之空間形式。本研究試圖以皮亞諾所設計的五幢自然採光 美術館為研究案例，包括梅尼爾美術館(Menil Collection, 1982-1986)、湯柏利美 術館(Cy Twombly, 1992-95)、貝耶勒基金會(Foundation Beyeler, 1991-97)、納許雕 塑中心(Nasher Sculpture Center, 1999-2003)與亞特蘭大美術館(Expansion of the High Museum of Art, 1999-2005)的增建案，透過案例文獻與細部圖面的比較分 析，以及繪製 3D 模擬圖的方法，來解讀皮亞諾自然採光美術館的構築思維與實 踐策略。

我們發現皮亞諾整合了結構、採光構造與設備系統，發展出主動式與被動式 的自然採光形式；其構築的思維也從展現工程技術與材料細部的高科技美學，逐 漸轉移至節能永續的生態議題上。不同於傳統的古典以及現代主義的抽象形式，

皮亞諾發展出兼具構築技術與環境特質的自然採光美術館，並為未來美術館建築 朝向永續節能設計指引出一條可行的方向。

Abstract

Keywords: Renzo Piano, daylighting, active, passive, sustainable.

Following the tectonic methods which had been used by Louis I. Kahn to resolve the requirements of daylighting for the museum, Renzo Piano have also developed many types of museum using daylight in the space by the tectonic methods. The research tries to investigate different kinds of tectonic methods that Piano applied to the works of museum, such as Menil Collection (1982-1986), Cy Twombly (1992-1995), Foundation Beyeler (1991-1997), Nasher Sculpture Center (1999-2003), and Expansion of the High Museum of Art (1999-2005). Through documenting, analyzing the architectural drawings, and rendering the 3D models, we study these works to know better how Piano devised the skylight system by advanced technologies and materials, and to reveal his design thinking of responding to the sustainable ideas through architectural constructions and technologies.

We find that Renzo Piano worked out the active and passive strategies of daylighting by integrating the structure, skylights and mechanical services. The Renzo Piano’s tectonic thinking has transformed from expressing the technologies and constructional details to considering sustainable issues. Renzo Piano’s museum works reveal the characteristics of technologies and environment as well; moreover, they set a good example of sustainable design methods for the museum in the future.

目錄

報告內容

壹. 前言……….05 貳. 研究方法與目的……….06

参. 案例研究與分析……….06 一.梅尼爾美術館(Menil Collection, 1982-1986)

二.湯柏利美術館(Cy Twombly, 1992-95) 三.貝耶勒基金會(Fondation Beyeler, 1991-97)

四.納許雕塑中心(Nasher Sculpture Center, 1999-2003)

五.亞特蘭大美術館(Expansion of the High Museum of Art)增建案

肆. 綜合分析………..………24 一.主動式的自然採光形式

二.被動式的自然採光形式

三.主動式與被動式自然採光形式的構築特性

伍. 結論………..26 陸. 參考文獻………..27

壹.前言

1970 年代，隨著由美國照明設計師李察凱利(Richard Kelly, 1910-1977)與建築 師路康(Louis I. Kahn, 1901-1974)所共同合作設計的金貝爾美術館(Kimbell Art Museum,1966-72)與耶魯大學英國藝術中心(Yale Center for British Art, 1969-74)相 繼完工，美術館建築的照明策略逐漸突破了以往以人工燈具與高側窗的採光模 式。在這兩幢作品中，他們應用構造材料與工程技術不斷地探索自然光線最佳的 採光模式，將美術館空間形式與照明設計的發展帶向了均佈式自然採光的革命性 方向。

在此之前，由於自然光線中的紅外線與紫外線會對藝術作品造成危害，建築師 往往無法直接大量地應用自然光線作為主要照明之用。當時，凱利與路康開發出 特殊的自然採光構造，並結合結構元素的組構，形塑了一個可以控制並降低自然 光線中有害因子的屋頂構造。美術館的空間形式因此可以無後顧之憂地向天空打 開，自然光線變成是提供藝術品照明的主要光源，並扮演著形塑展示空間氛圍的 重要元素。

在當代建築的實踐中，延續路康美術館的設計思維與空間構築的手法出現了許 多標榜自然採光設計的創新案例。其中尤以義大利建築師皮亞諾的美術館建築作 品最具有傳承意義的重要性。時間回溯至 1966-67 年期間，皮亞諾曾在路康的事 務所實習，當時他參與了歐利維提打字機工廠(Olivetti-Underwood Factory)的設計 工作，並負責其中採光屋頂的輕質結構設計與細部圖面繪製。

1974 年當路康不幸驟逝，他所遺留的梅尼爾美術館設計案於 1981 年由梅尼爾 女士重新委託給皮亞諾負責設計。當年路康所遺留的設計草圖與自然採光的構築 手法，成為影響梅尼爾美術館後續設計發展的重要因素。2008 年底，當金貝爾 美術館增建案競圖揭曉的那一刻，更讓人感受到皮亞諾與路康在美術館建築設計 上承先啟後的時代意義。贏得競圖的皮亞諾在公開演說時曾表明：「我其實並沒有 做太多設計，我所做的設計都是路康在 30 幾年前就已經提出的了。」(Buchanan, P. , 2008)。

皮亞諾的美術館建築延續了路康整合特殊採光構造與結構形式的設計思維以 及構築手法。他更進一步應用最新的構造材料與工程技術來回應環境特質與節能 的永續設計議題；將路康結合自然採光展現美術館內在特質的抽象思維，更進一 步地發展出兼顧環境生態的永續構築策略。

本研究首先分析每個案例特殊的環境因子以及與之對應的設計概念，了解皮亞 諾如何回應每個基地的特殊條件而提出不同的設計決策；隨後，針對皮亞諾實質 的構築手法，包括空間組織的安排、結構形式的組構、自然採光構造的分析以及 環境控制等觀點，進行案例研究的歸納分析；最後針對上述的的觀點進行綜合的 比較分析，歸納出皮亞諾整合空間、結構、自然採光與環境永續的設計思維與實 質的構築策略，並從空間特質與整合成效的角度對最終的整合設計作出評論。

貳.研究方法與目的 一.研究方法

本研究針對五幢皮亞諾設計的自然採光美術館，包括梅尼爾美術館(Menil Collection, 1982-1986)、湯柏利美術館(Cy Twombly, 1992-95)、貝耶勒基金會 (Fondation Beyeler, 1991-97)、納許雕塑中心(Nasher Sculpture Center, 1999-2003) 與亞特蘭大美術館(Expansion of the High Museum of Art)的增建案，應用案例的文 獻資料、細部圖面的比對分析與繪製 3D 模擬圖的方法，來解讀皮亞諾自然採光 美術館的設計思維與構築手法；並將這五幢美術館建築的自然採光策略進行比較 分析，說明皮亞諾在構築手法上的差異與特性。

二.研究目的

以設計高科技建築著稱的皮亞諾，非常重視構築過程的邏輯與精準的細部組 成。他曾提出「元件組合」(pieces by pieces)的構築觀念，尤其在美術館設計中，

這些組成彷彿也是空間中的精緻藝術品。本研究試圖從細部圖說與 3D 拆解圖的 分析中，探究皮亞諾如何發揮材料的特性設計出符合美術館空間尺度的構造元件 與結構形式，而呈現出現代化的建築工藝之美；並歸納整理出皮亞諾對於美術館 建築實質的構築手法。

針對每個設計案不同的環境特質，皮亞諾應用金屬、玻璃以及特殊的構造材料 設計出不同的自然採光構造組合。這些採光構造往往與結構系統、設備管線以及 環境控制設備整合在一起。本研究應用 3D 拆解圖來了解當中整合的邏輯、組構 的方式與照明的形式；並藉此了解自然採光、溫度控制與通風換氣等環境議題，

在皮亞諾的美術館乃至於未來提倡環保永續的美術館設計中所應扮演的角色與 整合的手法，以此提供日後美術館建築朝向節能永續發展一個可以操作的方向。

参.案例研究與分析

一.梅尼爾美術館(Menil Collection, 1982-1986) (1).環境因子與設計策略

梅尼爾美術館座落於美國德州休士頓市，依 Koppen 氏氣候分類法屬於全年 溫暖多雨氣候區。基地歷年統計的夏季平均日照時數均在 8 至 9 小時之間，夏季 氣溫更可達 34℃。配合生物氣候圖分析當地全年溫溼度變化後，我們可以發現 夏季自然通風與冬季全部被動式太陽能採暖是最適合當地的環境設計策略【表 1，圖 1】。因此，如何回應日照議題是皮亞諾思考梅尼爾美術館設計時必須面對 的基本問題。

基於業主希望形塑一個能夠感受自然光線隨時間變化的展示空間特質以及基 地環境的氣候因子，皮亞諾提出服務空間局部遮陽、自然通風與被服務空間採光 頂篷的設計策略，藉由組織空間與結構元素的構築手法，來降低空調設備機具的

耗能與形塑自然光線照明的空間形式。

(2).空間組織的安排

依循基地週遭的社區紋理，皮亞諾將美術館空間配置成東西長向的矩形量 體；並於南、北向設置服務性與主要入口。基於服務與被服務空間的機能特性，

皮亞諾將地下室與南向區塊規劃為主要的服務性空間；為了能夠引進比較穩定的 自然光源，北向則設計成單樓層的展示空間。其中，皮亞諾依循結構系統的模矩，

利用雙層牆體的組合，將展示空間依照展場規劃的特質劃分成大小不同的空間單 元。美術館主要的儲藏空間則設置於南側量體的地下室及二樓空間，由獨立的設 備機房提供專屬的防護機制【圖 2-4】。

1 月

2 月

3 月

4 月

5 月

6 月

7 月

8 月

9 月

10 月

11 月

12 月 平均最高氣溫(℃) 16 18 22 26 29 32 33 34 31 28 22 18 平均最低氣溫(℃) 4.3 6 10 15 18 21 22 22 20 14 10 6 相對溼度(%) 58-

85 55-

89 54-

87 54-

89 57-

91 56-

92 55-

93 55-

93 57-

93 53-

91 55-

89 57-

86 日平均日照(小時) 4.6 5.5 6.2 7 8 9.4 9.5 8.7 7.9 7.4 5.6 4.8

圖 1 休士頓市生物氣候分析圖

表 1 休士頓市全年氣候因子統計表

圖 2 一樓平面圖

展示空間 服務空間

服務空間 圖 3 二樓平面圖

服務空間

機房空間 圖 4 地下層平面圖

0 5 10M

0 5 10M

0 5 10M

(3).結構形式、自然採光構造與環境控制的整合

梅尼爾美術館的結構形式是由桁架所組成的框架式結構系統，結構形式主要 是由南北向的主結構與東西向的次結構所構成。在此結構系統中，比較特別的是 作為次結構(三向度桁架)下弦構件的自然光線反射葉片，它主要承載次結構的下 部張力【圖 5-7】。而次要結構的桁架孔隙則安置空調回風的設備管線。皮亞諾將 梅尼爾美術館的自然採光構造與環境控制系統整合於結構系統的組構秩序中【圖 8】。

延續路康引進自然光線作為展示照明的設計概念，皮亞諾必須處理強烈日照 與平均日照時數長的基地環境問題。他藉由採光構造的組合將自然採光的設計分 為過濾與折射兩個步驟，能夠過濾有害光的紫外線並避免自然光線直接照射到藝 術展品【圖 8】。而反射葉片平行於基地的東西向設置，結合反射葉片的曲率，

希望引進最大量的北向自然光線。由於反射葉片兼負張力承載的角色，其構造由 鋼絲網灌注混凝土 (ferrocement)組構而成，再經過酸洗與磨平的手續，形塑反射 自然光線所需的曲面特質【圖 9】。

根據美術館中展示與儲藏空間的機能差異，皮亞諾規劃了兩套不同的空調系 統。為了節省空調耗能與顧及展示空間的溫度品質，皮亞諾在展示空間規劃了置 換式中央空調系統，空調氣體由高架地板出風口吹出，透過雙層牆體與設置於屋 頂桁架孔隙的回風管線回流，形成完整的空調迴路關係；辦公室、研究室與儲藏

圖 5 三向度桁架構件分解圖(次結構)

圖 6 結構系統 3D 模擬圖 圖 7 三向度行架 3D 模擬圖

室等服務性空間設置下吹式的中央空調系統，可以依照人員與物品的變動迅速地 提供所需的溫度調節。設備機具的安置則考量震動與整體通風冷卻的設計，將展 示空間的大型空調機具放置於地下室，研究與儲藏空間的空調機具則安置於一、

二樓中間的夾層位置，藉由風力通風加強冷卻空調機具的效果【圖 10】。

二.湯柏利美術館(Cy Twombly Gallery, 1992-1995) (1).環境因子與設計策略

1992 年，尼梅爾女士計劃於尼梅爾美術館基地旁，籌建一處專門展示其所收 藏的當代藝術家湯柏利(Cy Twombly, 1928-)作品的美術館。由於在空間特質上與 梅尼爾美術館講求可彈性變動展示空間的屬性有所差異，湯柏利美術館希望形塑 一個空間與牆面固定的展示空間特質。有鑑於此，回應相同的基地條件皮亞諾思 考如何應用多重遮陽的手法來形塑一個均佈式的自然採光形式與簡潔柔和的空 間特質，並能夠節省空調設備的耗能【表 1，圖 1】。

圖 8 自然光線處裡示意圖 圖 9 光線反射葉片構造細部(ferrocement)

圖 10 結構、自然光線與空調設備整合關係圖 過濾

折射 空調進氣

0 5M

(2).空間組織的安排

不同於梅尼爾美術館矩形長向的空間組織，皮亞諾在湯柏利美術館採用正方 形的空間組織安排來展現單一固定式的展示空間特性。展示空間依參觀動線採取 環繞式的配置方式，服務空間則統一配置於東側，明確地區分出服務與被服務的 組織關係，地下室則是空調設備機具與儲藏的服務性空間【圖 11】。

(3).結構形式、自然採光構造與環境控制的整合

湯柏利美術館的結構系統是由預鑄式的鋼筋混凝土構造與鋼骨結構所組成的 混合式系統。預鑄的鋼筋混凝土構件組成美術館四周的圍蔽系統，並貼附再生石 材，形塑出厚實的幾何量體；內部則由鋼骨構件組構出框架式的柱樑系統，便於 結合室內空間的雙層牆體與自然採光的天窗構造，能夠提高整合結構、設備與自 然採光的效率與經濟性【圖 12】。

圖 11 地面層平面圖

圖 12 空間剖面圖

0 5M

0 5M

回應日照強烈的基地環境特質，不同於梅尼爾美術館應用過濾與反射的自然 採光步驟，皮亞諾重新思考自然光線的照射品質。他提出遮陽、過濾、折射與再 擴散的光線處理步驟，將自然採光的構造分成四個主要的組成部分：最上層是成 固定角度的遮陽百葉，由第二層格子狀的次結構作架高的設置，將自然光線作減 量的處理，並可降低太陽輻射熱與熱傳導的效應；第三層由傾斜的 LE 玻璃與主 動式的反射百葉所組成，扮演阻擋風雨、濾光與形成二次反射光的角色，而主動 式的反射百葉由自動監測器控制，能夠調整自然光線的入射角度，並在閉館時組 絕自然光線的進入；第四層則由棉織材料形成擴散自然光線的界面，形塑出均勻 變化的自然光線照明效果，進而營造出簡潔柔和的展示空間特質。經過這四個自 然光線的處理步驟，展示空間呈現了自然光線演色性最佳的特質，空間的上部宛 如發著白光的天幕，皮亞諾創造了充滿自然光線而獨特的展示空間形式【圖 13-14】。

由於自然採光的設計需求，服務湯柏利美術館的設備管線必須藉由垂直向的 雙層牆體與高架地板來作整合。設備管線、高架地板、雙層牆體與屋頂空調熱交 換機具形成服務系統的循環路徑。室內的空調出風由高架地板送出，再透過雙層 牆體頂端的回風口形成溫度調節的迴路。湯柏利美術館的設備管線與採光構造都

圖 13 (左)自然採光構造分解示意圖 圖 14 (右)自然採光構造 3D 模擬圖

1

2

3

4

1

2

3

4

整合於結構系統的秩序中，使得展示空間能夠在照明與空調上呈現最佳的效果

【圖 12】。

三.貝耶勒美術館(Beyeler Foundation Museum, 1992-1997) (1).環境因子與設計策略

貝耶勒美術館座落於瑞士與德國邊境的巴塞爾(Basel)小鎮，依 Koppen 氏氣候 分類法屬於大陸性氣候區。基地歷年統計的夏季平均日照時數不到 7 小時，全年 普遍處於低溫涼爽的氣候環境【表 2】。配合生物氣候圖分析當地全年溫溼度變 化後，我們可以發現全部或部分被動式太陽能採暖是最適合當地的環境設計策 略。換言之，溫室效應與暖氣空調是當地保持室內舒適環境條件最適宜的設計策 略【圖 15】。皮亞諾在設計發展的過程中，便嘗試應用冬季花房與密閉採光天窗 的溫度緩衝層搭配暖氣空調的使用，來回應基地日照短與長期低溫的環境特質；

並進而引進自然光線與減少暖氣設備的使用機會。保溫與引進自然光線是皮亞諾 在思考如何回應基地條件時必須整合的設計議題。

1 月

2 月

3 月

4 月

5 月

6 月

7 月

8 月

9 月

10 月

11 月

12 月

平均最高氣溫(℃) 3 4 9 13 18 21 24 23 20 13 7 4

平均最低氣溫(℃) -3 -2 1 3 8 11 13 13 10 6 1 -1

相對溼度(%) 80- 89

71- 89

60- 88

56- 88

56- 88

56- 87

54- 88

54- 91

60- 92

70- 92

77- 90

80- 89 日平均日照(小時) 1.4 2.7 3.8 4.7 5.4 5.9 6.8 6.2 5.3 3.4 1.9 1.2

圖 15 巴塞爾鎮生物氣候分析圖

表 2 巴塞爾鎮全年氣候因子統計表

(2).空間組織的安排

貝耶勒美術館為一長條形基地，東向緊鄰往來瑞士與德國間的主要公路，西 向為一傾斜的緩坡。依循基地紋理的特質，皮亞諾將地面層的服務空間配置於東 側，展示空間則安排於西側，降低外部吵雜的環境對展示空間所造成的干擾。主 要參觀入口由基地南側進入，至中央展廳後再分散至左右展館，形成循環式的參 觀動線；貨物進出的服務動線則安排於東北側，可由公路直接進入地下室的服務 空間；為了儲存太陽的熱輻射效應而減少使用空調暖氣的機會，皮亞諾在西側規 劃了連結地面與地下層空間的冬季花房，為展示空間創造了一個保溫層之外，也 將自然光線引進了地下室的臨時展場；地下室則規劃為主要的設備與儲藏空間，

以及一處臨時性的展場。空間的配置皆依循著基地環境的特質以及服務與被服務 的空間組織概念，皮亞諾整合了環境與展示空間的特質，減緩了環境因子對展示 空間所造成的負面影響【圖 16-17】。

展示空間

服務空間

冬季花房

展示空間 服務空間

冬季花房 圖 16 一樓平面圖

圖 17 二樓平面圖

0 10 20M

0 10 20M

(3).結構形式、自然採光構造與環境控制的整合

基於回應當地傳統石砌建築的形式特徵以及寒冷的氣候條件，皮亞諾選用鋼 筋混凝土作為主要的結構系統，外層貼覆當地紅色砂岩的石材並具有較高的蓄熱 能力；屋頂則為由鋼骨所組成支撐設備與採光構造的次結構系統。整體 6m×7.8m 的結構模矩也形成展示空間的組織秩序，皮亞諾將空間、採光與設備整合於結構 系統的組構秩序中【圖 18】。

皮亞諾將貝耶勒美術館的自然採光構造設計成一個溫度緩衝層，兼具自然採 光與調節溫度的功能。屋頂層的自然採光系統由四種處理自然光線的構造所組 成：最上層為傾斜的雙層乳白玻璃，作為減少直射光線的遮陽構造；第二層為雙 層的 Low-E 玻璃，能夠過濾有害的紫外射線與短波輻射，並隔絕外部風雨的影 響；第三層為主動式的百葉裝置，能夠控制自然光線的入射量與角度，並在閉館 時阻斷自然光線的進入；最後一層為擴散自然光線的多孔隙金屬天花，將自然光 線均勻地漫射至展示空間中。而在網狀金屬天花之上還有一層玻璃構造，結合第 二層的濾光玻璃組成密閉的溫度緩衝層，於空間上部形成局部的溫室效應區塊，

減少空調暖氣使用的機會【圖 19-20】。

圖 18 結構系統(支撐與被支撐)施工照片

圖 19 自然採光構造剖面大樣圖

第 1 層 第 2 層

第 3 層

底層玻璃 第 4 層

空調回風口

1 2

3 底層玻璃

皮亞諾為了形塑展示空間簡潔透明的自然採光天篷，設備管線由地下室設備 機房經由高架地板與雙層牆體向展示空間提供環境控制的服務。其溫度調節採用 置換式的空調系統，出風口設置於架高的地面，回風口則安排於雙層牆體的上 端。此系統結合屋頂的自然採光天篷能夠節省空調設備的耗能，並使得展示空間 維持穩定舒適的室內溫度【圖 21】。

第 1 層(遮陽)

第 2 層(過濾)

第 3 層(主動式百葉)

支撐骨架

第 4 層(再擴散)

展示空間

圖 21 短向剖面圖

圖 20 自然採光構造 3D 拆解圖

自然採光構造層

冬季花房 高架地板

設備空間

0 5M

四.納許雕塑中心(Nasher Sculpture Center, 1999-2003) (1).環境因子與設計策略

納許雕塑中心座落於美國德州達拉斯市，依 Koppen 氏氣候分類法屬於全年 溫暖多雨氣候區，其基地環境特質具有夏季日照長與平均氣溫高的特性【表 3】。

從生物氣候圖分析當地的溫溼度變化後，我們可以發現夏季自然通風與冬季全部 被動式太陽能採暖，是最適合當地的環境設計策略【圖 22】。

然而，不同於一般收藏藝術畫作為主的美術館，納許雕塑中心主要是展示與 收藏立體的雕塑作品，對於自然光線品質的要求與危害較不敏感，業主納許先生 更希望這是一幢沒有屋頂的美術館建築。有鑒於此，皮亞諾在創造室內空間自然 採光形式的同時，必須考量當地日照強烈所造成的熱輻射效應。皮亞諾的設計團 隊因此開發出特殊的蛋型遮光器，兼具遮陽與採光的功用。

1 月

2 月

3 月

4 月

5 月

6 月

7 月

8 月

9 月

10 月

11 月

12 月 平均最高氣溫(℃) 12 15 20 25 28 33 36 36 31 26 19 14 平均最低氣溫(℃) 0.4 2.7 7.6 13 17 21 23 23 19 13 7.4 2.4 相對溼度(%) 53-

78 51-

77 47-

75 49-

77 51-

82 48-

81 43-

77 41- 76

46- 80

46- 79

48- 78

51- 77 日平均日照(小時) 5.9 6.4 7.3 7.9 8.3 9.9 11 9.8 8.2 7.4 6.1 5.6

圖 22 達拉斯市生物氣候分析圖

表 3 達拉斯市全年氣候因子統計表

(2).空間組織的安排

基地座落於缺乏歷史與單調的達拉斯市市中心區，四周被道路所環繞，北側 更是吵雜的高速公路，西南側則是達拉斯市立美術館與高層辦公建築區。皮亞諾 對於配置的想法既不是去抵抗，也非嘗試扭轉既有的涵構紋理，而是認為新的美 術館必須以素淨與低矮的尺度來回應週遭的環境，並能展現出館區所創造的城市 綠洲之氛圍。另一方面，皮亞諾應用石材牆體的空間圍塑手法，試圖在視覺上形 塑一處充滿考古遺蹟的環境氛圍。

皮亞諾將美術館本體遠離高速公路配置，並以垂直於街道的牆面來組織美術 館空間，引導行人的視線進入內部空間與庭院；臨高速公路側則規劃為戶外雕塑 公園，減緩車流噪音對展示空間的干擾。室內空間被單純地劃分為五個跨距，中 間三個跨距規劃為主要展間與入口大廳，左右兩側則是服務性的空間，包括監控 室、餐廳、禮品店與會議室。有別於展示空間自然採光的需求，皮亞諾將兩側的 服務空間設計成封閉的平屋頂，並將會震動的空調機具放置於其上方【圖 23】。

地下層主要為服務性的空間，皮亞諾僅在靠西南側的兩個跨距設置一處表演 廳與對光敏感作品之展覽室等公共性空間；在地下層平面的四周則規劃為儲藏與 機房空間，提供最經濟便捷的收納管理與設備服務；比較特別的是皮亞諾將平面 的東北角規劃為裝卸貨碼頭，貨車可以坐專用升降梯進入地下室。為了讓地面層 展示空間能夠有更多自然採光的機會，皮亞諾將大部分服務性空間配置於地下 層，使得地下層面積超出了地面層的範圍。整體空間以平行的牆體作為空間組織 與分隔的主要依據【圖 24】。

服務空間

展示空間

圖 23 地面層平面圖

服務空間

被服務空間 展示廳 演講廳

圖 24 地下層平面圖

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(3).結構形式、自然採光構造與環境控制的整合

納許雕塑中心由兩種結構系統所組成：地下層是厚實的鋼筋混凝土承重系 統；地面層則是由鋼骨的框架式結構所建造，外層再包覆以石灰華面材，整體呈 現出不同程度的粗糙質感，形塑皮亞諾所要傳達的經歷長久風化作用後的考古殘 跡。鋼骨框架式結構中央由 5cm 鋼板切割而成的曲形鋼樑連結，提高框架式結 構的側向穩定性。而鋼樑中央額外加設張力拉桿來懸吊，拉桿在此猶如彈簧提供 一個上升的力量，減少曲形鋼樑所受的彎曲應力，讓整體露明的結構骨架在尺度 上能夠更加纖細，以此強化屋頂構造的透明性特質【圖 25-26】。

納許雕塑中心的自然採光系統支撐於曲形鋼樑之上，主要由兩種構造元素所 組成：最上層是蛋型遮光器所組成的遮光篷架。設計團隊依據當地太陽運行的時 間、角度與軌跡，計算出直射光線與蛋形遮光器開口的相對關係。除了仲夏初、

末時期之外，遮光器阻擋了所有直射光線進入室內空間的可能性，其材質是由抗 紫外線耐腐蝕的聚偏二氟乙烯(PVF2)所形塑而成。考量通風冷卻與金屬熱傳導的 效應，遮光器架高於曲形鋼樑安置，皮亞諾藉由構造的細部設計來減少環境控制 設備的負擔；第二層是雙層的 Low-E 玻璃，下層鍍上抗紫外線塗料，過濾進入 室內空間的有害射線(紅外線、紫外線)。應用雙層的自然採光構造，皮亞諾創造 了一個高照度的雕塑展示空間，提供雕塑展品擺設與展場規劃更大的自由度；也 減緩了室內看向室外的眩光，將兩者同時映入眼簾，展現了雕塑美術館融合室內 外環境的空間特質【27-29】。

圖 25 框架式鋼結構骨架 3D 圖 圖 26 張力拉桿施工照片

圖 27 蛋型遮光器製作步驟

納許雕塑中心的展示空間也選擇使用置換式空調系統，整體系統由地下室機 房整合，再由高架地板與雙層牆體提供空調循環的路徑，使得空間能夠不受管線 的限制與干擾，呈現出簡潔的形式。而展示空間室內淨寬為 32 英呎，剛好是單 一空調循環能夠服務的極限，因此出風口僅設置於牆體下部，樓板中央不再另設 空調出風的位置；回風與消防出水口則設置於牆體上部，形成下出風上回風的空 調迴路；高架地板內則設置兩套空調系統，服務展示空間的系統安裝於牆體下 部，中央的空調主機則是服務地下層的空間。在納許雕塑中心的整合設計中，雙 層牆體是皮亞諾整合結構與設備管線，並形塑出古體空間特質之關鍵元素【圖 30-31】。

圖 28 自然採光構造拆解圖 張力拉桿

第一層 第二層

曲型鋼樑

圖 29 自然採光構造照片

圖 30 短向剖面圖 雙層牆

地下室空調機 展示空間空調機

圖 31 屋頂構造剖面圖 張力拉桿

蛋型遮光器

雙層 Low-E 玻璃 曲型鋼樑

消防灑水與回風口

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五.亞特蘭大美術館(Expansion of the High Museum of Art)增建案 (1).環境因子與設計策略

亞特蘭大美術館座落於美國東岸，依 Koppen 氏氣候分類法屬於全年溫暖多 雨氣候區。其夏季日照炎熱，七月平均最高溫高達 31.1℃，冬季則會有降雪的情 形。我們從生物氣候圖的分析中發現，遮陽、自然通風與全部被動式太陽能採暖，

是回應當地氣候條件最適宜的環境設計策略。皮亞諾考量當地氣候條件對展示空 間自然採光所造成的影響，著重於解決當地夏季氣候高溫炎熱的問題，整體考慮 日照因子以遮陽作為環境整合設計的主要策略【表 4，圖 32】。設計團隊因此根 據緯度開發出兼具遮陽的自然採光構造，並回應舊館白色外牆的分割模矩，將整 合環境因子的構造元素變成是形塑外部造形的立面特徵。

1 月 2 月 3 月

4 月

5 月

6 月

7 月

8 月

9 月

10 月

11 月

12 月 平均最高氣溫(℃) 10 13 18 23 26 30 31 31 28 23 17 12 平均最低氣溫(℃) -0.3 1.4 5.8 10 15 19 21 21 18 11 6 1.7 相對溼度(%) 51-

84 50-

77 48-

78 45-

78 49-

82 52-

83 57-

88 56- 89

56- 88

51- 84

52- 81

55- 79 日平均日照(小時) 5.3 6.1 7.1 8.7 9.3 9.5 8.8 8.3 7.6 7.7 6.2 5.3

圖 32 亞特蘭大市生物氣候分析圖 表 4 亞特蘭大市全年氣候因子統計表

(2).空間組織的安排

考量亞特蘭大美術館所在的市中心區缺少一處有整體特色的都市開放空間，

皮亞諾對空間組織的安排著眼於與鄰近公共空間的聯結以及內部廣場的形塑；期 望未來的藝文空間能夠與市民的生活動線結合，提高市民每日生活與藝術活動接 觸的機會。

因此皮亞諾提出藝術村的規劃概念，將空間分為文化教育場所(音樂廳、劇院 與展示空間)、研究空間與辦公管理等三種主要的空間類型；並將空間沿著與地 鐵站連結的西側街廓配置，再依據內部規劃的開放空間型態切割出空間類型的區 塊與連結動線。空間配置的操作由銜接舊館展示空間的機能開始，依序為擴建的 展示空間、音樂廳與管理中心，南側街廓轉角處則規劃一幢學生的住宿空間【圖 33】。

(3).結構形式、自然採光構造與環境控制的整合

不同於先前皮亞諾所設計的低樓層展示空間，亞特蘭大美術館增建案高度達 24 公尺，整體採用高樓層的骨架式鋼骨結構系統，與理查邁爾(Richard Meier, 1934-)所設計的舊館在整體高度與立面模矩上取得合諧【圖 34】。

而基於遮陽與自然採光的雙重考量，皮亞諾設計了特殊形狀的遮光斗篷 (cowl)。其斗篷單元由三種構造元件所組成：最外層是鋁製的曲型遮陽板，其形 狀是將皮亞諾的設計模型透過電腦運算當地的環境因子後形塑而成，整體形狀只 在北方留有些微傾角的開口，允許北向的直射光線進入；第二層為雙層的低鐵 Low-E 玻璃，能夠將有害的紫外射線隔絕在外，並達到冬天保溫的效果；最後一 層為強化玻璃纖維的漏斗狀光線擴散筒，它藉由長度與表面質地提供傾角的直射

圖 33 藝術村平面配置圖

1 2

4 3

5 6 7

1.舊展示空間;

2.藝術表演中心;

3.餐廳;

4.新展示空間;

5.小型音樂聽;

6.管理中心;

7.學生宿舍

光束多次折射的反射通道【圖 35】。相異於先前皮亞諾設計的均佈式自然採光形 式，亞特蘭大美術館增建的展示空間則展現圓孔形分佈的採光天花形式，透過特 殊的開口形狀，使得展示空間散發出充滿自然光線變化的空間氛圍【圖 36】。

為了考量結構系統、自然採光與環境控制的整合問題，皮亞諾將樓層高度調 整為 7.2 公尺，提供高架地板與天花層所需的設備服務空間。其中，空調與電力 設備主要透過高架地板與雙層牆體的空間來作整合；而人工照明設備與自然採光 天窗則是由天花層的露明空間來架設。皮亞諾在建築量體的周圍還規劃有垂直向 的設備整合溝渠，作為聯結高架地板與設備機房之間管線傳輸的路徑【圖 37-38】。皮亞諾回應了理查邁爾模矩化的系統，從外部立面到內部結構、照明與 設備的整合設計都應用了模矩化的單元來達到整合的效果，展現了不同於先前由 牆體來組織展示空間的均佈式特質。

圖 34 基地短向剖面圖(連結服務與展示空間)

圖 35 自然採光構造分析圖 圖 36 頂層展示空間

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肆.綜合分析

分析這五幢皮亞諾的美術館作品，我們可以發現其擅長的自然採光設計策略 與結構以及設備系統具有嚴謹的整合邏輯，並會針對不同的基地環境特質設計出 不同的整合形式。而從這五件作品的整合設計中我們觀察到皮亞諾構築思維與策 略的演變，其關鍵在於構築工具與技術的進步導致了自然採光設計策略的變革。

當中最大的轉變在於，採光策略從早期以主動式光線控制為主自然採光形式演變 到現今完全被動式的作法，本章將針對主動式與被動式的整合形式進行綜合的比 較分析。

一. 主動式的自然採光形式

皮亞諾的自然採光設計思維將自然光線的處理步驟分為折射、過濾以及再擴 散三個主要環節，再依據基地環境特質的差異發展出不同的構造組合。主動式的 光線控制策略起因於梅耶勒美術館光線控制的領悟。皮亞諾最初在梅耶勒美術館 的自然採光策略中只應用了過濾與再擴散的機制，並無法有效地控制艷陽下強烈 的日照所造成的對比極大的照明效果。

在隨後的湯柏利美術館設計案中，皮亞諾在過濾與再擴散的被動式機制中加 入了被動與主動式的遮陽百葉，先將自然光線作被動式反射減量的處理，經過過 濾有害射線後再透過第二道的可調式百葉來控制照度的大小。經過這兩道構造的 改良後，自然光線對展示空間所造成的負面疑慮有效地獲得控制，皮亞諾的美術 館才逐步發展出均佈式頂光照明的自然採光形式。

圖 37 樓層構造剖面圖 圖 38 展示空間剖面圖

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主動式的光線控制構造是由電腦監測設備所控制，能夠感應當日日照的紫外 射線含量作出機動性的調整，並能在閉館期間關閉自然採光頂篷，保護展品免於 在閉館無監測控制的狀態下遭受紫外射線的危害。在這五幢美術館作品中有湯柏 利與貝耶勒美術館採用主動式的控制系統，它們主要與自然光線的過濾機制整合 在一起，於阻絕外部水氣與紫外射線後，再調整自然光線的入射量提高室內照明 的穩定性。

檢視主動式的構造組成後我們發現，固定角度與形狀的被動式反射板並無法 完全地阻絕直射光線的進入，必須再透過主動式的百葉作第二次的反射調整。然 而，這樣的整合策略必然導致採光構造的體積增加與能源的額外耗損。

二. 被動式的自然採光形式

從納許雕塑中心興建完成之後，皮亞諾的自然採光形式朝向了全然被動式的 自然採光策略轉變。借助於電腦輔助運算與構造切割的技術，皮亞諾設計的自然 採光構造單元跳脫了先前採固定式角度與形狀的構造組合，透過電腦對當地日照 因子的分析形塑出能夠阻擋直射光線進入的自由形體。自然採光構造因此可以減 少主動式遮陽百葉的設置，不用再擔心不同角度的直射光束會因季節的改變而進 入到室內空間中。

我們可以從納許雕塑中心與亞特蘭大美術館增建案中，觀察到完全被動式自 然採光構造的自由形特質。他們皆應用自由形阻擋了東、西、南三個方向直射光 束進入室內空間的機會，並只允許北向有傾角的直射光束進入，經由構造的形狀 與組合將直射光束轉變成多次反射的折射光，均勻地散佈至展示空間中。也因此 減少了在主動式採光構造組合中，於光線處理的最後步驟設置光線擴散層的功 用。

三. 主動式與被動式自然採光形式的構築特性

依循自然光線的處理步驟(遮陽、過濾與再擴散)以及回應環境特質的想法，

皮亞諾發展出具不同構築特質的主動式與被動式的採光構造組合。在構造元件的 結構特質上，只有梅耶勒美術館的被動式反射葉片具有結構傳遞的作用，承受三 向度桁架下弦的張力承載，其餘美術館的自然採光構造均為被支撐的組合構件。

在構造形式的表現上，被動式的採光構造依照不同基地特殊的自然光線因子 發展出獨特造型的構造元件，包括梅耶勒美術館的反射葉片、納許雕塑中心的蛋 型遮光器、亞特蘭大美術館增建案的遮光斗篷等，均是使用數位造型、切割技術 與特殊材料製造出一體成形或分段組合的客製化構造元件；而主動式的採光構造 則應用標準化的工業製品(金屬與玻璃)，依照光線處理的三個步驟分層組構遮陽 頂篷、有害光線過濾層、可調式百葉控制層與光線再擴散層等。也因此相較於主 動式的採光構造，被動式構造能夠呈現較高的透明性與構件形式的特質。

從採光構造的組構特性來分析，我們發現主動式構造的遮陽元件通常由次結 構支撐，外掛於結構骨架之上，並與建築本體相隔一段距離，藉由風力通風達到

冷卻與降低熱傳導的作用。而主動式構造的過濾、可調式百葉與再擴散構件則填 充於結構骨架之間，整合於空間上部的天花之中，以天花為單元直接地服務底下 的展示空間。比較湯柏利與貝耶勒兩幢美術館主動式的自然採光構造可以發現，

湯柏利美術館著重遮陽的效果，頂層應用尺寸較小與間距較窄的固定式百葉，而 貝耶勒美術館則注重保溫的效果，應用尺寸較大與間距較寬的固定式百葉，並利 用雙層的玻璃構造形成密閉的包溫空間；被動式的採光構造則因一體成形與分段 組裝的構造特質，將遮陽、過濾與再擴散的功能整合於一個構造單元中，可以全 然地外掛於結構骨架之上(納許雕塑中心)，或填充於結構骨架之間(亞特蘭大增建 案)【表 5】。因此相較於主動式構造依照光線處理步驟分層組裝的耗時耗力，被 動式構造具有較小的體積與較簡易的組裝過程，唯獨製造的技術性與成本相對較 高。

結構特質 生產方式 組構特質

客製化 支撐 被支撐

一體成形 分段組合

工業化 外掛式 填充式

湯柏利 ◎ ◎ ◎ ◎

主 動

式 貝耶勒 ◎ ◎ ◎ ◎

梅尼爾 ◎ ◎ ◎

納許 ◎ ◎ ◎

被 動

式 亞特蘭大 ◎ ◎ ◎

伍.結論

1960 年代之後當科技與技術逐漸起飛，人們相信透過工程技術與新材料科技 的應用，建築可以克服自然環境條件的限制，恣意地發展建築師的設計創意。也 因此導致大量的環境控制設備開始影響空間形式的發展，並衍生能源耗損的問 題。

以美術館建築為例，大量的人工照明燈具逐漸取代了傳統高側窗的間接照明 形式，配合空調設備的使用，美術館建築開始朝向全面人工照明的展示空間形式 邁進。模矩化的懸吊式天花系統取代了能夠揭露自然光線的展示空間形式，自然 光線漸漸褪去了在建築師思考設計時提供照明與創造展示空間特質的重要角色。

然而，在工程技術與材料科技發展的影響下，皮亞諾設計的美術館仍然秉持 路康引進自然光線的設計思維，發展出主動式與被動式的自然採光形式。基於回 應環境因子特質的同時，皮亞諾認為發展技術與構造細部是建築師創造空間不可 缺少的重要觀念。主動式的採光構造由模矩化的工業產品所組成，實踐了皮亞諾

「元件組合」(pieces by pieces)的構築觀念。主動式自然採光構造的設計思考著 重於構築技術與材料細部的展現。從湯柏利與貝耶勒美術館我們就可以發依循結 構秩序層層疊加的細部構造組成，清楚地揭示了組合精確的構築美學。

隨著電腦數位科技的演進，皮亞諾發展出全面被動式的自然採光形式。其特

表 5 主動式與被動式自然採光形式構築特性分析表

殊的造型解決了引進自然光線必須處理的遮陽、過濾與二次反射的問題。相較於 主動式採光構造需額外附加機械設備與能源供給的需求，被動式的採光構造則展 現出更加永續節能的優點。皮亞諾思考永續節能的觀念如何在建築中實踐時曾強 調：「…...面對 21 世紀的建築發展，建築師有責任透過設計的創新與構築的技術，來減少能源 的耗損與對環境的衝擊….」(Buchanan, P. , 2008)。而被動式自然採光構造的發展則完 全體現了皮亞諾珍惜環境資源的設計思維。

皮亞諾設計的自然採光美術館創造出均佈式與特殊形式的自然採光天篷，使 得美術館的展示空間在充滿自然光線的變化下散發出具有藝術性的表現特質。從 空間氛圍與整合設計的角度來檢視這五幢美術館建築作品，被動式的自然採光形 式在形式表現、構築特性與能源效應上都具有前瞻性的意義，為未來美術館建築 在空間形式、展示照明、工程技術與設備整合等議題上，指引出一條永續發展的 方向。

陸.參考文獻

Buchanan, P. (1993). Renzo Piano Building Workshop: Complete works volume one.

New York: Phaidon Press Inc.

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New York: Phaidon Press Inc.

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New York: Phaidon Press Inc.

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Dini, M. (1984). Renzo Piano: Projects and buildings 1964-1983. London: The Architectural Press.

Hawhes, D.,& Forster, W. (2002). Architecture, engineering and environment. London:

Laurence King Publishing Ltd.

Newhouse, V. (2007). Renzo Piano Museum. New York: The Monacelli Rress.

無衍生研發成果推廣資料

98 年度專題研究計畫研究成果彙整表

計畫主持人：施植明 計畫編號：98-2221-E-011-124- 計畫名稱：皮亞諾的美術館自然採光策略之構築思維研究

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 1 100%

研究報告/技術報告 0 0 100%

研討會論文 0 1 100%

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 0 3 100%

博士生 0 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 1 100%

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% 章/本 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 0 0 100%

博士生 0 0 100%

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 (無法以量化表達之成 果如辦理學術活動、獲 得獎項、重要國際合 作、研究成果國際影響 力及其他協助產業技 術發展之具體效益事 項等，請以文字敘述填 列。)

無

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

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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

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技轉：□已技轉 □洽談中 ■無 其他：（以 100 字為限）

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）

從本研究成果不僅可以了解著名義大利建築師 Renzo Piano 在美術館設計上，運用構築方 式達到自然採光的一些設計手法，同時也可以發現基於永續環保的理念，近年來他放棄了 先前的主動式設計策略轉而發展被動式策略的設計手法。此種回應永續環保趨勢的努力，

值得大家學習。