第一章 緒論
1-1研究動機
1-1.1. 個人對於製造1：1構築的數位設計興趣
－結合個人熟悉的手工製造結合數位技術
之前就讀於實踐大學空間設計系，系上的教學著重在手工的實際操作。但是在設計及操作的過程之中，概念的發想一直到實際執行並製造出作品的過程當中。常會因為執行者操作的技巧不夠，而回過頭修改原始設計。使很多的實際作品，往往達不到原始設計者構思的巧妙及精彩。後及至淡江就讀於建築研究所並接觸到研一下的A+U課程發覺，藉由數位工具的設計及操作，可以讓設計最初的概念及想法，以更快的速度來做過程中的檢視及修正。而電腦輔助製造的精準，也使作品在製造的過程中，可以有效降低人為因素的影響。
1-1.2. 個人對於數位設計之興趣
研一下的電腦設計課時，接觸到電腦輔助設計的過程中，參數化的程式設定，使設計者可以邏輯的控制選項，產生出大量的模擬成果。並以最有效率的方式來檢視數位設計作品的各個向度表現。在傳統的設計過程中，要呈現出一件成功的建築設計是需要不斷的模擬與修正，其中所需要花費的時間也隨著設計的複雜而有所不同。但在參數化工具加入了設計的過程之後，修改設計作品變得方便和容易。設計作品的成果檢視也更加便利，從而減少在設計過程中，因為人為因素而造成的失誤。而參數化設定的方式，也從早期使用者需備基礎電腦程式語言才能使用參數設計的狀況下，演變成現在容易使用的直覺化圖示介面。這樣的演變降低了數位設計的門檻，促成了大量位於不同領域的使用者投入數位化設計；在建築設計的領域中，啟發了迥異於傳統的建築設計方式。
1-1.3. 《from Ornament to Design》的閱讀啟發－裝飾亦可成為機能的一部份
包浩思在近代建築教育的發展中有著非常大的影響力，在其教育理念中，手藝的實作技術和想法的思考及計劃同樣重要。因而在設計的過程中，設計者本身對於實作技術及材料的掌握，甚至概念想法的實踐及及計畫，往往會影響整件作品最後所呈現出的品質及樣貌。從設計轉化為實物的實踐過程中，中間的不可預期性及挫折往往會倒果為因的影響到最初的設計概念。因此從建築史上可以觀察到，工業化以後的建築，建築形式大部分都集中在幾何型的發展，並盡量減少不必要的裝飾，以期能達成快速大量製造的目標。外型奇特的建築都只能用紙上建築的方式來呈現；在此前提之下，不必要的裝飾亦不會出現在建築之中。以Botticher所言，建築具有「中心及包覆」(nuclear and cladding)的特性；絕大部分的建築都是設計成骨架的結構系統。在Semper 構造的四種類型中，也把建築的元素分類成基礎、火爐、屋架與屋頂、封閉的表皮等四大類。並強調「連結joint」是建築物形成時最重要的構築因子。
但是在數位設計製造的過程中，最大的特徵是數位製造的結構系統大部分都是和皮層合而為一，亦即某部份數位建築的構築已經不再是獨立的結構系統。這些數位設計製造作品的皮層花紋(Pattern)，都反映出結構的機能。在這種設計製造的特性之下，皮層所呈現出的花紋已經包含了裝飾及結構等兩項特質。在裝飾即結構的前提之下，數位設計製造的建築作品已經脫離了現代主義中形式跟隨機能的口號，並讓裝飾成為機能的一部份。
1-1.4. 由大量生產到大量客製化（CAD / CAM使得這樣的想法可行）的數位過程－數位建築師的自產自製
從歷史上不同的建築時期，都可以發現邏輯、模矩、比例、對稱等數學上的特徵。建築在結構上的需求，使的建築設計都必須符合物理學的基本定律。在一般的設計方式中，大部分的建築設計都必須侷限在傳統計算能力負荷之下的外型。極少數的建築作品，才會出現迥異於傳統結構外型的實際建築作品。在電腦的運算能力日益進步之下，建築的形式逐漸跳脫出傳統的形式，電腦的輔助運算能力也讓外形複雜的建築設計可以做出有效的結構計算及施工。更進一步，數位工具的革新，帶動了理論實現化的可能，許多囿限於傳統人為能力範圍極限而無法實現的理論；在數位工具的使用之下，可以在螢幕中做出有效的三為向度展示。人類對於實體空間的感知，已經不僅止於傳統的空間形式。設計的過程中加入了參數化及腳本技術(Script)之後，成品的特質也因為此具備了”流動”的特徵。
1-1.5. 以程式與腳本技術發展繁複之建築與空間形式 －另一種Form Follows Function(這裡的 Function 指的是程式中的「函數」)。
現代建築中很重要的一個觀點是「Form follows function」，建築的外部必須有效的反應在建築的立面上，非必需的裝飾性元素不必要拿來裝飾立面；使建築可以從外部彰顯出內部機能的樣貌。通常機能決定空間的形式及大小，並在此前提之下，影響著結構系統及外部立面的開洞方式，因此現代主義的建築設計主張形式跟隨機能。在數位設計裡，設計可以依照人為邏輯規範的程式設定之下，自動產生形體。在程式引導的設計主軸之下，機能(Function)將會有新的定義。
1-1.6. 探討資訊技術（Information Technologies，IT）所衍生與製造的新數位形式
工業化後，因應城市人口大量集中而需快速生產建築的時代，現代主義的建築價值提倡「少即是多」，在建築設計中化繁為簡，去除非必要的裝飾性元素來反映出建築的美感。以純粹的機能構件，讓建築的施工方式可以符合工業化標準的生產模式。時至今日，在生產的流程之中，需要人力技術的部份已經成為最耗費資本的環節。人力成本一直向上提升的狀況之下，數位化的生產方式已經逐漸取代傳統費工的人力技術。在數位化生產的過程當中，人力因素的影響已逐漸被機器取代。但是數位製造的產品，在外觀和特徵上，還是與手工製造的產品有相當大的差異。在設計與製造的過程當中，是否可以加入一些人工修飾的流程，讓數位輔助設計與製造的產品，在外觀上具備人工裝飾性的特徵，並更進一步讓裝飾機能化，使得數位製造的產品可以擺脫程式化的外貌。
1-1.7. 本土數位微型建築之創作－以發揮台灣CNC王國之特色
在傳統生產方式的過程中，並不適合快速的變更設計，變更設計往往帶來整條生產線的異動，其中所需支出的額外成本相當龐大。數位化設計的流程中，由設計構圖到成品，其中的生產過程已經不像傳統生產方式那樣多的環節。當在電腦上構圖完成時，立即可以數位輸出製造。建築設計可以達成自產自製的便利，而不必屈就於傳統生產方式的種種限制；數位設計與製造的輔助，使客製化設計的重製與修改已經變得快速且便利。以台灣的環境為例，街頭巷尾都可以看見無所不在的衍生建築(違章)。微型數位構築形式的快速組裝及便利性，在台灣社會的文化背景影響下，發展大有可為。
1-2研究目的
1-2.1. 結合電腦輔助設計與製造（CAD / CAM）－虛擬設計之實作呈現。
本論文的研究目的在結合電腦輔助設計與製造的過程，以虛擬設計快速轉換成實作的形式呈現當中，探討即時數位生產的情形及設計過程的邏輯思考。在數位工具輔助的設計過程中，兼具快速生產製造的前提之下；設計者必須考慮的條件限制及思維。在傳統的建築設計中，因為施工環境的專業分類下，鮮少有設計者身兼施工一職。並且因為施工單位為第三方的情況之下，設計目標、材料選擇及施工方式都必須在兼顧施工單位的情形之下而做出取捨，並且需要大量通用及標準化的設計及施工模式來預設立場。相較之下1：1的自製設計作品，因為在設記身兼施工同一人的情況之下，可以忽略標準化的模式，並進而在作品的設計及構築上力求突破。
1-2.2. 探討數位構築的材料性與結構性
(圖1-1)
數位構築中，數位設計作品常常會以不同的形式出現，而這些形式有時外型差異極大。傳統的生產方式應用在數位設計作品的構築上，往往無法適當精確地呈現出數位設計作品的外型。在傳統製造方式下，材料的特性往往與設計的結果息息相關，不論是新材料的發現還是對現有材料的新型加工方式，都會對設計產生新的影響。以椅子舉例，古代的木材加工方式都呈現人力高度集中的性質，因此傳統的木頭椅子(圖1-1)都跳脫不出外型方正的造型。但是自從加壓曲面合板的新加工方式出現之後，由Eames所設計的椅子(圖1-1)同樣是以木材做為生產原料，但是在整體的外觀即結構上已經與傳統的造型大相逕庭。而工業用的材料引進椅子的設計之後則使得椅子從基本的結構到外型的表現與傳統有根本的不同，Wassily的椅子(圖1-1)因為使用工業用的金屬圓管來做為材料，使他的作品呈現線條交織所產生的空透感。Frank Gehry的椅子(圖1-1)則是使用包裝紙板來做材料，並在作品的外觀上因應材料的特性而有新的造型。但是到了數位設計製造的時代，材料對於設計的影像不在像之前那麼直接且重要。以Lumi Chair(圖1-1)為例，加壓彎曲的木條只是為了能表現出整體設計的流暢外型，木頭材料的選擇並不是絕對，在相同造型及施工的前提之下，亦可以由金屬管材來替代。而Gregg Lynn所設計的椅子(圖1-1)，是由玻璃纖維的版材加熱鑄模而成，為的是可藉由完整的表面來表現出設計的特色。
材料本身的特性，對於數位設計成品的外型影響不再是絕對；反倒是在表現作品的特色的前提之下，哪一種材料的特質最為適切來做為選擇的標準。在電腦的速度還不如今日的時候，電腦繪圖的3D作品往往會因為效能的不足而出現塊體狀的特徵，尤其是在描繪人體等具備曲線形式的物件，產生的失真感尤其嚴重。數位構築的材料如果無法有效的對應數位設計作品，則會讓作品呈現出粗糙的外型。因此本研究在材料及結構的設計及選擇上，應探討數位設計製造應該如何選擇並組合材料，以表現出數位建築的特徵。
1-2.3. 探討各種不同數位製造的方式
目前數位製造的方式是以CNC雷射切割及3D印表機最為普及，但是在個別的數位製造方式中，都有各自的物理條件限制。當一個數位型態的建築作品在設計時，必須考慮不同的拆解及整理方式，來符合電腦輔助設計的製造流程。在傳統的製造方式中，因為CNC切割的精準度，使CNC最常被用來當成製作模具的工具。但是在建築設計製造的過程中，因為CNC精準的CNC則是最常用來切割結構骨架；CNC的生產準確度讓作品在生產時，人為施工因素所產生的影響降低許多。但也因為數位製造的工具不同，使得生產方式並不能同一而論；在個別作品的製造過成中，會因為作品的設計不同而需要不同的製造流程。這也是1：1的數位設計作品在製造過程中最有趣的挑戰。
1-2.4. 結合非制式單元生產與參數化設計於設計與製造過程中
數位製造的方式受到設計外型表現與輔助製造工具的影響非常大，常常需要因設計制宜的特殊製造方式。在對應到豐富表現的數位設計表現形式時，通常無法以通用化設計的制式單元來製造。數位設計作品具有獨特及獨一無二的特徵；也因此面臨當數位建築設計的制式單元完成時，會無法複製到別的設計作品中。從這一個角度來說，參數化設計剛好提供了解決之道。參數化設計使作品可以受到規則及邏輯的規範；在限制的範圍內做出詳細的變化及調整。當一個數位設計及製造的過程被成功的確定時，參數化設計會確保單一作品可被複製及變化的基礎；使得成熟的數位設計作品的外型及結果不會單一化。本研究在設計過程中將結合結合非制式單元生產與參數化設計於設計與製造過程中，以期能設計作品達到大量且多樣的製造條件。
1-2.5. 探討建築的織理性 （Semper：建築四元素）及不同構造單元與表面紋理之整合
在數位設計及製造的過程中，因為數位工具所衍生的構築特性，使得設計作品的表層通常也具備結構的功能。表層的結構性一般是由表面紋理所發展出來，再轉化成構造單元並被實際構築；建築的織理性和數位輔助設計的作品外觀息息相關，數位製造必需考慮到作品設計表層的織理性，才可以合理的方式來施行數位構築的過程。「形隨機能」在數位構築的前提之下，指涉的將是建築的織理形式及構築機能的互相影響關係。本研究將在數位設計的的過程當中，探討建築的織理性及不同構造單元之關係，並以此做為數位製造的參考。
1-2.6. 有機生態表面之構思
如前段所述，數位輔助設計製造再加入參數化工具的使用之後，在表層的織理性上會顯示出參數化的幾何紋理特性。在設計轉化成數位製造的過程中，是否能以有機生態的概念來讓數位紋理結構脫離參數化幾何的特徵，並顯現出人文的精神。法蘭克洛伊萊特（Frank Loyed Wright）的彩繪玻璃在形式上把他個人的大草原風格透過幾何的轉換，將植物抽象化於玻璃的花紋上。本研究在面的生態構思中，將萊特的設計精神為例；試著在數位製造的作品表層中，已有機生態表面做為參考，將參數化的紋理痕跡消除，使數位製造作品可以脫離參數化的外表。
1-2.7. 數位構築美學的呈現及校園中的數位構築實驗
本研究將以自行設計製作的1：1數位設計製造作品來做為論文的主軸，並在建築系館中尋覓一適合的空間做為設計作品的基地。以基地本身的特性做為依據並帶入作品的單元設計及發展之中，使作品本身除了數位設計及製造的參數化外觀之餘，並可具備在地化的涵構。
1-3 相關領域
a.電腦輔助設計與製造（Computer-Aided Architecture and Manufacturing）
b.數位建築（Digital Architecture）
c.數位製造（Digital Fabrication）
d.模矩構造（Modular Structures）
1-4研究範圍與方法
本研究範圍將以CNC的1：1實際數位製造作品的相關製造流程做為研究範圍，探討建築數位設計在轉換到數位製造的過程中，以單元化的製造構件來做為設計作品的構築系統，並以此發展合理的單元構件細部。研究初期將先根據相關文獻書籍的製造方式，結合自行發展的數位設計作品來探索現存的數位構築形式；並加以轉化及改良，嘗試發展成為獨立的單元構件。在此過程中並以1：5 的比例模型來先行試製本研究的設計作品。1：5的比例尺寸可以適當的讓單元的細部和構築方式顯現在作品之中，而不會失真。之後再從比例模型中選擇數位單元製造及構築的方式，並放樣至1：1的實際製造作品當中。
1-5研究流程
1-6預期研究成果
Greg Lynn在Folds, Bodies & Blobs這本書當中提到，自從數位設計及製造興起之後，在建築上對於空間的認知將重新解讀；空間中傳統的水平及垂直線條元素將會因為數位工具的使用而解構重組。在此他認為，一般所認知的空間三要素：牆、天花板及地板會因為定位點的偏移而產生扭曲。本研究將先暫訂這三個要素做為研究設計製造的基本元素，並以此發展單元化設計。
傳統的生產方式應用在數位設計作品的構築上，往往無法適當精確地呈現出數位設計作品的外型。因此本研究在材料及結構的設計及選擇上，應探討數位設計製造應該如何選擇並組合材料，以表現出數位建築的特徵。
本研究1：1的自製作品尺寸則暫訂為3M x 3M x 3M。這個尺寸根據下列幾項因素決定：
一、 在所有的建築使用空間中，撇去服務性的機能空間；可接受的最小尺度約為3公尺立方的尺寸，即是一間房間的距離。本研究的自製設計作品將以基本的3公尺跨距做為集成單元的構築尺寸。
二、 3公尺的跨距單位在經過結構強化之後，在不大幅度增加的自體承重前提之下，結構強度應可放樣至2倍的距離，即為6公尺。6公尺的距離已經相當接近於一般常見的樑柱跨距。在此條件之下，本研究的自製作品將具有實際的學術參考價值。
三、 一般建築物的陽台懸挑距離約莫為2M～3M，因此在設計的發展過程中，如果本研究作品的單元構築需考慮到懸挑的結構方式，在3公尺的範圍之內較具有實現單元構築實驗的可能性。
四、 3公尺立方的製造作品本身即可視為一獨立的單元，並可將模矩化的概念加入設計過程當中，使得研究的數位自製作品具有組合延伸及擴大的自備條件。
五、 另一方面，如果單元組織必須另尋結構依附，3公尺的模矩單位將可以適當的結合現有的建築空間尺寸並做為基地。
根據以上原因，本研究的預期研究成果將以3M x 3M x 3M的尺寸做為實際自製作品的基本構築範圍。
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