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2012年5月23日 星期三

以資訊作業的角度看建築資訊建模與設計實務之衝突與可能的化解方式

專業分工是建築設計實務上非常重要的原則,是經過千百年前人所傳承下來的經驗與智慧所建立起來的。專業分工最重要的目的就是把與建築相關的複雜資訊做適當的分割,讓各個專業能夠適度的獨立作業,又能透過適當的介面讓建築師進行整合。在程序上能夠配合與業主的溝通及決策,盡量讓每一個專業參與者不會因為決策的細化或者變更而徒勞無功。現行的建築設計實務同時也兼顧了各專業與業主各自的立場,透過合約與互信關係的建立讓每一個參與者都可以在其可以承受之風險壓力下安於其作業。資訊技術的改變勢必對此傳承已久的專業產生衝擊,建築設計相關知識的供應鏈會出現結構性的變化,在變化過程中產生的衝擊與可能的化解之道就是這次專題討論的主題。
建築資訊建模(Building Information Modeling)是一種對於建築設計資訊處理的理想化概念,被提出來後短短幾年之間成為無可抗拒的趨勢。相對於其在實務界飛快的推展速度,事實上就資訊處理的概念與技術而言,並沒有與之相對應的突破。各種與BIM相關的應用軟體,都是基於上個世紀八零年代所發展出來的物件導向程式設計的技術與概念,加上電腦3D圖像加速技術所開發出來的應用系統。就以物件導向的技術而言,現階段BIM的技術應用也僅限於以物件屬性為主的資料結構,對於物件導向技術概念中非常重要的程序性資訊的封裝並沒有深刻的討論與應用。而建築設計程序性資訊的整合可能就是化解目前BIM在建築設計實務應用過程中所可能遭遇之困境的關鍵。
傳統的設計表達方式以建築物之造型、構造與材料之規格為主。建築師的任務就是把預期完工後的建築物之關鍵性規格以圖面等各種施工合約文件表達出來。建築師表達設計的方式可以說是一種宣示性的資訊,著重在所完成物品最後的樣貌。相對於此,廚師描述一道菜色的方式則是以食譜來表示,著重的是程序性的資訊。以水餃為例,應該沒有任何一份食譜會把水餃的構造用專業製圖的方式精準的畫出來,也不會有任何一家餐廳會以各道菜色之平立剖面的規格來建立其廚房的作業規範。目前建築專業圖面繪製的工具都是以描述宣示性資訊為主。即使是基於物件導向之概念與技術所開發出來的BIM相關工具而言,對於程序性的資訊也僅只於零碎片段的紀錄。
建築師的設計流程中有極為豐富的程序性資訊,然而在現有繪圖工具的限制下,對其僅有零散的紀錄,真正保留下來的只有最後的繪圖結果。程序性資訊流失所需付出的代價就是設計修改時作業成本暴漲,以及設計溝通過程中所整合之跨專業資訊可能在後續修改過程中產生錯誤、缺漏或矛盾。設計過程是一種資訊與資料累積與整合的過程。資訊與資料的累積並不是對等的。專業的作業流程必須使用極為精簡的表達方式,也就是以少量的資料表示大量的資訊,才能保持設計過程的作業效率。在每一個設計階段的初期是屬於資訊快速累加而資料非常精簡的專業作業流程;而在設計階段的後期,資訊累積速度趨緩而資料累加數量大增,主要因為必須準備在跨入下一個設計階段之前和業主以及其他專業團隊進行溝通。此時必須加入大量的資料以克服溝通上的專業障礙,而這些資料卻對本身專業資訊的投入沒有貢獻,徒增設計作業負擔。這些投入的資料反過來造成溝通後設計修改成本的增加。
衍生式建模(generative modeling)是一種基於與一般電腦繪圖與建模截然不同的概念所發展出來的技術。其概念可以溯源自上世紀電腦圖學的初期發展,然而在個人電腦盛行的年代並未成為電腦輔助繪圖的主流。衍生式建模的特點就是以程序性資訊為其主體,經過電腦的解讀運算之後才衍生出圖面與模型。在建模過程中,電腦以系統化、結構化的方式記錄設計師的設計流程,因而可以在後續階段回溯前期的設計決策並加以修改,再讓電腦重新衍生出修改後的圖面與模型,提供做為檢討與溝通使用。在設計修改過程中,建築師幾乎不需要付出任何資料處理的代價。衍生式建模的另一個特點就是往往可以用極為精簡的資料來表示複雜的幾何形式,也可以將專業資訊整合到建模流程之中,讓後繼的操作調整不會影響到前期的決策。衍生式建模可能極為適合用來做為跨專業的溝通語言。本專題討論將以操作實例來說明此概念和技術如何建築師進行設計整合與溝通過程中,協助其克服資訊作業上的衝突。

2012年5月3日 星期四

圓頂的構造 An example of geodesic dome by Grasshopper

常常看到同學作設計時以地球儀的方式來畫圓頂構造.其實圓頂構造如果以Bulkminster Fuller(參照 http://en.wikipedia.org/wiki/Geodesic_dome)於1926年提出之數學建構方式設計,在結構與工程上,甚至外觀上都可以更好。

模仿地球儀的構造可能是最直接的,不過在垂直向度上,各角度經線最後集中在南北極的兩個點上。如果直接以經緯線作為結構的支撐,顯然這是極不合理的構造。最好的結構系統應該沒有任何部分的結構強度相對於其可能受力是過強或者過弱。過強是浪費,而過弱則讓整體結構安全性下降。圓球是極為對稱的造型,而地球儀般分布極為不均勻的構造方式不可能是合理的。如果以半球形圓頂為例,地球儀構造的重量集中在最高點,其強度沒有發揮的機會,而其重量造成下層結構的負擔。

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/7e/Sphere_wireframe_10deg_6r.svg/220px-Sphere_wireframe_10deg_6r.svg.png
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/77/G%C3%A9ode_V_3_1.gif
上圖是從wikipedia連結的圓球,以繪製地球儀的方式繪製。可以看出構造上最密集的地方就在南北極兩個頂點。另外一張上圖也是從wikipedia連結過來的圖片,是以Fuller提出的幾何結構畫出來,一個近似圓球的多面體。依據Fuller的方法,這個多面體可以無限制的依照需求加以細緻化為更接近圓球的造型。

一般的電腦繪圖系統可能沒有提供這種geodesic dome的繪製功能。我用Rhino Grasshopper建了兩個component。(下載檔案) 第一個是繪製一個二十面體(icosahedron),也就是geodesic dome的基本型。第二個component是以visual basic在grasshopper中寫出,可以對以mesh表示之二十面體或其他的多面體加以細化成更近似圓球的多面體,其結果以mesh表示。以下就是程式產出的結果,分別是經過0次,1次,3次與5次的細化。細化的次數在理論上可以沒有限制,但第五次細化後已經有20480個三角形,所以這個程式把上限設在5次,如果需要更高階的細化只要進入程式改一下就可以了,能執行到多高階的細化就看電腦的速度和記憶體容量了。這種構造乍看之下是由許多正三角形構成,但實質上不管是多細緻的geodesic dome,整個圓球只有二十個正三角形,就是從其原型正二十面體的二十個正三角在細緻化過程其對稱性未受破壞而保留下來的,其餘的所有三角形都有不相等的邊長。幾何上不可能由正三角形來構成近似圓球的曲面,因為圓球的高斯曲率大於零,環繞在同一個頂點的三角形角度的總和必定小於360度。如果是正三角形60度的角,六個正好是360,五個又太小,只能形成像二十面體一樣的多面體,和圓球曲面有很大的差距。(台灣大哥大的球形標誌就是一個錯誤的例子,以六個正三角形環繞頂點的近似球體是不可能被實際建構出來的,因此如果該公司想要將這個標誌製作成實體的話,其構成的三角形必定不等邊,比例上大概也不太好看)Geodesic Dome細緻化過程是一種對稱性破壞的過程,越細緻的圓球需要越多種不同長度的桿件來組構。
下圖也是引用自wikipedia,是Fuller於1967年蒙特婁世界博覽會所設計的美國館,是一個直徑60公尺的3/4圓球,由雙層 geodesic dome構成,結構極為輕盈,遠看就像肥皂泡一樣。
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/0a/Mtl._Biosphere_in_Sept._2004.jpg/300px-Mtl._Biosphere_in_Sept._2004.jpg