建築幾何 - 探討單一曲面形變的型態可能性

 

探討單一曲面型變的型態可能性 
Exploring the form possibility of single surface morphing

『單一曲面形變(Single Surface Morphing)』是以「單一曲面變化為漸變連續表面」、「自由結構平面」為探討對象，因為他們不僅有模糊虛空間疆界的幾何特性，還重新詮釋元素的形式(某種程度上甚至是角色)。常見的柱樑版元素被模糊化與融合，出現新形態的建築，例如柱與樓板的融合產生順接表面，這不僅具有結構或機能的意義，若回顧建築構造發展、它也產生了新的構造形式和思考方式，這些可能性提供我研究動機與案例分析的方向。

「單一曲面」變化為「漸變連續表面」、「自由結構平面」的幾何特性可以看成是一張曲率變化不規則的雙曲表面，若非有數位工具協助，複雜的幾何設計建造在設計過程中將會窒礙難行，換句話說，光有材料的進步不夠，工具的進步也是促成此一型態出現的重要關鍵。

近代建築史中，機器與人類不僅在施工現場合作，設計過程中與機器(數位工具)的協作讓我們能促成更複雜、更超乎想像的設計，建築數位工具正不斷地發展，使設計者能夠更高效、更有效和更具創造性地工作。

我利用的Rhinoceros 3D是nurbs based曲面建模工具結合Grasshopper參數化建模工具，在近期版本中也具備Mesh與SUB-D另外兩套曲面描述系統的編輯環境，是目前功能相對齊全的數位建模工具。

研究應用Rhinoceros 3D作為案例研究的基礎環境，探討的單一曲面是在「設計概念上的單一區面」而非嚴格幾何定義上的單一面，它可能是一個樓層、一片構件，所以我選擇在Mesh的系統下操作幾何，並用以下兩個工具作為後期統整案例設計手法後的重點應用方法， mesh relaxation by physical engine Kangeroo (D.Piker, 2013) 與Charles Loop Mesh Subdivision Method (Charles T.Loop, 1987) by Lunchbox，兩者都已經被製作成Rhinoceros 3D下Grasshopper參數化建模工具的外掛元件之一，提供設計者在Mesh環境下的幾何形變與優化。

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『單一曲面形變的型態可能性』是我從「型態發生與幾何演進(2022fall)」這門課成果的基礎上，所發展出來的一些關於這特定形變方法的研究。「型態發生與幾何演進」這門Seminar是一門著重於探討建築幾何的建模，並透過研究的方式探詢新的形態。陽明交大建築所何震寰教授指導，由案例出發，研究案例背後促成作品型態的原因，焦點鎖定於數位時代型態輪廓自由的造型，Rhino3D環境中的曲面系統(mesh, nurbs, sub-d)、連續性continuity、Degree、有理化、建模技巧，並進一步延伸至個人的發展方向。

單一曲面形變可以做到?
What Single Surface Morphing is Capable of ?

由左上到右下(伊東豊雄-仙台媒體中心、坂茂-龐畢度美術館梅茲分館、伊東豊雄-台大社科院、伊東豊雄-台中歌劇院、伊東豊雄-M+ Museum提案、坂茂-台南美術館二館 )

對案例重新以「單一曲面形變」的角度思考，整理出上方這張圖表。

就像在打牌或是打麻將一樣，牌面的組合讓出手具有意義，同一個動作從不同的角度、動機檢視就會看見不同的意義。仙台媒體中心與M+Museum提案中，每層樓上都有不規則的孔洞對樓板這片單一平面做穿刺。龐畢度美術館梅茲分館的屋面是一整個連續的曲面，曲面的起伏則受到下方空間堆疊變化與對外景觀安排的影響。台大社科院圖書閱覽室則起於單一平面上的眾多生長點，利用參數式的設計方式模擬生物螺旋生長交織出的網面系統，起點的生長點同樣是基於同一個平面上的空間性質來配置。台中歌劇院的涵洞若水平切開，則可以看到多組洞口被反向拉伸的單一曲面，洞口的位置在水平上完全錯開，形成空間極度有機流動的單一連續面，若非空間限制放符可以無限向外語向上延伸。台南美術館二館的屋頂若搭電梯到最頂部的咖啡廳，則可以看到位於中央挑空的巨大的桁架結構頂起以碎形概念設計的半通透屋頂，整體空間配置極度呼應中央挑空、一實一虛，屋頂的單一面則撐起最頂部的光線、彷彿讓這宛如在台南小徑中穿梭的配置有了移動的終點。

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若僅將單一曲面思考為一個樓層或是一篇屋頂，那就太可惜了。而是我應該反過來說，現階段的這些案例已經驗證了這樣的思考方式可以解釋眾多設計行為，那麼在這之上，還可以有什麼樣的可能性是我所好奇的。

Rethinking the case from the perspective of "single surface transformation," the chart presented above is structured. Similarly, to playing cards or mahjong, the combination of card faces gives the play meaning and the same action can hold different interpretations depending on the angle and motivation. In the design proposals for the Sendai Media Center and the M+ Museum, irregular holes puncture the singular plane of the floor plate on each floor. The roof of the M+ Museum in Kowloon features a continuous curved surface, with undulations shaped by the arrangement of the spaces below and external landscape.

The library at the National Taiwan University of the Arts begins from multiple growth points on a single plane, utilizing parametric design methods to simulate a mesh surface system woven through biological spiral growth. The growth points are also based on the spatial properties of the same plane. The grotto at the Taichung Opera House showcases multiple sets of openings stretching on a single curved surface when horizontally cut, with the positions of the openings offset on the horizontal plane, forming a single fluid surface. If the spatial constraints were relaxed, it could extend infinitely outward and upward.

Finally, the top coffee shop of the Tainan Art Museum 2 can be reached by taking the elevator, revealing a huge frame structure rising in the center, with a broken concept design for a semi-transparent roof. The overall space configuration is highly responsive to the central void, showcasing the interplay between solid and void, with the single roof supporting the top light, appearing to have a moving endpoint in Tainan's journey.

Considering a single curved surface only as a floor or roof would be a shame. On the contrary, these cases have already demonstrated that this way of thinking can effectively explain many design behaviors. Furthermore, there is much more that can be understood and utilized in architecture from this perspective.