當建築遇上電腦－談CAAD研究發展方向與研究族群

邱茂林
成功大學建築系教授
美國卡耐基美侖大學建築博士


電腦輔助建築設計（CAAD）以發展成為國際間一個重要的新學科及研究領域，國內外各建築相關系所也先後開始進行「電腦輔助建築設計」之研究。設計的運算性可以說是電腦輔助建築設計的基礎。


建築與電腦的關係可以約略分成三部曲來看：1.當建築遇上電腦2.使用電腦輔助建築設計3.以電腦生成建築空間。回顧「當建築遇上電腦」的時候，設計者猶如面對一個未知的人造物，不知其有何能耐？又該如何使用它？因此早期建築與電腦的關係，就像兩個不同的領域放在一起，相互學習。當電腦與建築兩者逐漸產生配合關係時可以做些基本的繪圖與計算工作；第二階段著重於電腦輔助建築設計的途徑。在進一步逐漸熟悉電腦功能之後，設計者開始思考如何有效地使用電腦輔助建築設計，開始思索設計的特性與電腦的邏輯有何關係？第三階段著重於建築設計獲空間該如何與資訊互動，以及應用數位技術生成建築空間。而電腦輔助設計也逐漸從一種技術條件轉變成一種建築專業。


未來研究方向的初探

電腦輔助設計應是在設計的理論（theory）、方法（method）、程序（process）、操作（operation）、及工具上如何應用電腦來了解設計之本質或將部份生產作業自動化。可分四個方向來討論：

設計運算理論與方法：設計運算與方法可能是設計思考或推理中之依據。
設計模擬與分析：設計運算與系統建構有關，如專家系統（如法規檢討、能源分析）、決策支援系統（如建築經濟分析）、視覺模擬等。運算上著重於架構建立，尤其是模擬與分析上，這也是最具效果的。而模擬與分析工作必須與設計程序配合才能回饋到設計的思考上。
設計溝通與介面：在設計過程中，設計傳達與溝通扮演了很重要的角色，像是合作式設計或虛擬設計，尤其在新的工具或網路環境下，設計傳達之可溝通性與有效性便很重要。此外，在設計過程時，必須探索人機界面的設計以幫助設計者有效的參考或索引各種媒體資料，例如視覺或口述傳達方式與界面便不相同。
設計創意與工具：新的設計工具提供新的可能性，因此可以開拓設計的新境界。
設計如果是一個黑箱作業，電腦輔助設計研究應是如何使其更透明化。在討論研究方向之同時，設計之觀念、任務（mission）、方法（method）、意義（meaning）等都值得探討的，尤其是如何從研究成為教育及實務等有所幫助之貢獻，可能更是迫不期待的。

人工智慧與建築設計－解析司馬賀的思想片段之一

陳超萃
愛荷華州立大學建築系副教授
美國卡耐基美侖大學建築博士



人工智慧是一門學科。專注於如何寫電腦程式讓機器變得像人一樣有智慧。這起源是在50年代電子式電腦被發明裝配之後而興起的。而根據Herb的研究，人工智慧有兩個假設：第一、電腦可以被有效的程式化而產生有智慧的運作。因此AI的研究就在於如何發展電腦程式，把智慧植入電腦中。明顯的例子是讓電腦下西洋棋。Herb和亞倫•紐威（Allen Newell）在1950年寫出世界第一個電腦程式下西洋棋，也可以解算邏輯方程式（Simon, 1991）。第二是假設人腦結構是一種象徵符號系統。為此，一個新的領域「感官科學」應運而生（感官科學也被譯做認知科學）。其目的在模擬人類思考過程，而讓學者把思考過程轉化成電腦程式去實際運作智慧。這學科必得操作許多心理實驗，以便發展假說，印證理論。


人工智慧在建築設計裡的應用


1969年，Herb對人工智慧用在設計裡有一些詳盡的描述（Simon, 1969）。他建議如要知道設計是如何產生的，就得了解設計過程，因為設計過程主宰了設計科學（Science of Design）的領域。他說：「設計科學是一門知性、分析性，半可形式化、也半可實驗化，並可傳授關於設計過程的學問（Simon, 1969, p132）」。

對於人工智慧的應用，在工業界裡有一個最恰當實用的例子。出產AutoCAD的公司就撥專款做了許多研究，把門、窗、樓梯的所有規格化成電腦程式，儲存在系統裡。設計者可根據業主要求，挑選他們所要的規格，並在電子建築模型裡決定開窗位置，然後系統就會自動把窗子畫在平面裡，同時展現在立面中。但這也只是應用而已，和設計創造無關。因為設計是一種創造過程，人工智慧在設計裡就沒有快速的被普遍可並接受。因為最困難的是設計過程中存在有無窮盡的變數，要去了解設計創造過程，就得找出一個模式完善的再現這些過程。




認知科學與建築設計－解析司馬賀的思想片段之二

陳超萃
愛荷華州立大學建築系副教授
美國卡耐基美侖大學建築博士



認知科學（Cognitive Science）是認知心理學和電腦科學的綜合產品。其方向在利用電腦去模擬人類認知過程、學習方式，和解決問題的能力。
在60年代，認知心理學開始逐漸探討認知感官的相互機能，和他們對資訊處理的功能，包括了：1.人腦如何處理資訊－感官如何被操作去認知型態2.記憶單元在人腦中的作用3.資訊如何組織和呈現在記憶裡，例如視覺影像、分類、資訊知識組織等等'；以及4.追尋複雜的資訊處理，例如語言表達能力、決策制定、問題解決等等。這轉變說明了一個事實：那就是當認知感官的基本功能被了解之後，心理學者就開始探討之事是如何建立起來的，然後利用電腦快速運算機能去幫忙剖析這神秘的大腦運作方式。

由於大腦就像一個黑箱子，無法透明的顯示思考過程，故要掌握細部、要了解思考過程都不太可能。因此司馬賀和亞倫•紐威（Allen Newwll）就一起合作尋找有效的資料收集方法，去清晰明辨黑箱裡的作業程序。經過他們的努力，一個相當複雜但有效的研究方法出現了：「原案口語分析」也就是把原作品的創作過程用口語紀錄下來在做分析。

然而，在建築設計裡，認知科學已被用來分析設計老手（expert）和新手（novice）在做設計上有什麼不同的執行方法、圖形轉換會對設計者有什麼影響、設計問題是怎樣去破解產生設計成果、團隊設計是如何組構而成，以及個人設計風格是如何在設計過程中產生（Chan, 2001）。




電腦輔助設計的開路先鋒－伊斯曼（Charles M. Eastman）

鄭泰昇
國立成功大學建築系助理教授
喬治亞理工學院建築博士



查理斯•伊斯曼被視為電腦輔助設計的先驅者，他的研究包括設計認知、幾何模型、資料庫、與建築產品模型三個階段。本文以說明伊斯曼對於電腦輔助設計的想法與貢獻。

在對於幾何模型的開發與應用，發展以三度空間實體模型為主的電腦輔助設計系統。雖然三度空間實體模型目前已經大量運用在多數的電腦輔助設計系統上，可是在70年代，卻是方興未艾且炙手可熱的研究主題。然而，在第三個研究階段，則是整合所有電腦輔助設計系統的建築產物模型。就在他從實務界轉回學術界任教之後，研究方向作了180度的轉變；這是因為實務界的歷練，使其認識到建築及工程實務真正的需要，於是伊斯曼開始認真思索，如何利用資訊科技徹底改變現有的建築設計環境，也把研究的興趣從人工智慧轉向電腦輔助設計資料庫的研究發展。




三十年設計運算的縮影－捷羅（John S. Gero）

張登文
交通大學建築所助理教授
澳洲阿德雷得大學建築博士


捷羅教授是設計運算與任之研究中心的創始人。本文就藉由捷羅的著作來一窺設計運算近三十幾年的研究天地。捷羅在三十幾年的學術生涯裡，可以分成四個階段：模擬（1968-75）、最佳化（1972-83）、人工智慧及知識系統（1980-）、設計認知（1992-）。
模擬（1968-75）：捷羅初期研究室以結構及建築科學為主，加上這時的電腦圖學也正開始顯現出其二維/三維圖像，建築方向的研究自然偏向以視覺為主的模擬。
最佳化（1972-83）：最佳化理論在建築設計領域的主要目的，就在於其運用最佳化計算方式，加以平衡設計過程中的不同限制因子。其視設計為一系列的設計決定過程，藉由最佳化的迴圈：評估→分析→合成→評估，逐漸將抽象的設計概念落實。


人工智慧及知識系統（1980-）：1980年以後，人工智慧開始有些成熟的研究成果，如專家系統（Expert System），知識再現（Knowledge Representstion）及邏輯運算（Constraint Logic Programming）等等。而此研究主要是找出一個定義不良的（ill-Defined）[Simon 1969]行為－「設計」中，可被合理化的部分，及相信部份即使不是全部的知識仍是可以被結構化的。
設計認知（1992-）：捷羅認為是一個設計運算並行而互補的方向：認知性設計研究。在逐漸了解人工智慧的適應方式之後，設計的本質如創造力的研究應也成為另一研究重點；如：設計師如何思考＋設計、對圖向的反應及認知等，皆為相關之重要研究課題。




電腦輔助建築設計的播種者－傅雷明（Ulrich Flemming）

簡聖芬
國立台灣科技大學建築系助理教授
美國卡耐基美侖大學建築博士


傅雷明強調，電腦輔助設計工具，不論是否應用人工智慧，應當永遠只是設計者的「助手」。這個助手主要協助設計者完成任務，特別是人類設計者能力不及之處。但是這個助手不應與人類設計者競爭，特別是人類處理得好（例如：日常認知活動），或者容易有爭議性的事物（例如：專業的責任判斷）。傅雷明的研究都秉持著這個理念，親自撰寫電腦程式、開發實際運作的系統，以實踐「電腦輔助設計」環境。


種子系統－ 一個輔助建築設計初期階段的軟體環境 傅雷明的研究精力主要投注於「種子」研究案，而種子研究案的目標，在提供電腦運算輔助、協助建築設計初期的各種考量；不僅希望用電腦協助視覺模擬、分析或評估，而且能用電腦積極協助產生設計。亦即能快速產生數位化可運算的設計資訊，用以表示設計方案與替選設計。再則這些數位化的設計方案，必須擁有足夠的設計相關細節，以便能應用精密的設計評估工具，加以評量並輔助設計決策。
所有種子系統模組的運作方式，主要是透過不斷的衍生或變更設計單元，以滿足設計問題的需求定義。一個設計狀態是一個設計問題與一個設計解答（可能只是部分解答）的組合。每一個模組進行中，其多個設計狀態會形成樹狀的組織，而下層的設計狀態則是由上層的設計狀態衍生或變更而得。這個整體的設計狀態樹狀組織，成為設計空間。




引領世界探索建築未來的威廉•米契爾（William Mitchell）

劉育東
交通大學建築研究所教授、建築學院院長
美國哈佛大學設計博士
侯君昊
美國哈佛大學設計學院客座教師
美國哈佛大學設計博士候選人、設計研究碩士
交通大學應用藝術碩士



1977年米契爾的著作《電腦輔助建築設計》可以說是第一本以建築設計為對象，推廣電腦應用為目的的書，等於宣示了建築設計正式邁向資訊紀元。米契爾十分留意電腦科技當今人類行為的影響和衝擊，並對未來必然改變的趨勢和走向有獨特的見解。目前他的研究重心從電腦在建築上的應用延伸到網路合作、電腦對日常生活與社會的影響、未來建築與都市和資訊系統共存的問題、以及更深遠的資訊與族群關係。隨著米契爾的腳步，我們不僅在知識與眼界跟著增長，並參與建築概念的進化。

建築可以滿足人對庇護、群聚與社交的需求，無論是實體、心理或虛擬層面，米契爾都關照到了，而且認為人類總有超越空間限制的一天，在一次的訪談中，他曾經提出：「我們正處於一個過渡時期。利用實體空間的隱喻來描述電腦世界其實有很大的限制，就如同汽車曾經被稱作『沒有馬的馬車』或者收音機被稱為『無線留聲機』一樣，我們現在用『虛擬社群』和『數位城市』這類空間化的概念來幫助我們適應與理解這個新東西，未來總有一天當你在回顧這些名詞時，你會覺得挺好笑的」


城市與建築數位化設計的探索－?田剛史


王禮華
日本大電器通信大學副教授
日本代阪大學工學科博士、碩士

本文是以?田教授在城市與建築數位化設計的探索為例說明數位化歷程與成果， ?田教授在1980年代就提出了利用電腦及網路系統進行「開放設計環境」（Open Design Environment ODE）的概念，讓具有設計知識的專家與設計的委託者、行政管理機構、建築的使用者、甚至地區的一般民眾等不具備建築知識的人們一同參與提案，使電腦網絡系統更廣泛地應用於設計過程中，提高了設計的深度和廣度。他數位化的研究，不僅針對建築及週遭環境、城市空間，甚至把大範圍地域及自然環境都作為設計對象，並對構成這些環境的建築、人、外部空間進行綜合設計，創造了廣義的「環境設計」概念。他也以此，實地參與了100多個工程設計，開發了許多手法，並且在國際合作上受到肯定、認同。

?田教授就是用實踐來證明設計數位化之意義，同時不斷地改善電腦虛擬在設計過程中支援思維及應用的方式，從過程中體認到設計領域中已從早期只對建築進行虛擬，期望能在電腦上表現建築形象，發展到以虛擬方式呈現傳統上無法表現的構想及範圍，或者真實環境中不可實現的構想，甚且應用電腦虛擬手法於設計過程中，成為設計者啟發的工具。

例如早期他與上海華東建築學院合作花費半年時間公同製作了一部動畫虛擬影片，讓當時的市長江澤民認可，從而使大上海改造計畫成為現實。然而後期，?田研究室轉變為在設計過程中將電腦虛擬應用作為促進思維的工具。例如大阪御堂筋改造計畫中，用更方便的手法使過去要耗費大量時間和精力才能完成的效果在短時間就可以完成，使設計以外的人也可以看到一些設計者醞釀的構思，使設計這隨時能與其他人交換柔性的意見，精進數位化設計的概念歷程。




一種CAAD的工作模式


衛兆驥
中國南京東南大學建築系教授

1970年代末是中國建築界CAAD發展的開始。本文在探討這二十年與未來要如何對電腦技術運用在建築設計進行思考。

在中國的CAAD是由國家建設部組織推動的，中國官方積極的推廣CAAD技術開發、安排建築設計學院引進CAAD工作站系統，派員出國培訓，刺激CAAD軟體的產業化。到1980年代技術成熟，設計學院幾乎沒有人再用圖板繪圖，而1990年代一般中大型建築設計學院也都建立了自己的區域網絡，實現了資源共享。這樣的歷程在傳統建築教育方面也出現了一些激盪，起初教授與CAAD持對立的排斥態度，堅持以手繪訓練，但學生卻時常違規，反而提高學習CAAD的熱情。這樣的趨勢開始改變傳統現況，學校開始思考如何將CAAD納為建築教育訓練的一部分。

筆者以經由人腦與電腦的比較，發現歸納CAAD必要建立在一個完整的系統，這系統應該包括人腦和電腦兩個部份，並且以人腦為主導（判斷、引導設計以及決策），電腦以處理繁雜的設計訊息的能力為輔助，將人腦擴展及延伸。以這樣的觀念來正視CAAD與建築設計兩者間的關係。



概說喬治•史坦尼的形狀語法


邱上嘉
國立雲林科技大學空間設計系副教授
美國卡內基美崙大學建築博士

本文在談論形狀語法（Shape Grammars）的發展與研究現況。形狀語法是一種以「形」的運算為主的設計文法，主要的啟蒙者喬治•史坦尼認為設計在於界定形式的關係。形狀語法的發展，從語言結構的研究面向來看時，可以說是受到語言學的影響。形狀語法的主要先驅者都認為吾人可以經由對一設計的形式與機能等之概念化邏輯分析後，了解設計者的設計推論過程，並且也可以藉由正規語言的方式來進行建築設計的分析與創作。
這樣的設計理論與方法便提供了「衍生式設計」的基本架構與理論基礎。如同語言學建築表現都應同時包括「表層結構」與「深層結構」的衍生過程，如此的建築形式才具有內涵，也才能引起建築閱讀者的共鳴與深入了解。然而，形狀語法到目前的發展，至少包含三個面向：1.形狀語法的理論或規範。2.利用語法來進行風格上的討論。3.衍生「設計」即針對形狀語法編譯系統建構實作上的討論，如演算法、資料結構與介面設計等議題。目前，尤其是國內，似乎已第二種面向運用最多。雖然，這方面的概念是提供設計者或研究者探索設計風格的另一種新思維的切入點。不過吾人還是需要認真面對電腦輔助設計上實用的問題，需要研究者共同來克服。




歐陸CAAD發展與二十一世紀的校園－訪談史密特

邱茂林
成功大學建築系副教授
美國卡內基美崙大學建築博士
施宣光
國立台灣科技大學建築系副教授
瑞士聯邦理工學院建築博士

歐洲的電腦輔助設計發展與美國有著不同的背景與條件。本文是藉由一次的訪談，與瑞士聯邦工學院教授建副教授傑哈德˙史密特教授談歐陸的CAAD發展與其對於二十一世紀的校園規劃理想。
文中，傑哈德˙史密特談到，以開發國家已逐漸遠離建造新的建築物，而朝向調適與再利用方向思考。資訊科技可以幫助解決部分居住環境問題。因此他提出資訊建築的概念，認為資訊應是建築的第五元素。空間就是實質空間加上資訊空間。

然而，1992年史密特開始規劃二十一世紀的校園遠景，進行一瞻性工作，ETH（瑞士聯邦理工學院蘇黎士分校）虛擬校園的建置，試圖為ETH在網路空間中建立一超越時空限制之教學、研究與交流的知識殿堂，為知識經濟時代校園之發展趨勢豎立標竿。史密特認為，如同ETH的電腦輔助形式已成為資訊社會的標準方式，CAAD能引導建築師從傳統的模式朝向創意、知識導向。建築師不只可以用磚頭、也可以用位元塑造空間。他所提出的「資訊建築」不再只是一種概念，而是能結合實體與虛擬環境的實質。



建築物理環境模擬－訪談瑪達維

杜功仁
台灣科技大學建築系助理教授
美國卡內基美崙大學建築博士

本文訪談瑪達維教授，討論建築物裡環境在電腦輔助設計模擬的發展現況與兩者間的關連性。瑪達維主要專長是建築原理，並專注於建築效能的評估與模擬(聲、光、熱、氣、水)之研究。對於過去電腦模擬建築環境軟體之缺點，瑪達維教授結合研究所內之「建築效能」及「電腦輔助設計」兩大研究領域之專業知識及技術，研發出整合性電腦輔助建築原理環境模擬軟體，企圖提供建築設計者具有「建築設計」及「即時建築環境模擬」多重功能之工作平台。

本文就是在審慎思考這些基本課題，瑪達維認為一般電腦輔助建築物理環境之模擬軟體，除了只注意模型建構及測試，更應思考：模擬結果之準確性究竟有多少？在實際應用層面上，電腦模擬結果之真正意義、或真正參考價值究竟有多少？電腦模擬之結果與專家之經驗相較，何者較為有用？如何面對類似之模擬軟體、然而卻有不同模擬結果之問題？然而正視並解決上述課題將有助於提升電腦輔助建築物理環境模擬軟體模擬結果之正確性、應用性、及重要性。才是未來電腦輔助建築物理環境模擬軟體之課題。




科學性設計運算
電腦流體動態模擬輔助建築設計之應用


鄒經宇
香港中文大學建築系教授
美國密西根大學建築博士

本文說明應用電腦流體動態模擬(CFD)至建築效能評估的發展過程與研究成果。隨著生活品質的提升，舒適度與對於自然環境的關心將成為發展高密度居住環境的重要評估準則。透過資料蒐集、處理、分析與視覺化，希望能夠支援智慧化設計，提高都市規劃與建築設計的效率與可靠性。
建築效能包括結構穩定性、音響品質、自然光源、熱環境、通風、與室內空氣品質等條件。過去這些分析通常是需要許多人力的投入、而且是非直覺式的與非圖像化。然而大部分建築設計者並不喜歡這些分析。因此，香港中文大學研究小組提案發展長期性策略，應用科學性視覺化作為環境技術與建築效能的教學與研究方向。

就如香港志蓮淨苑，CDF的建築物表面的風載分布對於建築結構設計及幕牆等設計具有重要的意義。對這一特殊形狀的房屋利用數值計算模型，能分析表面的風載分布，首次揭示廡殿頂的風載特點。

社會的進步，人們要求提升生活的素質、居住的舒適和環境的保護，「建築環境」便成為一個不可缺少的課題。就如上述提到的香港志蓮淨苑重建以及其他的如台北高層集合住宅案、住宅廚房煙道專案、室內巴士車站專案和公共廁所專案，都為個別項目或專門建築物理、建築設備的技術開發；這些建築原理設計通過資訊彙整、資訊世代、資訊分析和資訊可視化，便可成為經驗與基礎資料支持智能設計，並且增加都市規劃和建築設計的效率和責任。



數位與花
兼論工具論的危機和契機


王明蘅
成功大學建築系教授
美國麻省理工學院建築博士


自從1937年英國數學家杜林提出「機器能不能思考」問題，開啟了自動體理論的研究，認為這個世界就是一個COMPUTER，就是一個運算機制，能由有限的規則生產出幾乎無窮的變化，就像是種子一樣，他以相同的規則孕育千千萬萬多不同的花。

數位是一種用來設定空間型體衍生規則的語言，也可以看成是種創造空間形體的思考方式，所以數位的意義並不竟然跟電腦有必然的關係，更廣泛來看，數位是種自動機制的基因，或許我們可以將任何物種都理解為自動機制的現象，但這樣的體系裡也暗藏了子我毀壞的基因，運算學派以數位材料來重建，挑戰巴別塔班般的建築理想，並未能竟全功。就如基督教故事，上帝讓築塔的人產生內在矛盾，便可坍塌人類狂妄的想法。因此本文嘗試論述數位工具的特質以及以工具論為基礎的設計思考危機，並舉例說明如何以數位工具配合數位思考模式作為探索與創作的設計模式。



小結


本書最後一篇文章，或許能為這本書作一個結論；工具不只改變外在的世界，也改變了內在的世界，改變了想事情的方法，包括建築與設計，電腦正是這種工具。雖然工具是會演化的，是可以更好的，不過任何工具都有天生的特性，善於做某些事，以及不善於做某些事。使用工具，就是能善於掌握工具的特性，使用本身就是門技術，但是如果世界上所有的東西都被視為是達到另一個目的的工具時，便是工具主義的危機，CAAD亦是如此。