建築皮層的形式歷經了許多世代的演化，從厚重的石砌牆體到輕盈的帷幕牆，在研究過程中發現新物質與新材料應用的知識，慢慢解放了傳統牆體承重的歷史任務，邁向表面系統的自由與多樣性。資訊蓬勃發展的數位時代，精確的電腦輔助設計與製造技術，讓設計者聚焦於「超表面」的建築設計議題當中，創作出更多元的表面形式。
本研究透過電腦動畫模擬做為設計操作與思考的工具，嘗試來討論可動的有機建築表面的可能，並以類型學的分析討論可動表面形式的發展，並透過數位製造的技術思考可動表面之構築，將有機動態的表面由概念、思考、模擬、製造到組裝成型，探討運用數位技術發展建築可動表面的可能性。
在發展過程中透過數位軟體製作出波表面的動畫模擬，將運動的表面波轉換成為機械動態表面波模擬，運用機械動態表面波裝置的模擬經驗，產生出實體的動態表面波裝置，製作出波牆裝置、機械葉片牆裝置、動力機械葉片牆裝置以及複式中空機械葉片牆等的動態表面波裝置。
從裝置的概念發展到製成成品的過程中反思，機械運動只存在於人造的世界之中，生物有機表面所能呈現的表面超能力遠超過當代科技的範疇，企圖透過人為機械來模仿自然仍然有許多值得深化探討的議題；從單式運動進展到複式運動，甚至邁向階層式的機械表面運動狀態，都是企圖向自然學習的一個初步途徑， 在模仿學習的過程中同時思索人為世界與自然之間的關係。

The forms of architectural surface have evolved over generations, from thick, heavy masonry walls to thin, light curtain walls.  In the process of studying architectural surfaces, people have kept discovering knowledge for the application of new substances and materials, and the historical mission of walls in terms of weight-loading has been gradually discharged, embarking on the emancipation and pluralization of the system of surfaces.  In the digital era of information explosion, precise computer-aided design and manufacturing techniques have allowed designers to focus the issue of architectural design on "hyper-surface", leading to the creation of more diverse surface forms.

By means of the simulation through computer animation as the tool of design conceptualization and operation, the study would try to look into the potential for kinetic surfaces of organic architecture with an eye on a typological analysis of the development of the forms of kinetic surface.  The study would also apply digital fabrication techniques to reflect on buildings with kinetic surfaces in a bid to explore the potential for applying digital technologies to develop buildings with kinetic surfaces shaped by the process in which organic kinetic surfaces are conceptualized, meditated, simulated, fabricated and assembled.

Computer animation software have employed to simulate surface waves when the idea of kinetic surface develops, transforming surface waves in motion into the ripple simulation of movements generated by mechanical kinetic surfaces.  With the experiences of the ripple simulation, specific devices for generating kinetic-surface ripple have been developed to create more kinetic-surface devices, such as those for ripple wall, mechanical leaf wall, powered mechanical leaf wall and mechanical leaf wall of the multiple-cannular style.  

The process from developing concepts of the devices to materializing the concepts has revealed that mechanical movements only existed in the artificial world.  However, the capabilities demonstrated by life forms' organic surfaces go beyond the scope of modern technologies, and, as a result, there are still many issues, with regard to human attempts to imitate Nature through artificial machinery, which are worthy of more investigations.  From single-mode movements to multiple-mode ones, even to the movements of mechanical surfaces in a hierarchical form, all of them are the preliminary approaches to try to learn lessons from Nature.  Meanwhile, the process of imitation and learning has enabled researchers to ponder over the relations between artificial objects and Nature.

壹、緒論

1-1 研究動機……………………………………………………………2
1-1-1跨越既有物質知識系統……………………………………………2
1-1-2即刻變遷的動態需求………………………………………………3
1-1-3數位科技支持下的發展……………………………………………3
1-2 研究目的……………………………………………………………5
1-2-1探討表層可動裝置的建築元件之生產……………………………5
1-2-2數位技術介入建築形態的發展……………………………………5
1-2-3數位設計與製造技術之結合………………………………………5
1-3 研究步驟、方法與流程………………………………………………5
1-3-1研究步驟……………………………………………………………5
1-3-2研究方法……………………………………………………………6
1-3-3研究流程………………………………………………………6

貳、文獻與案例探究

2-1特殊表面形態之案例  …………………………………………… 8
2-1-1蜂窩形貌……………………………………………………………8
2-1-2細胞結構 ………………………………………………………10
2-1-3細胞集體結構 ………………………………………………12
2-1-4壓力變形 ……………………………………………………14
2-1-5石膏彈性牆 …………………………………………………16
2-1-6智能雲 ………………………………………………………18
2-2回應自然表面之案例 ………………………………………………20
2-2-1蝙蝠表層形態 ……………………………………………………20
2-2-2生物反應器 ………………………………………………………22
2-2-3風力發電結構形態 ………………………………………………24
2-2-4水文牆 ………………………………………………………25
2-2-5活玻璃 …………………………………………………………27
2-3資訊流動表面之案例 ……………………………………………31
2-3-1零耗能多媒體帷幕牆 ……………………………………………31
2-3-2媒體房屋 ………………………………………………………33
2-3-3氣候模式 …………………………………………………………34
2-3-4宙斯之盾 ………………………………………………………35
2-4能量表面之案例 ……………………………………………………36
2-4-1排氣表皮 ……………………………………………………36
2-4-2發育 …………………………………………………………37
2-4-3人群農場 …………………………………………………………38
2-4-4寂靜能源 ……………………………………………………39
2-4-5城市電池 ………………………………………………………40
2-5光的表面之案例 ……………………………………………………42
2-5-1動態單元牆……………………………………………………42
2-5-2像素 ………………………………………………………………43
2-5-3紙牆的自動遮陽系統 ……………………………………………44
2-5-4雲的兒童博物館 ……………………………………………45
2-6小結 …………………………………………………………47

參、第一階段設計發展

3-1前言 …………………………………………………………………49
3-1-1表面觀點之探究 ……………………………………………49
3-1-2表面知識 …………………………………………………………50
3-2表面超能力 ………………………………………………… 51
3-2-1動物的特殊表面能力 ……………………………………………51
3-2-2動物觀察 ……………………………………………………52
3-2-3空氣魟魚的機械表面 ……………………………………………53
3-3表面行為 ……………………………………………… 54
3-3-1彈性表面 …………………………………………………………55
3-3-2魟魚水族箱 ………………………………………………………55
3-3-3弦波運動與能量 ………………………………………………56
3-4表面的數位建構 ……………………………………………………56
3-4-1動畫技術的模擬 …………………………………………………56
3-4-2 Morpher指令 ……………………………………………………57
3-4-3波動面(拉折波) ……………………………………………58
3-4-4波動面(凸波) ……………………………………………………59
3-4-5波動面(任意波) …………………………………………………60
3-4-6呼吸節奏面(單奏) …………………………………………61
3-4-7呼吸節奏面(複奏) ………………………………………………62
3-4-8切割拉伸面 ………………………………………………………63
3-5波表面之機械模擬 ………………………………………………64
3-5-1直線波面之機械模擬 …………………………………………65
3-5-2弧線波面之機械模擬 ……………………………………………66
3-5-3折線波面之機械模擬 ……………………………………67
3-5-4隱藏魟魚波面之機械模擬 …………………………………68
3-5-5浮出魟魚波面之機械模擬 ……………………………………69
3-6波表面裝置製作 ……………………………………………………64
3-6-1波表面裝置之準備 ………………………………………………70
3-6-2波牆表面裝置之單元製作 ………………………………………71
3-6-3波表面裝置之閱讀 …………………………………………74
3-7持續動力表面裝置製作 ……………………………………………75
3-7-1磁力與單擺的驅動 ………………………………………………75
3-7-2輪軸旋轉帶動 ………………………………………………76
3-7-3後置輪軸水平旋轉帶動 …………………………………………76

肆、第二階段設計發展(動態能量)
                                                       
4-1可動連接器 ………………………………………………………80
4-1-1可動連接器之認識 ………………………………………………80
4-2葉片牆概念………………………………………………………81
4-2-1葉片牆 …………………………………………………………81
4-2-2葉片牆框架 ………………………………………………………82
4-3概念機械裝置 …………………………………………………83
4-3-1機械葉片牆單元裝置 …………………………………………83
4-4機械葉片牆裝置 ……………………………………………………87
4-4-1葉片連續性 ………………………………………………………87
4-4-2後方驅動力的不確定性 …………………………………………89
4-5動力機械葉片牆裝置 …………………………………………91
4-5-1核心動力 ………………………………………………………91
4-5-2核心動力時間差異的討論 ………………………………………92
4-5-3後方驅動動力的不穩定性傳遞 ………………………………94
4-5-4主體框架安裝 ……………………………………………………96
4-5-5後置齒輪的安裝 ………………………………………………96
4-5-6裝置之設計施工檢討 …………………………………………97

伍、第三階段設計發展(複式運動牆)

5-1概念 ………………………………………………………………99
5-1-1動力葉片單元的複式運動 ………………………………………99
5-1-2中空葉片單元…………………………………………………99
5-2中空葉片牆…………………………………………………………100
5-2-1中空葉片牆的網狀……………………………………………100
5-2-2中空葉片牆網面的張力…………………………………………101
5-3中空葉片複式運動機械牆……………………………………102
5-3-1中空葉片複式運動機械牆的成型……………………………102
5-3-2機械牆的柔軟運動………………………………………………103
5-4裝置之設計施工檢討…………………………………………105

陸、結論與建議

6-1設計操作回顧……………………………………………………109
6-2設計工具探討………………………………………………109
6-2-1動畫模擬與真實性的落差 ……………………………………109
6-2-2核心動力的確定運轉 ………………………………………109
6-2-3動力齒輪與結構螺桿脫離 ……………………………………110
6-3後續研究與建議………………………………………………110
6-3-1結合自然力的動力來源 ………………………………………110
6-3-2實用目的之探討 …………………………………………110
6-3-3邁向階層式的機械運動方式 ………………………………111 

圖表目錄
【圖1-1】建築立面的演化……………………………………………………………………………3
【圖1-2】數位科技發展………………………………………………………………………………3
【圖1-3】可動建築構造………………………………………………………………………………4
【圖1-4】研究流程說明………………………………………………………………………………6
【圖2-1】蜂窩形狀的表面……………………………………………………………………………8
【圖2-2】蜂窩形狀的發展製作過程…………………………………………………………………9
【圖2-3】建築周圍結構的空氣流動效率……………………………………………………………10
【圖2-4】細胞結構支架體……………………………………………………………………………10
【圖2-5】細胞結構演化過程…………………………………………………………………………11
【圖2-6】細胞集體結構………………………………………………………………………………12
【圖2-7】細胞集體結構的狀態………………………………………………………………………12
【圖2-8】細胞結構演化的過程………………………………………………………………………13
【圖2-9】壓力變形表面………………………………………………………………………………14
【圖2-10】壓力變型製作成品照片 …………………………………………………………………15
【圖2-11】石膏彈性牆 ………………………………………………………………………………16
【圖2-12】石膏彈性牆面展示照片 …………………………………………………………………16
【圖2-13】石膏彈性基於圖像的灰階而產生 ………………………………………………………17
【圖2-14】智能雲形態 ………………………………………………………………………………18
【圖2-15】智能雲的四種類型 ………………………………………………………………………19
【圖2-16】蝙蝠表層形態的細部呈現……………………………………………………………… 20
【圖2-17】蝙蝠形態………………………………………………………………………………… 21
【圖2-18】空氣擴散器形態………………………………………………………………………… 21
【圖2-19】LED 反應器形態………………………………………………………………………… 22
【圖2-20】晚上與白天的造型板…………………………………………………………………… 22
【圖2-21】以LED 控制燈光顏色與強度 ……………………………………………………………23
【圖2-22】反應器支架系統 …………………………………………………………………………23
【圖2-23】建築周圍結構的空氣流動效率 …………………………………………………………24
【圖2-24】建築物形態與風力發展的關係 …………………………………………………………24
【圖2-25】水文牆整合廣告用途 ……………………………………………………………………25
【圖2-26】水文牆熱質量轉換程序圖 ………………………………………………………………25
【圖2-27】水文牆模組的系統結構… ………………………………………………………………26
【圖2-28】左圖為建設中模組，中間圖為單元模組 ………………………………………………26
【圖2-29】活玻璃支架體 ……………………………………………………………………………27
【圖2-30】左圖(原型1)，右圖(原型2)……………………………………………………………27
【圖2-31】左圖：單位運動倍增，右圖：控制複雜運動……………………………………………28
【圖2-32】左圖：紅外線感應器，右圖：反作用力交換……………………………………………28
【圖2-33】左圖：再次交換的反作用力，右圖：加強運動…………………………………………28
【圖2-34】左圖：表面腮，右圖：活表面運動方式…………………………………………………29
【圖2-35】左圖：微控制器實驗，右圖：各種表面腮的開關………………………………………29
【圖2-36】左圖：表面實驗，右圖：人體感應………………………………………………………29
【圖2-37】多媒體帷幕牆系統 ………………………………………………………………………31
【圖2-38】帷幕單元組立過程 ………………………………………………………………………31
【圖2-39】帷幕單元日夜間能量轉換的機制 ………………………………………………………32
【圖2-40】帷幕單元組立與測試 ……………………………………………………………………32
【圖2-41】玻璃帷幕牆轉變為一種互動娛樂公眾活動的環境 ……………………………………32
【圖2-42】媒體房屋的外觀 …………………………………………………………………………33
【圖2-43】左圖與中圖：房屋單元組構，右圖：媒體屋的剖面……………………………………33
【圖2-44】氣候模式發出花卉圖案 …………………………………………………………………34
【圖2-45】左圖：正面設置五個防水板。右圖：發光板圖案………………………………………34
【圖2-46】宙斯之盾的動態單元…………………………………………………………………… 35
【圖2-47】由許多葉片組成矩陣系統以及啟動器組成的驅動系統左圖…………………………………35
【圖2-48】隧道中的排氣表皮……………………………………………………………………… 36
【圖2-49】中圖：隧道中的排氣皮層。右圖：公路的照明…………………………………………36
【圖2-50】發育系統的葉片 …………………………………………………………………………37
【圖2-51】發育系統的各種形態葉片 ………………………………………………………………37
【圖2-52】人的運動用來生成建築形式 ……………………………………………………………38
【圖2-53】模塊的反應系統所產生的能源 …………………………………………………………38
【圖2-54】門把手產生電力 …………………………………………………………………………39
【圖2-55】左圖：壓力表，中圖：門把手產生電……………………………………………………39
【圖2-56】電池單元 …………………………………………………………………………………40
【圖2-57】城市電池 …………………………………………………………………………………40
【圖2-58】動態單元牆系統 …………………………………………………………………………42
【圖2-59】動態單元牆系統之控制單元 ……………………………………………………………42
【圖2-60】像素牆系統……………………………………………………………………………… 43
【圖2-61】從城市觀看建築體所呈現出的有機形態……………………………………………… 43
【圖2-62】紙牆遮陽系統 ……………………………………………………………………………44
【圖2-63】紙牆遮陽系統之立面改變 ………………………………………………………………44
【圖2-64】白色塑料組成的雲牆 ……………………………………………………………………45
【圖2-65】白色塑料產生的漂動與折射 ……………………………………………………………45
【圖3-1】生活中的事物都是理解表面的知識………………………………………………………50
【圖3-2】奈米觀察下的物體表面狀態………………………………………………………………50
【圖3-3】動物超能力互動裝置 …………………………………………………………………… 51
【圖3-4】魟魚在水中的姿態…………………………………………………………………………52
【圖3-5】空氣魟魚的機械框架體……………………………………………………………………53
【圖3-6】彈性表面操作類型…………………………………………………………………………54
【圖3-7】彈性表面操作類型…………………………………………………………………………54
【圖3-8】魟魚水族館…………………………………………………………………………………55
【圖3-9】靜態的魟魚水族箱概念……………………………………………………………………55
【圖3-10】數位技術的表面創作…………………………………………………………………… 56
【圖3-11】 3DMAX 的Morpher 指令的操作介面………………………………………………………57
【圖3-12】 3DMAX 的Morpher 指令的操作介面………………………………………………………57
【圖3-13】拉折波的實驗狀態……………………………………………………………………… 58
【圖3-14】拉折波所呈現的動態影格……………………………………………………………… 58
【圖3-15】凸波的實驗狀態 …………………………………………………………………………59
【圖3-16】凸波所呈現的動態影格 …………………………………………………………………59
【圖3-17】任意波的實驗狀態 ………………………………………………………………………60
【圖3-18】任意波所呈現的動態影格 ………………………………………………………………60
【圖3-19】類似呼吸節奏的表面實驗狀態 …………………………………………………………61
【圖3-20】呼吸節奏面所呈現的動態影格 …………………………………………………………61
【圖3-21】類似呼吸表面狀態的實驗 ………………………………………………………………62
【圖3-22】呼吸節奏面所呈現的動態影格 …………………………………………………………62
【圖3-23】類似呼吸表面狀態的實驗 ………………………………………………………………63
【圖3-24】切割拉伸的表層運動動態影格 …………………………………………………………63
【圖3-25】直線波動狀態的實驗 ……………………………………………………………………65
【圖3-26】波表面的機械模擬在不同時間影格下的形態 …………………………………………65
【圖3-27】弧線波動狀態的實驗 ……………………………………………………………………66
【圖3-28】弧形波表面的機械模擬 …………………………………………………………………66
【圖3-29】折線波動狀態的實驗 ……………………………………………………………………67
【圖3-30】折線形波表面的機械模擬 ………………………………………………………………67
【圖3-31】隱藏魟魚波面牆狀態的實驗 ……………………………………………………………68
【圖3-32】動畫的魟魚水族箱模型 …………………………………………………………………68
【圖3-33】浮出魟魚波面狀態的實驗 ………………………………………………………………69
【圖3-34】動畫的魟魚水族箱模型 …………………………………………………………………69
【圖3-35】壓克力波面機械裝置切割與組裝 ………………………………………………………70
【圖3-36】小單元的密集板機械單元切割與組裝 …………………………………………………70
【圖3-37】「波牆」裝置切割過程……………………………………………………………………71
【圖3-38】波裝置模型……………………………………………………………………………… 72
【圖3-39】波裝置零件安裝過程…………………………………………………………………… 73
【圖3-40】波表面裝置零件施工圖 …………………………………………………………………73
【圖3-41】持續單元形態測試過程 …………………………………………………………………75
【圖3-42】輪軸旋轉測試過程 ………………………………………………………………………76
【圖3-43】後置輪軸旋轉測試過程 …………………………………………………………………77
【圖3-44】波表面單元後置單擺元件1 為表層裝置的側視圖，2 為表層裝置的正視圖，3 為表層
裝置的上視圖，4 為單擺元件尺寸，5 齒輪。…………………………………………………………78
【圖3-45】後置輪軸的中央齒輪產生水平動力的元件 ……………………………………………78
【圖4-1】各種軸承、滑軌與鉸鏈類型………………………………………………………………80
【圖4-2】「葉片牆」動態能量牆 ……………………………………………………………………81
【圖4-3】「葉片牆」概念模擬過程 …………………………………………………………………81
【圖4-4】「葉片牆框架」裝置 ………………………………………………………………………82
【圖4-5】「葉片牆框架」概念模擬過程 ……………………………………………………………82
【圖4-6】「機械葉片牆單元」裝置初步完成形態 …………………………………………………83
【圖4-7】圖1.2「機械葉片牆單元」整體，圖3.4 葉片與齒輪元件…………………………………83
【圖4-8】「機械葉片牆單元」裝置初步完成形態 …………………………………………………84
【圖4-9】1.為「機械葉片牆單元」側視圖，2.葉片形態，3.齒輪與垂板…………………………85
【圖4-10】圖1 裝置所須零件，圖2 葉片與支架，圖3 主要框架，圖4 驅動齒輪元…………… 85
【圖4-11】「機械葉片牆」裝置初步完成形態 …………………………………………………… 87
【圖4-12】「機械葉片牆」裝置各種角度的狀況 ………………………………………………… 87
【圖4-13】「機械葉片牆」裝置初步完成形態 …………………………………………………… 88
【圖4-14】後置齒輪固定於結構的狀態…………………………………………………………… 88
【圖4-15】各種齒輪形式…………………………………………………………………………… 89
【圖4-16】圖1 為機械葉片裝置側視圖，圖2 為正面層立面圖………………………………… 90
【圖4-17】圖3 為「機械葉片牆」裝置側視圖，圖4 為背面層立面圖…………………………… 90
【圖4-18】「動力機械葉片牆」裝置最終形態………………………………………………………91
【圖4-19】圖1 為主框架，圖2 後方固定齒輪的支架，圖3 支架支撐前方葉片，圖4 主框架與後支架的組構 ………………………………………………………………………………………91
【圖4-20】 圖1 為主框架，圖2 後方固定齒輪的支架………………………………………………91
【圖4-21】圖3 為機械葉片裝置側視圖，圖4 為背面層立面圖………………………………… 93
【圖4-22】圖3 為機械葉片裝置側視圖，圖4 為背面層立面圖…………………………………… 93
【圖4-23】圖3 為機械葉片裝置側視圖，圖4 為背面層立面圖………………………………… 94
【圖4-24】為「動力機械葉片牆」完全展開之壓克力切割施工圖單元………………………… 95
【圖4-25】「動力機械葉片牆」裝置框架安裝照片 ……………………………………………… 96
【圖4-26】「動力機械葉片牆」裝置螺桿與間距單元安裝照片 …………………………………96
【圖4-27】機械葉片裝置螺桿與間距單元安裝照片 ………………………………………………97
【圖4-28】機械葉片裝置螺桿與間距單元安裝照片 ………………………………………………97
【圖5-1】圖1 為葉片單元運動軌跡，圖2.3 為單元運動狀態……………………………………99
【圖5-2】 圖1~4 為「中空葉片」單元運動軌跡………………………………………………………99
【圖5-3】「中空葉片牆」裝置形態…………………………………………………………………100
【圖5-4】「中空葉片牆」的動畫模擬………………………………………………………………100
【圖5-5】「中空葉片牆」的動態張力………………………………………………………………101
【圖5-6】「中空葉片複式運動機械牆」裝置最終形態……………………………………………102
【圖5-7】「中空葉片複式運動機械牆」裝置的動力結構…………………………………………102
【圖5-8】「中空葉片複式運動機械牆」裝置模型…………………………………………………103
【圖5-9】「中空複式運動機械牆」裝置的表層……………………………………………………104
【圖5-10】「中空複式運動機械牆」裝置的結構框架 ……………………………………………104
【圖5-11】「中空複式運動機械牆」裝置的動力系統 ……………………………………………105
【圖5-12】1.2 為中空葉片、3 核心齒輪、4 後置驅動馬達…………………………………………105
【圖5-13】複式運動機械牆裝置的零件施工圖……………………………………………………106
【圖5-14】「中空複式運動機械牆」裝置的動畫影格呈現 ………………………………………107
【圖6-1】設計版面-1 ………………………………………………………………………………114
【圖6-2】設計版面-2 ………………………………………………………………………………114
【圖6-3】設計版面-3 ………………………………………………………………………………115
【圖6-4】設計版面-4 ………………………………………………………………………………115
【圖6-5】設計版面-5 ………………………………………………………………………………116
【圖6-6】設計版面-6 ………………………………………………………………………………116
【圖6-7】設計版面-7 ………………………………………………………………………………117

碩士論文
邱信賢
2001《互動式建築之研究－以數位建築為觀點之探討》碩士論文，淡江建築研究所。
陳科吉
2000《有機建築在電腦輔助設計下的建築設計操作》碩士論文，淡江建築研究所。
陳紹彥
1999《可變動的建築與可程式化的空間》碩士論文，淡江建築研究所。
黃子鴻
2008《仿生魚鰭的幾何形狀對擺動推進系統之影響》碩士論文，國立成功大學系統及船舶機電工程學系。
劉彥杰
2008《機器魚實作》碩士論文，國立成功大學工程科學學系。
中文書籍
林伸茂
2009《8051單晶片徹底研究入門篇》初版，台北：旗威科技有限公司。
哲也研究室
2007《3ds Max 3D動力特效設計》第一版，台北：再生出版社。
鄭泰昇
2010《互動建築：空間即媒體、介面、與機器人》初版，台南市：田園城市文化事業有限公司。
劉育東、林楚卿
2009《新構築：邁向數位建築的新理論》。台北：田園城市文化事業有限公司。

原文書籍
Niel Boeing，Simon Davis，Thorsten Klooster
2009 《SMART SURFACES》Editor: Thorsten klooster，Basel、Boston、Berlin。
網路資源
ACTIVE WINDOW
http://ww.ina-kassel.de
ADAPTIVE GENERATIVE PATTERN
http://www.arct.cam.ac.uk/personal-page/stanislav_rou-davski/index.html