土木建築一家親

活動日期
活動地點

主講人

2013/01/21
台大土木研究大樓 402室

卡艾瑋教授
臺灣大學土木工程學系

前言
主講人卡艾瑋教授目前擔任臺大土木系副主任，主要任務便是為土木系這個在外人眼中可能較偏向傳統產業的科別，進行更符合「現代化」的課程改革。從課程設計到實際讓學生進行跨校合作，雖僅僅三年時間，卻已經可以從學生身上看到極振奮的效果，然而，正如主持人康仕仲副教授所說：「這不是件容易的事，因為幾十年來，我們都是這樣被教育的，但是我們現在試圖對下一代學生做不同的教育。」不難想像，課程改革牽涉的層面有多龐大繁複，能在此做出成績並擁有心得，卡艾瑋教授的願景與投入，實在功不可沒。（撰稿／張國儀　2013.01.21）

建築、土木，傻傻分不清楚

相信土木系的學生都曾有過這樣的經驗：當有人問起就讀科系，提到土木時，很多人會直覺地認為，跟建築似乎是同一回事。甚至有些學生在選擇土木系時，也誤認為土木與建築之間有非常大的關連。雖然不能完全說是失之毫釐、差以千里，但也頗有誤會一場的尷尬。
在過去針對學生進行的調查中，大部份土木系學生都表示希望能夠接觸更多建築相關課程。因此，土木與建築的結合之旅就此開始。然而，就臺大土木系來說，實務課程一向比較缺乏，系上提供的大部分是理論與數學的課，即便有些實務課程，也只是帶學生到工地去，親身看看實際的土木工程是如何進行而已。
然而，一拿出照片來比較，就可明顯看出土木與建築的差異。卡艾瑋說：「看這兩張照片，就有蠻不一樣的感覺。一張是白天大家都出去看工地，另一張是在一般常見的design studio，白天都沒有人，這是因為建築系他們習慣熬夜做事情。所以說土木系與建築系有文化和習慣上的差別。」那麼，這兩種不同文化的人合作，過程中會遇到什麼樣的問題，並且能夠達到什麼樣的成果，卡艾瑋以一個學生在進行的計畫實例來說明。

舊空間新做法

由卡艾瑋帶領的這個實例計畫，主要是將過去土木系舊館的一間實驗室改造成學生的活動空間。參與的主要人員則是以工程為主要導向的土木系三、四年級學生，以及較偏建築領域及人文導向的城鄉所學生。
初期階段的工作是空間規劃，由城鄉所高年級同學與土木系學生合作。建築系所的工作習慣是分為多組進行，因此2012年時規劃出了四個構想。雖然各構想由不同學生完成，內部規劃都有不同的想法，然而，受到相同的範圍限制，其中當然也有些共同點，「也就是那些既存的結構和牆壁，都是不敢去碰的。」卡艾瑋解釋道。
而對土木實務有比較深入瞭解的學生，在面對既存的建築物限制時，是不是能有不同的看法及幫助，也是個值得去探討的議題。例如說，土木工程的學生可能就會考量，這一面牆壁的更動是否會影響結構效應，如果沒有影響，是不是可以考慮打掉，如此便能讓空間再重新分配。

結構安全的考量

臺灣是個地震頻繁的國家，牆壁的去留及規劃需要非常小心，並非把牆留下就無須考慮結構安全問題，反而應該要有另一種思維，讓這個建造已超過50年的老舊實驗室，有機會做一些改變。「我們是不是可以順便利用這個機會，評估結構是否足夠安全？若不足，是不是可以補強？不只是單純改變內部空間配置，同時還能增加結構上的安全。」卡艾瑋說。
他也表示，這些相關的評估是土木系可以做的，同學可以用實體模型去了解建築物的狀況，以側面的力去瞭解RC結構什麼時候會遭受到破壞、多大規模的地震會產生破壞，從而進一步去瞭解如何做補強。

空間再造

此次改造的舊實驗室高度超過3.5公尺，建築規劃的學生想利用這樣的高度加入閣樓，以此增加空間與彈性。不過實驗室高度雖高，如果將之分成兩層，其實還不夠，無法讓成人站立。而建築取向的同學的想法是，下層高度可以較為低矮，用做放置物品的空間，而活動空間則可以放在上層，讓人有較舒適的活動空間，「這是比較建築的解決方式。」卡艾瑋表示，如果利用模型，更可以感覺到設計的效果，這麼做的確可以利用下層空間來放置球具等雜物，不過下層會因此變得較矮、較暗，而這樣的空間無法擁有高品質的環境；此外，如果比較了解土木工程以及不同時代建造房屋的習慣，可能會想到，這個空間的地表很可能只是填土而已，若是如此，是不是有機會往下挖30、40公分，讓整個空間增加高度，打造出高品質的空間。
而在確認假設的過程中，學生們發現地表的確是薄的，而且沒有地樑。這些發現有兩個重點：第一，空間改造的彈性增加，第二，防震安全的不足。「而這兩者是建築與土木可以共同去解決的問題。」卡艾瑋說。

結構與建築

過程中卡艾瑋分享了一段影片，內容是在一座拱橋模型上放許多砝碼，再用等同於921地震的強度進行搖晃，看看拱橋是否會遭破壞。而結果是：不會。如果把同樣的結構體放大，放上一部卡車又會如何？以兩倍大的921地震強度來實驗，結果結構體依然不會遭到損壞。「看到這樣的結果，同學再次思考，結構是否有必要做這麼強？整個空間都是這麼粗的結構，會讓空間的使用很不方便。」
而除了土木的結構專業之外，城鄉所培養出來的設計過程，則是可以讓人親眼看到實體模型，了解怎樣的空間才會讓使用者感覺舒服。不過這個活動空間的規劃到目前為止，還無法完全克服建築與結構上的各種問題，要將這些問題與解決方法結合起來，依然是很大的挑戰。

土木系的課程規劃- Stepping Stones

而在未來，該如何改進土木系的課程，讓學生能更有機會同時跨足建築和土木領域？這是卡艾瑋持續思考的方向。他認為，最適當的作法就是，學生進入土木系時，便開始學習將結構和力學，以及土木與建築的概念結合起來。而這就是所謂的：Design on top of engineering education。
卡艾瑋說明，大學四年時間裡，前三年可以加入基本力學、工程數學、鋼筋混泥土等課程，到大四時，再把這些專業知識應用到某個特定的設計案中，這是所謂“Capstone”的概念。而這個概念的體現，就是一開始學習時，加入設計元素，然後每個階段逐步提升；大一先有初步的設計概念，大二持續下去，不要等到大四才開始。
而臺大土木系也從2011年左右開始引進Stepping stones的課程規劃法。卡艾瑋說：我們「在2012年是第一次讓全年級開始進行參與這樣的課程模式，讓大一跟我們一起做Cornerstone，大二是Keystone，大三大四則是Capstone。」

從設計到實作

目前臺大土木的課程安排為，大一上下學期全為必修課，之後則為選修。課程內容的形式，前期以概念設計為一個階段，讓學生大一上學期可以從自由發想開始，做出數位設計的成果，也讓數位設計成為工程圖學的工具，讓學生可以自由使用自己想出來的結構。而大衣下學期則是從設計演變到實作，以小支柱型的模型為主題，讓學生進行設計並做出實際成品。
課程的第一個禮拜，整班約一百位學生還是個大團隊，全聽老師怎麼說；而從第二個禮拜開始，學生開始有機會從一些專題去瞭解實際的工程，之後仿照建築教學的模式，到design studio進行設計工作，除了增加團隊合作的機會，更可以用一整個學期的時間來研發自己的構想。

藉由一個主題讓同學創意發揮

而去年的課程方案是讓同學設計一個適合表演使用的舞台。每個團隊在校園中自己選擇一個地點來加以設計，過程中需要進行測量，並運用簡單的模型去瞭解周遭環境，最後設計出一張海報，呈現團隊的數位設計。
「整個過程中大部分都是同學自己做的，老師並沒有教他們太多的技術，但是到達一定程度，老師會再進一步與同學討論、瞭解進度，並且提供一些建議；到了最後階段，則是由專業的建築師和結構技師來評估同學的構想，並提供一些問題的解答。」卡艾瑋說明道。
其中一個成果案例是學生以洞洞館作為設計的舞台，卡艾瑋說：「效果還不錯。不過可以明顯地看出來，這是想像出來的，非常有效果的一個樣子，但是未來若要真的讓這個構想正式呈現出來，該怎麼做？我們希望在下一個學期，同學就可以去面對這樣的問題。」他表示，在接下來的學期中，課程將延續同一個主題打造出實際模型。包括使用石膏去建構小型的RC結構，並深入瞭解如何搭建才能既有結構上的要求，也能擁有高品質的使用空間。
而另外一個案例則是嘗試利用數位設計打造出來的結構，再搭配電腦控制的切割機加以組裝完成。卡艾瑋也提到，去年康仕仲副教授的團隊，更試著控制燈光，達到漸層的效果。「所有最後的成果展就有結構、建築、燈光等不同元素的展現，讓活動整體更加豐富。」

培養建築師的判斷

除了土木系本身的專業之外，教師也期待學生在畢業前能具備建築師的判斷能力。「未來也許有少數學生會往建築的方向走，但是選擇土木領域的學生，也必須培養出相關的建築素養，認識建築系的風格，瞭解建築系的強項及特點何在。」
2012年卡艾瑋更主導了臺大土木系與實踐大學建築系的合作，提供了一個很好的機會，讓兩校大二同學一起設計製作一座橋。首先，學生們先到實踐大學的木工廠，學習木工技術，接下來則提出設計方案。設計規則很簡單，這座跨度超過五公尺的木橋，必須要有建築的元素以及足夠承載人的結構力。而其他設計上的要求則不受限，學生可以自由往各種不同方向發揮。

挑戰不一樣的習慣

這是個大團隊的活動，每個團隊各有12名學生，建築系與土木系比例約各佔一半。在過程中，可以發現某些屬於建築系的特色，第一，不會只有一個方案，而是同時有好幾個方案；第二，設計過程中不只有畫面，更要做出模型，同學間互相討論後，還要由老師做進一步的檢查和討論。卡艾瑋說，若以建築系的習慣，這種過程一次通常就是好幾小時，上課中有五個小時都是在討論，那學生什麼時候做事情？當然就只有下課後了，不論晚上、早上，做到很晚，然後再找時間繼續做。「而我們土木系的同學通常是下了課之後有作業，花一兩個小時作完後，交了就結束，情況很不同。」
顯而易見，當土木系學生看到建築系學生的習慣，哇！一門課，一個禮拜花上24小時或48小時都有可能。特別是這種實際要做出成品的課程，得在短時間內做出那些結構體，還要能有足夠的強度可以承載人的重量，絕對是個不小的挑戰。
回到比較偏土木工程的設計上，因為懂得測量變形、分析效果，再加上可以看模擬圖的結果，所以土木系學生會比較早有造型上的想法，並且思考能不能把橋架建構在柱子上。這次課程的案例，一開始整座橋只有一根柱子，後來學生認為有機會使用兩根柱子讓橋跨過去，於是形成了最初的造型概念。到最後，學生也真的有機會做出實體，而且整個團隊站上去，變形也不多。
卡艾瑋說，這次的活動是他曾參與的課程中，唯一破了兩個記錄的一次。第一個記錄是，課程時間比一般課程多一倍，但學生的滿意度，同樣也是破記錄的，「這個活動是近幾年內學生最喜歡的一堂課，而且是百分之百大家都喜歡的活動。學生喜歡那種有實際成品展現出來的成就感，也喜歡跟風格不同的建築系合作，去瞭解、學習他們的技術。」卡艾瑋不無驕傲地說道。

競賽內容結合學習經驗

除了課程的變革外，學生也透過每年臺大杜鵑花節的博覽會，向高中生介紹土木系。之前，土木系一般的做法是利用紙或木板做出某個特定的結構體，像杜拜的帆船旅館。但今年（2013年）系學會則有不同的新構想，卡艾瑋說，學生們想要利用大一、大二學到的技術，來增加展示品的專業度。
於是，學生安排了一個公開的建築設計比賽，想要設計杜鵑花節結構物的學生都可以參加，最後從六個提案中，由設計者介紹自己的結構概念、建築考量，以及如何將新結構與現有結構作搭配。每一組都各有其風格，例如有些偏重曲線，有的則是利用了三角形來做結構體的結合，各有特色。
提案過程中，學生就是評審，針對每個設計提出問題，像是：「這個結構上好像有問題？」、「你為什麼想這麼做？」等等。等六個提案全部介紹完、審查完後，再讓學生進行投票表決。整個比賽過程難分高下，票數非常緊繃。最後是由一位大二女學生以一票之勝當選。卡艾瑋笑著說：「當選她就倒楣了，因為她的設計最複雜，所以責任很大。接下來她要當主要的設計者，繼續做細部規劃，把想法延伸成實際可行的結構物，是很有挑戰的任務。」

合作不分年級

有趣的是，大三的學生並沒有就把案子丟給這位當選的大二女學生，反而一起討論，該怎麼做才能讓這個設計實際呈現。學長姐利用自身的經驗給予了支援：「我們幾位比較有經驗的大三同學，是不是該先安排一下施工過程」、「工具要怎麼安排」、「需要多少人力」，諸如成本以及結構上的議題，大家開始討論如何互相幫忙。
卡艾瑋說，基本上設計只要一有問題就會立刻作變更，到V-Lab做模型的調整，變更完再到樓下實驗室切割，把問題解決。「他們的成品是很大的，是一個三公尺高的作品，我想他們有可能低估了工作量，但他們不怕，無論如何都要把成品完成。在設計到完成結構的過程中，連老師都還不曉得結果會如何，等到杜鵑花節去看看，就知道是不是成功了。」他微笑頷首地這麼說。

Q & A

問：學生通常比較喜歡做自己的作品，如何讓大三學生協助大二學生完成作品，其中的困難與過程，希望請卡老師分享。
此外，土木系和建築系兩種價值觀不同的學生，在跨領域合作上，又有哪些心得可以與我們分享？
答：因為土木系大三的同學曾參與過與建築系合作的活動，所以有這樣的訓練與經驗。由12個人選定一個方案來完成，等於每個人有11/12的機會做的不是自己的構想，但是過程中這個構想一直在改變、轉向，所以自己的構想沒有被選中沒有關係，重要的是最後能把設計呈現出來。集結12個人的想法去解決各種問題，在這樣有難度、有挑戰的過程當中所做出來的木頭橋，這種成就感讓他們印象非常深刻難忘。
其實這個課程方案是來自實踐大學，是他們研發多年的一個活動，所以我們援用他們的經驗。時間、規範該如何訂定，在某些條件限制下讓學生仍有足夠的基礎去完成活動。還有另外一個重點是，應該在什麼時間點讓學生來進行這種合作，這也是非常重要的考量。大一，可能太早，因為兩邊的同學都還沒有學到基礎的技術和工具，能夠互相應用合作；可是如果等到大四，好像又太晚了，因為他們彼此的工作方式都已經固定，就很難合作。所以我們的經驗是，在大二這個階段比較適合導入。而相關的圖學技術方面，土木系在大一就學習了很多；建築系更不用講，大一時很累，經常要熬夜，也因此學習到各方面的設計，那如果有這樣一年的準備，再把兩方結合起來，效果就很不錯。

問：在橋梁設計過程中，即使學生沒有學過任何力學結構，還是能將橋搭建起來，這個部分，同學是否會應用到建築應力分析、結構分析？若是壓垮了，學生知道要去改哪一個因素，才能讓橋立得起來嗎？
答：有這個效果。其實做模型的時候，因為很小比較不會有感覺，但是，大的木頭結構雖然蓋好了，你去碰它，就會發現它晃得不得了。大家發現這個問題之後就要去解決，而他們想到的方式跟外面用的方式很類似，那就是，增加它的結構，讓它的穩定度增加。
這些其實都沒有教過，有進一步知識和瞭解的人會實際去摸摸看、上去看看側面的結構，但因為學生還沒有經驗，所以只會先想到往下的力量，完全不會想到左右的力量。不過人一踩上去發現左右搖晃得非常嚴重，怎麼辦？那就要加上對角線的支持（diagonal member）讓左右調適。這就是過程中自然而然會出現的解決模式。
另外一個例子是，有一組的提案是安裝在柱子上的橋，但不能破壞現有的柱子。所以學生會運用力學的觀念，去計算橋體總載重，透過B字型木板，要有多少力與柱子之間的磨擦力作抵銷，讓橋體懸空。學生會用摩擦力的概念去計算，再進一步做測試。
這種活動，我們並不會告訴學生前導概念，遇到問題他們要馬上回應，因為他們大一有修過力學的課程，所以問題拋出來，他們就得靠力學去解決。學生也注意到，雖然他們是土木系，但是結構感不見得比建築系學生好；土木系會算，但是建築系學生每天都做模型，做1:1的、大型的、木工的東西，來增進他們的專業，能力還蠻不錯的，不會輸給我們土木系的力學計算能力。

問：從自身的過去經驗看來，大三時其實還不太會結構分析，以重要的力學概念來講，從這個造橋專案來看，學生們做的是不是比較不複雜的結構分析？
答：對，可是現實中，工程師的討論情形也是如此。在設計過程中，初期還是先靠感覺決定，計算在後期才會表現。所以，有時似乎是我們給同學一個錯的觀念－什麼都要先計算才可以開始；但其實力學並不是這樣的，結構力學是等到艾菲爾鐵塔已經存在好幾年，才發展到目前的程度。有些理論是經驗傳承出來的，所以讓學生先經過小規模的實際活動來做練習，再接著理論的學習階段應該也不失為一個好的教學方式。

卡艾瑋帶領的實例計畫，主要是將過去土木系舊館的一間實驗室改造成學生的活動空間。

土木系與建築系有文化和習慣上的差別。那麼，這兩種不同文化的人合作，過程中會遇到什麼樣的問題，並且能夠達到什麼樣的成果?

此次改造的舊實驗室高度超過3.5公尺。學生們發現兩個重點：第一，空間改造的彈性增加，第二，防震安全的不足。「而這兩者是建築與土木可以共同去解決的問題。」

「未來也許有少數學生會往建築的方向走，但是選擇土木領域的學生，也必須培養出相關的建築素養，認識建築系的風格，瞭解建築系的強項及特點何在。」