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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。
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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。
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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?
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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。」
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「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。」
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