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系統識別號 U0002-0109201612485900
中文論文名稱 應用形態發生學於形態找尋
英文論文名稱 Applying Morphogenesis for Form-Finding
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 建築學系碩士班
系所名稱(英) Department of Architecture
學年度 104
學期 2
出版年 105
研究生中文姓名 李明翰
研究生英文姓名 Ming-Han Lee
學號 602360025
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2016-06-14
論文頁數 116頁
口試委員 指導教授-陳珍誠
共同指導教授-游瑛樟
委員-施宣光
委員-柯純融
中文關鍵字 參數化設計  模式形成  演算法  歷時性腳本  形態發生運算 
英文關鍵字 Parametric Design  Pattern Formation  Algorithm  Time-Based Scripting  Morphogenetic Computation 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 在自然中有許多隱含的模式,其呈現可能為生物的結構、形態,或者是群體間的動態行為等,透過研究自然界的生成原理,將能進一步理解其規則與模式。本研究在形態找尋的方法下,進行形態發生學的操作,並經由歷時性腳本與參數化模型的輔助,進行設計運算與推演,期望能藉由此方法,將形態發生學應用至建築的領域。

本研究之操作分為三個階段:第一階段為基本幾何,點、線以及面的構成,並透過不同的演算法與形態的操作,進行建築元件設計的發想;藉由不同演算法的選用與合併用使,進行具有規則的基礎形態生成。第二階段則是進行歷時性腳本的操作,以群聚行為模式為演算基礎,進行編織形態生成演算法的撰寫;在本階段中,延續既有規則基礎的生成推演,並透過迴圈的撰寫,進行具時間基礎的形態運算,最後生成二維的模式以及三維的形態。第三階段則是建築結構形態的生成,首先以形態找尋的方法操作建築基本形態的發生,分別為柱式、拱、圓頂以及薄殼,再以前一階段所撰寫的編織生成演算法進行形態生成;在這部分所進行的設計操作,主要希望透過前階段所確立的形態生成模式,進一步形成建築的有機結構形態的生成。

在本論文的操作中,主要仰賴數位設計輔助工具進行設計運算,其優勢在於,數位時代的幾何形態是由資訊所構成,因此能進行數據的分析與組合,相較於過去類比式的操作,將能協助設計者進行更方便且大量的設計計算;此外,在形態發生的操作部分,則是希望藉由此研究,理解有趣的建築形態生成原理,藉以產生新的建築設計方向與有意義形態。
英文摘要 There are many implicit modes in the nature, which may be presented in biological structures and forms or dynamic behaviors among groups. These rules and modes will be further understood by studying the generation principle of the nature, thus this research utilizes form-finding method to operate morphogenesis, and conducts design and deduction through assistance of time-based scripting and parametric model, expecting to apply morphogenesis into architectural design.

The operation in the research includes 3 parts: the first is the composition of basis geometry, point, line and surface through different algorithms and forms, it develops the concept of architecture component design; it selects and merges different algorithms to generate basic regular form. The second part conducts operation of time-based scripting and takes clustered behavior pattern as calculation base, to write generation of algorithm from weaving form; in the step, it continues generation deduction of existing rule foundation and utilizes writing of for-loop to conduct form computation with time-based, which finally generates two-dimensional pattern and three-dimensional form. The third is to generate the structures of architectural form; first, it utilizes form-finding method to operate generation of basic form of architecture, i.e., column type, arch, dome and thin shell respectively, second, it conducts form generation through the weaving generation algorithm in the previous phase; the design operation in this part mainly hopes to further form organic structure of architecture through form generation pattern established in last phase.

The operation of the thesis mainly depends on the computer-aided design tools to conduct design computation. The advantages are that geometric form in digital time is composed of information, therefore, it can analyze and combine data, compared with the past analogy operation, which can assist the designer to have more convenient and a great deal of design calculation; besides, in the operation part of pattern generation, the research is expected to learn generation principle of interesting building form, so as to generate new design direction and meaningful form for architecture.
論文目次 【目錄】
第1章 緒論 1
1-1 研究動機 1
1-1.1 向大自然學習的有機建築 1
1-1.2 大四設計機器的延續 1
1-1.3 淡江建築傳承工作營(Lineage Workshop) 2
1-1.4 自然中的生成與其隱含的模式與規則 3
1-1.5 宜蘭綠色博覽會 3
1-1.6 數位時代的建築設計與數位構築 5
1-2 研究目的 6
1-2.1 新建築的生產 6
1-2.2 數位時代的電腦輔助設計 6
1-2.3 參數化模型的應用 7
1-2.4 多樣化與客製化產品的設計流程 7
1-3 相關領域 8
1-3.1 參數化設計 8
1-3.2 生物學及演化 8
1-4 研究成果 9

第2章 文獻回顧 11
2-1 相關案例 11
2-1.1 Subdivided Columns 11
2-1.2 Turing Pavilion 12
2-1.3 Floraform 13
2-1.4 Silk Pavilion 13
2-1.5 P_WALL 14
2-1.6 Research Pavilion (2010 - 2015) 15
2-2 相關建築師 17
2-2.1 Frei Otto 17
2-2.2 Neri Oxman 17
2-2.3 N-E-R-V-O-U-S System 18
2-3 參考書目 19
2-3.1 Art Forms in Nature: The Prints of Ernst Haeckel 19
2-3.2 新興建構圖集 20
2-3.3 建築湧現:自然和文明形態之進化 20
2-3.4 新興科技與設計–走向建築生態典範 21
2-4 演算法 23
2-4.1 Fractal 23
2-4.2 Minimal Path Problem 23
2-4.3 Reaction Diffusion 23
2-4.4 L-Systen 23
2-4.5 Swarm 23
2-5 程式庫與插件 25
2-5.1 4D Noise 25
2-5.2 Shortest Walk 25
2-5.3 Anemone 25
2-5.4 BOID Library 26
2-5.5 Kangaroo 26
2-6 小結 27

第3章 點與線架構 29
3-1 設計發想 29
3-2 點構成與點形態 29
3-2.1 Function Points 29
3-2.2 Perlin Noise 30
3-2.3 Field Points 33
3-3 線構成與線形態 34
3-3.1 Metaball 34
3-3.2 Shortest Path 36
3-3.3 Wooly Path Model 38
3-4 小結 40

第4章 形態架構 41
4-1 前言 41
4-2 規則架構 41
4-2.1 規則架構(Top-Down) 41
4-2.2 規則架構(Buttom-Up) 43
4-2.3 樹狀結構(T_Branch) 47
4-2.4 線成體(Perlin Dome) 49
4-3 編織形態 52
4-3.1 編織形態(Knit Study) 52
4-3.2 動態編織(Knit Form Generation) 54
4-4 小結 58

第5章 建築架構 59
5-1 前言 59
5-2 生長形態 59
5-2.1 柱形態Column Knitting 59
5-2.2 圓頂形態Dome Knitting 68
5-3 結構形態 74
5-3.1 拱頂形態Vault Knitting 75
5-3.2 薄殼形態Shell Knitting 81
5-4 小結 89

第6章 結論與建議 91
6-1 設計操作與回顧 91
6-2 個人心得與結論 94
6-3 後續研究建議 95

參考文獻 97
附錄 101


【圖目錄】
圖 1-1.1 Falling Water, Frank Lloyd Wight, 1964; Sandworm, Marco Casagrande, 2012 1
圖 1-1.2 第一屆傳承工作營,2012,Tamsui,Taiwan 2
圖 1-1.3 獅子魚Pavilion 參數化模型 4
圖 1-1.4 獅子魚Pavilion放樣與現場組裝 4
圖 1-1.5 獅子魚Pavilion 4
圖 1-2.1光輝城市,柯比意,1922;Pruitt-igoe(1954-1972) 6
圖 2-1.1 Subdivided Column by Michael Hansmeyer,2010 11
圖 2-1.2 Turing Pavilion 12
圖 2-1.3 Floraform System 13
圖 2-1.4 Silk Pavilion 13
圖 2-1.5 由左至右 P_Wall @SFMOMA; Detail 14
圖 2-1.6 Research Pavilion2010-15 15
圖 2-1.7 Research Pavilion2011 16
圖 2-2.1 Frei Otto之手稿 17
圖 2-2.2 Neri Oxman及其作品 18
圖 2-2.3 Nervous System及其作品 18
圖 2-3.1 Art Forms in Nature: The Prints of Ernst Haecke 19
圖 2-3.2 新興建構圖集 20
圖 2-3.3 建築湧現 20
圖 2-3.4 新興科技與設計 22
圖 3-2.1 Function Pts 29
圖 3-2.2 Function Pts Definiton 29
圖 3-2.3 Perlin Noise Pts & Random Pts 30
圖 3-2.4 Perlin Noise 30
圖 3-2.5 Perlin Column Process 31
圖 3-2.6 Perling Column 形態發生過程 32
圖 3-2.7 Field生成過程圖 33
圖 3-2.8 經由改變Charge值所生成之推演 33
圖 3-3.1 Metaball之Iso-curve生成過程圖 34
圖 3-3.2 Meta-Column 35
圖 3-3.3 Meta-column Definition 35
圖 3-3.4 最短路徑演算過程圖 36
圖 3-3.5 Shortest Path Definition 36
圖 3-3.6 最短路徑生成差異圖 37
圖 3-3.7 Sortest Path 3D 37
圖 3-3.8羊毛絲狀模型,199 38
圖 3-3.9 Wooly Path生成過程圖 38
圖 3-3.10 Wooly Path生成過程圖2 39
圖 4-2.1 獅子魚Pavilion 41
圖 4-2.2 獅子魚Pavilion之曲面分割 42
圖 4-2.3 Top-down Design Process 42
圖 4-2.4 2D Fractal Definition 43
圖 4-2.5 2D Fractal2 44
圖 4-2.6 3D Fractal Sample 45
圖 4-2.7 3D Fractal Transform 45
圖 4-2.8 3D Fractal Final 46
圖 4-2.9 T_Branch on Surface 47
圖 4-2.10 T_Branch in Brep 47
圖 4-2.11 不同起始點生成之T_BRANCH差異對照圖 48
圖 4-2.12 T_Branch Final 48
圖 4-2.13 Polygonising a scalar field Diagram 49
圖 4-2.14線成體演算過程圖 50
圖 4-2.15 Perlin Dome Process 50
圖 4-2.16 Generation in Culebra 50
圖 4-2.17 Perlin Dome Fina 51
圖 4-3.1 Weave Study 52
圖 4-3.2 Weave Column Process 52
圖 4-3.3 Weave Column Final 53
圖 4-3.4 Knit 2D Study 54
圖 4-3.5 Knit形態發生過程圖 55
圖 4-3.6 Knit 2.5d 55
圖 4-3.7 Box Knit Study 56
圖 4-3.8 Knit Revolve Studty 57
圖 5-2.1 Knit Column All 59
圖 5-2.2 Column_Array 60
圖 5-2.3 Column01_Array形態發生過程圖 61
圖 5-2.4 Column01_Final 61
圖 5-2.5 Column02_Mirror 62
圖 5-2.6 Column02_Mirror形態發生過程圖 63
圖 5-2.7 Column02_Mirror Type2 64
圖 5-2.8 Column3_Revolve 65
圖 5-2.9 Column03_Revolve形態發生過程圖 66
圖 5-2.10 Column03_Fina 67
圖 5-2.11 Cluster01 Process 68
圖 5-2.12 Cluster01形態發生過程圖 69
圖 5-2.13 Cluster01 Type2 69
圖 5-2.14 Cluster01 Type2形態發生圖 70
圖 5-2.15 Cluster02端點控制Definition 70
圖 5-2.16 Column02 Process & Generation 71
圖 5-2.17 Dome from Cluster Process&形態發生過程圖 72
圖 5-2.18 Dome from Cluster Polar Array 72
圖 5-2.19 Dome from Cluster Plan 73
圖 5-2.20 Dome from Cluster Rendering 73
圖 5-3.1 Gaudi's Hanging Chain Model 74
圖 5-3.2 Catenary Study by Plug-in Kangaroo 75
圖 5-3.3 Kangaroo_Catenary Definition 76
圖 5-3.4 Knit Vault Structural Line 76
圖 5-3.5 Knit Vault pt.1 Process 76
圖 5-3.6 Knit Vault pt.1 形態發生過程圖 77
圖 5-3.7 Knit Vault pt.1 Final 77
圖 5-3.8 Knit Vault pt.2 Process 78
圖 5-3.9 Knit Vault pt.2 形態發生過程圖 78
圖 5-3.10 Knit Vault pt.2 Final 79
圖 5-3.11 Knit Vault Prototype Final 79
圖 5-3.12 Knit Vault Curve Group 80
圖 5-3.13 Knit Vault Solid 80
圖 5-3.14 Knit Shell Input Geometry 81
圖 5-3.15 Knit Shell Process_1 81
圖 5-3.16 Knit Shell Process_2 82
圖 5-3.17 Knit Shell Form-Finding Definiton 82
圖 5-3.18 Knit Shell Process3 83
圖 5-3.19 Knit Shell pt.1 Process 83
圖 5-3.20 Knit Shell pt.2 Process 84
圖 5-3.21 Knit Shell pt.1-2 形態發生過程圖 84
圖 5-3.22 Knit Shell pt.1-2 Final 85
圖 5-3.23 Knit Shell pt.1 Process 85
圖 5-3.24 Knit Shell pt.3 形態發生過程圖 86
圖 5-3.25 Knit Shell pt.3 Process 86
圖 5-3.26 Knit Shell Final 86
圖 5-3.27 Knit Shell Renderin 87
圖 5-3.28 Knit Shell Modeling 88

參考文獻 【參考書目】
Heinrich Engel
1988 《結構系統》,鍾英光譯,茂榮。

Ernst Haeckel
2008 《Art Forms in Nature: The Prints of Ernst Haeckel》,ACTAR、Harvard Graduate School of Design。

Farshid Moussavi
2009 《The Function of Form》,Prestel。

Michael Weunstock
2010 《建築湧現:自然和文明形態之進化》,電子工業出版社。

Neil Leach、袁烽
2012 《數字化編程》,同濟大學出版社。

Reiser+Umemoto
2012 《新興建構圖集》,李涵、胡妍譯,同濟大學出版社。

Michael Hensel、Achim Menges、Michael Weinstock
2014 《新興科技與設計 – 走向建築生態典範》,陸瀟恆譯,中國建築工業出版社。

彭智謙、湯天維、陳珍誠
2015 《蚱蜢狂熱I》,淡江大學出版中心。


【參考論文】
江青澤
2009 《數位模擬自然紋理於建築設計的過程》,淡江大學建築學系碩士論文。

湯天維
2012 《以演算法探討參數化集合住宅設計》,淡江大學建築學系碩士論文。

張世麒
2013 《形態發生計算之建築設計應用》,淡江大學建築學系碩士論文。

紀政宏
2013 《以群體行為衍生空間形式》,淡江大學建築學系碩士論文。

蔡泓剛
2013 《建築空間生成之運算:以序列、規則、與演算法為例》,淡江大學建築學系碩士論文。

柯宜良
2014 《以數位構築的自然重現》,淡江大學建築學系碩士論文。

陳珍誠
2015 《演算形態於建築設計運算中的應用》,中華民國科技部研究報告。


【參考網站】
Neri Oxman:http://www.materialecology.com/
Nervous System:http://n-e-r-v-o-u-s.com/
Biothing:http://www.biothing.org/
ICD - Universität Stuttgart:http://icd.uni-stuttgart.de/
Daniel Wigrig:http://www.danielwidrig.com/
Andy Lomas:http://www.andylomas.com/
Deskriptiv:http://www.deskriptiv.de/
Plethora:http://www.plethora-project.com/
Michael Hansmeyer:http://www.michael-hansmeyer.com/
Bolojan Daniel:https://nonstandardstudio.wordpress.com/
Patrik Schumacher:http://www.patrikschumacher.com/
GAD 2013/14 RC6 Crafting Space:https://vimeo.com/106554680
Grasshopper3D:http://www.grasshopper3d.com/
Digital AIEOU:https://www.facebook.com/digitalaieou/
CCC Lab:https://labccc.wordpress.com/
Copyleft ©:http://fec-lfdf.blogspot.tw/
TESIGN Studio:http://tesignstudio.blogspot.com/
P&A Lab:http://pandalabccc.blogspot.tw/
Form Follows Functions:http://fff-ish.blogspot.tw/
朗朗設計:http://lunglungdesign.blogspot.tw/
演算法筆記:http://www.csie.ntnu.edu.tw/~u91029/Algorithm.html
細胞自動機:http://www.atlas-zone.com/complex/alife/ca/
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