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系統識別號 U0002-0207201414340100
中文論文名稱 基於代理人模型的空間衍生之研究
英文論文名稱 A Study of Agent-Based Model for Space Generation
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 土木工程學系博士班
系所名稱(英) Department of Civil Engineering
學年度 102
學期 2
出版年 103
研究生中文姓名 蕭吉甫
研究生英文姓名 Chi-Fu Hsiao
學號 896380036
學位類別 博士
語文別 中文
口試日期 2014-06-16
論文頁數 210頁
口試委員 指導教授-陳珍誠
委員-吳光庭
委員-賴怡成
委員-施宣光
委員-宋立文
中文關鍵字 湧現  場域  衍生  規則  代理人模型  圖示化  物件導向程式  佈署  遞歸 
英文關鍵字 Emergence  Field  Generation  Rule  ABM  Diagram  OOP  Allocation  Recursion 
學科別分類
中文摘要 本論文以『代理人模型(Agent-Based Model,ABM)』衍生出建築設計發展過程中的空間組織圖示與空間形體模型,提出一種透過限定規則產生湧現場域狀態的設計策略。本研究的發展過程中涉及幾何學與拓樸學的討論,並使用物件導向程式語言的規則加上空間代理人系統的概念進行建築空間的參數化運算。
隨著近20年計算機技術的快速發展,例如:Coates 、Lynn、Schumacher等數位化建築領域的先驅者,開始將他們的興趣轉移到多粒子動態場域現象的討論與其內部的組織規則上。本研究企圖改變以往由上而下、靜態、整體式規則的設計程序,而應用多單元間由下而上的動態關係的交互影響與拓樸限制,發展出新的設計策略。本研究根據『代理人模型』的架構編寫程式,並發展出名為『空間代理者(agent)』與『場域(field)』的物件導向程式類別以應用於空間設計程序上。
本研究共分為五章,在說明了研究動機與目的之後,本研究第二章以建築理論、計算機程式語言、與代理人模型進行空間演算法的應用,企圖由不同的面向,整理出當代各個不同領域中對於複雜場域現象討論的相關實驗與案例。最後選擇與空間組織規則相類似並具有高度適應性的『物件即代理人(Object as Agent)』做為理論的基礎,發展成為第三章與第四章的設計與程式操作。藉由OOP 程式語言可繼承與覆蓋的方法與屬性,本研究在第三章中,介紹了以Processing 及其插件的空間代理者模型,並將其應用於集合住宅平面圖的衍生、平面蔓延與垂直堆疊等場域組織的設計模擬上。第四章則是將空間代理者的拓樸屬性應用到複雜城鎮的街廓中,平面以剛體組織規則、複雜自由曲面、與形態最佳化等基於拓樸形體的演算上。最後一章則是綜合理論與程式,分別提出研究貢獻與優缺點檢討,以供未來研究者之參考。
Coates 在《編程建築》中,曾將近代設計活動視為一種邏輯模型生成的過程,本研究則是透過發展出朝向動態平衡的空間代理者模型,進一步驗證分散式代理人單元發展衍生式設計的可能性。本研究最後則是透過檢驗由理論發展到程式編撰的過程,說明當代的建築空間有可能結合化約規則、時間軸、與空間思考邏輯,發展出具有動態佈署思考的圖解、對於時間敏感、由部份生產群體、與自組織規則等特質的設計。
英文摘要 This research generates diagram and layout for the development of architectural design based on Agent-Based Model (ABM), and provides a design strategy that generates emerging field of space through limited rules. The development process of this study refers to theories of geometry and topology, and applies rules in object-oriented program (OOP) language as well as concept of spatial-agent system to execute parametric computations for spatial generation in architecture.

With rapid development of computer technologies in recent 20 years, pioneers of digital architects such as Cortes, Lynn and Schumacher begin to shift their attentions to discuss of multi-particle dynamic field and its internal organization rules. This study attempts to modify the previous computer-aided design programs which are top-down, statistic, and integral type, but applies bottom-up, interaction between multiple units, and topology conditions of dynamic relationship, so as to develop a new design strategy. The study develops OOP classes of “agent” and “field” based on ABM framework, and applies into design processes.

The study includes five chapters. After illustrating research motivations and purposes, the second chapter utilizes architectural theories, computer programming languages and ABM to execute applications of spatial algorithm, attempting to sort out relevant experiments and cases on complicated spatial-field phenomenon at present in different regions and aspects. And then it selects Object as Agent (OA) with high adaptability as theoretical foundation to develop the design and computer programs in Chapters Three and Four. With inheritable and override feature of OOP language, the study introduces Processing and its ABM library in Chapter Three, and applies it for simulating spatial field or organization such as generating residential floor plan, spread out units over the plane, or stacking floors along with vertical axis. Chapter Four focuses on the application of topological properties of ABM to allocate building blocks of townscape, and computing topological forms through several rules such as rigid body conditions, NURBS properties and layout optimization. The last chapter synthesizes theories and programs to identify research contributions and review on advantages and disadvantages respectively for the reference to future studies.

In Programming Architecture, Coates regarded contemporary design activities as a procedure for generating of logical model. This study further testifies the possibility that distributed agent-based design through developing ABM towards dynamic equilibrium among architectural spaces. Through the process from theories to programs, the study finally shows that it is possible for contemporary architectural space to design with rules according to time axis as well as spatial logic, to manipulate designs with features such as diagram having dynamic allocations, sensitive to time, generate from units and self-organized rules.
論文目次 [目錄]
第1章、緒論 1
1.1. 研究背景與動機 2
1.1.1. 延續碩士論文《格狀城市》之研究 2
1.1.2. 朝向探索複雜場域狀態的當代空間計畫 3
1.1.3. 數位工具與空間描述方式的參數化轉變 3
1.1.4. 設計條件的參數化 5
1.1.5. 動態的場域空間 7
1.1.6. 以代理人理論演算場域中的複雜活動 8
1.2. 研究目的 10
1.2.1. 發展不同於靜態規則的動態場域設計方法 10
1.2.2. 發展參數化規則應用於設計條件演算的策略 10
1.2.3. 發展基於部分衍生群體的程式框架 11
1.2.4. 發展擁有自組織特質的設計操作策略 12
1.2.5. 以物件導向框架建構可被繼承擴充的程式架構 12
1.2.6. 發展基於ABM的設計操作 13
1.3. 研究架構與流程 14
第2章、 文獻回顧 17
2.1. 理論論述 18
2.1.1. Bernard Tschumi: The Manhattan Transcripts 18
2.1.2. Greg Lynn: Animate Form 21
2.1.3. Stan Allen: From Object to Field 25
2.1.4. Riser + Umemoto: Atlas of Novel Tectonics 27
2.1.5. John Frazer: An Evolutionary Architecture 30
2.1.6. Patrik Schumacher: The Autopoiesis of Architecture 31
2.1.7. 小結 34
2.2. 應用計算機的空間設計操作 36
2.2.1. Colin Rowe: Mathematics of the Ideal Villa 36
2.2.2. George Stiny: Shape Grammars 38
2.2.3. 結構主義者與規則設定 40
2.2.4. 形式導向的規則 42
2.2.5. Paul Coates: Programming Architecture 44
2.2.6. 計算機語言學與物件導向程式 46
2.2.7. 小結 49
2.3. 代理人理論與應用演算法 51
2.3.1. 代理人模型(ABM) 51
2.3.2. ABM中的演算規則語言學 52
2.3.3. 應用於群集演算的ABM 55
2.3.4. 應用類比的場域填滿演算法 57
2.3.5. 應用邊界處理的演算法 60
2.3.6. 格狀代理人規則的有機演算法 61
2.3.7. 單元進化的遺傳演算法 63
2.3.8. 小結 65
2.4. 案例 67
2.4.1. 渡邊誠 67
2.4.2. 小嶋一浩 69
2.4.3. Domino House 71
2.4.4. Jared Tarbell 72
2.4.5. Michael Hansmeyer 73
2.4.6. Duarte, Jose, Benros的場域框架系統 75
2.4.7. Cecil Balmond 78
2.4.8. Kokkugia 81
2.4.9. 小結 83
2.5. 本章小結 84
第3章、 物件即代理人的 空間代理者場域 87
3.1. 研究工具 88
3.1.1. 研究工具:Processing 88
3.1.2. Processing中多型空間代理者的建置 89
3.1.3. Processing中的動態場域套件與其演算法 90
3.2. 空間代理者的基本能力 93
3.3. 機能泡泡圖與空間代理者的擴展 95
3.4. 場域中集合住宅平面的衍生運算 98
3.5. 垂直發展的集合住宅平面場域 101
3.6. 本章小結 104
第4章、 物件即代理人 的拓樸形態發展 107
4.1. 空間代理者與城鎮群集規劃 108
4.2. 具有拓樸形態的空間代理者 113
4.3. 組織作為建築元素的空間代理者 117
4.4. 空間代理者應用於自由曲面形態發展 120
4.5. 空間代理者應用於進化單元的組織 123
4.6. 空間代理者與拓樸規則的最佳化 125
4.7. 本章小結 127
第5章、 結論與後續研究 131
5.1. ABM與當代設計行為的轉變 132
5.1.1. 朝向動態佈署的思考 132
5.1.2. 以動態圖示化突破化約規則的侷限 134
5.1.3. 動態模擬作為場域設計思考策略的共同前提 136
5.1.4. 部分生產群體形態的代理人場域 139
5.1.5. OOP應用於代理人發展規則自組織 140
5.1.6. 透過代理人場域中乍現的狀態發展設計可能性 143
5.2. 研究貢獻 147
5.3. 研究限制與後續研究 152
附錄 155
參考資料 156
程式原始碼 163
2_01_plan 163
3_00_tower 175
4_00_townPlanning 185
5_01_layout 194
5_02_layout 201
[圖表目錄]
圖表1、Batty透過格狀單元類比植物生長狀態,分析城市發展。 4
圖表 2、當代各種形式類比的空間計畫描述策略。 5
圖表 3、筆者透過格狀單元類型化組織的操作。 6
圖表 4、空間場域化圖示的各種操作。 7
圖表 5、各種利用代理人理論圖示化演算場域中單元活動的設計操作。 8
圖表 6、各種摺疊形式的詮釋策略。 11
圖表 7、研究流程示意圖表。 14
圖表 8、Tschumi圖示化的空間活動拼貼。 18
圖表 9、Tschumi對場域中各種行為事件的空間佈署。 19
圖表 10、Marey抽象化活動序列的記錄攝影操作。 21
圖表 11、Lynn比較各種形態變化的操作。 22
圖表 12、近代物理中受到時空拓樸形式造成場域中的擾動現象。 23
圖表 13、Lynn舉出各種曲線定義方式的轉變。 24
圖表 14、Allen圖示比較場域受內部影響力擾動狀態之策略。 25
圖表 15、RUR羅列不同時代差異形式的並置。 28
圖表 16、RUR發展三角形拓樸結構的各種問題解決模式。 29
圖表 17、Frazer整理各種透過單元的進化與組織所發展形體的操作。 30
圖表 18、Schumacher透過拼貼與變形發展的場域佈署體系。 32
圖表 19、Rowe對理想化住宅的數學比例細分比較操作。 36
圖表 20、Stiny透過單元的各種可代換模式組織整體形式。 39
圖表 21、Hertzberger透過單元再佈署發展機能計畫。 41
圖表 22、Ungers透過預先定義量體發展內部可能的活動。 42
圖表 23、Downing & Flemming對郊區住宅房形安排的分析。 43
圖表 24、Lim分析制式曲線與手繪曲線形式之差異。 43
圖表 25、各種圖示化轉譯並演算城市發展狀態之操作。 45
圖表 26、透過規則演算場域擾動狀態之操作。 53
圖表 27、群集演算法中基於單元規則演算群體狀況。 56
圖表 28、Price透過工廠的自動化生產線圖示,生產出機能性廠房群體。 58
圖表 29、Coretes對城市發展的衍生運算操作。 59
圖表 30、Maruyama透過道路發展演算城市規則的演算模型。 60
圖表 31、本研究發展格狀細胞自動機的周期模式。 62
圖表 32、Coates透過活動造成形態變化的組合形式。 63
圖表 33、透過遺傳繼承規則的組合形式。 64
圖表 34、渡邊誠透過參數化的離散資料進行城市發展演算的操作。 67
圖表 35、小嶋一浩透過圖塊組織發展群體組織。 70
圖表 36、Coates根據不同元件的衍生規則組織量體。 71
圖表 37、Tarbell透過粒子場域佈署演算平面形式。 72
圖表 38、Hansmeyer藉由定義不同粒子屬性以發展形體的操作。 74
圖表 39、Duarte期望的規則導向比較模型。 76
圖表 40、Duarte的代理人機制應用於鋼構域柱系統。 77
圖表 41、Balmond結構規則的圖示化與再構成。 79
圖表 42、Balmond應用粒子ABM進行結構運算的操作。 80
圖表 43、Kokkugia的仿生構造操作。 81
圖表 44、應用Processing進行多型代理人的建置。 89
圖表 45、程式1_00_Agent:空間代理者的基本能力。 93
圖表 46、程式2_00_diagram:機能泡泡圖與空間代理者的擴展。 95
圖表 47、程式2_00_diagram中繼承與覆蓋toxiclibs.physics之比較圖表。 96
圖表 48、程式2_01_plan中繼承與覆蓋2_00_diagram之比較圖表。 98
圖表 49、程式2_01_plan:場域中集合住宅基本平面的衍生運算。 99
圖表 50、程式2_01_plan:透過入口連接垂直動線,衍生集合住宅平面運算。 100
圖表 51、程式4_02_Layout中繼承與覆蓋2_00_diagram之比較圖表。 102
圖表 52、程式3_00_tower中將平面發展的空間代理者擴張為三維量體。 102
圖表 53、程式3_00_tower中根據圖塊的[AABB]屬性定義空間代理者位置。 103
圖表 54、程式4_00_townPlanning中繼承與覆蓋toxiclibs.physics之比較圖表。 109
圖表 55、程式4_00_townPlanning:匹配基地平面之平面佈署。 111
圖表 56、程式4_00_townPlanning:匹配基地平面並進行屬性與基地條件的演算。 112
圖表 57、藤本壯介位於伊達的援護寮。 113
圖表 58、程式5_01_layout中繼承與覆蓋toxiclibs.physics之比較圖表。 114
圖表 59、程式5_01_layout中空間代理者的附屬粒子與鏈結力關係圖表。 115
圖表 60、程式5_01_layout透過拓樸剛體的共用節點,發展連續性平面體。 116
圖表 61、妹島和世的金澤美術館。 117
圖表 62、程式4_02_Layout中繼承與覆蓋2_00_diagram之比較圖表。 118
圖表 63、程式5_02_layout中各結構柱根據距離連結為簇群。 118
圖表 64、程式5_02_layout中根據簇群原則向上方生長樓板。 119
圖表 65、本研究將Processing陣列資料轉譯到Grasshopper中的操作。 121
圖表 66、本研究透過三維結構元件進行規則篩選與組合的操作。 122
圖表 67、空間代理者應用於進化單元的組織操作。 123
圖表 68、由向量屬性轉譯到球面UV座標系統並執行增生指令。 124
圖表 69、空間代理者規與拓樸規則的轉譯變化。 125
圖表 70、本研究發展面狀空間代理者與環境互動形態最佳化操作。 126
圖表 71、後極簡主義者朝向場域與動態佈署的操作。 132
圖表 72、透過佈署表現場域作用的操作。 133
圖表 73、Allen對現代主義圖示化量體拼貼手法的詮釋。 135
圖表 74、Ito透過圖示化模型整合量體、形式與結構的關係。 136
圖表 75、Hillier透過規則衍生發展的Alpha Syntax模型。 137
圖表 76、Coates取消格狀結構的場域佈署操作。 138
圖表 77、Allen描述透視的序列到幾何學原則間的文法轉換。 139
圖表 78、由形態的摺子到計算機詮釋的碎形。 140
圖表 79、Jenny用鐵屑研究黏滯流體在物理力場中的變化形態。 141
圖表 80、本研究透過OOP定義代理人的Chladni_00之表格。 142
圖表 81、本研究透過參數化調控BZ反應圖示。 145
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