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系統識別號 U0002-0208201616493300
中文論文名稱 曲木數位製造
英文論文名稱 Digital Bending Wood Fabrication
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 黃凱祺
研究生英文姓名 Kai-Chi Huang
學號 603360024
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2016-06-14
論文頁數 135頁
口試委員 指導教授-陳珍誠
共同指導教授-游瑛樟
委員-柯純融
委員-施宣光
中文關鍵字 木材彎曲  工藝  數位設計與製造  參數化設計  展示亭 
英文關鍵字 Wood Bending  Crafting  Digital Design and Fabrication  Parametric Design  Pavilion 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 木材應用於建築領域已經有非常長久的時間,是十分古老的建造材料。隨著時間的發展,設計者與匠師對於材料理解的增加,開始嘗試思考多種如何將木材彎曲與再加工的方法,這些方法當中包含著對於材料特性的掌握與再詮釋,有時甚至得碰觸到違反材料特質的非傳統材料處理。

電腦輔助設計的領域裡,人們可以透過無重力、無材料性甚至無機能與尺度的方式去尋找更加有趣的形態與構成。如何將螢幕上的三維模型實踐於真實世界中,並透過將其物質化呈現於世人面前,是許多研究數位設計相關領域專業者不斷努力的課題。因此參考傳統的曲木工藝,結合今日的電腦輔助設計與製造技術,以發展出不同於以往的木材加工方法是本研究所要探討的課題。

本研究主要透過小、中、大的三種尺寸的設計操作與並加以探討,於小型作品的階段首先透過「犀牛」(Rhinoceros)建模軟體進行曲木三維電腦概念模型的設計,並透過雷射切割的工法進行製造,過程中在電腦模擬與材料加工之間反覆操作,讓兩者得產生合理的關聯。中型尺寸的作品主要運用傳統曲木工藝的技法,製作出數種曲木的原型,進行工藝探討的同時也思考不同的技法與原型可以如何被參數化的運用。最後的大型作品則是以製作1:1的展示亭為目標,此階段設計了三件作品,分別將中型研究中的原型加以運用,並配合「犀牛」軟體的插件「蚱蜢」(Grasshopper)進行參數化設計的調整與修正,並實際製作與建造出其中一座高約三米的展示亭。

以往曲木工藝的領域中,因為不同的加工方式會產生不同的施工細節而產生不同類型的成果。本研究將該工藝透過數位設計與數位製造的方法呈現,研究過程中發現結合了數位的技術,可產生不同以往工藝方法的曲木成品。並透過展示亭的設計與建造,了解到因為數位軟體、硬體的進步,讓許多以往難以被想像與實踐的設計方案在今日得以被研究與實現。

英文摘要 It has been a long time that wood is applied to architecture, thus wood is a kind of ancient building material. With the increase of designers’ understanding of material over time, they began to try multiple methods for bending and processing wood. These methods contain controlling and re-interpretation of material characteristics, and even refer to untraditional material treatment violating material characteristics.

In the CAD environments, designers can look for more interesting form and composition through the CAD method without considering gravity and material characteristics, even without considering building functions and scales. How to apply a 3D model on the screen to the real world and present it to people through materialization is an issue that many digital design researchers are making continuous efforts to realize. Therefore, the issue discussed by the research is to develop a wood processing method different from the past one by means of referring to traditional bent wood crafting and combining with current CAD and manufacturing technologies.

The research mainly operates and discusses designs of three sizes (small, medium and big). For small-sized works, it first designs a bent wood 3D computer concept model through Rhinoceros modeling software, and manufactures the model through laser cutting. During the process, computer simulation and material processing are operated alternately, to make both generate reasonable relevance. For medium-sized works, it mainly utilizes the traditional bent wood crafting skill to manufacture multiple prototypes of bent wood. In crafting discussion, different skills and prototypes are considered how to have parametric applications are designed. It utilizes prototypes in medium-sized research work, cooperates with Grasshopper, the plug-in of Rhinoceros software, to adjust and correct parametric design, and practically manufactures and builds a full-scale pavilion about 3 meters high.

In the field of past bent wood crafting, different processing methods will generate different construction details, further to generate different types of outcomes. The research presents the crafting through digital design and digital manufacturing. During the research process, it is found that the technology combined with digital can generate products of bent wood with different crafting method. Through design and construction of the pavilion, it can be learnt that many design schemata that cannot be imaged and practiced in the past are researched and realized today due to the improvement of digital software and hardware.
論文目次 目錄
第1章. 緒論 1
1-1 研究動機 1
1-1-1 個人經驗與興趣 1
1-1-2 數位時代的自造者 2
1-1-3 傳統材料的數位設計與製造 3
1-1-4 探討材料性、細部與構築 4
1-2 研究目的 5
1-2-1 研究曲木工藝的發展 5
1-2-2 探討細木工藝與數位製造結合的可能性 6
1-2-3 結合參數化設計與曲木加工 7
1-2-4 電腦模擬、數位製造與曲木技術的整合運用 8
1-2-5 討論新工藝的可能 9
1-3 相關領域 10
1-3-1 傳統曲木技術與加工 10
1-3-2 構造與構築 10
1-3-3 數位製造與參數化設計 10
1-4 研究成果 10
第2章. 文獻回顧 13
2-1 曲木三種工法 13
2-1-1 蒸氣彎曲 13
2-1-2 積層彎曲 13
2-1-3 切割彎曲 13
2-2 蒸氣彎曲法 14
2-2-1 操作方法介紹 14
2-2-2 全覆式模具 15
2-2-3 框架式模具 17
2-2-4 假模具或無模具 19
2-3 積層彎曲法 21
2-3-1 操作方法介紹 21
2-3-2 傢俱品牌artek 22
2-3-3 案例The Circle chair 23
2-3-4 案例 Tangent chair 24
2-4 切割彎曲法 25
2-4-1 藝術家Seth Rolland 26
2-4-2 案例 L-Leg artek 27
2-5 數位製造的方法 28
2-5-1 Sectioning 切片 28
2-5-2 Tessellating 嵌飾 28
2-5-3 Folding 折疊 29
2-5-4 Contouring 輪廓 29
2-5-5 Forming 成型 30
2-5-6 Skeleton 骨架 30
2-6 數位製造與曲木加工 31
2-6-1 Bad Hair Pavilion-AA 31
2-6-2 Driftwood Pavilion-AA 32
2-6-3 AA/ETH Pavilion 33
2-6-4 ICD/ITKE Research Pavilion 2010 34
2-6-5 切割彎曲法 35
2-7 相關書籍與雜誌 36
2-7-1 Wood Bending Made Simple 36
2-7-2 Fine Woodworking on Bending Wood 36
2-7-3 小建築 36
2-7-4 Material Strategies in Degital Fabrication 37
2-7-5 Transmaterial 37
2-8 小結 38
第3章. 前導設計 41
3-1 小型模型製作 41
3-1-1 模型一:平面交卡 42
3-1-2 模型二:雙向展開 45
3-1-3 模型三:結構破壞 47
3-1-4 模型四:切割積層 49
3-1-5 概念模型的小結 51
3-2 曲木結構設計 52
3-2-1 植物棚架 52
3-2-2 牛棚 53
3-2-3 步道 54
3-2-4 樹塔 55
3-3 真實材料操作 56
3-3-1 蒸氣加工 57
3-3-2 積層加工 61
3-3-3 切割彎曲與薄板彎曲 69
第4章. Pavilion設計與製作 73
4-1 Pavilion 01 73
4-1-1 設計發想 73
4-1-2 參數建模過程 74
4-1-3 局部打樣 76
4-1-4 實體組裝 80
4-2 Pavilion 02 86
4-2-1 設計發想 86
4-2-2 參數化建模過程 87
4-3 Pavilion 03 92
4-3-1 設計發想 92
4-3-2 參數化建模過程 93
第5章. 結論 103
5-1 設計操作與回顧 103
5-2 工藝、數位設計與製造 104
5-2-1 Pavilion-小型卻大規模的建築實驗 104
5-2-2 對於合理性的再思考 105
5-3 後續研究建議 106
5-3-1 了解不同的語言 106
5-3-2 從設計、製造到建造 107
5-3-3 面對數位時代的真實 108
參考文獻 110
附錄 114


圖目錄
圖 2 1操作影片截圖 14
圖 2 2彎曲過程影片 15
圖 2 3 Thonet椅與模具 16
圖 2 4 Matthias Pliessnig作品 17
圖 2 5過程影片截圖 18
圖 2 6過程影片截圖 19
圖 2 7蒸氣編織作品 19
圖 2 8 Laura Kishmotmo曲木作品 20
圖 2 9影片截圖 21
圖 2 10 Arm Chair Paimio 41 22
圖 2 11圓環椅與模具 23
圖 2 12製作流程圖 24
圖 2 13美國傳統木箱製作方法 25
圖 2 14 Seth Rolland 作品 26
́圖 2 15 L-Leg 生產過程 27
圖 2 16 等距切片後堆疊成品 28
圖 2 17 碎形嵌飾 28
圖 2 18 利用軟體Autodesk 123D 取得模型展開圖 29
圖 2 19 輪廓切削過程 29
圖 2 20 成型翻模過程 30
圖 2 21骨架交卡成型 30
圖 2 22 Bad Hair Pavilion照片 31
圖 2 23 Driftwood Pavilion 照片 32
圖 2 24 AA/ETH Pavilion照片 33
圖 2 25 Research Pavilion照片 34
圖 2 26 雷射切割彎曲 35
圖 2 27 機械手臂切割彎曲 35
圖 2 28 參考書目封面 37
圖 3 1模型一照片 42
圖 3 2模型一組裝過程記錄 42
圖 3 3模型一構成原理 43
圖 3 4模型一設計圖面 43
圖 3 5模型一切割檔案 43
圖 3 6模型一組裝流程圖 44
圖 3 7模型二照片 45
圖 3 8模型二構成原理 45
圖 3 9模型二設計圖面 46
圖 3 10模型二切割檔案 46
圖 3 11模型二組裝流程圖 46
圖 3 12模型三照片 47
圖 3 13模型三構成原理 47
圖 3 14模型三設計圖面 48
圖 3 15模型三切割圖 48
圖 3 16模型三組裝流程圖 48
圖 3 17模型四模型照片 49
圖 3 18模型四構成原理 49
圖 3 19模型四設計圖面 50
圖 3 20模型四切割圖 50
圖 3 21模型四組裝流程圖 50
圖 3 22植物棚架設計圖面 52
圖 3 23植物棚架彩現圖 52
圖 3 24牛棚設計圖面 53
圖 3 25牛棚彩現圖 53
圖 3 26步道設計圖面 54
圖 3 27步道彩現圖 54
圖 3 28樹塔設計圖面 55
圖 3 29樹塔彩現圖 55
圖 3 30蒸氣箱購買網頁 57
圖 3 31蒸氣箱尺寸圖 58
圖 3 32箱體製作過程 58
圖 3 33箱體製作過程 58
圖 3 34箱體製作過程 59
圖 3 35蒸氣加工測試 59
圖 3 36 CNC铣床加工 60
圖 3 37蒸氣處裡 60
圖 3 38彎曲定型 60
圖 3 39原產品海報與3D模型 61
圖 3 40模具3D 61
圖 3 41 冷凍板模具製作 62
圖 3 42模具黏合 62
圖 3 43操作材料 62
圖 3 44椅面製作過程 63
圖 3 45扶手製作過程 63
圖 3 46脫模後再加工 63
圖 3 47整體組裝 64
圖 3 48測試記錄 65
圖 3 49積層加工的工具 65
圖 3 50積層測試 65
圖 3 51操作過程圖解 66
圖 3 52設計圖面 66
圖 3 53塗佈黏著劑 66
圖 3 54夾具緊固與拆模 67
圖 3 55模具改良 67
圖 3 56黏著劑測試 67
圖 3 57修邊刀與工作桌 69
圖 3 58加工桌與刀頭 69
圖 3 59測試紀錄 70
圖 3 60三種薄板試驗 71
圖 4 1 Pavilion01基礎單元 73
圖 4 2曲面分割流程 73
圖 4 3 3D繪製 74
圖 4 4 參數化流程 74
圖 4 5曲面分割試算 75
圖 4 6材料破損紀錄 76
圖 4 7接點製作 76
圖 4 8接頭切割檔案 76
圖 4 9改良過程 77
圖 4 10參數化流程 77
圖 4 11新增加的結構板 77
圖 4 12設計圖面 78
圖 4 13切割檔案 79
圖 4 14基礎製作記錄 80
圖 4 15底板切割圖 80
圖 4 16單元施作記錄 81
圖 4 17單元施作記錄 81
圖 4 18單元施作記錄 81
圖 4 19縮時攝影記錄組裝過程 82
圖 4 20縮時攝影記錄組裝過程 83
圖 4 21縮時攝影記錄組裝過程 83
圖 4 22 Pavilion完成照片-1 84
圖 4 23 Pavilion完成照片-2 84
圖 4 24 Pavilion完成照片-3 85
圖 4 25 Pavilion完成照片-4 85
圖 4 26 Pavilion02參數化設計發想 86
圖 4 27參數調整 86
圖 4 28建構用的結構線 87
圖 4 29曲面繪製 87
圖 4 30參數調整 87
圖 4 31初步結構線 88
圖 4 32結構整體變形 88
圖 4 33結構框架調整 89
圖 4 34曲面繪製 89
圖 4 35設計圖面 90
圖 4 36模型切割圖 91
圖 4 37模型製作過程 91
圖 4 38參數化設計發想 92
圖 4 39初步繪製記錄 93
圖 4 40初步繪製記錄 93
圖 4 41側視圖與攤平後的曲面 94
圖 4 42改良後的生成過程 95
圖 4 43原始曲面繪製與調整 96
圖 4 44參數化建模過程 96
圖 4 45參數化建模過程 97
圖 4 46參數化建模過程 97
圖 4 47設計圖面 98
圖 4 48設計圖面 99
圖 4 49參數調整後的三種結果 100
參考文獻 參考文獻

【書籍雜誌】

《Wood Bending Made Simple》,
Lon Schleining,The Taunton Press出版,2010。

《The Complete Manual of Wood Bending》,
Lon Schleining,Linden Publishing出版,2006。

《Fine Woodworking on Bending Wood》,
The Taunton Press,1989。

《小建築》,
隈研吾 原著,鍾瑞芳 譯,五南出版,2014。

《Material Strategies in Digital Fabrication》,
Christopher Beorkrem 著,Routledge 出版,2012。

《Transmaterial》,
Blaine Brownell 著,Princeton Architectural Press 出版,2005。

《Digital Fabrications-Architecture and Material Techniques》,
Lisa Iwamoto著,Princeton Architecture Press,2009。

《Making Pavilions》,
Martin Self與Charles Walker,AA Publication出版,2011。

《自造者時代》,
Chris Anderson原著,連育德 譯,天下文化出版,2013

【參考論文】

蘇潤,2014
《瓦楞紙材料之數位製造與構築》,
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。

陳宏銘,2015,
《曲面構造之可適形態與參數化製造研究》。
淡江大學,土木工程學系博士論文

裘芸,2015,
《結合數位製造的木構築單元聚合實驗》。
淡江大學,建築學系碩士論文

束道衛,2015,
《金屬材料之數位構築與數位製造》。
淡江大學,建築學系碩士論文

鄭凱文,2015,
《管狀材料的數位設計製造》。
淡江大學,建築學系碩士論文

陳仲杰,2015,
《以數位彎曲木板加工製造探討在地構築》。
淡江大學,建築學系碩士論文

【圖片資料來源】

圖 2-1 https://vimeo.com/49419113
圖 2-2 https://www.youtube.com/watch?v=UIqlZQyAY_c
圖 2-3 http://www.thonet.de/startseite.html
圖 2-4 http://www.matthias-studio.com/
圖 2-5 https://www.youtube.com/watch?v=VNG3RIojDxA
圖 2-6 https://www.youtube.com/watch?v=Cz_sMRWRE94
圖 2-7 http://www.matthias-studio.com/
圖 2-8 http://kishimotodesign.com/
圖 2-9 https://vimeo.com/49419113
圖 2-10 http://www.artek.fi/
圖 2-11 http://www.pp.dk/index.php?page=gallery&cat=14&id=187
圖 2-12 http://joebertucci.blogspot.tw/2015/03/tangent-chair.html?m=1
圖 2-13 Fine Woodworking on Bending Wood
圖 2-14 http://sethrolland.nfshost.com/
圖 2-15 https://www.youtube.com/watch?v=3VpK37soNlk
圖 2-22 http://designandmake.aaschool.ac.uk/aa-summer-pavilions/
圖 2-23 http://designandmake.aaschool.ac.uk/aa-summer-pavilions/
圖 2-24 http://www.achimmenges.net/?cat=236
圖 2-25 http://www.achimmenges.net/?cat=236
圖 2-26 http://morfologiadigital.blogspot.tw/search/label/Cortes%20l%C3%A1ser
圖 2-27 http://www.achimmenges.net/?cat=236
論文使用權限
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