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系統識別號 U0002-0408201412262000
中文論文名稱 瓦楞紙材料之數位製造與構築
英文論文名稱 Cardboard Tectonics of Digital 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 102
學期 2
出版年 103
研究生中文姓名 蘇潤
研究生英文姓名 Jun Su
學號 601360430
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2014-06-16
論文頁數 103頁
口試委員 指導教授-陳珍誠
共同指導教授-陸金雄
委員-陳珍誠
委員-吳光庭
委員-施宣光
中文關鍵字 參數化設計  數位製造  瓦楞紙  構築 
英文關鍵字 Parametric Design  Digital Fabrication  Cardboard  Tectonic 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 材料的研究對於建築設計是個重要課題,許多建築師也致力於新材料的研究與舊材料發展新應用。本研究嘗試使用瓦楞紙為材料,以參數化設計工具生產三維的電腦模型,並於真實世界中以實際的構築完成建造。研究的過程中,發展出以材料的不同特性,並以不同的工法與技術實踐數位製造並進行最後真實尺寸的施作。

研究初期著重於瓦楞紙的材料研究,以數位製造的機器生產製作瓦楞紙材料版,嘗試各種不同的數位製造工法於瓦楞紙材料上,再利用新工具與新工法在設計與製造中產生不同於以往的材料研究方法。以瓦楞紙材料的研究成果為基礎,將材料研究與數位製造相結合,以生產單種或多種工法做為設計空間單元構成的基礎。

本研究嘗試以參數化設計工具Grasshopper依照不同的瓦楞紙構成工法設計出不同單元所構成的拱型空間,結合電腦輔助設計與參數化設計將各種瓦楞紙單元處理為層切圖或展開圖等可以電腦數值控制機器加工的平面瓦楞紙圖面。將各單元切割並加以組裝以形構完整的拱型空間。本研究討論在實際建造過程中會遭遇到的問題,希望可以在研究過程中,討論瓦楞紙材料性由數位設計到數位製造間的步驟與細節。
英文摘要 Materials research is an important aspect in architectural design. Many architects dedicate themselves to the development of new materials and innovative applications of existing materials. This study explores cardboard as a material, using parametric design tools to generate a 3D computer model. The structure is then constructed in the real world. Different material properties and fabrication techniques are tested and practiced through digital processes, and the full size structure is constructed in the final stage.

The early stage of this research focuses on studying cardboard as a material. A digital fabrication machine is utilized to fabricate material plates of cardboards in order to test various digital fabrication techniques on this material. New tools and techniques in design and fabrication result in research methods that are different from the existing ones. On the basis of the research outcomes with respect to a cardboard, the material research is combined with digital fabrication to form one or many types of methods that serve as the foundation for the design of spatial configuration of units.

The parametric design tool Grasshopper is used in this study to design an arch space consisting of different units from different fabrication methods of cardboards. With computer aided design and parametric design, various units of cardboards are made into plan drawings that can be processed by numerically controlled machines, such as by sectional view. The units are cut and assembled to form the arch space. Problems that may be encountered during the actual tectonic are addressed. It is hoped that the procedures and details in the process from digital design to digital fabrication of cardboards can be discussed in this study.
論文目次 第一章 緒論 1
1.1研究動機 2
1.1.1大學部數位製造與大五畢業設計展覽佈場之心得 2
1.1.2日本建築師坂茂之啟發 4
1.1.3可回收材料建築之思考 5
1.1.4自製者時代的來臨 6
1.1.5互助式開放程式碼(Open Source)的精神 8
1.2研究目的 10
1.2.1瓦楞紙材料的研究 10
1.2.2發展不同質地材料之構造細部 10
1.2.3發展臨時性建築 10
1.2.4參數化設計的探討 10
1.2.5結合數位設計與數位製造 10
1.2.6由虛擬設計到真實建造的實踐 10
1.3相關領域 11
瓦楞紙構成 11
參數化設計 11
數位製造 11
1.4研究成果 12

第二章 文獻回顧 13
2.1關於瓦楞紙的工業設計 14
2.2研究單種材料之建築師 15
2.2.1坂茂 Shigeru Ban 15
2.3小規模Pavilion 之數位製造 19
2.3.1 ICD/ITKE Research Pavilion 2011, 2011, University of Stuttgart 19
2.3.2 The Dragon Skin Pavilion, 2012 20
2.3.3 Voussoir Cloud, 2008, IwamotoScott 21
2.4以瓦楞紙為材料做構築之Pavilion 23
2.4.1 Cardborigami, 2009, Tina Hovsepian 23
2.4.2 Cardboard Igloo Cabinet, 2009, ETH 25
2.4.3 Cardboard Pavilion Packed, 2010, ETH 26
2.5數位製造方法 28
2.5.1 Sectioning切片 28
2.5.2 Tessellating嵌飾 29
2.5.3 Folding折疊 29
2.5.4 Contouring輪廓 29
2.5.5 Forming成型 30
2.6小結 31

第三章 瓦楞紙材料操作 32
3.1以數位工具操作數位製造工法 33
3.1.1 Sectioning [切片] 33
3.1.2 Tessellating [嵌飾] 34
3.1.3 Folding [折疊] 35
3.1.4 Contouring [輪廓] 36
3.1.5 Forming [成型] 37
3.1.6 Skeleton [骨架] 38
3.2以數位工具生產之瓦楞紙材料板操作 39
3.2.1 Stacking[疊層] 39
3.2.2 Folding[彎折] 41
3.2.3 Packing[包裝] 43
3.2.4 Skeleton [骨架] 45
3.2.5.1 Creasing [壓痕] 46
3.2.5.2 Tearing[撕] 47
3.3實體構築操作- 48
3.3.1電腦模擬與設計步驟 48
3.3.2試做模型的啟發與問題 49
3.3.3 1:1實體材料的決定與細部構件 51
3.3.4 各部元件的製造與現場組裝 52
3.3.5 現實環境影響結構體之補強 53

第四章 瓦楞紙材料的數位製造 54
4.1瓦楞紙數位製造操作 55
4.1.1瓦楞紙材料數位製造單元「拱-01」 55
4.1.2瓦楞紙材料數位製造單元「拱-02」 57
4.1.3瓦楞紙材料數位製造單元「磚-01,02」 59
4.2瓦楞紙空間設計與數位製造 62
4.2.1 瓦楞紙拱型空間01 62
4.2.2 瓦楞紙拱型空間02 68
4.2.3 瓦楞紙拱型空間03 74


第五章 結論 81
5.1瓦楞紙與數位製造 82
5.2數位製造到1:1實體建造的經驗與建議 84
5.3後續研究的建議 85
參考文獻 87
附錄 89
附錄一 瓦楞紙拱型空間01 參數化設計過程 90
附錄二 瓦楞紙拱型空間02 參數化設計過程 92
附錄三 瓦楞紙拱型空間03 參數化設計過程 95
附錄四 論文發表版面 99


圖目錄
第一章 緒論

圖 1. 1大學部四年級數位設計工具操作電腦繪圖 2
圖 1. 2瓦楞紙展場單元 3
圖 1. 3建築師坂茂之紙管建築案例: 漢諾威世界博覽會日本館與紙之家 4
圖 1. 4建築師坂茂之紙管災後建築案例: 鷹取教會與臨時收容所 4
圖 1. 5「第三次工業革命」3D印表機 6
圖 1. 6 Contour Crafting Robotic Construction System 7
圖 1. 7 Thingiverse Open Source(開放程式碼)網站 8
圖 1. 8 WikiHouse 9


第二章 文獻回顧

圖 2. 1 Easy Edge系列家具,Frank O. Gehry 14
圖 2. 2 Experimental Edges系列家具 ,Frank O. Gehry 14
圖 2. 3 紙建築案例:紙之家 15
圖 2. 4 紙之家結構分解圖 16
圖 2. 5漢諾威世界博覽會日本館: 17
圖 2. 6 漢諾威世界博覽會日本館之細部構造 17
圖 2. 7 ICD/ITKE Research Pavilion 2011 19
圖 2. 8 ICD/ITKE Research Pavilion 2011 製造方式與過程 19
圖 2. 9 The Dragon Skin Pavilion 20
圖 2. 10 The Dragon Skin Pavilion 建造過程 20
圖 2. 11 Voussoir Cloud 21
圖 2. 12 Voussoir Cloud設計與組裝 21
圖 2. 13 Cardborigam 23
圖 2. 14 Cardborigam之摺疊與展開過程 23
圖 2. 15 Cardboard Igloo Cabinet 25
圖 2. 16 Cardboard Igloo Cabinet組裝過程 25
圖 2. 17 Cardboard Pavilion Packed 26
圖 2. 18 Cardboard Pavilion Packed 製作過程 26
圖 2. 19 Digital Fabrications-Architectural and Material Techniques / Digital Fabrication in Architecture 28
圖 2. 20 等距切片後疊製出成品 28
圖 2. 21 碎形嵌飾 29
圖 2. 22 利用軟體Pepakura Designer取得模型展開圖 29
圖 2. 23 CNC電腦控制數值銑床將數位模型製出 30
圖 2. 24 以真空成型機將模具塑形 30
圖 2. 25 雙向切片並在交界處以卡榫接合 30

第三章 瓦楞紙材料操作

圖 3. 1 Sectioning [切片] 33
圖 3. 2操作數位製造工法01-Sectioning[切片] 33
圖 3. 3 Tessellating [嵌飾] 34
圖 3. 4 操作數位製造工法02-Tessellating [嵌飾] 34
圖 3. 5 Folding [折疊] 35
圖 3. 6 操作數位製造工法03- Folding [折疊] 35
圖 3. 7 Contouring [輪廓] 36
圖 3. 8 操作數位製造工法04-Contouring [輪廓] 36
圖 3. 9 Forming [成型] 37
圖 3. 10 操作數位製造工法05-Forming [成型] 37
圖 3. 11 Skeleton [骨架] 38
圖 3. 12 操作數位製造工法06-Skeleton [骨架] 38
圖 3. 13 瓦楞紙材料板01-Stacking疊層 01,02 39
圖 3. 14 瓦楞紙材料板01-09號 40
圖 3. 15瓦楞紙材料板01-Stacking疊層切割圖 40
圖 3. 16 瓦楞紙數位製造工法02-Folding[彎折]之材料板 41
圖 3. 17 瓦楞紙數位製造工法02-Folding[彎折]之材料板組裝流程圖 41
圖 3. 18 瓦楞紙數位製造工法02-Folding[彎折]之材料板 展開切割圖 42
圖 3. 19瓦楞紙數位製造工法03-Packing[包裝]之材料板 展開切割圖 43
圖 3. 20瓦楞紙數位製造工法03-Packing[包裝]之組裝過程 44
圖 3. 21 瓦楞紙數位製造工法 04-Skeleton [骨架] 45
圖 3. 22 瓦楞紙數位製造工法 04-Skeleton [骨架]材料版01—04切割展開圖 45
圖 3. 23 瓦楞紙數位製造工法 05- Creasing [壓痕]材料版01—04 46
圖 3. 24 瓦楞紙數位製造工法 05- Creasing [壓痕]材料版01—04壓線圖 46
圖 3. 25 瓦楞紙數位製造工法 06- Tearing[撕]材料版01—04 47
圖 3. 26 瓦楞紙數位製造工法 06- Tearing[撕]材料版01—04切割圖 47
圖 3. 27 綠色博覽會Pavilion 48
圖 3. 28 綠色博覽會Pavilion設計過程 48
圖 3. 29 1:3綠博Pavilion試做模型 49
圖 3. 30 放樣底板與底座 50
圖 3. 31 底部基座放樣裝置平面圖與切割圖 51
圖 3. 32 綠色博覽會 Pavilion構件切割圖 52
圖 3. 33 放樣過程 53
圖 3. 34 綠博Pavilion各向照片 53


第四章 瓦楞紙材料的數位製造

圖 4. 1 瓦楞紙材料數位製造單元「拱-01」 55
圖 4. 2 「包裝」工法所生產之單元 55
圖 4. 3 單元切割與壓線圖 56
圖 4. 4 切割展開單元與單元成品 56
圖 4. 5 瓦楞紙材料數位製造單元「拱-02」 57
圖 4. 6 單元組裝方式與接頭 57
圖 4. 7 瓦楞紙材料數位製造單元「拱-02」 58
圖 4. 8 各單元與切割圖 58
圖 4. 9瓦楞紙材料數位製造單元「磚-01」 59
圖 4. 10瓦楞紙材料數位製造單元「磚-01」單元構成方法 59
圖 4. 11瓦楞紙材料數位製造單元「磚-01」切割與壓線圖 60
圖 4. 12瓦楞紙材料數位製造單元「磚-02」單元構成方法 61
圖 4. 13瓦楞紙材料數位製造單元「磚-02」切割與壓線圖 61
圖 4. 14 瓦楞紙拱型空間01,1/5模型 62
圖 4. 15 瓦楞紙拱型空間01設計過程 63
圖 4. 16 瓦楞紙拱型空間01之切割與壓線圖 63
圖 4. 17 瓦楞紙拱型空間01之單元構成 64
圖 4. 18 瓦楞紙拱型空間01之單元 64
圖 4. 19 瓦楞紙拱型空間01之組裝方法 64
圖 4. 20 瓦楞紙拱型空間01之單元變形與抑制變形 65
圖 4. 21 抑制單元變形平面分析圖 65
圖 4. 22 瓦楞紙拱型空間01放樣底板 65
圖 4. 23 組裝過程 66
圖 4. 24瓦楞紙拱型空間01各向照片 67
圖 4. 25 瓦楞紙拱型空間02,1/5模型 68
圖 4. 26 瓦楞紙拱型空間02單元 68
圖 4. 27 瓦楞紙拱型空間02設計過程 69
圖 4. 28 八邊形單元A-G展開切割與壓線圖 69
圖 4. 29 單元構成 70
圖 4. 30 單元展開與單元成品 70
圖 4. 31 八邊形單元組裝構成 70
圖 4. 32 35個八邊形單元 71
圖 4. 33 單元組裝 71
圖 4. 34 組裝過程 72
圖 4. 35 瓦楞紙拱型空間02各向照片 73
圖 4. 36 瓦楞紙拱型空間03,1/5模型 74
圖 4. 37 瓦楞紙拱型空間03之切割圖 74
圖 4. 38 瓦楞紙拱型空間03設計過程 75
圖 4. 39 瓦楞紙拱型空間03 單元組裝步驟 75
圖 4. 40 環型單元變形 76
圖 4. 41 盒型單元變形 76
圖 4. 42 瓦楞紙拱型空間02 單元連接方式 76
圖 4. 43 瓦楞紙拱型空間03 單元連接方式 77
圖 4. 44 瓦楞紙拱型空間03 成列單元連接方式 77
圖 4. 45 收邊固定方式 77
圖 4. 46 單元分組組裝 78
圖 4. 47 放樣板材與放樣基座 78
圖 4. 48 單元與放樣基座的連接方式 78
圖 4. 49 組裝過程 79
圖 4. 50 瓦楞紙拱型空間03各向照片 80
參考文獻 英文文獻

McQuaid, Matilda /
Shigeru Ban
2006
Phaidon Inc Ltd

Lisa Iwamoto /
Digital Fabrications-Architectural and Material Techniques
2009
Princeton Architectural Press

Riichi Miyake ; edited by Ian Luna & Lauren A. Gould ./
Shigeru Ban : paper in architecture
2009
Rizzoli International Publications.

an Editions /
Cardboard Book
2010
an Editions

Alan Dempsey, Amy Dempsey, Yusuke Obuchi /
Nine Problems in the Form of a Pavilion, AA agendas NO.8
2010
Architectural Association

Nick Dunn /
Digital Fabrication in Architecture
2012
Laurence King Publishing




中文文獻

劉育東, 林楚卿作 /
新構築 : 邁向數位建築的新理論 = New Tectonics : Towards a New Theory of Digital Architecture, 7th Feidad Award
2009
田園城市文化事業公司


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