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系統識別號 U0002-0607201201153800
中文論文名稱 參數化穹頂結構形態與類型設計
英文論文名稱 Typological and Morphological Study of Dome Structures Through Parametric Design
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 100
學期 2
出版年 101
研究生中文姓名 王博謙
研究生英文姓名 Bo-Chine Wang
電子信箱 bqcobras@hotmail.com
學號 699360490
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2012-06-18
論文頁數 109頁
口試委員 指導教授-宋立文
委員-陳珍誠
委員-施宣光
中文關鍵字 穹頂結構  類型學  單元  參數化設計  數位設計  數位製造 
英文關鍵字 Dome Structure  Typology  Unit  Parametric Design  Digital Design  Digital Fabrication 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 本研究結合電腦輔助設計軟體與數位設計製造工具,嘗試以新的方法發展傳統穹頂結構的形態,以發現不同於以往穹頂形態的可能。初步研究階段包括穹頂類型分析與數位設計製造兩個部分,首先透過平面線圖的繪製與分析將穹頂類型分為:單元、亂數、同心圓與放射狀等四種,並將其以旋轉、複製、變形、與改變密度等手法,衍生出64種穹頂的原型做為之後設計的參考。並且進一步將平面圖形轉換到立面與透視角度操作圖示,做為下一階段的穹頂類型發展的依據。

第二部分的設計操作主要著重於穹頂外型的變形,將原來半橢圓形的穹頂外型做一系列的變化,進而分割變形穹頂,與第一部分的設計結果相呼應。在論文前半部討論穹頂的類型與變化之後,開始將不同的穹頂原型轉化成真實空間,分別設計出四種類型不同的穹頂結構,並且加入空間機能需求的想像。

數位設計與製造對於是本研究的主軸,包括如何將傳統的結構行為、材料、與建築外形轉換為參數,並導入參數化設計中;所以在第四章中,嘗試發展出一套以參數化設計工具Grasshopper所建構的的參數化結構系統。在這個系統中只要輸入所想要設計的穹頂外形,經過元件的運算後,即可產生出三種不同的形態:三角面,三角洞面,與仿生物外殼面。

在每一種形態中,適度調整內部元件的參數,即可以產生不同的結構與表面。也因為這個系統的完成,對於以往建築設計的思考方式開始有了不同的思維—簡單的外型,可以在短時間內產生多種不同變化,同時將模型切割圖製作出來。最後希望透過本研究的整理,能激發後續研究者未來對於穹頂數位設計與其他數位建築空間設計的突破與想像。
英文摘要 This study discusses how to apply the computer software and digital technologies combined with the traditional typology of the parameterized dome. The analysis of dome typology and digital fabrication is summarized into two parts. At the beginning of the study, through the performance of the surface diagrams, different types of the dome are classified into unit, random number, concentric and radiated. We can then modify the dome structures by rotating, copying, deformation and density resulting in 64 different kinds of dome types which leads to more discussion. The next step is transforming the surface drawings into 3-dimension and the perspectives to be the reference for the more detailed analysis.

The second phase of the study is deforming semi-elliptical dome shapes into a series of different modifications. And then to split the deformed dome and compared with the first part of the study. In the second phase of the study, the transformations of different types of dome are discussed, and then the domes are simulated in the real scale. Four different types of dome structure are designed and the functional needs are assigned accordingly.

Digital design and fabrication are very important for this study. This research explores how to transform the traditional structure behaviours, materials and the architectural features into parameters, and also designing with these parameters. At the end of Chapter 4, a structure system is generated by Grasshopper. In the structural system, after inputs the parameters of dome shapes, three different kinds of domes are generated. The types of dome are triangular, triangular-hole surface and imitated biological-shell surface.

After adjusting the parameters of the inner components in Grasshopper, different effects will be generated. The system designed is a bit of different from the traditional architectural design system -- with the same initial shape of a dome skin, the varieties of different structures will be computed in a short time, and the working drawings of dome are preceded. This thesis anticipates revealing the possibilities of applying digital design and fabrication of dome structural design in the near future.
論文目次 論文目錄
CHAPTER 1. 緒論 - 1 -
1.1. 研究動機 - 2 -
1.1.1. 個人對於數位設計的經驗 - 2 -
1.1.2. 數位設計與製造Digital Zen Garden - 2 -
1.1.3. 構件與原建構造連結可能性 - 4 -
1.1.4. 數位設計與大自然 - 4 -
1.2. 研究目的 - 5 -
1.2.1. 數位製造單元構件接點與結點行為 - 5 -
1.2.2. 將非剛性材料單元結合成兼顧之構造單元 - 5 -
1.2.3. 發展客製化的單元結構 - 5 -
1.2.4. 向生物界學習 - 6 -
1.2.5. 數位設計與數位製造在建築設計中的角色 - 6 -
1.3. 預期目標 - 7 -
CHAPTER 2 相關案例與文獻 - 8 -
2.1. 建築相關案例 - 9 -
2.1.1. BAMBOO ROOF - 9 -
2.1.2. PLASTIC BOTTLE STRUCTURE - 10 -
2.1.3. Blobwall Pavilion - 11 -
2.1.4. P.F.1. (PUBLIC FARM ONE) - 12 -
2.1.5. B(h)uis / Hoogte Twee Architecten - 13 -
2.1.6. Miran Gallry(巴黎米蘭藝廊) - 14 -
2.1.7. ICD/ITKE Research Pavilion - 15 -
2.2. 建築相關書籍與建築師 - 16 -
2.2.1. Greg Lynn - 17 -
2.2.2. 坂茂(Shigeru Ban) - 17 -
2.2.3. 新構築(New Tectonics) - 18 -
CHAPTER 3. 第一階段設計操作 : 穹頂分析探討 - 21 -
3.1. 設計發想 - 21 -
3.1.1. 數位軟體操作實驗(網格面製作) - 22 -
3.2. 題目發想 - 24 -
3.2.1. 數位製造工具與材料 - 25 -
3.3. 穹頂設計 - 25 -
3.3.1. 穹頂平面分析 - 26 -
3.3.2. 穹頂立面分析 - 30 -
3.3.3. 穹頂透視分析 - 33 -
3.3.4. 穹頂變形分析 - 35 -
3.3.5. 穹頂分割分析 - 39 -
3.3.6. 結構單元分割(以六邊形單元為例) - 45 -
3.3.7. 六變形球體結構單元操作 - 51 -
3.3.8. 結構單元轉換應用 - 54 -
3.4. 穹頂操作與製造 - 55 -
3.4.1. 手工模型製造 - 55 -
3.4.2. 蜘蛛網面實驗與操作 - 56 -
3.4.3. VORONOI設計操作與製造 - 58 -
3.4.4. 蜂巢式網面操作與製造 - 61 -
3.5. 實際空間模擬 - 63 -
3.5.1. 單元系統分析 - 64 -
3.5.2. 單元系統空間模擬 - 64 -
3.5.3. 亂數系統分析 - 68 -
3.5.4. 亂數系統空間模擬 - 69 -
3.5.5. 放射狀系統分析 - 71 -
3.5.6. 放射狀空間模擬 - 72 -
3.5.7. 同心圓系統分析 - 73 -
3.5.8. 同心圓空間模擬 - 74 -
CHAPTER 4. 第二階段設計操作 : 仿生穹頂探討 - 75 -
4.1. 微生物格子狀外殼系統 - 76 -
4.1.1. 設計前言 - 76 -
4.1.2. 微生物與建築相關 - 76 -
4.2. 外殼幾何變形 - 78 -
4.2.1. 型態一:三角面 - 78 -
4.2.2. 型態二:三角洞面 - 82 -
4.2.3. 型態三:仿放射蟲外殼面 - 85 -
4.3. CNC製造操作 - 89 -
4.3.1. 三角面製作 - 89 -
4.3.2. 三角洞面製作 - 90 -
4.3.3. 放射蟲格子外殼製作 - 92 -
4.4. 本章結論 - 94 -
CHAPTER 5. 結論與心得 - 95 -
5.1. 數位設計與製造思考 - 96 -
5.2. 心得與結論 - 96 -
5.3. 後續發展與建議 - 99 -
CHAPTER 6. 參考文獻與目錄 - 100 -
6.1. 參考文獻 - 101 -
6.2. 附錄 - 103 -
圖表目錄

圖 1 1 個人經驗案例 - 2 -
圖 1 2 細胞分裂 - 4 -
圖 1 3 生物巢穴 - 6 -
圖 2 1 BAMBOO ROOF - 9 -
圖 2 2 PLASTIC BOTTLE STRUCTURE 1 - 10 -
圖 2 3 PLASTIC BOTTLE STRUCTURE 2 - 11 -
圖 2 4 BLOBWALL - 11 -
圖 2 5 製造方法 - 12 -
圖 2 6 市民農園1 - 12 -
圖 2 7 市民農園2 - 13 -
圖 2 8 PVC管空間 - 14 -
圖 2 9 巴黎米蘭藝廊1 - 15 -
圖 2 10巴黎米蘭藝廊2 - 15 -
圖 2 11 RESEARCH PAVILION - 16 -
圖 0 12 RESEARCH PAVILION 製造過程與立面 - 16 -
圖 2 13 GREG LYNN - 17 -
圖 2 14 BOBWALL - 17 -
圖 2 15 坂茂與其作品 - 18 -
圖 2 16 新構築 - 20 -
圖 3 1 多邊形網面 - 22 -
圖 3 2 圓形網格操作 - 23 -
圖 3 3 圓形網格元件圖 - 23 -
圖 3 4 3D網格操作 - 24 -
圖 3 5 3D網格元件圖 - 24 -
圖 3 6 第三章面 - 26 -
圖 3 7 單元分析 - 27 -
圖 3 8 亂數分析 - 28 -
圖 3 9 放射狀分析 - 29 -
圖3 10 同心圓分析 - 30 -
圖 3 11 穹頂立面1 - 31 -
圖 3 12 穹頂立面2 - 32 -
圖 3 13 透視分析1 - 33 -
圖 3 14 透視分析2 - 34 -
圖 3 15 全落地穹頂型態1 - 35 -
圖 3 16 全落地穹頂型態2 - 35 -
圖 3 17 兩側落地穹頂型態1 - 35 -
圖 3 18兩側落地穹頂型2 - 35 -
圖 3 19 四點落地穹頂型態1 - 36 -
圖 3 20 四點落地穹頂型態2 - 36 -
圖 3 21 四邊混合穹頂型態1 - 36 -
圖 3 22四邊混合穹頂型態2 - 36 -
圖 3 23 分類圖表1 - 37 -
圖 3 24 分類圖表2與元件圖 - 38 -
圖 3 25 穹頂分割 - 39 -
圖 3 26 扇形結合 - 40 -
圖 3 27 筒形變形 - 40 -
圖 3 28 形態一 - 40 -
圖 3 29 形態二 - 41 -
圖 3 30 形態三 - 41 -
圖 3 31 形態全圖 - 41 -
圖 3 32 圓形頂變形 - 42 -
圖 3 33 多圓頂結合1 - 42 -
圖 3 34 多圓頂結合2 - 42 -
圖 3 35 不同類型穹頂結合 - 43 -
圖 3 36 多種變形圓頂結合 - 43 -
圖 3 37 變形穹頂單曲線 - 44 -
圖 3 38 變形穹頂雙曲線 - 44 -
圖 3 39 包覆式變形穹頂曲線 - 44 -
圖 3 40 TOPMOD - 45 -
圖 3 41 方塊結構體 - 46 -
圖 3 42 拆解單元 - 48 -
圖 3 43 六邊形球體 - 48 -
圖 3 44 六邊形球體結構1 - 49 -
圖 3 45六邊形球體結構2 - 49 -
圖 3 46六邊形球體結構3 - 49 -
圖 3 47六邊形球體結構4 - 49 -
圖 3 48六邊形球體結構5 - 50 -
圖 3 49六邊形球體結構6 - 50 -
圖 3 50六邊形球體結構7 - 50 -
圖 3 51 六邊形結構單元 - 51 -
圖 3 52 切割圖 - 51 -
圖 3 53 模型組合 - 52 -
圖 3 54 石膏調配 - 52 -
圖 3 55 石膏置入 - 52 -
圖 3 56 石膏待乾 - 53 -
圖 3 57 拆模 - 53 -
圖 3 58 完成圖 - 53 -
圖 3 59 結構單元轉換 - 54 -
圖 3 60 日常生活用品組合 - 55 -
圖 3 61 3D模型與元件圖 - 56 -
圖 3 62 3D模型拆解 - 56 -
圖 3 63 切割圖 - 57 -
圖 3 64 完成圖 - 57 -
圖 3 65 VORONOI漸變 - 58 -
圖 3 66 VORONOI元件圖 - 58 -
圖3 67模型繪製 - 59 -
圖 3 68 3D模型 - 59 -
圖 3 69 切割圖 - 60 -
圖 3 70 組裝過程 - 61 -
圖 3 71 完成圖 - 61 -
圖 3 72 切割圖與3D - 62 -
圖 3 73 組裝過程 - 63 -
圖 3 74 完成圖 - 63 -
圖 3 75 矩形單元 - 64 -
圖 3 76 三角體單元 - 64 -
圖 3 77 四角塔型單元 - 64 -
圖 3 78 四角錐與三角錐單元 - 64 -
圖 3 79 球體空間3D實驗 - 65 -
圖 3 80球體空間3D實驗正立面 - 65 -
圖 3 81球體空間3D實驗電池圖 - 65 -
圖 3 82 機能類型 - 66 -
圖 3 83 單元系統空間透視 - 67 -
圖 3 84 亂數系統分析 - 68 -
圖 3 85 亂數系統元件圖 - 68 -
圖 3 86 亂數系統類型 - 68 -
圖 3 87 類型元件圖 - 68 -
圖 3 88 亂數系統空間模擬 - 69 -
圖 3 89 亂數系統空間元件圖 - 69 -
圖 3 90亂數系統空間機能 - 69 -
圖 3 91 亂數系統空間透視 - 70 -
圖 3 92 放射狀系統分析 - 71 -
圖 3 93 放射狀空間透視 - 72 -
圖 3 94 同心圓系統分析1 - 73 -
圖 3 95同心圓系統分析2 - 73 -
圖 3 96同心圓系統分析3 - 73 -
圖 3 97 同心圓空間透視 - 74 -
圖 4 1 放射蟲外殼 - 76 -
圖 4 2 微生物格子外殼系統 - 77 -
圖 4 3 外殼幾何化 - 77 -
圖 4 4 六邊形穹頂 - 77 -
圖 4 5 外殼系統三角化 - 78 -
圖 4 6 三角邊與不規則外殼洞關係圖 - 78 -
圖 4 7 三角邊構成曲面漸變 - 79 -
圖 4 8 三角邊構成曲面1 - 79 -
圖 4 9 三角邊構成曲面元件圖 - 79 -
圖 3 10 三角邊構成曲面六種形態 - 79 -
圖 4 11 繪製模型 - 80 -
圖 4 12 繪製卡榫 - 80 -
圖 4 13 卡榫與三角單元 - 80 -
圖 4 14 3D透視 - 81 -
圖 4 15 細胞洞漸變 - 82 -
圖 4 16 細胞洞電池圖 - 82 -
圖 4 17 三角洞面拼接 - 82 -
圖 4 18 繪製模型 - 83 -
圖 4 19 繪製卡榫 - 83 -
圖 4 20 3D透視 - 84 -
圖 4 21 單元轉換步驟過程 - 85 -
圖 4 22 單元構成 - 85 -
圖 4 23 三角面轉換過程 - 86 -
圖 4 24 三角面漸變 - 86 -
圖4 25 繪製模型 - 87 -
圖 4 26 單元構件拼接 - 87 -
圖 4 27 模型元件圖 - 87 -
圖 4 28 3D透視 - 88 -
圖 4 29 三角面模型切割圖與製作過程 - 89 -
圖 4 30 切割圖 - 90 -
圖 4 31 三角洞面穹頂模型製作過程 - 91 -
圖 4 32 切割圖 - 92 -
圖 4 33 仿生外殼穹頂製作過程 - 93 -
圖 5 1 階段一 - 97 -
圖 5 2 階段二 - 97 -
圖 5 3 階段三 - 98 -
圖 5 4 階段四 - 98 -
圖 5 5 階段五 - 98 -
圖 5 6 單元轉換 - 100 -
參考文獻 中文書籍

1. 劉育東/林楚卿
《新構築New Tectonics : 邁向數位建築的新理論》2009 田園城市出版

2. Heinrich Engel著/ 鐘英光 譯
《結構系統》1988 茂榮圖書有限公司出版

3.Curt Siegel 著/ 鐘英光 譯
《現代建築之結構造型》1991 基隆書店出版

4日本建築學會主編
《Archi-Neering Design:世界建築的八種工學解剖》 2011 田園城市出版

5. Hill Ford 著/ 鐘冠球 譯
《建築技術概論:給建築師的建築技術設計指南》2011 中國建築工業出版社

6. Cecil Balmond著/ 李寒松 譯
《lnformal 異規》2008 中國建築工業出版社

外文書籍

1. Fulvio Wirz
《Parametric Architecture With Grasshopper》2010 Tecnostampa s.n.c

2.Daniel Lopez
《The Function Of Form》2009 Harvard University

3. Aranda & Lasch
《Tooling》2006 Princeton Architectural.

4. Lynn Greg
《Animate Form》 1999 Princeton Architectural Press.



參考論文

1.彭智謙
《數位模擬之材料實驗與製造》2011 淡江大學建築研究所論文

2.王聖旻
《後工業地景之數位再構築》2011 淡江大學建築研究所論文

3.Zubin Khabazi
《Generative Algorithms》2011

參考網站

Dezeen : http://www.dezeen.com/

Co-de-it : http://www.co-de-it.com/

Grasshopper-generative modeling for rhino : http://www.grasshopper3d.com/

Digital Fabrication In Architecture Group : http://dfabnus.wordpress.com/

Architektur&Stadtplanung : http://www.architektur.uni-stuttgart.de/
論文使用權限
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