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系統識別號 U0002-1208201514243500
中文論文名稱 金屬材料之數位構築與數位製造
英文論文名稱 Metal Tectonics in 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 103
學期 2
出版年 104
研究生中文姓名 束道衛
研究生英文姓名 Tao-Wei Shu
電子信箱 xp88832@gmail.com
學號 602360389
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2015-06-25
論文頁數 127頁
口試委員 指導教授-陳珍誠
委員-施宣光
委員-游瑛樟
中文關鍵字 金屬  客製化  數位設計  數位製造  展示亭  參數化設計 
英文關鍵字 Metal  Customization  Digital Design  Digital Fabrication  Pavilion  Parametric Design 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 著時間的演進,進步的建築材料加工技術日新月異,由傳統的大規模工廠生產到數位製造實驗室中客製化的少量製造,新穎的金屬數位加工機具帶給我們更方便的製造與生產方式。本研究嘗試以金屬板材做為材料,研究如何藉由數位與製造簡化傳統工廠中的製造人力與加工技術。

研究初期選用三種傳統的金屬加工技術,再以電腦去模擬出加工後具結構性的金屬型態,這使得原本只是輕薄的金屬板材,能夠被製成為可以受力的元件。單元接合,將重複的單元組裝成一較大型之結構體;單元膨脹,藉由壓力去改變金屬外形,使自體產生結構支撐力;單元翻折,平面單元折成三維形體,讓單元本身結構更加強勁。金屬薄板材在加工過後,可被改變外觀與形態,使得自體能夠成為獨立的結構單元。

研究中期開始設計實體的傢俱與建築元件組構,利用電腦繪圖軟體繪製電腦模型,接著將設計元件以數位製造機具加工後,加以組合以實踐小尺度傢俱與構造的建構。最後在2015宜蘭綠色博覽會中以實際大小實現展示亭設計,在真實空間中建構需要考量材料預算、結構強度與施工技術等問題。由三維電腦模型放大到一比一的空間尺度時,會產生得在許多工地現場臨時應變與解決的問題,突發的問題往往是設計階段所不會考量到的,需要以建築的知識與經驗來解決這些狀況。

本論文研究對於金屬板材的數位製造以及技術進行實踐上可行性的探索,有別金屬板材傳統上經由工廠加工製造的做法,討論個人是否能以參數化設計與數位製造技術獨立完成。傳統金屬技術與數位設計與製造相結合,降低了進入金屬產品設計與生產的門檻,並可產生更多元有趣的金屬結構型態。
英文摘要 As time passes, improved processing technology of construction material changes quickly. From traditional large-scale factory production to a small amount of customization fabrication in digital fabrication laboratory, novel metal digital processing machines and tools bring us more convenient fabrication and production modes. This research tries to take metal sheet as material to study how to simplify fabrication labor and processing technology of traditional factories by using digital fabrication.
In initial stage of the research, it selects 3 types of traditional metal processing technologies and uses computer to simulate different metal structures, which makes original light and thin metal sheet able to be fabricated to be components capable of bearing force. Unit joint assembles repeated units into a large structural body; unit expansion changes metal outline through pressure to make the body generate structural supporting force; unit folding folds plane unit to three-dimensional shape, to strengthen the unit structure. Appearance and shape of thin metal sheet can be changed through processing, to make the body able to become independent structure unit.
In the middle stage of research, it starts to design combination of physical furniture and construction elements and utilizes computer graphics software to draw computer model. After processing the design components by using the digital fabrication machines and tools, it combines them to practice construction of small-size furniture and pavilion. Finally, in 2015 Yilan Green Expo, it realized pavilion design in actual size. In physical space, construction shall consider material budget, structural strength, construction technology, etc. When it is magnified to 1:1 spatial scale by three-dimensional computer model, it will generate many problems that must be responded and solved in construction site. Emergency problems are usually ignored in design stage, which shall be solved through construction knowledge and experience.
This research explores practical feasibility of metal sheet in terms of the digital fabrication and technology. Different from the traditional fabrication of metal sheet in factory, it discusses whether individual can finish it in parametric design and digital fabrication independently. The combination of traditional metal technology and digital design and fabrication reduces the efforts for design and fabrication of metal products, which can also produce more diversified and interesting metal structural shapes.
論文目次 目錄
第一章 緒論 2

1.1. 研究動機 2
1.1.1. 自造者時代的來臨 2
1.1.2. 個人對於金屬材料數位加工製造之興趣 3
1.1.3. 嘗試等離子切割之數位製造 4
1.1.4. 結合參數化設計於金屬加工 5
1.1.5. 了解今日金屬加工的數位製造技術 6
1.1.6. 探討金屬材料構築的新可能性 7

1.2. 研究目的 8
1.2.1. 金屬材料性 8
1.2.2. 金屬加工製造流程的了解 10
1.2.3. CAD/CAM設計與製造流程 11
1.2.4. 何謂構築 12
1.2.5. 探討數位設計下之構築 14
1.2.6. 探討數位構築中金屬材料的結構行為 16

1.3. 相關領域 17
1.3.1. 傳統金屬加工製造 17
1.3.2. 參數化設計 17
1.3.3. 數位製造 17

1.4. 研究成果 17

第二章 文獻回顧 20

2.1. 數位構築類型 20
2.1.1. 切片(Sectioning) 20
2.1.2. 嵌飾(Tessellating) 20
2.1.3. 折板(Folding) 21
2.1.4. 輪廓(Contouring) 21
2.1.5. 成型(Forming) 21

2.2. 金屬數位製造案例 22
2.2.1. ETH CAAD Blowing Sheets 2004 22
2.2.2. 阿部仁史 青葉亭 2004 23
2.2.3. Archipelago Parametrically Designed Pavilion 2012 24
2.2.4. Ninety-Nine Failures 2013 25
2.2.5. SUTD Library Pavilion 2013 26

2.3. 參考書籍 27
2.3.1. 聖地亞哥‧卡拉特拉瓦:運動的詩篇 27
2.3.2. Endo Shuhei Paramodern 29

2.4. 加工技術發展 32
2.4.1. 切削技術 32
2.4.2. 成型技術 33
2.4.3. 接合技術 34
2.4.4. 表面處理 34

第三章 前導設計 38

3.1. 傳統金屬板材加工方式 38
3.1.1. 鍛打 38
3.1.2. 彎折 38
3.1.3. 扭轉 38
3.1.4. 切割 39
3.1.5. 洞孔 39
3.1.6. 打磨 39
3.1.7. 小結 39

3.2. 金屬板材試驗 40
3.2.1. 黑鐵 40
3.2.2. 白鐵 40
3.2.3. 鋁 40
3.2.4. 黃銅 40
3.2.5. 切割實驗 41

3.3. 以數位工具輔助金屬板材製造 43
3.3.1. 單元接合 43
3.3.2. 單元膨脹 50
3.3.3. 單元翻折 56

第四章 金屬板材實際應用 64

4.1. 金屬單元接合數位製造 64
4.1.1. 傢俱 64
4.1.2. 展示亭 68

4.2. 金屬單元翻折數位製造 75
4.2.1. 傢俱 75
4.2.2. 拱型空間 78
4.2.3. 空間裝置 81

4.3. 金屬單元膨脹數位製造 84

第五章 宜蘭綠色博覽會 88

5.1. 數位設計發想 88

5.2. 數位製造組裝 91

第六章 結論與建議 108

6.1. 設計操作與檢討 108

6.2. 數位製造的實作經驗與建議 110

6.3. 後續研究與建議 111

附錄 112

參考書目 112

設計版面 114


圖目錄
第一章
【圖1-1】Makers 封面 2
【圖1-2】傳統加工製造工具 2
【圖1-3】現代加工製造工具 2
【圖1-4】研究者碩一數位製造相關設計 3
【圖1-5】等離子切割機加工過程 4
【圖1-6】等離子加工機 4
【圖1-7】1980年電腦繪圖軟體 5
【圖1-8】2014年電腦繪圖軟體 5
【圖1-9】臺北興城街 6
【圖1-10】切削加工頭 6
【圖1-11】2014 ICD/ITKE Robot Arm 6
【圖1-12】元素週期表 8
【圖1-13】鐵、鋁、鉛、鋅、黃銅及紅銅 8
【圖1-14】鋼鐵礦石 8
【圖1-15】熱作加工 9
【圖1-16】冷作加工 9
【圖1-17】大量生產零組件 10
【圖1-18】波音747製造過程 10
【圖1-19】CAD/CAM應用 11
【圖1-20】建築四要素 12
【圖1-21】基礎、火爐、屋頂及表皮 12
【圖1-22】1755 太初棚架 13
【圖1-23】研究者Pavilion設計 14
【圖1-24】雪梨歌劇院屋頂模型 15
【圖1-25】韓國長老教會電腦模擬圖 15
【圖1-26】2014東京奧運主場館 15
【圖1-27】B of the Bang 結構焊接 16
【圖1-28】B of the Bang 現況 16

第二章
【圖2-1】2005年Mafoombey設計的紙板屋 20
【圖2-2】2006年Helios House 20
【圖2-3】2007年Digital Origami 21
【圖2-4】2006年Bone Wall 21
【圖2-5】2006年NuiBodies 21
【圖2-6】充氣結構體 22
【圖2-7】充氣椅 22
【圖2-8】充氣涼亭 22
【圖2-9】青葉亭內部與3D透視圖 23
【圖2-10】涼亭及細部構件 24
【圖2-11】涼亭及細部構件 25
【圖2-12】涼亭及細部構件 26
【圖2-13】聖地亞哥 卡拉特瓦:運動的詩篇 27
【圖2-14】Santiago Calatrava 27
【圖2-15】厄恩斯廷倉庫關閉及開啟 28
【圖2-16】阿拉米羅橋梁 28
【圖2-17】Endo Shuhei Paramodern 29
【圖2-18】U HOUSE 29
【圖2-19】3rd FACTORY 29
【圖2-20】T水公園 30
【圖2-21】福井車站 30
【圖2-22】科學公園廁所 30
【圖2-23】米園幼稚園 31
【圖2-24】三木市網球場 31
【圖2-25】車削 32
【圖2-26】铣削 32
【圖2-27】刨削 32
【圖2-28】磨削 32
【圖2-29】鑽削 32
【圖2-30】鋸削 33
【圖2-31】拉削 33
【圖2-32】鑄造 33
【圖2-33】真空成型 33
【圖2-34】堆疊成型 33
【圖2-35】快速成型 33
【圖2-36】彎曲成型 33
【圖2-37】氣體焊接 34
【圖2-38】電阻焊接 34
【圖2-39】電弧焊接 34
【圖2-40】電鍍 34
【圖2-41】拋光 34
【圖2-42】噴漆 35

第三章
【圖3-1】鍛打過程 38
【圖3-2】鍛打後金屬 38
【圖3-3】彎折過程 38
【圖3-4】彎折後金屬 38
【圖3-5】扭轉過程 38
【圖3-6】扭轉後金屬 38
【圖3-7】切割過程 39
【圖3-8】切割後金屬 39
【圖3-9】洞孔過程 39
【圖3-10】洞孔後金屬 39
【圖3-11】打磨過程 39
【圖3-12】打磨後金屬 39
【圖3-13】加工工法交互使用 39
【圖3-14】等離子切割機 40
【圖3-15】金屬板材切割功率及速率 40
【圖3-16】切割及打磨過程 40
【圖3-17】切割圖及組裝照片 41
【圖3-18】切割圖及組裝照片 41
【圖3-19】切割圖及組裝照片 41
【圖3-20】切割圖及組裝照片 42
【圖3-21】單元接合3D模擬 43
【圖3-22】單元打模組裝過程 43
【圖3-23】三角單元向內變形 44
【圖3-24】三角單元接合 44
【圖3-25】三角單元接合 44
【圖3-26】三角單元向外變形 45
【圖3-27】三角單元接合 45
【圖3-28】三角單元接合 45
【圖3-29】四角單元向外變形 46
【圖3-30】四角單元接合 46
【圖3-31】四角單元接合 46
【圖3-32】四角單元向內外變形 47
【圖3-33】四角單元接合 47
【圖3-34】四角單元向內變形 48
【圖3-35】四角單元接合 48
【圖3-36】四角單元接合 48
【圖3-37】四角單元向內外變形 49
【圖3-38】四角單元接合 49
【圖3-39】Rhino+Grasshopper模擬單元膨脹前後 50
【圖3-40】Grasshopper 單元膨脹接法 50
【圖3-41】等離子切割概念圖 50
【圖3-42】氬氣焊接概念圖 50
【圖3-43】單元 膨脹概念圖 50
【圖3-44】高壓洗車機與單元轉接接頭 50
【圖3-45】膨脹單元切割圖 51
【圖3-46】方形膨脹單元 51
【圖3-47】膨脹過程 51
【圖3-48】膨脹單元切割圖 51
【圖3-49】長形膨脹單元 51
【圖3-50】膨脹過程 51
【圖3-51】膨脹單元切割圖 52
【圖3-52】圓形膨脹單元 52
【圖3-53】膨脹過程 52
【圖3-54】模具3D模擬圖 53
【圖3-55】單元切割圖 53
【圖3-56】模具單元 53
【圖3-57】膨脹過程 53
【圖3-58】模具3D模擬圖 54
【圖3-59】單元切割圖 54
【圖3-60】模具單元 54
【圖3-61】膨脹過程 54
【圖3-62】空氣壓縮機 55
【圖3-63】氣嘴 55
【圖3-64】模具單元 55
【圖3-65】模具3D模擬圖 55
【圖3-66】模具3D模擬充氣式意圖 55
【圖3-67】彎折工具3D流程圖 56
【圖3-68】彎折單元3D流程圖 56
【圖3-69】單元切割圖 56
【圖3-70】單元斷裂照片 56
【圖3-71】單元斷裂照片 56
【圖3-72】彎折過程 56
【圖3-73】彎折過程 56
【圖3-74】單元切割圖 57
【圖3-75】單元斷裂照片 57
【圖3-76】單元斷裂照片 57
【圖3-77】彎折過程 57
【圖3-78】彎折過程 57
【圖3-79】單元切割圖 57
【圖3-80】單元斷裂照片 57
【圖3-81】單元斷裂照片 57
【圖3-82】彎折過程 57
【圖3-83】彎折過程 57
【圖3-84】單元切割圖 58
【圖3-85】單元未斷裂照片 58
【圖3-86】單元未斷裂照片 58
【圖3-87】單元未斷裂照片 58
【圖3-88】彎折過程 58
【圖3-89】彎折過程 58
【圖3-90】彎折過程 58
【圖3-91】洞孔間距與形狀之關聯 58
【圖3-92】方形Pattern切割圖 59
【圖3-93】三角形Pattern切割圖 59
【圖3-94】長方形Pattern切割圖 59
【圖3-95】五角形Pattern切割圖 59
【圖3-96】六角形Pattern切割圖 59
【圖3-97】圓形Pattern切割圖 59
【圖3-98】三角錐單元切割圖 60
【圖3-99】三角錐單元 60
【圖3-100】三角錐彎折過程 60
【圖3-101】三角體單元切割圖 60
【圖3-102】三角體單元 60
【圖3-103】彎折過程 60
【圖3-104】四邊體單元切割圖 61
【圖3-105】四邊體單元 61
【圖3-106】彎折過程 61
【圖3-107】五角體單元切割圖 61
【圖3-108】五角體單元 61
【圖3-109】彎折過程 61
【圖3-110】單元發展圖 62
【圖3-111】單元彎折 62
【圖3-112】彎折過程 62

第四章
【圖4-1】立燈模形分割過程 64
【圖4-2】Grasshopper定義 64
【圖4-3】單元切割圖 65
【圖4-4】組裝過程 65
【圖4-5】立燈完成照片 66
【圖4-6】立燈完成照片(含底座) 67
【圖4-7】肥皂膜實驗 68
【圖4-8】Loft曲率分析 68
【圖4-9】Minimal Syrface曲率分析 68
【圖4-10】Minimal Surface曲面生成 69
【圖4-11】Minimal Surface曲面分割 69
【圖4-12】Grasshopper定義 69
【圖4-13】PE塑料板實驗 70
【圖4-14】展示亭曲面生成與分割 71
【圖4-15】展示亭曲率分析 71
【圖4-16】Grasshopper定義 71
【圖4-17】展示亭尺寸 72
【圖4-18】單元切割圖 72
【圖4-19】組裝過程 73
【圖4-20】組裝過程 73
【圖4-21】1/5展示亭模型照片 74
【圖4-22】1/5展示亭模型照片 74
【圖4-23】桌子切割圖 75
【圖4-24】桌子向外翻折 75
【圖4-25】桌子切割圖 75
【圖4-26】桌子向內翻折 75
【圖4-27】翻折過程 75
【圖4-28】板凳切割圖 76
【圖4-29】下寬上窄板凳 76
【圖4-30】板凳切割圖 76
【圖4-31】下窄上寬板凳 76
【圖4-32】板凳切割圖 76
【圖4-33】上下皆寬板凳 76
【圖4-34】彎折過程圖 76
【圖4-35】ㄇ字型開孔桌子 77
【圖4-36】ㄇ字型桌子 77
【圖4-37】彎折過程 77
【圖4-38】Grasshopper建模過程 78
【圖4-39】Grasshopper定義 78
【圖4-40】拱型空間三視圖 78
【圖4-41】單元切割圖 79
【圖4-42】拱型單元 79
【圖4-43】拱型空間 79
【圖4-44】拱型空間 80
【圖4-45】組裝過程 80
【圖4-46】Grasshopper建模過程 81
【圖4-47】Grasshopper定義 81
【圖4-48】空間裝置尺寸 82
【圖4-49】空間裝置切割圖 82
【圖4-50】組裝過程 82
【圖4-51】模型照片 83
【圖4-52】Grasshopper模擬過程 84
【圖4-53】Grasshopper定義 84
【圖4-54】3D模擬 84
【圖4-55】切割圖尺寸 84
【圖4-56】膨脹前椅子 85
【圖4-57】焊接過程 85
【圖4-58】膨脹後椅子 85
【圖4-59】膨脹過程 85

第五章
【圖5-1】魟魚躍水而出 88
【圖5-2】造型發想過程 88
【圖5-3】魟魚展示亭 88
【圖5-4】魟魚游泳狀態 89
【圖5-5】Grasshopper動態模擬 89
【圖5-6】Grasshopper定義 89
【圖5-7】Grasshopper表面及結構分析 90
【圖5-8】Grasshopper定義 90
【圖5-9】3D模擬圖 90
【圖5-10】展示亭尺寸 91
【圖5-11】1/5模型切割圖 91
【圖5-12】1/5模型 91
【圖5-13】結構體及細部設計 92
【圖5-14】結構體試組裝 92
【圖5-15】切割單元 93
【圖5-16】單元示意圖 93
【圖5-17】單元膨脹前 93
【圖5-18】膨脹過程 93
【圖5-19】單元膨脹後示意圖 93
【圖5-20】單元膨脹後 93
【圖5-21】折疊單元切割圖 94
【圖5-22】折疊單元示意圖 94
【圖5-23】折疊單元 94
【圖5-24】折疊單元切割圖 94
【圖5-25】折疊單元示意圖 94
【圖5-26】折疊單元 94
【圖5-27】拉釘器 94
【圖5-28】鋼索放樣切割圖 95
【圖5-29】鋼索放樣 95
【圖5-30】鋼索與單元連接 95
【圖5-31】鋼索與單元連接 95
【圖5-32】彎折三角錐單元切割圖 96
【圖5-33】十字單元切割圖 96
【圖5-34】切割、打磨及組裝照片 97
【圖5-35】單元組裝過程 97
【圖5-36】現場組裝及夜間照片 98
【圖5-37】現場組裝過程 98
【圖5-38】展示亭單元細部 99
【圖5-39】展示亭夜間照片 100
【圖5-40】展示亭日間照片 102
【圖5-41】展示亭日間照片 104
參考文獻 附錄
參考書目

中文書籍

邱茂林
2003 《CAAD TALKS 1 - 數位建築發展》,臺北:田園城市。

楊啟杰
1999 《製造程序》,臺北:五南圖書。

劉育東、林楚卿
2009 《新構築》,臺北:田園城市。

翻譯書籍

Alexander Tzonis
2005 《聖地亞哥‧卡拉特拉瓦:運動的詩篇》,張育南南、古紅櫻譯,北京:中國建築工業出版社。

Chris Anderson
2013 《自造者時代:啟動人人製造的第三次工業革命》,連育德譯,臺北 :天下文化。

Rob Thompson
2012 《產品製造工法入門:圓形製作+少量製造》,陳建男、陳維隆譯,臺北:龍溪圖書出版

外文書籍

Lisa Iwamoto
2009 Digital Fabrication : Architecture and Material Techniques. New York : Princeton
Architecture Press.

Endo Shuhei
2002 Endo Shuhei Paramodern. Japan : Endo Shuhei and Amus Arts Press.

Peter Silver, William Mclean, Simon Veglio, Samantha Hardingham,
2006 Fabrication the Designer’s Guide. London : Architecture Press.

論文

黃國華
2010 <形變場域 - 台灣鐵工廠之新都市構築>,淡江大學建築學系碩士班碩士論文。
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班碩士論文。
柯宜良
2014 <以數位構築的自然重現>,淡江大學建築學系碩士班碩士論文。
論文使用權限
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