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系統識別號 U0002-1707201814565300
中文論文名稱 機械手臂製造編織於建築中的應用
英文論文名稱 The Applications of Weaving with Robotic Fabrication in Architecture
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 106
學期 2
出版年 107
研究生中文姓名 楊詔為
研究生英文姓名 Chao-Wei Yang
學號 603360206
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2018-07-02
論文頁數 105頁
口試委員 指導教授-陳珍誠
共同指導教授-柯純融
委員-倪順成
委員-張恭領
中文關鍵字 編織  織理性  參數化設計  數位製造  機器人製造  構築 
英文關鍵字 Weaving  Textile  Parametric Design  Digital Fabrication  Robotic Fabrication  Tectonic 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 隨著數位時代來臨與科技技術的進步,許多複雜的計算與編程都可以在電腦上進行運算,以往編織構造中難以計算與繪製的模式透過設計演算的方式被解析。因此本研究以數位設計的方式,整合編織式的構造系統,實驗與製造實際材料的編織並討論在建築構築上的可能性。

  編織建築可以由不同層面加以探討,關於編織建築的研究大致可以分成三部分。第一部分是建築形式上的編織,在建築設計過程中,量體外觀的獨特性是重要考慮的條件之一,而編織手法常常適用處理建築外觀形式上的複雜變化。第二部分是建築與環境的織理性,可以由社會、人文、環境等廣義角度來解釋建築在不同涵構中因為各種因素交織而成的關係。第三部分則是以結構角度思考輕量化建築可能性,編織本身可以強化輕質單元材料的建構方式,在適當的條件下運用在建築的構築上,建築將會產生更多的建造方式,本研究著重在上述第三個要素—材料與構造的編織關係進行討論。

  本研究首先了解一般生活中常見編織布品所使用的材料所須具備的特性,加以整理之後,以作為後續思考與研究中單元材料演進的基礎。接著嘗試材料與參數化路徑的模擬,以碳纖維及玻璃纖維為主要編織的材料,透過對於機器手臂製造的輔具製作與路徑調整,研究不同單元的編織演算法,並發展出建築表面構築的數位製造系統,以說明不同基本單元的製作與組合方式。整體而言,本研究嘗試透過碳纖維與玻璃纖維在單元輔具上進行編織後將單元固化後進行組合,以驗證編織手法在建築構築上的可能性。本研究期待位結合織理性建築與數位製造討論,提供研究者未來的研究方向。
英文摘要 With the advent of the digital age and advances in technology, many complicated computation and programming can be carried out on the computer.The traditional weaving patterns were hard to calculate and draw manualy, however through the design calculation method the difficulties are resolved. Therefore, this study is based on digital design, integrating textile structural systems,experimenting with the fabrication of actual materials and discussing the possible applications in building construction.

In discussion of weaving architecture, there are a three aspects of discussion can be start with.Firstly,is the architectural form of weaving, outstanding geometry outlook’s is the key of consideration throughout the design process, weaving technique often seen in apply on complex façade design. Secondly, is the weaving of architecture and the environment,which can be interpreted by the society,humanities and surroundings to explain the relationship of architecture in different contexts because of various factors.Finally, is to consider the possibility of lightweight building for the textile-structural, weaving itself can strengthen the unit of lightweight materials, which will produce new perspectives of architectural tectonic.This study focuses on the third element -- the relationship between material and structure.

This research begins to understand weaving techniques found in fabric, as the foundation methodology to be further develop into basic modular unit. Following with the considerations of potential material, carbon fibre and glass fibre as the main materials in experimenting using robotic arm to circulate the designed path of weave. Research is done in modular system via parametric tools, then develop into building façade system throughout a series of modular interconnection. In general, the objective would be experimenting carbon fibre and glass fibre weaving potential in architecture by means of digital design tools, following by digital fabrication and assembly of actual scale model. Outcome of the research aims to open up a discussion on the relationship of weaving architecture and digital fabrication as a platform for future researcher to explore.
論文目次 目錄
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.1.1 A+U學程啟發 1
1.1.2 數位設計的編織 2
1.1.3 織理性對建築的影響 2
1.1.4 數位編織的新可能性 3
1.1.5 建築新科技的發展 3
1-2 研究目的 4
1.2.1 研究編織的技術 4
1.2.2 材料與編織 4
1.2.3 機械手臂輔助編織 5
1.2.4 以參數化設計模擬建築 5
1.2.5 透過數位製造生產 5
1.2.6 透過數位製造產生織理性建築 6
1.2.7 織理性建築結構之討論 6
1-3 相關領域 7
1.3.1 機器人學 7
1.3.2 參數化設計 7
1.3.3 數位製造 7
1.3.4 數位構築的新可能 8
1-4 研究流程 9
1-5    研究成果 9
第二章 文獻回顧 11
2.1 機械手臂發展史 11
2.1.1 機械手臂技術發展階段 12
2.1.2 智慧機械手臂技術發展階段 14
2.1.3 機械手臂應用於建築領域 15
2.2 機械手臂硬體與功能之介紹 16
2.2.1 全球主要機械手臂公司 16
2.2.2 機械手臂硬體設備 18
2.3 機械手臂應用類型 23
2.4    編織工具演進 24
2.4.1 手工編織 24
2.4.2 輔助機具編織 24
2.4.3 工業革命後編織 25
2.4.4 數位製造編織 26
2.4.5 機械手臂應用編織 27
2.4.6 工業編織機原理與技術 28
2.5   民族傳統編織 29
2.5.1 中國刺繡 29
2.5.2 突尼西亞鉤針編織法 31
2.6   竹編織 32
2.6.1 壓一挑一編法 32
2.6.2 斜紋編法 32
2.6.3 回字型編法 33
2.6.4 梯形編法 33
2.6.5 三角孔編法 34
2.6.6 雙重三角行編法 34
2.6.7 六角孔編法 34
2.6.8 輪口編法 35
2.6.9 菊底編法 35
2.7    案例 36
2.7.1 米蘭/千鳥,2007 36
2.7.2 星巴克,太宰府,表參道店,2011 37
2.7.3 Silk Pavilion,2013 38
2.7.4 ICD/ITKE Research Pavilion,2013-2014 39
2.7.5 ICD/ITKE Research Pavilion,2014-2015 40
2.7.6 X-Bamboo design project,2014-2015 41
2.7.7 Rock Print,2015 42
2.7.8 Gridshell. and Woodome 2.0 43
2.8    其他相關之案例 44
2.8.1 上海世博西班牙館,2010 44
2.8.2 Dermoid CITA/SEAL/Mark Burry,2009 45
2.8.3 Anemone Pavilion,2015 46
2.9    相關書籍與網頁 47
2.9.1 小建築 47
2.9.2 新興科技與設計-走向建築生態典範 48
2.9.3 建築四要素 49
2.10  小結 50
第三章 前導設計 51
3.1    材料特性研究 51
3.1.1 棉纖維 51
3.1.2 麻纖維 52
3.1.3 尼龍纖維 53
3.1.4 碳纖維 54
3.1.5 玻璃纖維 55
3.2    錨點設計 56
3.2.1. Pin針選擇 56
3.2.2. 快拆管套 56
3.2.3. 旋繞墊片半徑選擇 57
3.2.4. 平面校正板 57
3.2.5. 3D校正模具設計 58
3.2.6. 末端執行器設計 59
3.3    機械手臂二維空間定位-垂直平面編織 60
3.3.1 四邊形錨點旋繞 60
i. 四邊形錨點旋繞-旋繞 61
61
ii. 四邊形錨點旋繞-交叉 61
iii. 四邊形錨點旋繞-隨機 62
iv. 四邊形錨點旋繞-旋繞 62
v. 四邊形錨點旋繞-交叉 63
vi. 四邊形錨點旋繞-隨機 63
i. 六邊形錨點旋繞-1對多繞圈 65
ii. 六邊形錨點旋繞-1對所有Pin隨機繞圈 66
iii. 六邊形錨點旋繞-所有Pin隨機繞圈 66
iv. 六邊形錨點旋繞-跳號繞圈(0.2.4、1.3.5) 67
v. 六邊形錨點旋繞-所有Pin重複繞圈 67
i. 六邊形錨點旋繞-1對多繞圈 68
ii. 六邊形錨點旋繞-1對所有Pin隨機繞圈 68
iii. 六邊形錨點旋繞-所有Pin隨機繞圈 69
iv. 六邊形錨點旋繞-跳號繞圈(0.2.4、1.3.5) 69
v. 六邊形錨點旋繞-所有Pin重複繞圈 70
3.3.3 五邊形錨點旋繞 72
I. 路徑設計 72
II. 程序編程 73
III. 上機試驗 74
IV. 五邊形單元固化試驗 76
3.4 手工模擬三維空間定位-多向角度編織 77
3.4.1 三邊形立體Minimal surface探討 77
3.4.2 五邊形立體Minimal Surface探討 77
3.4.3 六邊形立體Minimal Surface探討 78
3.4.4 量體組合Minimal Surface探討 78
3.5    機械手臂三維空間定位-多向角度編織 79
3.5.1 三角型線性立體編織 79
I. 路徑設計 79
II. 程序編程 80
III. 上機試驗 81
IV. 成品照片 82
3.5.2 三角型圓弧立體編織 83
I. 路徑設計 83
II. 程序編程 83
III. 上機試驗 84
IV. 成品照片 85
3.5.3 雙邊馬蹄型立體編織 86
I. 路徑設計 86
II. 程序編程 86
III. 上機試驗 87
IV. 成品照片 88
3.6    小結 89
第四章 數位編織展示亭 90
4.1    設計發想 90
I. 路徑設計 91
II. 程序編成 91
4.2 參數化設計過程 92
4.3 單元固化過程 95
4.4 機械手臂製造單元與組裝 96
4.5 展示亭製造與組裝 97
第五章 結論與建議 100
5.1 設計操作與回顧 100
5.1.1 二維空間定位 100
垂直平面編織 100
5.1.2 三維空間定位 101
多邊形立體Minimal Surface探討 101
機械手臂多向角度編織 101
5.1.3 總結 101
5.2 個人心得與結論 102
5.2.1 設計向度的轉變 102
5.2.2 資源共享時代的經驗與技術傳承 102
5.2.3 機械手臂應用於建築之未來發展 102
5.3 後續研究建議 104
5.2.4 軟體研究與建議 104
5.2.5 硬體研究與建議 104
5.2.6 類型應用研究與建議 104
參考文獻 105
中文書籍 105
外語書目 105
相關論文 105

圖目錄
【圖1-1】CNC環形粗銑 1
【圖1-2】手工燈具編織 1
【圖1-3】塑膠藤條編織 2
【圖1-4】Kniterate自動編織機 2
【圖1-5】研究流程圖 9
【圖2-1】機器人歷史發展階段 11
【圖2-2】機械手臂演進過程 12
【圖2-3】ABB Logo 16
【圖2-4】KUKA Logo 17
【圖2-5】UniversalRobotsLogo 17
【圖2-7】設置介面、座標系統 18
【圖2-6】UniversalRobots六軸示意圖 18
【圖2-8】I/O孔位配置圖 19
【圖2-9】UR10及UR5 接頭位置圖 20
【圖2-10】平行夾爪 21
【圖2-12】真空海綿吸取裝置 21
【圖2-14】氣動式鑽頭 22
【圖2-15】浮動式研磨工具 22
【圖2-16】3D列印噴頭 22
【圖2-17】線與線編織 24
【圖2-18】手工編織 24
【圖2-19】紡織機編織 24
【圖2-20】三角模具編織 24
【圖2-21】工業紡織機編織 25
【圖2-22】工業織布機編織 25
【圖2-23】數位3D編織 26
【圖2-24】CNC Knitting Machine 26
【圖2-25】機械手臂噴頭編織 27
【圖2-26】機械手臂模具編織 27
【圖2-27】經線01 28
【圖2-28】雙號經線 28
【圖2-29】單號經線 28
【圖2-30】經線02 28
【圖2-31】突尼西亞鉤針 31
【圖2-32】阿富汗地毯 31
【圖2-33】壓一挑一編法 32
【圖2-34】斜紋編法 32
【圖2-35】回字編法a 33
【圖2-36】斜紋編法b 33
【圖2-37】回字編法c 33
【圖2-38】斜紋編法d 33
【圖2-39】梯行編織法 33
【圖2-40】三角孔編法 34
【圖2-41】雙重三角行編法 34
【圖2-42】六角孔編法 34
【圖2-43】輪口編法 35
【圖2-44】輪口編法 35
【圖2-45】菊底編法 35
【圖2-46】千鳥展覽館 36
【圖2-47】千鳥細部 36
【圖2-48】星巴克,太宰府,表參道店 37
【圖2-49】Silk Pavilion 38
【圖2-50】Silk Pavilion-蠶絲編織 38
【圖2-51】ICD/ITKE Research Pavilion,2013-2014 39
【圖2-52】ICD/ITKE Research Pavilion,2014-2015 40
【圖2-53】X-Bamboo designprojectPavilion 41
【圖2-54】X-Bamboo design project–機械手臂彎曲 41
【圖2-55】Rock Print Pavilion2013-2014 42
【圖2-56】Rock Print機械手臂-繩索 42
【圖2-57】Gridshell.It and Woodome2.0Pavilion2013-2014 43
【圖2-58】Gridshell.It and Woodome 2.0–細部Pavilion2013-2014 43
【圖2-59】上海世博西班牙館Pavilion2013-2014 44
【圖2-60】上海世博西班牙館-細部 44
【圖2-61】Dermoid CITA/SEAL/Mark BurryPavilion2013-2014 45
【圖2-62】Anemone Pavilion 2015 46
【圖2-63】小建築 47
【圖2-64】新興科技與設計-走向建築生態典範 48
【圖2-65】建築四要素 49
【圖3-1】亞麻纖維 52
【圖3-2】亞麻編織面料 52
【圖3-3】尼龍纖維 53
【圖3-4】建築用尼龍線 53
【圖3-5】碳纖維編織 54
【圖3-6】碳纖維表面 54
【圖3-7】玻璃纖維絲 55
【圖3-8】建築用玻璃纖維網 55
【圖3-9】M3螺絲 25mm 56
【圖3-10】M3螺絲 30mm 56
【圖3-11】M4螺絲 35mm 56
【圖3-12】M8螺絲 60mm 56
【圖3-13】M3螺絲 14.5mm 56
【圖3-14】M4螺絲 30mm 56
【圖3-15】M3螺絲 20.1mm 56
【圖3-16】M4螺絲 29.4mm 56
【圖3-17】M4螺絲 11.1mm 57
【圖3-18】M4螺絲 13.0mm 57
【圖3-19】M3螺絲 19.0mm 57
【圖3-20】M8螺絲 22.4mm 57
【圖3-21】模具組合爆炸圖 58
【圖3-22】3D校正模具組合爆炸圖 59
【圖3-23】3D模具與3D校正板組合圖 59
【圖3-24】末端執行器組合爆炸圖 60
【圖3-25】末端執行器設定 60
【圖3-26】四邊形錨點旋繞-旋繞 62
【圖3-28】四邊形錨點旋繞-隨機 63
【圖3-29】四邊形錨點旋繞-隨機 63
【圖3-30】四邊形錨點旋繞-交叉 64
【圖3-31】四邊形錨點旋繞-隨機 64
【圖3-32】四邊形錨點旋繞 65
【圖3-33】六邊形錨點旋繞-1對多繞圈 66
【圖3-34】六邊形錨點旋繞-1對所有Pin隨機繞圈 67
【圖3-35】六邊形錨點旋繞-所有Pin隨機繞圈 67
【圖3-36】六邊形錨點旋繞-跳號繞圈(0.2.4、1.3.5) 68
【圖3-37】六邊形錨點旋繞-所有Pin重複繞圈 68
【圖3-38】六邊形錨點旋繞-1對多繞圈 69
【圖3-39】六邊形錨點旋繞-1對所有Pin隨機繞圈 69
【圖3-40】六邊形錨點旋繞-所有Pin隨機繞圈 70
【圖3-41】六邊形錨點旋繞-跳號繞圈(0.2.4、1.3.5) 70
【圖3-42】六邊形錨點旋繞-所有Pin重複繞圈 71
【圖3-43】六邊形錨點旋繞 72
【圖3-44】五邊形開口大小演算法 73
【圖3-45】五邊形錨點旋繞模具組合圖 73
【圖3-46】五邊形錨點旋繞 74
【圖3-47】五邊形錨點旋繞機械手臂編織過程 74
【圖3-48】五邊形錨點旋繞 75
【圖3-49】五邊形錨點旋繞 76
【圖3-50】軟性材料固化加工過程 77
【圖3-51】三邊形立體Minimal surface 78
【圖3-52】五邊形立體Minimal surface 78
【圖3-54】量體組合Minimal surface 79
【圖3-55】三角型線性立體組合爆炸圖 80
【圖3-56】三角型線性立體編織 81
【圖3-57】三角型線性立體編織 82
【圖3-58】三角型線性立體編織成品 83
【圖3-58】三角型圓弧立體組合爆炸圖 84
【圖3-59】三角型圓弧立體編織 84
【圖3-60】三角型圓弧立體編織 85
【圖3-61】三角型圓弧立體編織成品 86
【圖3-62】雙邊馬蹄型立體組合爆炸圖 87
【圖3-63】雙邊馬蹄型立體編織 87
【圖3-64】雙邊馬蹄型立體編織 88
【圖3-65】雙邊馬蹄型立體編織成品 89
【圖4-1】六邊形開口大小演算法 91
【圖4-2】六邊形錨點旋繞模具組合圖 92
【圖4-3】六邊形錨點旋繞 92
【圖4-4】數位編織展示亭 93
【圖4-5】Grasshopper程序編程設定 93
【圖4-6】參數化過程-1 93
【圖4-7】參數化過程-2 94
【圖4-8】數位編織展示亭分解圖 94
【圖4-9】Grasshopper程序編成設定 95
【圖4-10】單元固化過程 96
【圖4-11】機械手臂編織單元過程 97
【圖4-12】展示亭組裝過程 98
【圖4-13】展示亭組裝過程 99
【圖4-14】展示亭組裝過程 100



參考文獻 中文書籍
戈特佛里斯·森佩爾
2009《建築四要素》,羅德胤、趙雯雯、包志禹,北京:中國建築工業出版社。
隈研吾
 2013《小建築》,臺北:五南出版。
邁克爾·溫斯托克
 2013《新興科技與設計-走向建築生態點範》,陸瀟桓,北京:中國建築工業出版社。
外語書目
Lay Spuybroek
2004《NOX:Machinning Architecture》,London:Thames and Hudson。
Lisa Iwamoto
2009《Digital:Fabrication:Architecture and Material Techiques》,New York:Princetoon Architecture Press。
相關論文
黃立錦
 2015《參數化編織構築》,淡江大學建築碩士論文。
陳仲杰
 2015《以數位彎曲木板加工製造探討在地構築》,淡江大學建築碩士論文。
盧彥臣
 2015《機械手臂技術及材料實驗於建築數位製造織應用》,淡江大學建築碩士論文。
黃崇安
 2017《應用機械手臂製造木構竹》,淡江大學建築碩士論文。
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