本研究由參數化設計與數位製造的方式，利用參數化設計軟體
Grasshopper 利用管狀材料搭配不同的接頭製造方式以數位製造工具繪
製出突破傳統笛卡爾座標系統的電腦模型，並於真實世界中以實際的將其
構築出來。研究過程當中發展出以材料的特性製作出不同的管狀材料接
頭。並以不同的施作方式搭配數位製造工具將其以1:1 的尺寸製作出來。
初期研究著重於管狀材料的製造方式，以報紙捲製出報紙管，並昌是
以不同的方式將其製作為真實的家具。並開始研究管狀材料的接合方式，
並將其施作出來，後期因捲製報紙管過於廢時因此採用瓦楞紙管做為研究
管狀材料接合方式的材料。過程中從家具以至縮尺小屋到最後以1:1 的展
示亭將參數化設計與數位製造的精神實踐。
研究過程當中主要以Rhino 搭配Grasshopper 作為參數化設計的主
要工具，並以雷射切割機製作展示亭卡榫做為數位製造的主要工具，最後
開始嘗試以3D Printer 印製出不同於傳統笛卡爾座標系統的接頭來完成
設計縮尺模型的製作。在本研究當中希望能透過參數化設計搭配數位製造
的方式來衍伸出更多建築形式的可能性。

Title of Thesis: Tube Tectonics of Digital Fabrication     Total pages: 81
Key words:Parametric Design、 Digital Fabrication、Tube Material、Paper Tube、construct
Name of Institute: (Tamkang University, Graduate Program of Architecture)
Graduate date: July, 2015     		
Degree conferred: Master of Architecture
Name of student:  Kai-Wen Zheng 
                  鄭   凱   文
Advisor:  Dr. Chen-Cheng Chen
          陳   珍   誠    博士                                                                     
Abstract:

    This study attempts to create next-generation structures in the style of tube tectonics through digital design and fabrication.  This novel looks at tube tectonics not only made customizing joints possible, but it also explores new frontiers of tube tectonics.  New joint made of different materials were developed over the course of research. Through combining different tubular materials with various diameters, a variety of spatial structures were created with tubular truss.

    The study started out with a focus on analyzing the properties of tubular materials.  Newspapers were rolled and applied to the design of furniture in a 1:1 ratio.  As the research progressed, joint made of different materials were created as experiments focused on how the tubular materials can be connected.  Industrial corrugated paper—which is essentially the same material as newspapers and which is manufactured in a similar process—was used instead of newspapers during later experiments as making paper tubes from newspapers proved to be overly time-consuming.  A series of hands-on tasks followed closely thereafter, which included the construction of small-scale furniture and of the "Bird Cage."  In the final phases of the research, the "2015 Yilan Green Expo" and a 4m-tall “Sponge Pavilion” that measured 1.8m in width, designed for display purposes, were created.  The two structures were made of paper tubes and PVC tubes respectively.

    Throughout the research, computer-aided design software, Rhinoceros and Grasshopper, were used to achieve configured designs, with the plywood made with a laser cutter.  A 3D printer was employed to print the joint for truss designs. The 3D printer allowed for applications for non-Cartesian coordinate system in which different joints are connected.  This study seeks to explore possibilities of constructing more trusses through parametric design and digital fabrication.  As a suggestion to future researchers, the construction of spatial structures using 3D -printed, life-size tubular materials might be a field of research worth exploring.

章節目錄

第一章 緒論1
1-1 研究動機                               2
1-1-1研一A+U課程數位製造的心得               2
1-1-2受到2014年普立茲特建築獎?茂之啟發       3                           
1-1-3管狀材料的輕質性對於建築的好處         3
1-1-4管狀材料為臨時建築的可行選項           3
1-1-5數位板茂之想像(結合參數化設計與數位製造於管狀材料) 4
1-1-6 建築可回收材料之探討                  4

1-2 研究目的                         5
1-2-1管狀材料規格與材料性之研究      5
1-2-2 管狀材料之幾何學與拓樸學研究   5
1-2-3管狀材料之參數化設計與數位製造  5
1-2-4發展管狀材料之彈性化空間        5

1-3 相關領域                         6
參數化設計                           6
數位製造                             6
紙管構造                             6

1-4研究成果                          6
 
第二章 文獻回顧                      7

2-1 ?茂建築師與紙建築               8
2-2 竹製案例分析                    13
2-3 數位製造技術的分類與三維列印技術 15
2-4 小結                          19
2-5 管狀材料接頭                     21
2-6 相關論文                         23

第三章 紙管材料的操作                24

3-1 紙管材料初期操作與測試           25
3-2 先行家具的操作試驗               27
3-3 縮尺比例的房屋製作               30
3-4 管狀材料可能的組合與接合方式     32
3-5 小結                             34

第四章 "海綿"展示亭實際構築操作      35

4-1 設計說明                       36
4-2 電腦模擬與設計步驟               37
4-3 實體材料的選定與加工製作過程     42
4-4 現場組裝                         45
4-5 卡榫的自動放樣                   46
4-6 現場環境的影響                   47
4-7 "海綿"展示亭倒塌後的檢討         48
4-8 重新設計補強與組裝               49
4-9 小結                             53

第五章 管狀材料與3D Printer 的數位製造 54

5-1 Model A 3D Printer 的數位製造     55
5-2 電腦模擬與設計步驟                57
5-3 Model A 接頭印製與組裝過程        59
5-4 Model B 3D Printer 的數位製造     61

第六章 結論與建議                     65

6-1 管狀材料的限制                    66
6-2 本研究與捲報紙管                  66
6-3紙管屋的設計施作                   66
6-4 3D Printer 所帶來的改變           66
6-5 海綿展示亭1:1的實際操作心得       67
6-6 後續研究建議                      68

附錄                                  69

附錄一 數位製造方式圖                 70
附錄二 海綿展示亭參數化過程           71
附錄三 Model A 參數化過程             72
附錄四 Model B 參數化過程             73

參考文獻                              74

圖目錄

第一章 緒論

圖 1-1 研一下A+U設計                    1
圖 1-2 Paper Dome鷹取教堂與紙管隔間     1
圖 1-3 Paper House &Temporary Church   3
圖 1-4  Vasarely Pavilion              4

第二章 文獻回顧

圖 2-1-1  Paper Arbor                  8
圖2-1-2 Odawara Pavilion & East Gate   9
圖 2-1-3 Libary Of A Poet              10
圖 2-1-4 Paper Dome                    11
圖 2-1-5 Paper Bridge                  12
圖 2-2-1 Temporary Church In Pereire   13
圖 2-2-2 Tollgate                      14
圖 2-2-3 German Chinese House EXPO 2010           14
圖 2-3-1 Digital Fabrication In Architechture &  Digital     15
                Fabrications  Architectural And Material  Techniques  
圖 2-3-2  Case Study Of Contouring Object        16
圖 2-3-3  Case Study Of Folding Object           17
圖 2-3-4  Case Study Of Forming Object           18
圖 2-3-5  Case Study Of Sectioning Object        18
圖 2-3-6  Case Study Of Tessellating Object      19
圖 2-3-7  數位製造的方式                         20
圖 2-5-1 Bamboo Joint                           21
第三章 紙管材料的操作

圖 3-1-1 報紙管製做過程                          25
圖 3-1-2 報紙管製造與測試1                       25
圖 3-1-3 報紙管製造與測試2                       26
圖 3-1-4 報紙管製造與測試3                       26
圖3-2-1 Paper Chair 01                          27
圖 3-2-2 Paper Chair 01 組裝過程                 27
圖 3-2-3 Paper Chair 01 雷射切割圖               27
圖 3-2-4 Paper Chair 02                          28
圖 3-2-5 Paper Chair 02 組裝過程                 28
圖 3-2-6 Paper Chair 02 雷射切割圖               28
圖 3-2-7 Paper Chair 03                          29
圖 3-2-8 Paper Chair 03 組裝過程                 29
圖 3-2-9 Paper Chair 03 雷射切割圖               29
圖 3-3-1 Bird House 01                           30
圖 3-3-2 Bird House 01 組裝過程                  30
圖 3-3-3 Bird House 01 雷射切割圖                30
圖 3-3-4 Bird House 02                           31
圖 3-3-5 Bird House 02 組裝過程                  31
圖 3-3-6 Bird House 02 雷射切割圖                31
圖 3-4-1 材料堆疊概念圖                          32
圖 3-4-2 材料堆疊過程                            32
圖 3-4-3 Paper Dome                              32
圖 3-4-4 Paper Dome 雷射切割圖                   32
圖 3-4-5 管狀材料可能的接合方式                  33

第四章 "海綿"展示亭實際構築操作

圖 4-1-1 "海綿"展示亭                            36
圖 4-1-2 "海綿"展示亭細部                        36
圖 4-2-1 電腦模擬設計步驟                        37
圖 4-2-2 Grasshopper 設計流程圖1                 38
圖 4-2-3 Grasshopper 設計流程圖2                 38
圖 4-2-4 Grasshopper 設計流程圖3                 38
圖 4-2-5 Grasshopper 設計流程圖4                 39
圖 4-2-6 Grasshopper 設計流程圖5                 39 
圖 4-2-7 Grasshopper 設計流程圖 6                39
圖 4-2-8 Grasshopper 設計流程圖7                 40
圖 4-2-9 Grasshopper 設計流程圖8                 40
圖 4-2-10 Greaahopper 設計流程圖9                40
圖 4-2-11 Greaahopper 設計流程圖10               41
圖 4-3-1 材料裁切加工                            42
圖 4-3-2 夾板材料防水加工                        42
圖 4-3-3 紙管材料防水加工                        43
圖 4-3-4 材料防水試驗                            43
圖 4-3-5 金屬卡榫的加工                          44
圖 4-4-1 現場組裝                                45
圖 4-4-2 現場組裝過程                            45
圖 4-5-1 卡榫的自動放樣                          46
圖 4-6-1 基地位置圖                              47
圖 4-7-1 倒塌後的展示亭                          48
圖 4-7-2 倒塌後的展示亭細部                      48
圖 4-8-1 重新設計後模擬圖                        49
圖 4-8-2 重新設計後卡榫排序                      49
圖 4-8-3 重新設計後卡榫細部1                     50
圖 4-8-4 重新設計後卡榫細部 2                    50
圖 4-8-5 "海綿"展示亭2.0組裝過程                 51
圖 4-8-6 "海綿"展示亭2.0                         51
圖 4-8-7 "海綿"展示亭雷射切割圖                  52
                                                                      
第五章 管狀材料的參數化設計與製造

圖 5-1-1 Model A Render                          55
圖 5-1-2 Model A Grasshopper繪製過程圖           56
圖 5-2-1 Model A Grasshopper 設計流程圖1         57
圖 5-2-2 Model A Grasshopper 設計流程圖2         57
圖 5-2-3 Model A Grasshopper 設計流程圖3         57
圖 5-2-4 Model A Grasshopper 設計流程圖4         58
圖 5-2-5 Model A Grasshopper 設計流程圖5         58
圖 5-3-1 3D Printer 噴印過程                     59
圖 5-3-2 3D Printer 噴印拆除組裝過程             60
圖 5-4-1 Model B Render                          61
圖 5-4-2 Model BGrasshopper 設計流程圖 1         62
圖 5-4-3 Model B Grasshopper 設計流程圖2         62
圖 5-4-4 Model B Grasshopper 設計流程圖3         62
圖 5-4-5 Model B Grasshopper 設計流程圖4         63
圖 5-4-6 Model B Grasshopper 設計流程圖5         63
圖 5-4-7 Model B Grasshopper 設計流程圖6         63
圖 5-4-8 Model B Grasshopper 設計流程圖7         64
圖 5-4-9 Model B Grasshopper 設計流程圖8         64

原文書籍
1.《 Digital Fabrication in Architecture 》
Nick Dunn，2012，Laurence King。
2. 《Digital Fabrications Architecture and Material Techniques》
Lisa Iwamoto，2009，Architecture Briefs。
3. 《Building with Bamboo Design and Technology of a Sustainable
Architecture》
Grrnot Minke，2012，Birkhauser。
4. 《Shigeru Ban》
Matilda Mcquaid，2006，Phaidon。
5. 《Shigeru Ban Paper in Architecture》
Ian Lunalaurena Gould，2009。
相關論文
1. 《瓦楞紙材料之數位製造與構築》
蘇潤，2014，淡江大學建築系碩士。
2. 《紙管結構鷹取教堂之探討》
李鴻佑，2007，朝陽科技大學。
3. 《紙管結構承載力試驗與分析》
黃顯舜，2001 朝陽科技大學。
參考網站
1. Shigeru Ban Architects
http://www.shigerubanarchitects.com/
2. Shigeru Ban: Building With Paper – Library Of A Poet
http://irisjourney.wordpress.com/2012/05/31/interesting-church-paperdome/
4.The Houses Bamboo Built
h t t p : / / w w w . u t n e . c o m / c o m m u n i t y / t h e h o u s e s b a m b o o b u i l t .
aspx#axzz3EiXM6aFR
5.Paper Bridge
http://www.octatube.nl/en/projects/14/paper-bridge/