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系統識別號 U0002-2208201900291400
中文論文名稱 基於體素模型下建築空間生成之研究
英文論文名稱 A Research on Architectural Space Generation Based on Voxel Model
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 107
學期 2
出版年 108
研究生中文姓名 游博生
研究生英文姓名 Bo-Sheng You
學號 605364024
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2019-06-22
論文頁數 124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
委員-陳珍誠
中文關鍵字 體素  空間生成  設計方法  計算機輔助設計 
英文關鍵字 Voxel  Space Generation  Design Method  Computer-aided Design 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 進入資訊時代後,隨著數位技術的進步,計算機應用已經滲透到各個領域。對於建築而言,計算機不僅帶來了效率的提升,對於材料、工法與設計思考都產生了深遠的影響。面對新時代的來臨,建築發展的潛能是一個值得探究的問題。因此,本論文的主要目的是探究在計算機輔助下建築設計方法的可能性。

體素是三維的體積像素,類似與二維的像素概念,是數位資訊空間中最小的單位,本研究將這一概念引申至建築空間中,藉助數位工具的輔助,建立一套從體素模型發展至建築空間的系統程序。在這一程序中,將體素作為建築資訊的存儲空間,建築空間分解為各項元素組成,以體素模型作為基礎框架,形成各個不同的系統,依靠系統之間不同的關係而組構形成建築空間。

在本論文的主要設計操作內容中,將體素的概念結合數位設計工具,透過細胞自動機等演算法進行體素模型的形態找尋,並以體素模型為基礎,將建築元素作為參數探究建築空間的形成。同時,藉助Honeybee和Ladybug進行建築的物理環境分析,整合建築功能。最後以辦公建築作為類型學研究的對象,發展一系列以體素為原型生成建築空間的程序系統。

通過程序的設計操作,一方面是探索當以資訊的觀點看待建築時,所生成的建築空間的多樣性,更重要的是在於對建築設計方法的重新思考。傳統設計方法是從上至下的單一思維方式,而在數位設計中,常常會以自下而上的思維進行思考。本論文運用兩種不同思維方式的設計操作,通過生成結果對其思考方式進行比較研究,回應計算機輔助下對建築設計方法的影響探究。
英文摘要 After entering the information age, the application of computers has penetrated into various fields with the progress of digital technologies. For architecture, computers do not only bring efficiency improvements but also have a profound impact on materials, engineering and design thinking. Facing the coming of the new era, the potential of digital architectural development is a problem that worth to be explored. Therefore, the main purpose of this paper is to explore the possibilities of architectural design method with the aid of the computer.

Similar to the two-dimensional pixel concept, the voxel is a three-dimensional volume pixel as well as the smallest unit in the digital information space. This study extends this concept to the architectural space with the aid of digital tools to establish a set of computer programs from the voxel model to the architectural space. In this procedure, the voxel as the storage space of architectural information, the architectural space is deconstructed into the composition of various elements. With the voxel model as the basic framework, forming different systems, relying on the different relationships between the systems and group ingested the building space.

In the main design operation content of this research, the concept of the voxel is combined with digital design tools, and the morphological search of the voxel model is carried out through algorithms such as cellular automata. Based on the voxel model, the architectural elements as parameters to explore the formation of architectural space. At the same time, Honeybee and Ladybug are used to analyze the physical environment of the building and integrate the building functions. Finally, taking the office building as the typology research object, we develop a series of computer programs to generate the architectural space based on the voxel.

Through the design and operation of the programs, it explores the diversity of the architectural space generated when the architecture is viewed from the perspective of information. More importantly, it lies in the rethinking of architectural design methods. The traditional design method is a Top-Down way of thinking, but in digital design, it is often Bottom-Up thinking. This research uses two different ways of design thinking to reflect the impact of computer-aided architectural design methods through the generation of results which the comparative study on their way of thinking.
論文目次 第一章 緒論 ............................................... 3
1.1 研究動機 ............................................................ 3
1.1.1 個人對科幻電影興趣之啟發 ...................................... 3
1.1.2 資訊數位時代的發展 ............................................ 4
1.1.3 探索數位時代下空間生成方式 .................................... 5
1.1.4 結合參數化設計於建築空間 ...................................... 5
1.2 研究目的 ............................................................ 6
1.2.1 探索空間形式的多樣性 .......................................... 6
1.2.2 探討建筑参数化之设计 .......................................... 6
1.2.3 發展空間生成的規則與框架 ...................................... 6
1.3 相關領域 ............................................................ 8
1.3.1 參數化設計 .................................................... 8
1.3.2 生成設計 ..................................................... 8
1.3.3 模矩化設計 .................................................... 8
1.4 研究流程 ............................................................ 9
1.5 研究成果 ........................................................... 10
第二章 文獻回顧 .......................................... 13
2.1 相關理論 .......................................................... 13
2.1.1 體素概念 .................................................... 13
2.1.2 體素在建築學中的發展 ......................................... 13
2.1.3 體素進入數位領域的發展 ....................................... 15
2.2 相關案例 .......................................................... 17
2.2.1 代謝派 ....................................................... 17
2.2.2 結構主義 ..................................................... 20
2.2.3 MVRDV ....................................................... 26
2.3 相關建築師 ......................................................... 29
2.3.1 渡邊誠(Makoto sei Watanabe)................................. 29
2.3.2 Kokkugia .................................................... 30
2.3.3 Moshe Safdie ................................................. 31
2.4 相關軟體與插件 .................................................... 32
2.5 相關書籍 ........................................................... 33
2.5.1 《超越網格》 ................................................. 33
2.5.2《建築生成設計》 .............................................. 35
2.5.3 Beyond Computers—Fragments of a Cultural History of Computational
Design ............................................................ 36
2.6 小結 .............................................................. 37
第三章 體素模型找尋與研究 ................................ 41
3.1 前言 .............................................................. 41
3.2 Top-down 體素模型操作 .............................................. 41
3.2.1 不同尺寸體素模型大小 ......................................... 42
3.2.2 不同形狀的體素模型 ........................................... 43
3.2.3 變形的體素模型 ............................................... 43
3.3 Bottom-up 體素模型操作 ............................................. 45
3.3.1 細胞自動機的模型演變 ......................................... 46
3.3.2 線性體素模型 ................................................. 48
3.4 體素單元的研究 .................................................... 51
3.4.1 單元空間生成 ................................................. 51
3.4.2 相同單元形成複雜空間 ......................................... 53
3.4.3 模型製造 .................................................... 54
3.5 小結 .............................................................. 56
第四章 空間參數化研究 .................................... 59
4.1 前言 ............................................................... 59
4.2 空间元素操作 ....................................................... 61
4.2.1 单一元素空间操作 ............................................. 61
4.2.2 多元素空間操作 ............................................... 61
4.2 以单元建构空间 .................................................... 63
4.2.1 交通單元 ..................................................... 63
4.2.2 辦公空間 ..................................................... 64
4.2.3 開放空間 ..................................................... 65
4.2.4 交流空間 ..................................................... 66
4.3 单元空间组合 ....................................................... 67
4.3.1 單一空間組合 ................................................. 67
4.3.2 兩種單元組合 ................................................. 68
4.3.3 多種單元組合形態 ............................................. 69
.................................................................. 69
4.4 演算法組合形態 ..................................................... 70
4.4.1 Type1 ....................................................... 70
4.4.2 Type2 ....................................................... 71
4.4.3 Type3 ....................................................... 72
4.5 小結 .............................................................. 73
第五章 系統性設計 ........................................ 77
5.1 前言 .............................................................. 77
5.2 設計工具 .......................................................... 78
5.2.1 工具簡介 .................................................... 78
5.2.2 操作案例 .................................................... 80
5.3 建築空間生成系統................................................... 84
5.3.1 前導設計 .................................................... 84
5.3.2 Top-Dwon .................................................... 87
5.3.3 Bottom-Up ................................................... 93
5.4 小結 .............................................................. 97
第六章 結論 ............................................. 101
6.1 設計操作回顧 ..................................................... 101
6.2 研究心得與結論 ................................................... 104
6.2.1 體素模型於數位工具下的建築設計應用 .......................... 104
6.2.2 數位時代下的結構主義精神 .................................... 105
6.2.3 數位時代下的建築設計方法 .................................... 106
6.3 後續發展建議 ...................................................... 107
6.3.1 操作建议 .................................................... 107
6.3.2 複雜適應性系統 .............................................. 108
参考书籍 ................................................ 109
附錄 .................................................... 111
圖片來源 ................................................ 121


圖目錄
圖1-1 電影《銀翼殺手》場景 ......................................... 3
圖1-2 電影《大都会》場景 ........................................... 3
圖2-1 Bemis 建築模矩發展 .......................................... 14
圖2-2 Mosso 的建築幾何模型 ........................................ 15
圖2-3 Mosso 的建築幾何模型 ........................................ 15
圖2-4 The Endless House—Kiesler .................................. 16
圖2-5 The Endless House —Kiesler ................................. 16
圖2-6 電通總公司大樓 .............................................. 17
圖2-7 中銀大廈 .................................................... 18
圖2-8 中銀大廈 .................................................... 18
圖2-9 中銀大廈膠囊單元 ............................................ 19
圖2-10 結構主義 ................................................... 20
圖2-11 Burgerweeshuis Amsterdam 外部形態 .......................... 21
圖2-12 Burgerweeshuis Amsterdam 內部動線 .......................... 21
圖2-13 Burgerweeshuis Amsterdam 空間 .............................. 21
圖2-14 Centraal Beheer 外觀 ....................................... 22
圖2-15 Centraal Beheer 內部空間 ................................... 22
圖2-16 Kasbah Housing 外觀 ........................................ 23
圖2-17 Cube Houses 外觀 ........................................... 24
圖2-18 Cube Houses 空間 ........................................... 24
圖2-19 MVRDV 海牙視覺藝術博物館設計 ............................... 26
圖2-20 MVRDV 海牙視覺藝術博物館設計 ............................... 26
圖2-21 MVRDV 數據景觀設計 ......................................... 26
圖2-22 MVRDV 荷蘭世博館 ........................................... 27
圖2-23 MVRDV 荷蘭世博館 ........................................... 27
圖2-24 MVRDV 多孔城市 ............................................. 27
圖2-25 MVRDV 多孔城市 ............................................. 27
圖2-26 MVRDV 多孔城市 ............................................. 28
圖2-27 Sun-God City 單元 .......................................... 29
圖2-28 Sun-God City 城市想象 ...................................... 29
圖2-29 Behavioural Urbanism 城市模型 .............................. 30
圖2-30 Behavioural Urbanism 城市模型 .............................. 30
圖2-31Habitat 67 建築外觀 ......................................... 31
圖2-32 Habitat 67 單元圖 .......................................... 31
圖3-1 上海塔體素模型過程 .......................................... 41
圖3-2 Top-Dwon 體素模型腳本 ....................................... 42
圖3-3 Yellow 插件電池 ............................................. 42
圖3-4 Size=1 體素模型 ............................................. 43
圖3-5 Size=5 體素模型 ............................................. 43
圖3-6 Size=10 體素模型 ............................................ 43
圖3-7 不同體素單元模型 ............................................ 43
圖3-8 體素模型變形 ................................................ 44
圖3-9 細胞自動機規則圖解 .......................................... 45
圖3-10 Grasshopper 細胞自動機腳本 ................................. 46
圖3-11 一維細胞自動機模型 ......................................... 46
圖3-12 二維細胞自動機腳本 ......................................... 47
圖3-13 不同時間的細胞單元 ......................................... 47
圖3-14 三維細胞自動機模型 ......................................... 48
圖3-15 線性體素模型腳本 ........................................... 48
圖3-16 線性體素模型生成過程 ....................................... 49
圖3-17 線性體素模型生成過程 ....................................... 49
圖3-18 線性體素模型生成過程 ....................................... 50
圖3-19 單元體素模型變化 ........................................... 51
圖3-20 單元體素模型變化 ........................................... 51
圖3-21 體素模型 ................................................... 52
圖3-22 Truchet-tiles 圖案 ......................................... 53
圖3-23 不同單元的體素模型 ......................................... 53
圖3-24 三種製造單元圖解 ........................................... 54
圖3-25 模型製造圖 ................................................. 55
圖4-1 彼得▪埃森曼空間圖解 .......................................... 59
圖4-2 House I 圖解過程 ............................................ 60
圖4-3 House I 圖解過程 ............................................ 60
圖4-4 不同元素的空間模型 .......................................... 61
圖4-5 多元素空間模型 .............................................. 62
圖4-6 不同類型單元模型 ............................................ 63
圖4-7 交通單元模型 ................................................ 64
圖4-8 辦公單元模型 ................................................ 65
圖4-9 開放空間單元模型 ............................................ 65
圖4-10 交流空間單元模型 ........................................... 66
圖4-11 空間單元模型 ............................................... 67
圖4-12 單元組合模型 ............................................... 67
圖4-13 空間單元模型 ............................................... 68
圖4-14 單元組合模型 ............................................... 68
圖4-15 空間單元模型 ............................................... 69
圖4-16 單元組合模型 ............................................... 69
圖4-17 Yellow 算法腳本 ............................................ 70
圖4-18 Yellow 算法模型 ............................................ 70
圖4-19 Anemone 算法腳本 ........................................... 71
圖4-20 Anemone 算法模型 ........................................... 71
圖4-21 Fox 算法腳本 ............................................... 72
圖4-22 Fox 算法模型 ............................................... 72
圖5-1 Hoenybee 與Ladybug 平台 ..................................... 78
圖5-2 Hoenybee 與Ladybug 物理環境分析類型 ......................... 79
圖5-3 Grasshopper 隨機生成體素模型腳本 ............................ 80
圖5-4 Grasshopper 物理環境引擎腳本 ................................ 80
圖5-5 三種不同形態的體素模型 ...................................... 81
圖5-6 三種不同形態的輻射量分析 .................................... 81
圖5-7 開窗量不同的輻射量分析 ...................................... 82
圖5-8 不同形態體素模型進光量分析 .................................. 82
圖5-9 單元組合 .................................................... 84
圖5-10 體素模型生成與分析 ......................................... 85
圖5-11 體素模型系統 ............................................... 85
圖5-12 建築空間模型 ............................................... 86
圖5-13 建築空間模型與局部 ......................................... 86
圖5-14 體素模型及分析 ............................................. 88
圖5-15 基礎單元 ................................................... 89
圖5-16 單元疊加 ................................................... 89
圖5-17 單元功能圖 ................................................. 89
圖5-18 單元元素空間 ............................................... 90
圖5-19 體素模型不同空間類型系統 ................................... 90
圖5-20 建築空間模型系統 ........................................... 91
圖5-21 建築空間模型局部 ........................................... 91
圖5-22 Bottom-Up 規則的體素模型 ................................... 93
圖5-23 單元產生的可能性模型 ....................................... 94
圖5-24 體素模型發展過程 ........................................... 95
參考文獻 参考书籍

中文書籍

黃涓芳(譯)(2016)。隔間(原作者:Nikil Saval)。台灣:貓頭鷹出版社
胡弘才、黃淳德、許尚健(譯)(2002)。(原作者:Judy Graf Klein)。辦公空間經典集。台灣:建築情報社
財團法人忠泰建築文化藝術基金會、森美術館(2013)。代謝派未來都市。台灣:田園城市。
李飚。建築生成設計—基於複雜系統的建築設計計算機生成方法研究(2012)。中國大陸:東南大學出版社。
李飚、華好、喬傳斌(譯)(2009)。超越網格。中國大陸:東南大學出版社。

中文論文

湯天維(2012)。以演算法探討參數化集合住宅設計。碩士論文,淡江大學,新本市。
蕭吉甫(2006)。格狀城市。碩士論文,淡江大學,新北市。
李京翰(2019)。拓撲運算與製造:圖解導向之形態發生學。博士論文,淡江大學,新北市。
李明翰(2016)。應用形態發生學於形態找尋。碩士論文,淡江大學,新北市。
鐘奇翰(2019)。多元性(居住)空間組構與生成。碩士論文,淡江大學,新北市。


英文書籍

SANTOS, Fábio Allon dos. A arquitetura como agente fílmico. Vitruvius – Arquitextos, 2004.
Nick Dunn(2012).Digital Fabrication in Architecture.British:Laurence King Publishing Ltd.
Antony Wood,Steven Henry(2015).Best Tall Buildings.Australia:The Images Publishing Group Pty Ltd.

英文期刊

Patrik Schumacher(2010). The Parametricist Epoch: Let the Style Wars Begin. London: AJ - The Architects’ Journal, Number 16, Volume 231, 06. May
Patrik Schumacher (2009) . Parametricism - A New Global Style for Architecture and Urban Design. AD Architectural Design - Digital Cities, Vol 79, No 4, July/August 2009.
論文使用權限
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