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系統識別號 U0002-2608202011274600
中文論文名稱 擴增實境於木材放樣之數位製造應用
英文論文名稱 The Applications of Augmented Reality in Timber Manufacturing.
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 108
學期 2
出版年 109
研究生中文姓名 陳伯晏
研究生英文姓名 Po-Yen Chen
學號 607360038
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2020-06-28
論文頁數 156頁
口試委員 指導教授-陳珍誠
委員-蕭吉甫
委員-陳宏銘
中文關鍵字 擴增實境  材料性  木材加工  參數化設計  數位製造 
英文關鍵字 Augmented Reality  Materiality  Wood Processing  Parametric 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 傳統手工放樣定位已有數千年的歷史,拜演化賦予人類手、眼睛、大腦三者成熟的協同機制所賜,施作者能以尺規精確量測距離與方位角,完成諸多偉大的作品。到了冷戰時期,軍事界催生了電腦輔助建築設計(CAAD)、雷射測距、二維製造機具等科技,將傳統放樣製造的效能提升至另一個層次。

並非所有的製造程序都是來自建築領域,2016年開始,源自電玩產業的VR(Virtual Reality)虛擬實境與AR(Augmented Reality)擴增實境逐漸普及,相關產品的推陳出新與企業決策,讓VR與AR的應用延伸至製造業與產品設計領域。藉助符合肉眼視角的全息成像技術,提供了三維放樣的契機,得以幫助設計者釐清在三度空間中眾多零件之間幾何構成或生產線上的加工步驟,降低教育訓練與施工成本。AR擴增實境為搭配頭戴式顯示器的全息成像技術,使用者可以透過頭戴顯示器檢視虛擬成像與真實空間疊合後的場景。在施工前檢視電腦模型的真實尺度,讓設計者直接面對真實環境,並根據此場景放樣點位及施工,同時根據可能的突發狀況做即時性的手動修改,不需依靠二維平面圖說解讀空間,得以縮短放樣的時間並提升施工效率。

本論文以AR全息成像放樣與製造三維曲木,首先釐清3D建模軟體、參數化模型、AR頭盔、智慧型手機之間的協作關係。接著透過不同的輔具設計,測試不同的木材與製造工法,比較AR成像與實際製造的差異後,從而檢討設計加施工(Design and Build)的方法流程,逐步檢視可能面臨的問題以及驗證AR放樣的成效。由小型單元的測試開始,逐步增加作品的大小,配合AR模型的建製方式,探討不同尺度下的營造環境,企圖打造一個高效的營造環境與施作流程,完成複雜的三維放樣。隨後比較傳統放樣、機械手臂放樣、AR放樣的差異,思索新設計決策的可能。科技的進程會改善既有的營造方法,並解放過往的施作限制,讓設計者能有更多時間和資源專注在設計本身,思考原本難以實踐的空間構成,同時為建築學釋放更多不同以往的設計潛力。
英文摘要 The traditional method of manual setting-out has been applied by humans for several thousands of years. The evolution endows workers with the capacity to use the ruler and compass to measure distances and angles accurately and construct many spectacular works due to a synergistic mechanism which is composed of hands, eyes and brain. In the period of the Cold War, several technologies originated in the military such as Computer-Aided Architectural Design(CAAD), Laser Rangefinder and Two-Dimensional Manufacturing Machines which have upgraded the efficiency of traditional manufacture to another level.

It is not always that every manufacturing procedure emerges from architecture. In 2016, Virtual Reality and Augmented Reality became widespread in the gaming industry. As a result of some related products and business decisions have been launched, VR and AR have been applied in manufacturing and product design. Holography, as a technology which can manifest 3D images, offers an opportunity to mark in three-dimensional ways and helps designers figure out the composition of multiple components or the manufacturing procedures in production lines. Reducing the cost of education and construction. Augmented Reality as a kind of holography which is functioned by mobile devices. Users can examine the scene, as a reference of marking and assembling, is composed of visual models and real space through a head-mounted display. Therefore, designers could face the environments without any hesitation and check the real scale of 3D models before construction. Furthermore, workers can examine the space without any two-dimensional plan and modify 3D models when they encounter some accidental collisions. These advantages could shorten the time of marking and elevate the efficiency of fabrication.

This research describes how to bend wood in three-dimensional direction by Augmented Reality. The first step is to figure out the connection and synergy among 3D modelling software, parametric models, Hololens 1 and mobile phones. Then start to use different types of jigs to test different kinds of wood and manufacturing methods. Comparing the differences between holography and manufacture and examining the procedure of design and build. Therefore we can expose potential problems and verify the efficiency of AR fabrication. The experiment started at a small scale and increased size gradually. Exploring the diverse scales of construction with varied ways of modelling holographic units. The purpose is to build up an efficient procedure and working environment. Considering the other design decisions and checking the variation of layout methods among traditional marking, robotic manufacturing and AR marking to finish the three-dimensional manufacture. The progress of technology could improve the methods of fabrication which have already existed and could eliminate the limitation of construction. Making designers can have more time and resources to focus on the design itself, arranging the space that can not easily be built in the past. And bring more potentials in architecture which differ from the past.
論文目次 目錄
第1章 緒論1
1-1 研究動機2
1.1.1 個人的設計與製造經驗2
1.1.2 二十一世紀的自造者4
1.1.3 整合數位放樣與傳統放樣的優勢5
1.1.4 探討材料、構築、建築的關聯性6
1.1.5 展望未來的營造策略7
1-2 研究目的8
1.2.1 放樣方法的沿革8
1.2.2 結合參數化設計的構築9
1.2.3 VR與AR於放樣的應用10
1.2.4 以行動裝置整合實體空間與AR12
1.2.5 探討AR的建造優勢14
1-3 相關領域15
1.3.1 木加工15
1.3.2 參數化設計與數位製造15
1.3.3 AR擴增實境15
1-4 研究流程16
1-5 預期研究成果17
第2章 文獻回顧19
2-1 案例研究20
2.1.1 The Sequential Wall, ETH Zürich, 2008 20
2.1.2 Sunny Hills Japan,2013 21
2.1.3 MAS DFAB: Gradual Assemblies,2018 22
2.1.4 Holographic Fabrication of Woven Steel Structures,2018 23
2.1.5 Building Intricate Curved Brick Walls with Fologram,2019 24
2.1.6 DigitalFUTURES2019,2019 25
2-2 建築師26
2.2.1 Kengo Kuma26
2.2.2 Gilles Retsin27
2-3 建築理論28
2.3.1 數位設計28
2.3.2 類型學29
2-4 相關書籍30
2.4.1 負建築30
2.4.2 小建築31
2.4.3 VR大衝擊32
2-5 數位製造的方法33
2.5.1 切片 Sectioning33
2.5.2 嵌飾 Tessellating33
2.5.3 折疊 Folding34
2.5.4 輪廓 Contouring34
2.5.5 成型 Forming35
2.5.6 骨架 Skeleton35
2-6 相關技術36
2.6.1 常見木工機具介紹36
2.6.2 VR(Virtual Reality)38
2.6.3 AR(Augmented Reality)38
2.6.4 VR與AR的差異39
2.6.5 VR相關設備39
2.6.6 Hololens41
2.6.7 Fologram43
2-7 小結46
第3章 前導設計47
3-1 初始設定48
3-2 成像49
3.2.1 Rhino編輯49
3.2.2 Fologram 編輯51
3.2.3 球體Mesh57
3.2.4 移動塊體59
3.2.5 空間掃描60
3-3 塑形62
3.3.1 線62
3.3.2 曲面64
3.3.3 塊體扭轉66
3.3.4 塊體彎曲68
3.3.5 操作按鈕69
3-4 木磚砌築71
3.4.1 第一項測試71
3.4.2 第二項測試74
3-5 曲木放樣78
3.5.1 參數化建模78
3.5.2 活動式輔具81
3.5.3 施作過程84
3-6 小結86
第4章 AR木加工 87
4-1 輔具88
4.1.1 輔具在造船工藝的應用88
4.1.2 輔具在AR製造的應用88
4.1.3 矩陣式輔具89
4.1.4 放樣論述94
4-2 AR 環境建構96
4.2.1 參數化建模96
4.2.2 AR環境建構97
4.2.3 定位方法100
4-3 夾板蒸氣加工102
4-4 夾板積層加工104
4.4.1 參數化建模104
4.4.2 AR環境建構105
4.4.3 成像與施工105
4-5 木皮積層加工107
4.5.1 參數化建模107
4.5.2 AR環境建構109
4.5.3 成像與施工110
第5章 設計操作115
5-1 設計一116
5.1.1 設計概念116
5.1.2 參數化建模117
5.1.3 AR環境建置119
5.1.4 施工過程120
5-2 設計二121
5.2.1 參數化建模121
5.2.2 AR環境建置122
5.2.3 類型123
5-3 設計三124
5.3.1 設計概念124
5.3.2 參數化建模124
5.3.3 AR環境建置126
5.3.4 施工過程127
第6章 結論133
6-1 研究回顧134
6-2 AR於數位製造的應用135
6-3 後續研究建議136
附錄138
口試版面138
2020傳承工作營147
參考文獻152
書籍152
論文153
圖片來源154

圖目錄
[圖 1-1] 大四設計圖說2
[圖 1-2] 數字未來工作營-個人設計透視3
[圖 1-3] 數字未來工作營-完工照片3
[圖 1-4] Sensorama10
[圖 1-5] The Sword of Damocles10
[圖 1-6] 以Hololens檢視汽車底盤11
[圖 1-7] 正射投影 St Leopoid am Steinhof12
[圖 1-8] 透視投影Villa Wagner12
[圖 1-9] 研究流程圖16
[圖 2-1] The Sequential Wall 照片20
[圖 2-2] Sunny Hills Japan 照片21
[圖 2-3] Sunny Hills Japan 單元組裝圖 21
[圖 2-4] Gradual Assemblies 影片截圖22
[圖 2-5] Gradual Assemblies 影片截圖22
[圖 2-6] Woven Steel Structures 影片截圖23
[圖 2-7] Curved Brick Walls 施工影片截圖24
[圖 2-8] Curved Brick Walls 影片截圖24
[圖 2-9] DigitalFUTURES2019 照片25
[圖 2-10] DigitalFUTURES2019 施工過程照片25
[圖 2-11] Kengo Kuma作品照片26
[圖 2-12] Gilles Retsin作品透視圖27
[圖 2-13] 負建築封面30
[圖 2-14] 小建築封面31
[圖 2-15] VR大衝擊封面32
[圖 2-16] Mafoombey 照片33
[圖 2-17] Huyghe+ Le Corbusier Puppet Theater 照片33
[圖 2-18] Dragonfly 照片34
[圖 2-19] Bone Wall照片34
[圖 2-20] Alice 製造過程照片35
[圖 2-21] [C] Space 照片35
[圖 2-22] 壓入式木工雕刻機36
[圖 2-23] 固定底座式木工雕刻機36
[圖 2-24] 木工修邊機36
[圖 2-25] 桌上型圓盤鋸36
[圖 2-26] 斬斷機37
[圖 2-27] 帶鋸37
[圖 2-28] 跳鋸37
[圖 2-29] 鑽床37
[圖 2-30] Oculus Rift39
[圖 2-31] HTC Vive40
[圖 2-32] PlayStation VR40
[圖 2-33] Hololens41
[圖 2-34] Kinect41
[圖 2-35] Hololens鏡頭41
[圖 2-36] Fologram於參數化軟體Grasshopper的介面43
[圖 2-37] Track Scene Transform44
[圖 2-38] Track 3D Scan44
[圖 2-39] Track Clicks44
[圖 2-40] Track Drag44
[圖 2-41] Track Hands44
[圖 2-42] Track Devices45
[圖 2-43] Send Text Tags45
[圖 2-44] Send Meshes45
[圖3-1] QR Code48
[圖3-2] 掃描畫面48
[圖3-3] 將物件沿Z軸上下移動49
[圖3-4] 在Rhino中將物件以Gumball旋轉49
[圖3-5] 以Gumball調整物件大小50
[圖3-6] 在Rhino內選取物件後, AR成像會同步顯示已選取的物件50
[圖3-7] Fologram指令主畫面51
[圖3-8] Fologram縮放指令52
[圖3-9] 縮放過程52
[圖3-10] Fologram移動指令53
[圖3-11] 移動過程53
[圖3-12] Fologram旋轉指令54
[圖3-13] 旋轉過程54
[圖3-14] 旋轉過程55
[圖3-15] Fologram定位座標平面56
[圖3-16] 定位座標平面過程56
[圖3-17] Slider球體半徑增減過程57
[圖3-18] Mesh網面數增減過程58
[圖3-19] 塊體移動編程59
[圖3-20] 塊體移動影片截圖59
[圖3-21] Mesh空間掃描60
[圖3-22] 空間掃描照片60
[圖3-23] 空間掃描照片61
[圖3-24] 徒手繪製曲線編程62
[圖3-25] 徒手繪製曲線影片截圖62
[圖3-26] 曲線之控制點拉伸編程63
[圖3-27] 拉伸曲線控制點影片截圖63
[圖3-28] 曲面之控制點拉伸編程64
[圖3-29] 拉伸曲面控制點影片截圖64
[圖3-30] 拉伸曲面控制點影片截圖65
[圖3-31] 塊體扭轉編程66
[圖3-32] 塊體扭轉影片截圖67
[圖3-33] 塊體彎曲編程68
[圖3-34] 塊體彎曲影片截圖68
[圖3-35] 操作按鈕編程69
[圖3-36] 操作按鈕影片截圖70
[圖3-37] 參數化建模過程71
[圖3-38] 參數化建模過程71
[圖3-39] 放樣線繪製過程72
[圖3-40] 參數化模型編程73
[圖3-41] 按鈕操作過程73
[圖3-42] 參數化建模過程74
[圖3-43] 參數化建模過程74
[圖3-44] 磚牆3D75
[圖3-45] 參數化模型編程75
[圖3-46] 放樣線建置過程75
[圖3-47] 按鈕操作過程76
[圖3-48] 施工過程影片截圖76
[圖3-49] 磚牆照片77
[圖3-50] 參數化建模過程78
[圖3-51] 各層曲線上視圖79
[圖3-52] 參數化建模過程79
[圖3-53] 曲木3D圖80
[圖3-54] 各曲木之輔具位置81
[圖3-55] 輔具爆炸圖82
[圖3-56] 輔具製造圖83
[圖3-57] 輔具照片83
[圖3-58] 施工過程截圖84
[圖3-59] 施工照片85
[圖3-60] 模具照片85
[圖3-61] 模型照片85
[圖4-1] 獨木舟製作影片截圖88
[圖4-2] Steampunk Pavilion 施工影片截圖88
[圖4-3] 線性式輔具透視圖89
[圖4-4] 矩陣式輔具透視圖89
[圖4-5] 桌面孔洞與基樁底座孔洞相互交集90
[圖4-6] 輔具拼接概念圖90
[圖4-7] 矩陣式輔具爆炸圖91
[圖4-8] 矩陣式輔具製造圖92
[圖4-9] 雷射切割照片93
[圖4-10] 輔具照片93
[圖4-11] 基樁照片93
[圖4-12] 放樣參數圖示94
[圖4-13] 輔具相對於基準點的方位角94
[圖4-14] 各個輔具與基準點的距離94
[圖4-15] 各個輔具自身的座向94
[圖4-16] 輔具高度95
[圖4-17] 輔具與坐標平面的夾角95
[圖4-18] 帶狀曲木繪製過程96
[圖4-19] 帶狀曲木繪製過程96
[圖4-20] 輔具繪製過程96
[圖4-21] 選取AR成像框線97
[圖4-22] AR成像框線97
[圖4-23] 輔具與AR成像疊合97
[圖4-24] AR模型建構編程98
[圖4-25] 步驟一調整基樁角度98
[圖4-26] 步驟二放置基樁98
[圖4-27] AR成像三視圖99
[圖4-28] Rhino 內的 Fologram 指令100
[圖4-29] 點選指令後出現的 QR Code100
[圖4-30] 新版Fologram的定位QR Code101
[圖4-31] AR定位照片101
[圖4-32] Earlex SS77USSG Steam Generator蒸氣水箱102
[圖4-33] 蒸氣加工照片102
[圖4-34] AR放樣過程102
[圖4-35] 定型103
[圖4-36] 曲木照片103
[圖4-37] 蒸煮後的甲板外皮脫落103
[圖4-38] 帶狀曲木繪製過程104
[圖4-39] 帶狀曲木繪製過程104
[圖4-40] 輔具繪製過程105
[圖4-41] AR成像與實際曲木疊合105
[圖4-42] 完成照片106
[圖4-43] 夾板貼附不均106
[圖4-44] 帶狀曲木繪製過程107
[圖4-45] 帶狀曲木繪製過程107
[圖4-46] 曲木測試之透視圖與三視圖108
[圖4-47] 曲木拆分後分段製造108
[圖4-48] AR投影照片109
[圖4-49] 直紋木皮照片110
[圖4-50] 切割後的木皮單元110
[圖4-51] 調整基樁角度110
[圖4-52] 調整基樁角度111
[圖4-53] 上膠111
[圖4-54] 夾具固定111
[圖4-55] 施工照片112
[圖4-56] 施工照片112
[圖4-57] 完工照片113
[圖5-1] 線性單元發想116
[圖5-2] 上視圖116
[圖5-3] 前視圖116
[圖5-4] 右視圖116
[圖5-5] 參數化建模過程117
[圖5-6] 參數化建模過程117
[圖5-7] 參數化建模過程117
[圖5-8] 旋轉角度測試118
[圖5-9] AR成像測試119
[圖5-10] 成像與輔具疊合119
[圖5-11 ] 施工過程照片120
[圖5-12] 施工過程照片120
[圖5-13] 完工照片120
[圖5-14] 參數化建模過程121
[圖5-15] 3D模型121
[圖5-16] 局部單元AR放樣122
[圖5-17] 曲面拉伸與扭轉量測試123
[圖5-18] 參數化建模過程124
[圖5-19] 3D模型125
[圖5-20] AR單元放樣測試125
[圖5-21] 小模型測試126
[圖5-22] 單元分割126
[圖5-23] 單元成像測式127
[圖5-24] 施工過程照片127
[圖5-25] 燕尾夾固定木皮128
[圖5-26] 施工過程照片128
[圖5-27] 施作側拍129
[圖5-28] 模型照片129
[圖5-29] 模型照片130
[圖5-30] 模型照片131
[圖附-1] AR木磚砌築版面138
[圖附-2] AR取木放樣版面139
[圖附-3] 線性輔具設計版面140
[圖附-4] 矩陣型輔具設計版面141
[圖附-5] AR夾板彎曲版面142
[圖附-6] AR木皮積層加工版面143
[圖附-7] AR環型曲木設計版面144
[圖附-8] AR曲木設計版面145
[圖附-9] 曲木牆設計版面146
[圖附-10] 2020傳承工作營海報147
[圖附-11] Hololens教學記錄147
[圖附-12] 機械手臂操作147
[圖附-13] 木材卡榫照片147
[圖附-14] 機械手臂與AR製造過程148
[圖附-15] 搭建過程照片148
[圖附-16] AR成像照片149
[圖附-17] 完工照片149
[圖附-18] 學員設計版面150
[圖附-19] 學員設計版面151
參考文獻 書籍

《改變建築的100個觀念,100 Ideas That Change Architecture》
Richard Weston 著 , 吳莉君 譯 , 城邦文化出版 , 2012

《建築的語言,The Language of Architecture》
Andrea Simitch & Val Warke 著 , 吳莉君 譯 , 原點出版 , 2015

《虛擬實境狂潮-從購物、教育到醫療,VR/AR商機即將顛覆未來的10大產業》曹雨 著 , 商周出版 , 2016

《小建築,小さな建築》
隈研吾 著 , 鍾瑞芳 譯 , 五南出版 , 2014

《負建築,負ける建築》
隈研吾 著 , 計麗屏 譯 , 五南出版 , 2019

《VR大衝擊,VRビジネスの衝撃》
新清士 著 , 林佑純 劉亭言 譯 , 商周出版 , 2017

《自造者時代:啟動人人製造的第三次工業革命,Makers-The New Industrial Revolution》
Chris Anderson 著 , 連育德 譯 , 天下出版 , 2013

論文

黃凱祺 , 2016
《曲木數位製造,Digital Bending Wood Fabrication》
淡江大學 , 建築學系碩士論文

林晉瑩 , 2018
《機械手臂於數位製造及構築之應用 - 以金屬加工為例,Applying Robot Arm for Digital Fabrication and Tectonic - Take Metalworking as an Example》
淡江大學 , 建築學系碩士論文

盧彥臣 , 2015
《機械手臂技術及材料實驗於建築數位製造之應用,Robot Arm Techniques and Material Experiments on the Application of Digital Fabrication in Architecture》
淡江大學 , 建築學系碩士論文
論文使用權限
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