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研究生: 王嬿晴
Yen-ching Wang
論文名稱: 曲面空間桁架系統參數化設計與數位構築
Parametric Design and Digital Fabrication for Curved Space Frame
指導教授: 魏浩揚
Hao-Yang Wei
口試委員: 黃慶東
Ching-Tung Huang
簡聖芬
Sheng-Fen Chien
施宣光
Shen-Guan Shih
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 設計學院 - 建築系
Department of Architecture
論文出版年: 2011
畢業學年度: 99
語文別: 中文
論文頁數: 109
中文關鍵詞: 參數化曲面空間桁架系統
外文關鍵詞: curved surface, parametric, space truss
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  • 數位科技快速發展,為建築帶來巨大的影響及變革,曲面造型已成為建築形式新的發展趨勢。近幾年來,台灣也逐漸出現曲面自由形的數位設計操作案例,然而大都強調其形的發展,較缺乏構築方面之探討,使得數位設計與本土實質營造技術之間的對話產生巨大的鴻溝。有鑑於此,本研究擬以曲面桁架系統的開發為例,從構築面之角度,探討新時代數位科技對構築技術革新之潛力。
    本研究採用「案例導向式設計法」進行自由曲面的「找形」。在擬定設計目標及邊際條件之後,選擇IBM Traveling Pavilion作為修正空間桁架系統之設計發展的起始案例,利用金字塔單元的摺邊取代桁架系統之桿件,並簡化三維空間中的接點。接著再以收集彙整所得相關案例之構築規則,逐步修正該起始案例。經過多次調整與反饋,直至所有的設計需求均被滿足,即完成最後之找形方案。
    在設計與構築之過程中,本研究導入Rhino- Grasshopper作為參數化設計工具,應用「摺面形塑立體」(Folding)之數位製造技術製作金字塔單元,解決傳統標準化空間桁架系統無法施作自由形曲面的缺點,進而重新詮釋以桁架系統構築曲面造型的可能性。
    為模擬系統實際應用之可行性,並針對缺失進行檢討與修正,本研究乃以瓦楞紙為材,以雷切機進行數位製造,並採用自力造屋的方法先後完成製作縮尺及足尺大小的模型。藉由該設計操作到建造的過程,以實作經驗來闡述數位構築的方法與程序。
    研究成果顯示: 應用參數化軟體作為構法開發之工具,可成功地改良傳統標準化空間桁架系統,並呈現嶄新的構築形式。而從設計到施作之過程亦可呈顯一種另類的數位構築操作模式,有利於整合結構、構造與數位設計及數位製造等相關領域技術。而其操作紀錄、構築經驗探討與相關問題之提出,更可提供本土數位建築設計後續研究之參考。

    關鍵詞:曲面、參數化、空間桁架系統


    The rapid development of digital technology has greatly influenced and revolutionized the architectural profession. Curvilinear building forms are becoming more commonplace and in recent years, many exemplary cases have emerged; however, most of them focus merely on the form and aesthetics, and less on building construction. Consequently, a huge gap between local construction techniques and digital design arises. In light of this, the research will investigate the development and construction of a curved truss system to evaluate the potential revolutionary impacts of digital technology on existing building construction techniques.
    A "Case Based Design" method is used for form finding of the free-form surface. After establishing the design objectives and requirements, the IBM Traveling Pavilion is selected as the initial case which can be used to improve the space truss system. The folding edge in the pyramid units will supersede the truss members and simplify the 3D joints. After various criticism and iterative adjustments, the project continued the form-finding process until all the design objectives were met.
    In the design and construction process Rhino-Grasshopper, a parametric design tool, utilized a digital manufacturing technique known as "folding” to make pyramid units. The pyramid units resolve the traditional standard space truss systems inability to create free-form surfaces and additionally, redefine the possibility of using a truss system to construct curvilinear forms.
    To simulate the feasibility of real-life applications and correct any defects, corrugated cardboard and a laser cutter for digital fabrication were used to make a reduced scaled model and a full scaled model. With the design manipulation during the construction process, and using practical experience to elaborate the procedures and methods of digital fabrication.

    Conclusively, the research reveals that by using a parametric program as a tool of tectonic development it is possible to successfully refine a traditional standard space truss system and establish an innovative construction method. From design to construction, this alternative process of digital tectonic manipulation is advantageous because it integrates structural techniques, construction and digital design and fabrication. All the working records, tectonic experience and relative questions mentioned can be a reference for all others that study digital architecture.
    KEYWORDS: curved surface, parametric, space truss

    中文摘要 I Abstract III 謝誌 V 目次 VII 圖次 XI 表次 XV 第1章 緒論1 1.1 研究背景與動機1 1.2 研究目的3 1.3 研究內容3 1.4 研究方法3 1.5 研究步驟4 1.6 研究流程5 第2章 文獻回顧7 2.1 空間桁架相關論述7 2.1.1 空間桁架之定義7 2.1.2 空間桁架結構單元概念8 2.1.3 空間桁架特性8 2.1.4 傳統空間桁架構築曲面之問題10 2.2 數位製造相關論述11 2.2.1 數位製造技術11 2.2.2 摺面形塑立體相關論述12 2.3 案例分析13 2.3.1 IBM Traveling Pavilion13 2.3.2 Channel Tunnel Railway Terminal at Waterloo14 2.3.3 Leipzig Messe16 2.3.4 Japan Pavilion, World Expo 200017 2.3.5 Digital Origami18 第3章 設計操作-測試版FOLDING NO.0121 3.1 設計目標21 3.2 邊際條件與限制22 3.3 設計發展23 3.3.1 找形過程23 3.3.2 形體設計26 3.3.3 曲面分割27 3.4 結構系統與構造設計28 3.4.1 結構系統28 3.4.2 構造與材料29 3.4.3 細部設計30 3.5 建造35 3.5.1 構件編號35 3.5.2 轉檔過程36 3.5.3 施作過程37 3.5.4 足尺模型組裝39 3.6 檢討41 3.6.1 檢核設計目標41 3.6.2 細部檢討42 第4章 設計操作-實作版FOLDING NO.0245 4.1 設計目標45 4.2 邊際條件與限制46 4.3 設計發展47 4.3.1 找形過程47 4.3.2 形體設計52 4.3.3 曲面分割53 4.4 結構系統與構造設計54 4.4.1 結構系統54 4.4.2 構造與材料55 4.4.3 細部設計55 4.4.4 補強構造設計61 4.5 建造62 4.5.1 構件編號62 4.5.2 轉檔過程63 4.5.3 施作過程64 4.5.4 足尺模型組裝68 4.6 檢討69 4.6.1 檢核設計目標70 4.6.2 細部檢討71 4.6.3 綜合討論73 第5章 結論與後續研究建議77 5.1 結論77 5.2 後續研究建議78 參考文獻與資料81 附錄一 設計操作流程83 附錄二 各項紀錄表85

    中文部份
    1.史蒂西 施塔伊貝 巴爾庫 舒勒 索貝克/著,玻璃結構手冊,大連理工大學出版社,2004
    2.亨利亞.恩格爾/著 鐘英光/譯,結構系統,茂榮圖書,1988
    3.岩田 衛/著 邱榮政/譯,空間桁架:無限自由的空間創作,詹氏書局,1997
    4.彼德•萊斯/著 丁肇辰,謝佳倩/譯,工程師奇想,創興出版社,1997
    5.舒立茨 索貝克 哈伯曼/著,鋼結構手冊,大連理工大學出版社,2004
    6.建築圖解事典編輯委員會/著 崔征國/譯,圖解辭典:建築的整體組構,詹氏書局,2003
    7.許惠娟 (2004),平版式複層空間桁架受垂直載重作用的彈塑性行為及最佳化之設計研究,朝陽科技大學建築及都市設計研究所碩士論文
    8.李元榮 (2005),自由形體設計與施作流程研究,國立交通大學土木工程學系博士論文
    外文部份
    1.Heino Engel,Structure Systems,Hatje Cantz,1998
    2.Konrad Wachsmann,The Turning Point of Building:Structure and Design,Reinhold Publishing Corporation,1961
    3.Lisa Iwamoto,Digital Fabrications:Architectural and Material Techniques,Princeton Archtectural Press,2009
    4.Moore, Rowan (EDT)/ Powell, Kenneth (INT),Structure, Space and Skin:The Work of Nicholas Grimshaw & Partners,Phaidon Inc Ltd,1995
    5.McQuaid, Matilda,Shigeru Ban,Phaidon Inc Ltd,2006
    6.Evans, Huw (TRN),Renzo Piano : logbook,Penguin USA,1997
    7.Airport Terminal in Beijing,Detail,7+8/2008,P791-797
    網路資料
    1.http://arquitecturamashistoria.blogspot.com/2007/11/delicias-renzo-piano-y-el-pabelln.html
    2.http://www.architectureweek.com/2001/0919/tools_1-2.html
    3.http://www.chrisbosse.com

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