[[alternative]]Parametric design and digital fabrication for the structural unit of exterior canopy

碩士[[abstract]]數位及參數化設計工具在建築設計的環境中的使用日益頻繁，其中大部份都以不規則曲線或曲面的表現形式來做為數位建築的外觀特徵。由於製造方式及材料性質等條件限制，使得設計過程中的虛擬設計與實際製造的成品需要執行結構系統與細部構造轉換的過程。本研究使用同一種單元化棚架結構系統，在設計過程中，研究討論由初步的紙上設計模擬到後段的實際製造，參數化設計及製造工具在各個不同的階段各提供的不同的功能及幫助。並以真實空間中實際的作品製作來實踐紙上的參數模擬設計，將模擬及製造互相連結與呼應。本研究著重於以單一種單元結構系統，來發展並組合出不同形態的數位設計作品。 本研究分為三部份，第一部份為案例分析及研究，討論不同種類的數位設計作品中，結構系統與製造方式的使用及原因。第二部份以單元的棚架結構系統為例，在前端的紙上設計過程中，以單元的平面組織方式、剖面形狀調整、遮篷的骨架、與結構設計到適應不同基地條件的形態調整等四個方面來做討論。並在上述四種個面的設計過程中，加入參數化設計工具來檢視結果。第三部份則為製造方式的研究討論，先以數位軟體模擬設計不同種類的製造方式，討論其中可能遇到的問題及解決方式。之後加入關節可動及形態調整等條件，繼續發展設計實際棚架單元的結構系統和細部，並以CNC工具實際出製造比例的模型加以討論。 本研究中設計製造簡易單元結構系統，可依循不同的建築外形需求來排列組構，並以可動及可調整等兩種方式來呼應參數的改變和調整之特性。以數位建築設計與製造方式，可以量身訂做並脫離固定的結構系統，以更加便利的拆換興組裝來回應參數化輔助建築設計所產生不同外觀變化的可能。 關鍵字 : 單元棚架、參數設計、數位製造、可動結構。[[abstract]]The digital and parametric design tools is now widely applied in architecture design, most of which utilizes the irregular curves or surface to serve as the appearance features of digital architecture. However, due to the limited conditions, such as manufacturing mode and material property etc., it requires the transferring process of framework system and details structures from the virtual design to practical manufactured finish products. This study adopts the same unit of canopy structure system to explore the different functions and assistances provided by parametric design and fabrication in different stages from the primary design on paper to practical fabrication. Besides, it also produces a practical work in the real space to implement the virtual parametric design, which links the simulation and fabrication. The study focuses on developing several digital design products of different types with the same unit of canopy structure system. The study falls into three parts. The first part is about case study and research which discusses the application of structure system and fabrication mode adopted in different types of digital design as well as the reasons of application. The second part takes the unit of canopy structure system as example, to explore the course of design on paper from four perspectives, i.e. the flat organization of units, adjustment of cross section shape, framework of shelter and shape adjustment from the structure design to adapt the different base conditions. Besides, it adds with parametric design tool to check the results of the four aforementioned design courses. The third part focuses on the fabrication method, which probes the possible problems and corresponding solutions through designing different fabrication modes with digital software. Then, it add the conditions like kinetic joints and shape adjustment to continuously design the actual structure system and details of unit of canopy and carry out discussion with the practical mode produced by CNC. The proposed simple unit structure system can array structures in line with different appearance requirements of architectures and adapt to the parameter modification and adjustment via its kinetic and adjustable features. Under the assistance of digital architecture design and fabrication methods, it can realize the customization and get rid of fixed structure system, to cope with the possibility of different appearance changes generated by parametric architecture design by means of more convenient disassembly and assembly.[[tableofcontents]]目錄 第一章 緒論 03 1-1 研究動機 03 1-1.1 數位建築的設計吸引力 03 1-1.2. 數位設計及製造工具的應用 03 1-1.3. 數位作品的自產自製 04 1-1.4. 參數化設計製造對於機能與裝飾的研究 04 1-2 研究目的 05 1-2.1. 棚架單元結構系統的參數化應用研究 05 1-2.2. 參數化輔助設計與製造（CAD / CAM） 05 1-2.3. 探討數位構築的材料與構造 06 1-2.4. 探討不同的製造加工方式對於棚架單元的設計影響 07 1-2.5. 結合非制式單元生產與參數化設計於設計與製造過程中 07 1-3 研究流程 07 1-4 研究成果 08 2-1 文獻介紹 11 2-1.1 新構築 11 2-1.2 Digital Fabrications-Architectural and Material Techniques 12 2-1.3 Digital Manufacturing in Design and Architecture 13 2-1.4 The Function of Form 14 2-1.5 The Function of Ornament 15 2-2 案例介紹 16 2-2.1 2002 Serpentine Gallery Pavilion by Toyo Ito ( 伊東豊雄) 16 2-2.2 2005 Serpentine Gallery Pavilion by Alvaro Siza 16 2-2.3 AIP 青葉亭(2005) 阿部仁史（Hitoshi Abe） 17 2-2.4 AA Pavilion 2008 17 2-2.5 AA Summer Pavilion Exhibition 2009 18 2-2.6 The Tote by Serie Architects 18 2-2.7 高雄世運主體館 by Toyo Ito ( 伊東豊雄) 19 2-2.8 北京奧運主場館 by Herzog & De Meuron 19 第三章 戶外篷架單元構築的階層設計 23 3-1 棚架單元的案例應用 : 頂棚、桁架 23 3-2 單元剖面形態的參數變化控制 24 3-3 單元物件平面、立體組構之設計過程 27 3-3.1 設計發想 27 3-3.2 單元剖立面的參數化設計及立體化組構 27 3-3.3 不同尺度的立體單元物件之網格排列 28 3-3.4 不同尺度的立體單元物件之平行陣列 31 3-3.5 立體單元物件的混合組構方式 33 3-3.6 立體棚架單元的披覆設計 35 3-4 立體棚架單元的上層外形設計 38 3-4.1 設計發想 38 3-4.2 參數化設計的單元頂棚 38 3-4.3 原型( Prototype) 單元頂棚的參數化設計 39 3-4.4 Paneling Tools 對於參數化頂篷設計的應用 43 3-4.5 單元頂篷設計的形式與骨架節結合之探討 47 3-4.6 弧線曲面的單元頂棚的參數化設計 50 3-4.7 弧線曲面的單元頂棚之結構設計 52 3-4.8 參數化設計的單元頂棚 53 3-5 立體單元物件的參數化型態設計過程 56 3-5.1 設計發想 56 3-5.2 基本棚架單元之參數化設計 56 3-5.3 基本棚架單元參數化之形態設計 62 3-5.4 基本棚架單元參數化之平面網格設計 67 3-5.5 基本棚架單元之參數化高度設計 70 3-5.6 基本棚架單元之參數化地形設計 72 3-5.7 基本棚架單元之參數化之原型設計 73 第四章 戶外棚架單元的參數化製造 81 4-1 設計發想 81 4-2 戶外棚架單元的參數化製造 – 1 81 4-3 戶外棚架單元的參數化製造 – 2 91 4-4 戶外棚架單元的參數化製造 – 3 92 4-5 戶外棚架單元的參數化製造 - 4 93 第五章 戶外棚架單元系統的細部設計與製造 97 5-1 單元A 的構造、組合與變化 97 5-1.1 單元A 的基本形態 1 ( 三角形) 102 5-1.2 單元A 的形態 2 104 5-1.3 單元A 的形態 3 106 5-1.4 三角平面的組合 108 5-1.5 單元A 的數位製造 110 5-2 單元B 的構造、組合與變化 116 5-2.1 單元B 的形態 1-1 128 5-2.2 單元B 的形態 1-2 132 5-2.3 單元B 的形態 1-3 135 5-2.4 單元B 的形態 2-1 137 5-2.5 單元B 的形態 2-2 140 第六章 結論與心得 143 6-1 設計階段加入參數化輔助工具後的感想 143 6-2 數位( 參數化) 輔助製造的優點與限制 143 6-3 可動式結構系統與參數化控制的連結 144 6-4 後續研究方向 145 參考書目 147 附錄A 評圖版面 148 附錄B 口試Powerpoint 153 圖目錄 圖1-1 工業化家具設計 06 圖2-1 新構築 11 圖2-2 Digital Fabrications 12 圖2-3 Digital Manufacturing in Design and Architecture 13 圖2-4 The Function of Form 14 圖2-5 The Function of Ornament 15 圖2-6 2002 Serpentine Gallery Pavilion 16 圖2-7 2005 Serpentine Gallery Pavilion 16 圖2-9 AA Pavilion 2008 17 圖2-8 AIP 青葉亭 17 圖2-10 AA Pavilion 2009 18 圖2-11 The Tote 18 圖2-12 高雄世運主體館 19 圖2-13 北京奧運主場館 19 圖3-1 基本結構單元形變示意圖 23 圖3-2 里斯本車站剖立面分析 23 圖3-3 剖立面演化 24 圖3-4 參數化剖立面設計(Grasshopper) 25 圖3-5 參數化剖立面設計示意 26 圖3-6 平面單元示意概念 27 圖3-7 立體單元示意概念 28 圖3-8 平面單元組合- 1 29 圖3-9 平面單元組合-1 立體檢視 30 圖3-10 平面單元組合- 2 31 圖3-11 平面單元組合-2 立體檢視 32 圖3-12 平面單元混合組構-1 33 圖3-13 平面單元混合組構-2 33 圖3-14 單元混合組構-1 立體檢視 34 圖3-15 單元混合組構-2 立體檢視 34 圖3-16 立體棚架單元的披覆設計-1 35 圖3-17 立體棚架單元的披覆設計-2 36 圖3-18 立體棚架單元的披覆設計-3 36 圖3-19 立體棚架單元的披覆設計-4 36 圖3-20 立體棚架單元的披覆設計-5 37 圖3-21 立體棚架單元的披覆設計-6 37 圖3-22 立體棚架單元的披覆設計-7 37 圖3-23 參數化原型頂篷設計-1 39 圖3-24 參數化原型頂篷設計-2 39 圖3-26 參數化原型頂篷設計-4 40 圖3-25 參數化原型頂篷設計-3 40 圖3-27 參數化原型頂篷設計-5 41 圖3-28 參數化原型頂篷設計-6 41 圖3-29 參數化原型頂篷設計-7 42 圖3-30 參數化原型頂篷設計-8 42 圖3-31 參數化原形頂篷結構-1 44 圖3-32 參數化原形頂篷結構-2 44 圖3-33 參數化原形頂篷結構-3 44 圖3-34 參數化原形頂篷結構-4 45 圖3-35 參數化原形頂篷結構-5 45 圖3-36 參數化原形頂篷結構-6 45 圖3-37 參數化頂篷結構製造模擬-1 46 圖3-38 參數化頂篷結構製造模擬-2 46 圖3-39 參數化頂篷曲線形態模擬-1 48 圖3-40 參數化頂篷形態曲線模擬-2 49 圖3-41 參數化頂篷結構分割程序 50 圖3-42 參數化頂篷結構形態-1 51 圖3-43 參數化頂篷結構形態-2 51 圖3-44 參數化頂篷結構形態-3 51 圖3-45 參數化頂篷結構形態-4 51 圖3-46 參數化頂篷結構形態-5 51 圖3-47 參數化頂篷結構形態分割過程 52 圖3-49 隨機單元頂篷參數化程序平面示意 54 圖3-48 隨機單元頂篷形態參數化程序 54 圖3-50 隨機單元頂篷參數化程序立體示意 54 圖3-53 隨機單元頂篷結構分支形態-1 55 圖3-54 隨機單元頂篷結構分支形態-2 55 圖3-52 隨機單元頂篷結構參數化程序 55 圖3-55 隨機單元頂篷結構分支形態-3 55 圖3-56 隨機單元頂篷結構分支形態-4 55 圖3-51 隨機單元頂篷參數化取樣 55 圖3-57 立體單元物件的參數化形態設計-1 57 圖3-58 立體單元物件的參數化形態設計-2 57 圖3-59 立體單元物件的參數化形態設計外觀 58 圖3-60 立體單元物件的參數化形態設計-3 59 圖3-61 立體單元物件的參數化形態設計-4 60 圖3-62 立體單元物件的參數化形態設計-5 61 圖3-63 立體單元物件的參數化形態設計程序 62 圖3-64 立體單元物件的參數化型態平面 63 圖3-65 立體單元物件的參數化形態外觀 63 圖3-66 立體單元物件的參數化形態-1 64 圖3-67 立體單元物件的參數化形態-2 65 圖3-68 立體單元物件的參數化形態-3 66 圖3-69 基本棚架單元參數化之平面網格設計 67 圖3-70 基本棚架單元形態混合網格平面範例-1 68 圖3-71 基本棚架單元形態混合網格平面範例-2 69 圖3-72 基本棚架單元之參數化高度設計 70 圖3-73 基本棚架單元之參數化高度設計程序 71 圖3-74 原始概念圖例 72 圖3-75 基本棚架單元之參數化地形設計立面 72 圖3-76 基本棚架單元之參數化地形設計示意 72 圖3-77 原始概念圖例 73 圖3-78 基本棚架單元之參數化地形設計程序 73 圖3-79 原型基地參數化平面-1 74 圖3-80 原型基地參數化立體檢視-1 74 圖3-81 原型基地參數化平面-2 75 圖3-82 原型基地參數化立體檢視-2 75 圖3-83 原型基地參數化平面-3 76 圖3-84 原型基地參數化立體檢視-3 76 圖3-85 原型基地參數化立體比較 77 圖4-1 示範案例之參數化設計及製造-1 82 圖4-2 示範案例之參數化設計及製造-2 83 圖4-3 示範案例之3D 模擬-1 84 圖4-4 示範案例之3D 模擬-2 84 圖4-5 模型俯視 85 圖4-6 模型內部 85 圖4-7 示範案例之3D 模擬-3 86 圖4-8 模型示意圖 87 圖4-9 模型示意圖 87 圖4-10 模型示意圖 88 圖4-11 模型示意圖 88 圖4-12 模型示意圖 89 圖4-13 模型示意圖 89 圖4-14 示範案例之CNC 切割圖面 90 圖4-15 立體單元物件之製造模擬-1 91 圖5-1 平面單元示意圖 97 圖5-2 單元A-1 平面 97 圖5-3 單元A-2 平面 97 圖5-4 單元A 爆炸圖 98 圖5-5 單元A-1 旋轉組合 99 圖5-6 單元A-2 旋轉組合 99 圖5-7 單元A-1 水平組合 99 圖5-8 單元A-2 水平組合 99 圖5-9 單元A 立面形態變化 101 圖5-10 單元A 三角形態平面圖 102 圖5-11 單元A 三角形態立面圖 102 圖5-12 單元A 三角組合透視圖形態 103 圖5-13 單元A 三角形態可用空間 103 圖5-14 單元A 結合部件1 104 圖5-15 單元A 三角組合形態1 透視圖 104 圖5-16 單元A 三角組合形態1 立面圖 104 圖5-17 單元A 三角組合形態1 平面圖 105 圖5-18 單元A 三角組合形態1 立面圖 105 圖5-19 單元A 結合部件2 106 圖5-20 單元A 三角組合形態2 透視圖 106 圖5-21 單元A 三角組合形態2 立面圖 106 圖5-22 單元A 三角組合形態2 平面圖 107 圖5-23 單元A 三角組合形態2 立面圖 107 圖5-24 三角平面組合圖-1 108 圖5-25 三角平面組合圖-2 108 圖5-26 三角平面組合圖-3 108 圖5-27 三角平面組合圖-4 109 圖5-28 三角平面組合圖-5 109 圖5-29 三角平面組合圖-6 109 圖5-30 三角模型平面示意圖-1 110 圖5-31 三角模型平面示意圖-2 110 圖5-32 三角模型平面示意圖-3 110 圖5-33 移動軌道示意圖 110 圖5-34 三角模型CNC 零件爆炸圖 111 圖5-35 模型示意圖 112 圖5-36 模型示意圖 112 圖5-37 模型示意圖 113 圖5-38 模型示意圖 113 圖5-39 模型示意圖 114 圖5-40 模型示意圖 114 圖5-41 模型示意圖 114 圖5-42 模型示意圖 114 圖5-43 模型示意圖 114 圖5-44 三角模型CNC 零件圖 115 圖5-45 CNC 切割圖-1 115 圖5-46 CNC 切割圖-2 115 圖5-47 單元B 可動示意圖 116 圖5-49 單元B 立面示意圖 117 圖5-48 單元B 平面示意圖 117 圖5-50 單元B 爆炸圖 118 圖5-51 模型示意圖 119 圖5-52 模型示意圖 119 圖5-53 單元B 立面變化 121 圖5-54 單元B 外部柱式爆炸圖1 122 圖5-55 單元B 外部柱式爆炸圖2 123 圖5-56 單元B 外部柱式爆炸圖3 124 圖5-57 單元B 外部柱式爆炸圖4 125 圖5-58 單元B 外部柱式爆炸圖5 126 圖5-59 模型示意圖 127 圖5-60 模型示意圖 127 圖5-61 單元B-1 水平組合1 平面圖 128 圖5-62 單元B-1 水平組合1 立面圖 128 圖5-63 單元B-1 水平組合1 立面圖 128 圖5-64 單元B -1 分解圖 129 圖5-65 單元B-1 水平組合透視圖 130 圖5-66 單元B-1 水平組合室內模擬圖 130 圖5-68 模型示意圖 131 圖5-67 模型示意圖 131 圖5-69 模型示意圖 131 圖5-70 單元B-1 旋轉組合透視圖 132 圖5-71 單元B-1 旋轉組合平面圖 133 圖5-72 單元B-1 旋轉組合立面圖 133 圖5-73 模型示意圖 134 圖5-74 模型示意圖 134 圖5-75 單元B-1 矩陣組合平面圖 135 圖5-76 單元B-1 矩陣組合立面圖 135 圖5-77 單元B-1 矩陣組合透視圖 136 圖5-78 單元B-2 分解圖 137 圖5-79 單元B-2 水平組合透視圖 138 圖5-80 單元B-2 水平組合室內模擬圖 138 圖5-81 單元B-2 水平組合平面圖 139 圖5-82 單元B-2 水平組合立面圖 139 圖5-83 單元B-2 水平組合立面圖 139 圖5-84 單元B-2 旋轉組合透視圖 140 圖5-85 單元B-2 旋轉組合平面圖 141 圖5-86 單元B-2 旋轉組合立面圖 141 附錄A 評圖版面-1 153 附錄A 評圖版面-2 153 附錄A 評圖版面-3 153 附錄A 評圖版面-4 153 附錄A 評圖版面-5 154 附錄A 評圖版面-6 154 附錄A 評圖版面-7 154 附錄A 評圖版面-8 154 附錄A 評圖版面-9 155 附錄A 評圖版面-10 155 附錄A 評圖版面-11 155 附錄A 評圖版面-12 155 附錄A 評圖版面-13 156 附錄A 評圖版面-14 156 附錄A 評圖版面-15 156 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