[[alternative]]From swarm behavior to space generation

碩士[[abstract]] 在我們的日常生活中可以發現許多有趣的群體行為現象，從鳥群、魚群的行為模式，甚至是人群的行為。產生這些行為的主要原因，來自於特殊的事件或特定的規則，並以一種看不見的引力影響著群體關係的行為。本研究認為在特定空間中，受事件與規則所影響的群體行為，是與其空間有相互關係的。因此本研究以電腦軟體進行群體行為的模擬，產生出各種的資料參數，並將其用來生成空間或是做為空間規劃的依據，希望透過論文中的操作案例來說明以群體行為衍生空間形式的可能性。 本論文在研究操作的過程主要分成三個階段。第一階段使用圖解（Diagram）的方式模擬行為、領域、力場三者之間的關係。一方面嘗試運用參數化軟體Grasshopper與其插件Kangaroo於擬群體的行為；另一方面由平面開始探討行為與空間的關係。第二階段尋找模擬群體行為的資料參數在空間中的意義。透過列舉生活中的事件，套入軟體中進行模擬操作。並就模擬行為中不同力場的來源進行分類，分成點與線兩大類。第三階段則是以實際存在的基地操作設計。在淡水河畔選了六個基地，將各個基地的空間特色、群體行為、以及干擾力場於軟體中進行模擬。並依序在不同的步驟裡加入這些影響因子，經過模擬與篩選的過程，得到最後的設計結果。由於每個基地的特性不同，對於行為模擬後使用參數衍生空間的過程，有些是對空間形態的生成，有些則是截取形態變動中的片段，另外有的則是屬於空間規劃的最佳化。 根據本論文的設計操作，以參數化的方式模擬群體行為，能有效地記錄使用過程中所產生的參數。並且強調這些參數對於空間生成上的實質意義，讓參數不僅僅只是行為模擬後的數值，而是說明場域中的群體狀態與空間架構。它幫助我們掌握肉眼所看不見的各種不同資訊，進而衍生出反應群體行為的空間模式。本研究希望能透過這種方式找到群體與空間之間的較佳解答，提供未來操作設計另一種可能性。[[abstract]]Numerous fascinating collective behaviors could be discovered in everyday life including the moving pattern of a bird flock, fish shoal, even a crowd of people due to peculiar event or particular rule in which the movement of an intergroup relationship influenced by invisible gravity. In this study, the space was deemed the factor of collective behavior by which event or rule affected in one specific space. Thus computer software has applied to the simulation of collective behavior, which resulted in various information parameters that supports the generation of forms or spaces the fundamental basis of spatial planning. The illustration of design in this research points to possibilities of space form derived from collective behavior studies. The process of in the research was divided into three stages. In the first stage, diagram the relationship between behavior, domain, and force field; put collective-behavior-simulation into practice by parametric software Grasshopper and its plug-in Kangaroo, and on the other hand probe into the behavior-space-connection through plan. In the second stage, search for the significances of space and the data parameters of which collective-behavior-simulation has shown; enumerate the daily events as a list of reference data for computer simulation, hence classify different source of force into two groups—point and line. In the third stage, implement the actual design on six chosen sites near by Tamsui River. Several impact factors including spatial character, collective behavior, and disturbing force has inserted into computer simulation during different steps; the result obtained from design process after the procedure of simulation and selection. According to the dissimilarity on sites, the implementation of parametric space-derivation targets on creating the spatial pattern, capturing the particular time-frame of space, and the optimization of spatial planning. The design of the research revealed that simulation of collective behavior with parametric technique provides an effective method of recording based on parameters. The essential significance of parameter not only shows a category of behavioral data after imitation, but also interprets collective condition and spatial construction within a field; it supports us with commanding invisible messages and shaping a space of collective-behavior-reflected pattern. This research images the capacity of operating architectural design in the future through an anticipation of finding optimal answers between collective group and space.[[tableofcontents]]目錄 第一章 緒論 1 1-1 研究動機 1 1-1.1 延續個人畢業設計關於舞者動作與表演空間互動與變形之討論 1 1-1.2 觀察群體之間的行為模式 1 1-1.3 運用電腦模擬於空間行為之模擬 2 1-1.4 結合數位設計於空間組織與形態之生成 2 1-1.5 理解空間形態生成之機制 3 1-1.6 以數位設計發展空間的形式 3 1-2 研究目的 4 1-2.1 釐清群體行為的影響因素 4 1-2.2 了解群體行為與參數化設計 4 1-2.3 了解形態生成之時間因素 4 1-2.4 以動態分子力學軟體（Kangaroo）模擬群體行為 5 1-2.5 發展由下而上的形態生成 5 1-2.6 不同空間原型之優化 5 1-3 相關領域 6 1-3.1 群體智能（Swarm Intelligence） 6 1-3.2 科學視算（Scientific Visualization） 6 1-3.3 湧現、乍現（Emergence） 7 1-4 研究流程 8 1-5 研究成果 9 第二章 相關理論與案例 10 2-1 案例 10 2-1.1 Time Motion Studies，Rene W.P. Leanhardt 10 2-1.2 Hybrid Muscle，R & Sie(n) 11 2-1.3 Embryological Housing，Greg Lynn 11 2-1.4 Yokohama International Ferry Port Terminal，FOA 12 2-1.5 Shanghai Tower，Gensler 13 2-2 相關書籍 14 2-2.1 Bernard Tschumi：《The Manhattan Transcripts》 14 2-2.2 Greg Lynn：《Animate Form》 15 2-2.3 何炯德：《活潑建築》 16 2-2.4 段海濱：《仿生智能計算》 17 2-3 演算法 18 2-3.1 演算法（Algorithm） 18 2-3.2 蟻群演算法（Ant colony optimization） 18 2-3.3 Flocking 19 2-4 關鍵字 20 2-5 應用軟體 21 2-5.1 Grasshopper 21 2-5.2 Galapagos 21 2-5.3 Kangaroo 22 2-5.4 Millipede 23 2-6 小結 23 第三章 行為、領域與力場的模擬 24 3-1 行為、領域與力場之DIAGRAM分析 24 3-1.1 點與領域範圍的關係 24 3-1.2 多點領域中點的領域變化 26 3-1.3 點的分佈與運動 28 3-1.4 點力場的力線顯示 30 3-1.5 點的變化與其力線顯示 32 3-1.6 點與線的關係 34 3-1.7 粒子受線力場後運動行為的移動位置 36 3-1.8 粒子受線力場後運動行為的移動軌跡 37 3-2 點力場的推擠 39 3-2.1 力場的顯示 39 3-2.2 方案A 容積率隨面積變化 41 3-2.3 方案B 固定量體的基本體積 42 3-3 線力場的拉扯 44 3-3.1 形體生成的說明與影響因子 44 3-3.2 生成的案例 45 第四章 力場模擬後的應用與設計 48 4-1 前言 48 4-1.1 應用參數 48 4-1.2 參考案例 48 4-2 點與線的意義 50 4-2.1 點的意義 50 4-2.2 線的意義 53 4-3 淡水河畔的設計操作 56 4-3.1 延續設計操作至現存基地 56 4-3.2 基地現況說明 56 4-3.3 設計發展 58 第五章 結論與建議 102 5-1 結論 102 5-1.1 關於以群體行為衍生空間形式之研究 102 5-1.2 論文設計操作的三部分 102 5-2 對於研究目的的回應 103 5-2.1 參數化的意義 103 5-2.2 Grasshopper之方便性 104 5-2.3 本論文的優缺點 104 5-3 後續研究建議 104 5-3.1 本論文可以繼續完成的部分 104 5-3.1 對於後續研究者的建議 105 第六章 參考文獻與附錄 106 圖目錄 【圖1-1】舞蹈動作分析 1 【圖1-2】舞蹈動作與空間變形 1 【圖1-3】蟻群、鳥群、人群 2 【圖1-4】古根漢美術館電腦輔助設計 3 【圖1-5】Serpentine藝廊結構生成圖 3 【圖1-6】群體智能的現象與運用 6 【圖1-7】科學視算案例 - 生態食物網、單純皰疹病毒、管流體運動 7 【圖1-8】湧現現象案例 - 白蟻窩、水結晶、神經元 7 【圖1-9】研究流程圖 8 【圖2-1】Time Motion Studies 10 【圖2-2】Hybrid Muscle 11 【圖2-3】Embryological Housing演化過程 12 【圖2-4】橫濱港形體與行為之關係圖 12 【圖2-5】參數化調整外形與風阻之關係 13 【圖2-6】曼哈頓手稿、事件與行為概念圖 14 【圖2-7】動畫形式、下樓梯的裸女、星球儀、克萊因瓶 15 【圖2-8】活潑建築、I''ve heard about… 16 【圖2-9】仿生智能计算、遺傳演算法流程圖 17 【圖2-10】簡易演算法流程圖、演算法的幾何圖形 18 【圖2-11】蟻群行為與蟻群演算法流程 19 【圖2-12】鳥群行為、Boids程序模擬、魚群模擬 19 【圖2-13】Grasshopper介面與範例 21 【圖2-14】Galapagos介面 22 【圖2-15】Kangaroo介面 22 【圖2-16】Millipede介面 23 【圖3-1】點與領域範圍的關係 24 【圖3-2】點與領域範圍的關係 Grasshopper元件連接方式 25 【圖3-3】多點領域中點的領域變化 26 【圖3-4】多點領域中點的領域變化 Grasshopper元件連接方式 27 【圖3-5】點的分佈與運動 28 【圖3-6】點的分佈與運動 Grasshopper元件連接方式 29 【圖3-7】點力場的力線顯示 30 【圖3-8】點力場的力線顯示 Grasshopper元件連接方式 31 【圖3-9】點的變化與其力線顯示 32 【圖3-10】點的變化與其力線顯示 Grasshopper元件連接方式 33 【圖3-11】點與線的關係 34 【圖3-12】點與線的關係 Grasshopper元件連接方式 35 【圖3-13】粒子受線力場後運動行為的移動位置 36 【圖3-14】粒子受線力場後運動行為的移動軌跡 37 【圖3-15】粒子受線力場後運動行為 Grasshopper元件連接方式 38 【圖3-16】力場的顯示 圖示說明 39 【圖3-17】力場的顯示 連續變化圖 39 【圖3-18】力場的顯示 Grasshopper元件連接方式 40 【圖3-19】方案A 量體變化過程 41 【圖3-20】方案A 不同形態的分類 41 【圖3-21】方案B 量體變化過程 42 【圖3-22】方案B 不同形態的分類 42 【圖3-23】點力場的推擠 方案A、B Grasshopper元件連接方式 43 【圖3-24】線力場的拉扯 生成規則圖示說明 44 【圖3-25】生成的案例 Part A 45 【圖3-26】生成的案例 Part B 46 【圖3-27】線力場的拉扯 Grasshopper元件連接方式 47 【圖4-1】Parametric Urbanism 49 【圖4-2】Zaha Hadid Archiects, One North Masterplan, Singpore, 2001-2003 49 【圖4-3】運動中點的圈選 過程圖 50 【圖4-4】運動中點的圈選 Grasshopper元件連接方式 50 【圖4-5】點對齊再擴張 過程圖 51 【圖4-6】點對齊再擴張 Grasshopper元件連接方式 51 【圖4-7】限定等電位線的周長 過程圖 52 【圖4-8】限定等電位線的周長 Grasshopper元件連接方式 52 【圖4-9】受不同權重之兩種彈簧線組成方式 53 【圖4-10】受不同權重之彈簧線 Grasshopper元件連接方式 53 【圖4-11】無數的線對齊 過程圖 54 【圖4-12】無數的線對齊 Grasshopper元件連接方式 54 【圖4-13】飄盪的曲線 過程圖 55 【圖4-14】飄盪的曲面接上兩種分析組件 55 【圖4-15】飄盪的曲線 Grasshopper元件連接方式 55 【圖4-16】基地各選點現況資料 58 【圖4-17】選點1 量體透視圖 59 【圖4-18】不同的前進速度 60 【圖4-19】標竿與護欄不同的建築語彙 60 【圖4-20】不同的韻律變化 61 【圖4-21】不同的震動偏移 61 【圖4-22】刪除量體產生簇群感 62 【圖4-23】隨機選取面至網面生成 62 【圖4-24】模擬網面受風力的形態 63 【圖4-25】選點1 基地整體透視圖 64 【圖4-26】選點1 入口透視圖 64 【圖4-27】選點1 側向立面圖 64 【圖4-28】選點1 Grasshopper元件連接方式 65 【圖4-29】選點2 模擬人流動線案例之說明圖 66 【圖4-30】選點2案例01 模擬過程與分析 67 【圖4-31】選點2案例02 模擬過程與分析 67 【圖4-32】選點2案例03 模擬過程與分析 68 【圖4-33】選點2案例04 模擬過程與分析 68 【圖4-34】選點2案例05 模擬過程與分析 69 【圖4-35】選點2案例06 模擬過程與分析 69 【圖4-36】選點2案例07 模擬過程與分析 70 【圖4-37】選點2案例08 模擬過程與分析 70 【圖4-38】選點2案例09 模擬過程與分析 71 【圖4-39】選點2案例10 模擬過程與分析 71 【圖4-40】選點2所有案例 模擬過程與分析 72 【圖4-41】選點2 Grasshopper元件連接方式 73 【圖4-42】選點3 量體透視圖 74 【圖4-43】廣場中的人流動線 75 【圖4-44】篩選基地範圍內的人群路徑 75 【圖4-45】遮棚與鄰房對基地的影響 76 【圖4-46】篩選鄰房點的受力軌跡 76 【圖4-47】從篩選的人行路徑開始反應 77 【圖4-48】以軌跡生成曲面 77 【圖4-49】從曲面生成結構骨架 78 【圖4-50】選點3 基地整體透視圖 79 【圖4-51】選點3 入口透視圖 79 【圖4-52】選點3 廣場透視圖 79 【圖4-53】選點3 Grasshopper元件連接方式 80 【圖4-54】選點4 量體透視圖 81 【圖4-55】設定橋的基本位置與錨點 82 【圖4-56】生成結構物件 82 【圖4-57】模擬受河水潮汐時的推力 83 【圖4-58】限制浮球與平台在Z軸方向的變化 83 【圖4-59】增加扶手於平台上 84 【圖4-60】選點4 基地整體透視圖 85 【圖4-61】選點4 入口透視圖 85 【圖4-62】選點4 側向透視圖 85 【圖4-63】選點4 Grasshopper元件連接方式 86 【圖4-64】選點5 量體透視圖 87 【圖4-65】以亂數產生人群並分成兩堆 88 【圖4-66】左右震盪與碰撞反彈 88 【圖4-67】設置道路上的干擾點 89 【圖4-68】找出移動軌跡中的衝突點 89 【圖4-69】增加模擬衝突點的樣本數 90 【圖4-70】以衝突點的密度與位置生成護欄 90 【圖4-71】生成下方岔路的側牆 91 【圖4-72】選點5 基地整體透視圖 92 【圖4-73】選點5 入口透視圖 92 【圖4-74】選點5 側向透視圖 92 【圖4-75】選點5 Grasshopper元件連接方式 93 【圖4-76】選點6 模擬漁船與錨線案例之說明圖 94 【圖4-77】選點6案例01 模擬過程與分析 95 【圖4-78】選點6案例02 模擬過程與分析 95 【圖4-79】選點6案例03 模擬過程與分析 96 【圖4-80】選點6案例04 模擬過程與分析 96 【圖4-81】選點6案例05 模擬過程與分析 97 【圖4-82】選點6案例06 模擬過程與分析 97 【圖4-83】選點6案例07 模擬過程與分析 98 【圖4-84】選點6案例08 模擬過程與分析 98 【圖4-85】選點6案例09 模擬過程與分析 99 【圖4-86】選點6案例10 模擬過程與分析 99 【圖4-87】選點6所有案例 模擬過程與分析 100 【圖4-88】選點6 Grasshopper元件連接方式 101[[note]]學號: 600360019, 學年度: 10