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研究生：	李嘉嘉 Li, Chia-Chia
論文名稱：	輕量曲面木薄板結構之構築研究 Lightweight Curved Surface Structure using Plywood Sheets
指導教授：	杜怡萱 Tu, Yi-Hsuan
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	規劃與設計學院 - 建築學系 Department of Architecture
論文出版年：	2014
畢業學年度：	102
語文別：	中文
論文頁數：	208
中文關鍵詞：	輕量結構、曲面、木薄板、數位製造
外文關鍵詞：	lightweight structure, curved surface, plywood sheet, digital manufacturing
相關次數：	點閱：159 下載：9
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構造輕量化是未來結構的趨勢，材料用量低為最大優點，若材料易取得且可回收，則可降低運輸成本及減少原料開採，降低環境負擔。本研究以目前僅用於室內裝修的木薄板作為結構材，在可拆解移動的前提下，以開槽曲面薄版系統製作曲面構件，設計並實際構築一座單向變曲率的拱形結構。拱型曲線的決定考量木薄板抗彎能力差，故以自重下僅受純軸力的懸鍊線(catenary)作為設計形狀曲線。
設計進行前，先以材料試驗確認木薄板材料性質，透過SAP2000結構分析軟體進行構件曲率分析。因木薄板非常柔軟，而開槽變形太大，產生幾何非線性之現象，無法以一般結構分析方法分析。本研究採用增量式分析，以多次疊加的方式，表現構件幾何非線性之行為，再以木薄板構件曲率試驗結果驗證，確定此分析方法合理可行，並迴歸曲率與槽寬比之關係式。依據關係式與設計曲線，進行結構細部設計以及實構築，再根據實構中失敗的經驗，採取相應對策修正設計，如改良搭接方式、修正基礎邊界及構造減重等，實構築之初期僅採用傳統工具製造構件，而後期改良設計之後，改採數位製造的方式，使得製作過程更加準確且快速，再依可行的方案重新設計構築一組最終設計結構作為研究成果，最後以SAP2000建立四組模型進行整體結構分析，比較分析結果，了解實構過程成功與失敗的因素。
本研究整合了材料試驗、結構分析與參數式設計方法，並利用數位製造技術大幅減少施工時間及施工誤差，最終完成人力可組裝及搬運的輕量曲面拱形結構。

This study utilized plywood sheets which are only used for interior design as the structural material. A “slit curved surface system” is proposed for design and construction of a one-way curved surface arch structure. The design purpose is to make a lightweight and easy-to-construct structure that can be assembled and disassembled with manual labor.
Before the design, several material tests were performed to determine the material characteristics of the plywood sheets. SAP2000 structural analysis software was used to estimate the member curvature and verified with the results of member curvature experiments. The relationship between curvature and slit width ratio was then derived from regression analysis and applied to the construction plan. Several unsuccessful attempts were made on the construction and the detailed design was modified based on the experience from each attempt. In the initial construction, only traditional manufacturing technique was used. Digital manufacturing was adopted in the modified design for faster and more precise manufacturing process. The final constructed structure could successfully stand on its own and be easily moved by 2 or 3 people. The structural analysis of four analytical models of the structures was performed by using SAP2000 to compare and discuss the difference between different detailed designs.

摘要	i
謝誌	I
目錄	II
圖目錄	IX
表目錄	XX
第一章 緒論	1
1 研究動機與目的	1
1.1 動機	1
1.2 研究目的	2
2 文獻回顧	3
2.1 實構築相關文獻	3
2.2木薄板結構案例	7
2.3 規範引用	10
2.4 小結	11
3 實構築經驗：期刊展示書架	11
3.1 簡介	11
3.2 設計及構造決策	12
3.3 材料試驗及結構分析	15
3.3.1 試驗試體分類	15
3.3.2 試驗結果	16
3.3.3 結構分析	18
3.3 實構施工	19
3.4 檢討	22
4 研究方法與流程	22
5 論文架構	23
第二章 結構系統與設計概念	25
1 開槽曲面薄版系統	25
1.1 定義	25
1.2 結構行為	26
1.3開槽形式與曲率關係初探	27
2 結構發展動機	35
3 設計目標	36
4 設計概念	37
4.1 懸鍊線簡介	37
4.2 本文初步結構懸鍊拱方程式	40
4.3 單元規格設定	40
第三章 材料及構件試驗	41
1 木薄板撓曲試驗	41
1.1 材料來源與試體規劃	41
1.2 試驗設備	43
1.3 方法與過程	46
1.4 試驗結果	48
2 材料單位重量測	52
2.1 材料來源與設備	52
2.2 量測流程	53
2.3 量測結果	54
3 單元曲率試驗	55
3.1 試體規劃與製作	55
3.2 試驗方法與過程	59
3.3 試驗結果	62
4 單元挫曲強度試驗	64
4.1 試體規劃與設備	64
4.2 試驗方法	67
4.3 試驗結果	67
5  小結	70
第四章 構件曲率與初步結構分析	71
1 SAP2000簡介	71
2 構件單元曲率分析	72
2.1 模型基本設定	72
2.2 一次線性分析	75
2.3 增量式幾何非線性分析	78
2.4 構件曲率分析與試驗值之比較	83
2.5 撐板高度與轉角關係	84
3 初步結構分析	85
3.1 結構模型設定	85
3.2初步原始曲線分析	88
2.3初步修正曲線	90
2.4 修正結果比較	93
4 小結	94
第五章 實構與設計過程修正	95
1	第一次構築單元設計	95
1.1 基本單元設計	95
1.2 曲線分割位置計算	97
1.3 單元曲率計算	99
1.4 第一次構築形狀曲線	100
2 第一次構築過程	101
2.1 單元規格之決定	101
2.2 細部設計	103
2.3 木薄板單元製作過程	106
2.3 基礎板製作	110
2.4 整體構造組立	112
2.5 第一次實構結果	113
3 第一次構築單元補強	114
3.1 補強方案一：增加拉力構件(張弦)	115
3.2 補強方案二：桿件補強軟弱處	121
3.3 補強方案三：預拉強力膠帶	123
3.4 結論	125
4 第二次構築單元設計	125
4.1 搭接板與單元規格決定	126
4.2 第二次構築曲線函數	129
4.3 第二次構築曲線分割與單元轉角	129
5 第二次構築過程	130
5.1 單元規格之決定	130
5.2 細部設計	131
5.3 構件製造	133
5.4 整體構造組立	137
5.5 第二次構築結果	138
6 第二次構築修正	139
6.1搭接板細部改良	140
6.2木薄板單元減重	141
6.3 整體構造組立	142
7 小結	145
第六章 最終實構與結構分析	147
1 最終實構執行流程	147
2 最終實構設計	148
2.1 最終設計曲線	148
2.2 單元有效長度估算	148
2.3形狀曲線	152
2.4 最終實構單元規格	153
2.5 細部設計	153
3 最終實構過程	155
3.1 構件製造	155
3.2 整體構造組立	160
3.3 最終實構結果	161
4 整體結構分析	167
4.1 簡化單元(SU)模型	167
4.2 複合構件單元(CEU)模型	169
4.3 搭接板加勁(LPS)模型	170
4.4搭接板延伸(LPE)模型	171
4.5 分析結果比較	174
5 小結	179
第七章 結論與建議	181
1結論	181
2 建議	184
參考資料	187
附錄A 木薄板撓曲試驗詳細數據	189
附錄B 單元曲率試驗詳細數據	193
附錄C 單元曲率增量分析之詳細分析數據	197
附錄D 曲線分割點座標與單元轉角	205
                                    

[1]翁穎諄，「曲面構造之參數化設計與構築─變斷面格子梁版設計實作」，碩士論文，國立台灣科技大學，台北，2011。
[2]陳易凡，「可拆解曲面構造之參數化設計與構築」，碩士論文，國立台灣科技大學，台北，2011。
[3]王嬿晴，「曲面空間桁架系統之參數化設計與數位構築」，碩士論文，國立台灣科技大學，台北，2011。
[4]陳思嘉，「結合數位製造的設計流程研究」，碩士論文，國立成功大學，台南，2013。
[5]簡子婕，「既有木構材再利用於自立式二次結構之研究」，碩士論文，國立成功大學，台南，2013。
[6]ICD, ICD/ITKE Research Pavilion 2011, Retrieved 2013/11/10, from
http://icd.uni-stuttgart.de/?p=6553
[7]ICD, ICD/ITKE Research Pavilion 2010, Retrieved 2013/11/05, from
http://icd.uni-stuttgart.de/?p=4458
[8]Karmatrendz, Wood Pavilion by Wing Yi Hui + Lap Ming Wong, Retrieved 2013/11/17, from
http://karmatrendz.wordpress.com/2010/09/08/wood-pavilion-by-wing-yi-hui-lap-ming-wong
[9]ASTM (2011) Standard D3043-00, Standard Test Methods for Structural Panels in Flexure, American Society for Testing and Materials, U.S.A.,2011

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