Application of Biomimetic and Joint Surface Design

Application of Biomimetic and Joint Surface Design 仿生與接合面設計應用 TamKang University Department of Architecture 柯文杰

Year 4

Portfolio

Preface Page 1

Preface 前言

在這次的設計題目裏，我們將會研究自然界的動植物，並透過了解科學和生物學的論文去了解動植物 的優點，並透過數學、邏輯、幾何…等特性去發展其中的仿生系統。最後利用模擬和實體模型去呈現出整 個系統的邏輯。

在這學期中，我透過分析甲蟲和龜殼，發現牠們殼之間的組成，藉此分析出一套獨立的系統紋理，並利 用這種紋理去產生接合面的設計，並透過不同的形態去證明接合面的可能性，希望成為一種快速組裝 的系統。

Preface Page 2

I am fascinated by the biological processes and defense mechanisms of crabs and scale animals, which I see in nature. Thus, out of all the organisms, I chose turtles and beetles as my observation and research subjects and discovered their distinctiveness. 透過觀察大自然中的生物，其中甲殼動物和鱗片動物的生物機制和保護機制令我充滿興 趣，因此我從眾多的生物挑選了龜和甲蟲去作我的觀察和研究對象，從中發現牠們的獨特 之處。

Observe Page 3

Observe 觀察

龜殼剖面圖展示了龜殼的結構和層次。我們可以看到背甲和腹甲的弓形結構，並觀察到它們 之間的背腹橋連接。龜殼由堅固的硬質骨骼組成，提供了優越的保護和支撐功能。這種觀察幫 助我們深入瞭解龜殼的形成和生物力學特性，並對爬行動物的適應性進化產生興趣。

觀察甲蟲的剖面圖，我們可以看到其身體結構和器官的細節。甲蟲的剖面圖顯示了外骨骼、消 化系統、呼吸系統、神經系統和其他重要組織。這種觀察讓我們更深入瞭解甲蟲的生理結構、器 官佈局和適應環境的特點。此外，我們也可以觀察到特殊的器官，如觸角和翅膀的結構，這有 助於我們對甲蟲的行為和生態學進一步瞭解。

Observe Page 4

Turtle Shell Section 龜殼的剖面圖

硬角蛋白層 Hard Keratin Layer

隨機方向纖維 Randomly Oriented Fibers

鎖定和縫線層 Locking Fingers and sutures

海綿骨 Spongy Bone

網狀材料內部呈肋狀結構 Meshed Matriel Inside Ribbed-Shape Structure

Beetle Section 甲蟲的剖面圖

Analysis Page 5

Analysis 分析

龜殼的縫合線是指背甲和腹甲之間的連接點。觀察縫合線可以提供關於龜殼生長和發育的信息。縫 合線的形狀、長度和模式可以顯示龜殼的年齡和生長速率。這些觀察可以幫助我們研究龜類的生物 學和生態學，並對它們的生長過程和環境因素的影響有更深入的理解。此外，縫合線的變化也可以 提供有關龜類個體生長和健康狀態的重要資訊。V

Analysis Page 6

Suture Region 縫合線

彈性應變能密度 Elastic Strain Energy Density

Type A

Type B

突出高度 Protrusion Heights

Type C

0mm

0.5mm

0.9mm

縫合厚度 ts = 0.225 mm 時直接應力波傳遞過程中應變能密度雲圖的比較 Comparison of strain energy density contours during direct stress wave transfer when suture thickness ts = 0.225 mm

應變能密度 Strain Energy Density

Type A

突出高度 Protrusion Heights

Type B

0mm

Type C

0.75mm

1.5mm

縫合線的存在增加了殼內的應變能。因此， 與不包含縫合線的殼相比，捕食者必須施加更多的能量才能使包含縫合線的殼產生等量的位移。 The presence of sutures increases the amount of strain energy within the shell for a given displacement

Analysis Page 7

Analysis 分析

甲蟲的縫合線是指甲蟲外骨骼中連接不同體節的線狀結構。觀察縫合線可以提供我們對甲蟲的生長 和發育的洞察。縫合線的形狀、位置和變化可以顯示甲蟲的生活史和生長模式。這些觀察有助於我們瞭 解甲蟲的生物學特徵，例如幼蟲期和成蟲期的轉變，以及脫殼和生殖周期。透過分析縫合線，我們可以 深入研究甲蟲的生長速率、健康狀態和適應能力，進一步拓展對這些小型昆蟲生態學和行為的了解。

Analysis Page 8

Suture Region 縫合線

縫線的形狀 The Shape Of The Suture

形狀說明 Shape Description

25

o

縫線形狀微觀 Suture Shape Microscopic

互鎖縫合模塊 Interlocking Suture Modules

Type A

Type B

Left Side Part

Middle Part

Right Side Part

Left Side Part

Middle Part

Right Side Part

壓力比較 Stress Comparison

Angle 角度

0

o

2

o

5

o

0

o

實驗與模擬結果對比 Comparison between experimental and numerical simulation results

2

o

5

o

Experiment Page 9

Shape Testing 形狀測試

透過形狀實驗，發現不同的幾何形狀對紋理的組合 有所影響，因此接下來實驗會使用接合率最高的矩 形繼續發展。

形狀 Shape

正方形 Square

六角形 Hexagon

圓形 Round

接合面 Joint Surface

100%

90%

70%

Experiment Page 10

Compressive Experiment 壓力實驗

在壓力實驗裏，我利用了1公斤的重量為基準，在4組實驗 每組12個的模型去作壓力測試。

Load

Testing Model Support

鎖點位置實驗

卡接位置實驗

卡榫形狀位置實驗

卡榫深度位置實驗

The Position Experiment Of The Lock Point

Position Experiment Of Tenon Position

Position Experiment Of Tenon Shape

Position Experiment Of Tenon Depth

Experiment Page 11

Joint Surface Experiment 嵌合面實驗 Type A

Type B

我利用壓力實驗中的結果去作接下接合面的基準， 透過接合面AB 的對比去找出比較好的接合面， 並 利用簡單的組合去實驗接合面的可能性。

水平應用

應用模擬

Horizontal Application

Application Simulation

垂直應用 Vertical Application

30mm

30mm

25mm

25mm

15mm

15mm

Form-Finding Page 12

Form-Finding

Dome 底圖 Pattern

形態發現（Form-Finding）是一種設計過程或方法，

力解圖 Force Diagram

用於確定和創造結構或物體的最佳形態或形狀。它 涉及找到一個最符合特定標準的形態，例如結構穩

Vault 底圖

定性、美感吸引力、功能需求和材料限制。

Pattern

力解圖 Force Diagram

透過rhino vault 的form finding 去找出不同的結構 Lips

形態，並根據不同的形態去進行基本力學分析。

底圖 Pattern

力解圖 Force Diagram

Form-Finding Page 13

Form-Finding

形態發現的目標是找到一個既具有結構 效率、視覺和諧性，又具有良好功能性能 的形態。它需要深入了解材料特性、結構 行為和設計目標，以找到最優化且視覺 上令人滿意的解決方案。

在rhino vault 的form finding ，我利用這 些形態去作基本的量體分割，並製造出 實體模型，在三個形態中Lips 的形態最 為有趣，因此它成為我接下發展的形態。

Mock Up Page 14

量體分割 底圖

在量體分割裏，最開始的量體分割並不完善，

Pattern

因此我透過重新分割量體，制定出凹體跟凸 體，並制定出拱心石去加強形體組裝性。

Keystone 拱心石

Inside 內側

Outside 外側

Face Count:54

Average Edge:50.1 cm

Mock Up Page 15

Final Mock Up

在最後的模擬中，我利用重新分割的量體去製造出 1/10 的模型，並透過內外側和拱心石的不同紋路的 接合面去加強它們的結構力，並利用karamba 的力 學模擬去找出它們的力學弱點，並決定由外側開始 的組裝順序。 Scale 1/10

拱心石細部圖

內外側細部圖

Keystone detail drawing

Inside & Outside detail drawing

底圖 Pattern U court:6 底圖

接合面生成

Pattern

Joint Surface Generation

V court:4

U court:10 V court:6

30mm 25mm 15mm

接合面生成 Joint Surface Generation

30mm 25mm 15mm

Mock Up Page 16 壓力&張力分析 Compression & Tension Analysis

壓力

3D 模型

張力

計量分析 Utilization Analysis

30cm 100% 0%

位移分析 Displacement Analysis

50cm Scale 1/10 100% 50% 0%

模型照片

Application Page 16

置入基地

在置入基地方面，我的基地位於淡江 大學的輕軌站。我置入在基地的屋頂 並利用接合面的紋路延伸到單元的 表面，利用凹凸表面去降低輕軌的 噪音。

基地現況

聲音分析

Current Status of Site

Sound Analysis

屋頂 聲音方向

聲音來源

Photo Page 17