BUBBLE BLOWING Thermoplastic Bubble Structure
流體固化氣泡結系統 -----------------------------熱塑性塑料循環吹泡製程工法
2022 TKU Dept. Architecture 54th Thesis Design
01
03
05
Inflatable Architecture
Producing Process
Parametric Design
充氣建築特性
單元製程
參數化設計型態生成
02
04
06
Material characteristics
Bubble Form
Construction method
材料特性測試
泡泡結構體生成邏輯
構築工法
KEY WORD －循環建築 | Rebuilding－ －型塑控制 | Form control － －參數化生成 | Parameterize－ －數位輔助建造 | Digital Construction－
Designer 陳威全 / Wei-Chuan,Chen
充氣建築特性 Inflatable Architecture
1%
+
FABRIC
99%
=
AIR
Space
100%
BUILDING
Light-weight
Transmission
Flexible
Customized
Rebuild
充氣建築相對於一般既 定印象的建築建構，只 需藉由操控空氣輸入， 即可將體積極少的材料 型塑成為建築空間。其 具有輕量化、通光性、 柔軟、且可客制化型態 的特性。而洩氣再充氣 ， 就能夠隨時搬運且 快速再塑空間。
Flow 100%
Flow 75% Flow 50% Flow 25% AIR
01
Inflatable Architecture 充氣建築特性
02
Material characteristics 材料特性測試
03
Producing Process 單元製程
04
Bubble Form 泡泡結構體生成邏輯
05
Parametric Design 參數化設計型態生成
06
Construction method 構築工法
充氣材料 Inflatable Materials
Inflated state
Flow
0%
Flow 50%
Flow 100%
Pressure balance
Flow 120%
Shape change
760 mm-Hg 840
Pressure(mm-Hg)
820
850 mm-Hg
800
Elastic Force
Internal pressure
780
乳膠/橡膠
1 atm
760
Latex/Rubber
0
50
100
Time(s)
150
200
Inflated state
Flow
0%
Keep inflated
Flow 50%
Flow 100%
pneumatic structure
Internal pressure 1.001~1.003 atm
normal atmospheric pressure
normal atmospheric pressure
1 atm
1 atm Internal pressure 2～7 atm
塑料薄膜 PE/PVC textile/ETFE
氣球: 具有極大彈性、可隨充氣量控制整體的大小。 壓力平衡狀態時， 內部壓力將等於大氣壓力和氣球彈力的總和， 所以透過外力的影響會造成型態的變形。 塑料薄膜: 最常被建築使用的充氣建築材料， 氣囊結構性存在於充飽氣與持續進氣的狀態。訂製每一外型就須重新打版製作， 當有破損就較難以再做使用， 故會產生很大量的塑料垃圾。
01
Inflatable Architecture 充氣建築特性
02
Material characteristics 材料特性測試
03
Producing Process 單元製程
04
Bubble Form 泡泡結構體生成邏輯
05
Parametric Design 參數化設計型態生成
06
Construction method 構築工法
流體材料 Fluid
PCL
Reusable
material
bubble
Controllable size
聚己內酯 [CH2-(CH2)4-COO]n
熱塑性塑料
When solid, its appearance is white and non-toxic Melting point: 59～64℃, great extensibility in molten state
Thermoplastic
after cooling High-strength film filaments
0
50
100
150
200
be completely degraded in 6-12 months under natural environment (CO2 & H2O)
250
材料特性
CO2
60°C
Inflated state
製成:低熔點 Low melting point
Flow
Flow 50%
0%
便利:輕量化 Lightweight
型態:熔融高延展 Ductility and Malleability in Molten state
Flow 100%
H2O
環保:自然降解 biodegradable
結構:固態高韌性 High strength structure in Solid state
新興可回收充氣建築材料PCL，是一種熱塑性的塑料，常溫時為固態，加熱至60度後開始變成熔融態， 軟化時保有氣球的可變性，並在硬化時具有塑料薄膜的結構特性，此外能夠透過再加熱而重新軟化再充填。
01
Inflatable Architecture 充氣建築特性
02
Material characteristics 材料特性測試
03
Producing Process 單元製程
04
Bubble Form 泡泡結構體生成邏輯
05
Parametric Design 參數化設計型態生成
06
Construction method 構築工法
材料特性測試 Material property testing 溫度影響-延展性/韌性 80°C
0cm
140cm 80°C
80°C
30°C
70°C
0cm
140cm 70°C
70°C
30°C
60°C
0cm
140cm 60°C
60°C
30°C
材料混和比例 Type 02
Type 01
PCL
+
150 g
Polystyrene
20 cm3 (0.3mm)
PCL
150 g
+
Type 04
Type 03
Polystyrene
20 cm3 (3mm)
Original
PCL
+
150 g
Polystyrene
40 cm3 (0.3mm)
PCL
150 g
+
Polystyrene
40 cm3 (3mm)
Mixture
測試溫度對於其延展性與成形後韌性的強度，發現在其加熱至70度左右時，拉伸材料，其材料厚度所對應的結構力的狀態最佳。 在材料中加入保麗龍球泡粒，透過材料本身黏性裹附於泡粒，可讓單元表面材料分布更均勻，且增加其結構強度。
01
Inflatable Architecture 充氣建築特性
02
Material characteristics 材料特性測試
03
Producing Process 單元製程
04
Bubble Form 泡泡結構體生成邏輯
05
Parametric Design 參數化設計型態生成
06
Construction method 構築工法
吹嘴模具 Browing device 變因控制
10°
15cm 12cm 9cm 6cm 3cm
高度
角度 尺寸模具
曲率 錐形模具
中心進氣
height
10cm
9cm
8cm
底部進氣 7cm
6cm
5cm
4cm
曲面模具 3cm
2cm
1cm Angle
0°
10°
20°
30°
40°
50°
60°
70°
80°
90°
當對加熱軟化的材料中心進行吹氣，就能撐起材料，形成一個塑料外殼，待冷卻後能後固定外型並成為有結構應力的中空薄殼。
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Inflatable Architecture 充氣建築特性
02
Material characteristics 材料特性測試
03
Producing Process 單元製程
04
Bubble Form 泡泡結構體生成邏輯
05
Parametric Design 參數化設計型態生成
06
Construction method 構築工法
單元控制
M size
12”
L size
14”
止逆閥 Check valve Control the cooling and curing time
吹嘴裝置 Browing device S size
φ10cm
M size
φ14cm
L size
φ18cm
快速接頭 Quick coupler Fixed device and quick connect
充氣閥 Inflation valve Provides gas input
藉由材料的特性去研發一種裝置，可以透過充氣 量來調整單元大小及厚度形成結構單元，此充氣 裝置總共分為五個部分： 1.氣球模具使單元模矩化 2.止逆閥確保冷卻固化時間 3.吹嘴模具控制材料出料狀態 4.快速接頭連接進氣口與零件 5.充氣閥控制單元進氣條件
01
Inflatable Architecture 充氣建築特性
02
Material characteristics 材料特性測試
03
Producing Process 單元製程
04
Bubble Form 泡泡結構體生成邏輯
加熱軟化
Inflate Inflate Inflate Inflate covered with pcl covered with pcl mixing Polystyrene mixing Polystyrene heating soften heating soften
10”
heating soften heating soften mixing Polystyrene mixing Polystyrene covered with pcl covered with pcl Inflate Inflate Inflate Inflate
S size
Thermoplastic Thermoplastic
橡膠氣球模具 Balloon mold
PCL塑膠粒
Thermoplastic Thermoplastic
Unit control
混和泡粒
包覆材料
吹氣成形
05
Parametric Design 參數化設計型態生成
06
Construction method 構築工法
型塑控制 Form control 吹嘴裝置+混和材料
無吹嘴裝置+純材料
破口
材料不均勻
材料覆裹均勻拉張 泡粒混和材料
密合口徑強度 不易塑形
吹嘴裝置
流體材料
將已加熱軟化之PCL包附於型控裝置進行充 氣，並控制充氣量來調整單元的大小及厚度 ，加入吹嘴裝置以及混和材料後，能有效的 改善良率，將材料均勻的拉張並且控制其厚 度，並加強開口的密合。
吹嘴曲線 控制流量調整厚度
01
Inflatable Architecture 充氣建築特性
02
Material characteristics 材料特性測試
03
Producing Process 單元製程
04
Bubble Form 泡泡結構體生成邏輯
05
Parametric Design 參數化設計型態生成
06
Construction method 構築工法
製程循環 Cyclic process PCL
PRODUUCTION 定位 6
放置
充氣 5
7
AIR
8
製程循環
模具 4
kg
+
混合
3
1
60°C
定量 2
加熱
FINAL MODEL
整個單元的製程從定量，加熱軟 化，混和材料，模具製作，材料 充填，裝置充氣，定位放樣最後 冷卻固化形成一個循環，而產出 的單元彼此連接後，最終形成一 個相互連接的結構體。
01
Inflatable Architecture 充氣建築特性
02
Material characteristics 材料特性測試
03
Producing Process 單元製程
04
Bubble Form 泡泡結構體生成邏輯
05
Parametric Design 參數化設計型態生成
06
Construction method 構築工法
冷卻
組織次序 Connect sequence
將硬化前具有黏性的單 元與已硬化的單元連結 ，相連之介面會形成一 內凹面，並且單元間相 互黏著咬合，咬合的介 面會形成三圍應力樹狀 結構，因此藉由模擬因 先後順序而形成之結構 特性，即可演算出最具 有結構力的模型單元製 程順序，
3
or
0 2
1 面心立方堆積 (FCC) APF=74.05%
01
Inflatable Architecture 充氣建築特性
02
Material characteristics 材料特性測試
03
Producing Process 單元製程
六角密堆積 (HCP) APF=74.05%
層疊_連續
層疊_同向連續
層疊_同向錯序
體堆疊_面-邊-角
體堆疊_角-邊-面
體堆疊_邊-角-面
04
Bubble Form 泡泡結構體生成邏輯
05
Parametric Design 參數化設計型態生成
06
Construction method 構築工法
結構造型 Structural form
結構型式-線
Line
Move
結構型式-面
Rotate
Bounding
線：在範圍中排列最多的數量，來達到結構強度形成的結構柱
01
Inflatable Architecture 充氣建築特性
02
Material characteristics 材料特性測試
結構型式-體
Domain
Surface
面：透過球體大小以及分佈來形成自由曲面的造型
03
Producing Process 單元製程
04
Bubble Form 泡泡結構體生成邏輯
Bounding
Iso surface
Bubble
體：分析結構力計算出球體數量及位置，形成複層的曲面結構。
05
Parametric Design 參數化設計型態生成
06
Construction method 構築工法
參數化演算 Parametric Design
Minimal surface
Self-weight
Infinite extension
Curvature
Structural load
Mixed structure
Absolute value of curvature
Mutual influence of parameters
Mean curvature is zero stable structure
01
Generate Structure
Sphere filling operation
offset mesh
Control number and size
Inflatable Architecture 充氣建築特性
02
Material characteristics 材料特性測試
03
Producing Process 單元製程
04
Bubble Form 泡泡結構體生成邏輯
3D stress structure Continuous 3D Surface
05
Parametric Design 參數化設計型態生成
06
Construction method 構築工法
型態尋找 Form finding
I
III
II
250
I
250
I IV
200
Contact surface Support force(kg)
200
150 Weight(kg)
IV
100
150
100
III
II III
50
50 IV II
0
50
100
Layers(s)
150
200
0
all up weight
01
Inflatable Architecture 充氣建築特性
02
Material characteristics 材料特性測試
50
100
Layer(s)
150
200
Average weight
03
Producing Process 單元製程
04
Bubble Form 泡泡結構體生成邏輯
05
Parametric Design 參數化設計型態生成
06
Construction method 構築工法
自動生成邏輯
廞♉䏝ノ
Automated logic
Form generation
㉉掛丫㝃枳䕰㉡ Catenary surface
01
Inflatable Architecture ↖㱴⽋䰚䋊へ
旜䶡㨜⏫婙䯨 Offset surface
02
Material characteristics 㞡㗪䋊へ㹽媷
Site
01
Inflatable Architecture 充氣建築特性
曹㪰ᾙ漯㏸⊇㗉戠
03
04
Producing Process ◿↔奎䩜㘊⽠
02
05
Bubble Form 㴲㴲䶡㨜欥䕰㉡惠往
Frame
Material characteristics 材料特性測試
⯫俺䑔欥⥸Ⱡ䝉ợ䤁㓯 Sphere Collision
Random
03
Producing Process 單元製程
06
Parametric Design ␔㗉⍧婾婙⟜㆜䕰㉡
Placement
三維樹狀曲面結構 3D stress Structure
Model 㩲⟜奎ᾭ
Demolish
04
Bubble Form 泡泡結構體生成邏輯
Form
05
Parametric Design 參數化設計型態生成
06
Construction method 構築工法
最終組構型態
4(m)
Final form
layer 1
Size
45 (cm)
PCL 450 (g)
Polystyrene
3
150cc/0.3mm
Size
40 (cm)
PCL 400 (g)
Polystyrene 130cc/0.3mm
2
layer 2
layer 3 Size
35 (cm)
PCL 350 (g)
Polystyrene
1
115cc/0.3mm
layer 4
Size
30 (cm)
layer 5
PCL
Size
300 (g)
20 (cm)
Polystyrene
PCL
layer 6
100cc/0.3mm
200 (g)
Polystyrene 70cc/0.3mm
layer 7 layer 8 layer 9
Size
25 (cm)
0
PCL 250 (g)
layer 10
Polystyrene 85cc/0.3mm
Size
15 (cm)
PCL 150 (g)
0
Polystyrene 50cc/0.3mm
01
Inflatable Architecture 充氣建築特性
15 - 25 (cm)
25 - 35 (cm)
S size
M size
L size
PCL 150 (g) Polystyrene 50cc/0.3mm
PCL 300 (g) Polystyrene 100cc/3mm
PCL 450 (g) Polystyrene 150cc/3mm
02
Material characteristics 材料特性測試
1
2
3(m)
35 - 45 (cm)
03
Producing Process 單元製程
04
Bubble Form 泡泡結構體生成邏輯
05
Parametric Design 參數化設計型態生成
06
Construction method 構築工法
構築工法 Construction method
480
38
0
360
150
400
依附於一假設框架與 一頂板，透過自身黏 性將單元依序充填組 構，建立一快速製程 且可回收重複充填的 充氣建築。
01
Inflatable Architecture 充氣建築特性
02
Material characteristics 材料特性測試
03
Producing Process 單元製程
輕量的構築工法 可以使人藉由VR 或AR的虛實轉換 體驗構築的過程
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Bubble Form 泡泡結構體生成邏輯
05
Parametric Design 參數化設計型態生成
06
Construction method 構築工法
吹泡建築想像 Bubble Architecture
將氣脹式膜結構從原本的充氣結構系統轉變成一種輕量化的充氣構築工法，經由電腦的運算可設計並建造出更自由的造型與結構系統
01
Inflatable Architecture 充氣建築特性
02
Material characteristics 材料特性測試
03
Producing Process 單元製程
04
Bubble Form 泡泡結構體生成邏輯
05
Parametric Design 參數化設計型態生成
06
Construction method 構築工法