天津美術(shù)學(xué)院

在進(jìn)行座椅設(shè)計(jì)時(shí)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思維主要需要考慮以下三部分內(nèi)容：

一是人機(jī)工程學(xué)。座椅是一個(gè)為人類提供休息的工具，自然它的舒適性尤為重要，這也是評(píng)判一個(gè)座椅設(shè)計(jì)是否成功的因素。為滿足舒適性要求，在設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中就要考慮其人機(jī)工程學(xué)，人機(jī)工程學(xué)中的人體尺寸是人們經(jīng)過(guò)多年實(shí)驗(yàn)與測(cè)量的結(jié)果，所以這些數(shù)據(jù)就顯得尤為重要。而接下來(lái)的案例說(shuō)明會(huì)更加方便快捷、高效地利用這些數(shù)據(jù)。

二是座椅造型上的創(chuàng)意。在設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中在滿足其功能的條件下，為滿足個(gè)性化需求設(shè)計(jì)師會(huì)絞盡腦汁地在結(jié)構(gòu)造型上創(chuàng)造出與眾不同的創(chuàng)意，為此這一步驟將消耗大量時(shí)間與精力。隨著科技發(fā)展，計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)將解決這一問(wèn)題。

三是在材料上的應(yīng)用。不同的材料利用會(huì)在質(zhì)感上對(duì)使用者產(chǎn)生直接的影響，一款使用新型材料的座椅其舒適的質(zhì)感會(huì)使得它脫穎而出，但是其材料特性是否有著高效的利用是人腦難以快速計(jì)算的，當(dāng)其材料數(shù)據(jù)輸入軟件中時(shí)，結(jié)果是昭然若揭的。

參數(shù)化設(shè)計(jì)目前是普及度上升階段，當(dāng)前國(guó)內(nèi)參數(shù)化設(shè)計(jì)應(yīng)用范圍有建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域、環(huán)境藝術(shù)、公共裝置、產(chǎn)品家具等等。以一個(gè)極具特色與創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的團(tuán)隊(duì)為例，張周捷數(shù)字藝術(shù)實(shí)驗(yàn)室，作為國(guó)內(nèi)參數(shù)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域的先鋒，該工作室著重研究通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件參數(shù)化建模、編程等數(shù)字化手段進(jìn)行設(shè)計(jì)，力圖詮釋在數(shù)字語(yǔ)境下的人工事物需要像自然界萬(wàn)物生長(zhǎng)演化的設(shè)計(jì)思想。

一、應(yīng)用原理

（一）參數(shù)化

參數(shù)化設(shè)計(jì)在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域是一個(gè)耳熟能詳?shù)挠?jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，參數(shù)化設(shè)計(jì)以獨(dú)特的展現(xiàn)結(jié)構(gòu)與造型特點(diǎn)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牧W(xué)原理和可操作性而被頻繁應(yīng)用，已經(jīng)成為了一種獨(dú)特的設(shè)計(jì)風(fēng)格。參數(shù)化是指建立特定的關(guān)系后，當(dāng)這種關(guān)系的某個(gè)基本元素發(fā)生改變，其他元素也會(huì)隨之變化，參數(shù)化設(shè)計(jì)的本質(zhì)是在可變參數(shù)的作用下，系統(tǒng)能夠自動(dòng)維護(hù)所有的不變參數(shù)。由于近代數(shù)字科學(xué)的發(fā)展迅速，設(shè)計(jì)當(dāng)中所涉及的電腦軟件的可操作性不斷提高，其軟件所能承載的功能也不斷完善，所以才會(huì)有了今天參數(shù)化設(shè)計(jì)的普及。

（二）拓?fù)鋬?yōu)化

參數(shù)化設(shè)計(jì)所用到的建模軟件則是拓?fù)鋬?yōu)化的載體，拓?fù)鋬?yōu)化是一種根據(jù)給定的負(fù)載情況、約束條件和性能指標(biāo)，在給定的區(qū)域內(nèi)對(duì)材料分布進(jìn)行優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一種。

先前就有國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)使用拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)汽車座椅骨架設(shè)計(jì)，其目的是在滿足力學(xué)上剛度與強(qiáng)度的要求下盡可能地減輕車身重量，便于實(shí)現(xiàn)低碳節(jié)能減排的作用。這樣的計(jì)算機(jī)輔助辦法大大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，并生成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化、低錯(cuò)誤的產(chǎn)品。

因此，本文將使用參數(shù)化建模的方式利用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對(duì)一個(gè)零造型基礎(chǔ)的類座椅模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)造型優(yōu)化，其中主要使用建模軟件犀牛Rhino中的參數(shù)化建模Grasshopper插件與Ameba應(yīng)用插件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并最終獲得座椅產(chǎn)品。

二、模型建立

（一）原始造型建立

起始模型的建立是為了預(yù)期目標(biāo)做好尺寸比例和椅面與椅背樣式，在建模軟件Rhino中建立尺寸上符合要求且符合預(yù)期座椅尺寸比例的座椅實(shí)體框架，要求為實(shí)體模型。初始模型建立中最重要的環(huán)節(jié)是椅面與椅背的設(shè)計(jì)，本文采用的是椅面與椅背均為橢圓內(nèi)弧形，內(nèi)弧為更好地貼合人體結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)的尺寸是長(zhǎng)寬均500mm，座深450mm；座高430mm；椅背高度730mm；椅背傾斜角度β為100°，框架整體呈下寬上窄形態(tài)。以上所述數(shù)據(jù)則是此設(shè)計(jì)當(dāng)中參數(shù)化建模的可變參數(shù)之一。

（二）網(wǎng)格劃分

由于Ameba插件云端網(wǎng)格劃分受限，以確保更精確的造型關(guān)系，將原始模型分為左右對(duì)稱兩部分，取出其中一部分進(jìn)行接下來(lái)的網(wǎng)格化處理。使用插件中的Mesh工具，拾取原始模型進(jìn)行有限單元模塊化處理，生成布滿藍(lán)色網(wǎng)格的模型，Mesh工具頂部會(huì)顯示一共劃分了多少單元網(wǎng)格，在3D模型中這里一共劃分了7361個(gè)單元格。

（三）座椅的靜力分析

座椅的靜力主要分為兩大部分：一是人坐在椅子上對(duì)椅子的壓力，這里的壓力主要是人的體重對(duì)椅面的壓力和背部對(duì)椅背的倚靠的壓力；二是椅腿接觸地面支點(diǎn)的一個(gè)反作用力。這些靜力在插件中表現(xiàn)為荷載與支撐，首先荷載處理，找出并簡(jiǎn)化受力范圍，可以是一個(gè)面受力，通常為表現(xiàn)不均勻受力，也可以是一條線段受力，還可以是幾個(gè)點(diǎn)的受力，力的大小根據(jù)人的體重判定為多少M(fèi)Pa，力的方向則是與椅面成法線垂直，關(guān)于背部對(duì)椅背的作用力可以預(yù)估也可以實(shí)際測(cè)量，方向仍是與面垂直的法線方向。其次是支撐的選取，支撐的選取取決于預(yù)期座椅椅腿的樣式，可以是四腿、三腿甚至是以線或者是面的形式與地面接觸，這里選取的是四腿樣式。通過(guò)插件中的Loads、Supports工具進(jìn)行拾取，拾取區(qū)域均在原始模型表面或是內(nèi)部，如圖1所示為完成計(jì)算前準(zhǔn)備工作。

圖1 原始模型建立

三、造型優(yōu)化

（一）雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化原理

利用Ameba插件的Solve工具即可引入下一步，計(jì)算階段。其計(jì)算過(guò)程的算法原理是基于雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法的拓?fù)鋬?yōu)化原理，是利用APDL語(yǔ)言對(duì)ANSYS單元的刪除和添加功能進(jìn)行二次開發(fā)，通過(guò)刪除和添加單元，得到滿足目標(biāo)體積的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，按照應(yīng)變能水平高低，在保證體積不變的前提下，進(jìn)一步恢復(fù)和刪除單元，得到最優(yōu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示，計(jì)算正在刪除多余網(wǎng)格。

（二）優(yōu)化結(jié)果

通過(guò)向軟件輸入數(shù)據(jù)并借助軟件計(jì)算獲得了具有獨(dú)特造型的類座椅模型。由于計(jì)算結(jié)果以單個(gè)有限元網(wǎng)格模塊組合而成，為了更進(jìn)一步體現(xiàn)優(yōu)化結(jié)果的造型準(zhǔn)確性還需要通過(guò)軟件中MeshOpt等工具來(lái)進(jìn)行完整修復(fù)與光滑步驟。遵循拓?fù)鋬?yōu)化原理的插件，其基本函數(shù)公式基于結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，嚴(yán)格按照數(shù)學(xué)思維，在力學(xué)上滿足安全、合理和節(jié)省材料的要求，如圖3所示，結(jié)算結(jié)果完成后可進(jìn)行有限元力學(xué)分析檢驗(yàn)。

圖2 雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法云端求解

圖3 有限元力學(xué)分析

（三）造型再設(shè)計(jì)

由于計(jì)算結(jié)果為粗模型，外觀辨識(shí)度低，不能直接作為完成產(chǎn)品，所以需要對(duì)其造型上的再設(shè)計(jì)。然后進(jìn)行人工對(duì)座椅模型進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)計(jì)算確定的尺寸數(shù)據(jù)，最終確定一個(gè)方案并建立模型，出渲染效果圖，如圖4所示。

圖4 再設(shè)計(jì)后的座椅造型（設(shè)計(jì)：張之秋）

四、實(shí)際應(yīng)用

當(dāng)然，復(fù)雜的軟件如何巧妙地應(yīng)用到日常設(shè)計(jì)當(dāng)中，接下來(lái)用第二個(gè)案例簡(jiǎn)要說(shuō)明。如圖5為一款辦公座椅椅背的設(shè)計(jì)。

圖5 辦公座椅椅背（設(shè)計(jì)：張之秋）

第一，構(gòu)思。

構(gòu)思初期，將設(shè)計(jì)鎖定在不脫離本文座椅內(nèi)容前提下又貼近生活的辦公座椅設(shè)計(jì)上，熟知辦公座椅需要為人們提供舒適且健康的辦公坐姿，那么座椅的人機(jī)工程學(xué)與力學(xué)要求就十分重要，這時(shí)就利用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)來(lái)解決力學(xué)與造型問(wèn)題。

第二，產(chǎn)品思路。

本次設(shè)計(jì)是拿出辦公座椅的椅背部分來(lái)進(jìn)行展示。為了符合座椅靠背的功能將座椅靠背提供支撐的部分分為上、中、下三段。針對(duì)每一段受力情況不同對(duì)每一段單獨(dú)分析計(jì)算，下面簡(jiǎn)單介紹施力過(guò)程：以上段為例，主要受力是頸部與肩部，根據(jù)人的實(shí)際坐姿頸部基于座椅斜向下的力、肩部給予座椅垂直于椅背的力。如圖5左上角是軟件對(duì)中段的計(jì)算過(guò)程，左下角是中段的最終形態(tài)。

第三，結(jié)果。

其最終產(chǎn)品是，椅背每一個(gè)分段都可以在有阻尼的前提下跟隨使用者的背部活動(dòng)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使得使用者在座椅上也可以滿足活動(dòng)放松的功能。由此可見，參數(shù)化設(shè)計(jì)于拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的應(yīng)用面之廣，不僅可以做整體的造型設(shè)計(jì)，還可以將其應(yīng)用于零部件上。

五、結(jié)論

第一，在造型上靈活的變化是參數(shù)化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。通過(guò)可變參數(shù)的改變，使得最終造型發(fā)生變化，從而可以滿足人們對(duì)個(gè)性化的需求。本文座椅設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中，可通過(guò)不同的體型不同的體重來(lái)輸入不同的數(shù)據(jù)，最終可獲得滿足其個(gè)人條件的座椅造型。

第二，原本適用于建筑設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在座椅設(shè)計(jì)當(dāng)中使用，其當(dāng)然可以解決座椅在力學(xué)原理上受力問(wèn)題。

第三，這種借助軟件設(shè)計(jì)的座椅，并最終獲得傳力合理且仿生的形態(tài)，是一種極具藝術(shù)感與個(gè)性化的設(shè)計(jì)風(fēng)格。有助創(chuàng)意靈感與加速產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

第四，在藝術(shù)效果上，此設(shè)計(jì)方式有著兩個(gè)特點(diǎn)：一是在造型的塑造上，獨(dú)特優(yōu)美的和變化多樣的造型，最直觀的就是產(chǎn)品造型對(duì)人感官的沖擊；二是其具有豐富的創(chuàng)造性，首先它的設(shè)計(jì)方式與目前大數(shù)據(jù)時(shí)代接軌，其次在后期制造階段可以與新興的3D打印相結(jié)合。

第五，在可行性上，隨著科技發(fā)展，人們對(duì)計(jì)算機(jī)軟件的開發(fā)等，這種參數(shù)化設(shè)計(jì)和拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的適用面將不再局限在建筑設(shè)計(jì)或者是裝置上，而更多的可能會(huì)用在產(chǎn)品造型、產(chǎn)品零部件和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上。