葉 磊

(景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué) 江西 景德鎮(zhèn) 333000)

1 參數(shù)化設(shè)計概述

參數(shù)化設(shè)計,即通過改變參數(shù)變量而求解得到最終因變量結(jié)果的設(shè)計方法,參變量的值顯示了設(shè)計結(jié)果最重要的基礎(chǔ)屬性,因變量的值會隨參變量的改變而改變。參數(shù)化設(shè)計最顯著的特點是參數(shù)變量的實時調(diào)整和相應(yīng)輸出因變量結(jié)果的實時反饋。在參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)中,恒定參數(shù)通過一定的數(shù)學(xué)邏輯規(guī)則形成設(shè)計基礎(chǔ)模型,然后通過對可變參數(shù)進行數(shù)值調(diào)整來優(yōu)化方案,最終生成設(shè)計結(jié)果[1]。

2 參數(shù)化設(shè)計方法

2.1 參數(shù)化設(shè)計流程

在確定設(shè)計的基本思路后,設(shè)計師需要運用參數(shù)化設(shè)計的技術(shù),根據(jù)設(shè)計方案具體的目標(biāo)要求和設(shè)計中間模型的選擇,并設(shè)定合適的參數(shù),通過把設(shè)計的各種約束條件,以相關(guān)參數(shù)化的輔助設(shè)計軟件作為媒介,與設(shè)計方案最終輸出的形式之間建立相關(guān)的數(shù)學(xué)邏輯關(guān)系,從而生成可以靈活調(diào)節(jié)參數(shù)的原始計算機算法模型。這些約束條件所對應(yīng)的參數(shù)設(shè)定范圍,是可以與設(shè)計目標(biāo)所指的主要問題相關(guān)的各種基礎(chǔ)信息,比如功能、結(jié)構(gòu)、材料等。這些基礎(chǔ)信息是通過人為收集、分析、合理規(guī)整化之后,作為相關(guān)參數(shù)導(dǎo)入計算機模型中,當(dāng)計算機計算得出可調(diào)控的三維數(shù)據(jù)模型后,再將結(jié)果通過肉眼可見的3D圖形呈現(xiàn)在計算機顯示屏中,或轉(zhuǎn)換成各相關(guān)領(lǐng)域行業(yè)都能共享的模型數(shù)據(jù)。其中所指的數(shù)學(xué)邏輯關(guān)系就是參數(shù)化設(shè)計的核心運算法則,是一種外觀形態(tài)與內(nèi)部函數(shù)之間的聯(lián)系規(guī)則。

參數(shù)化設(shè)計在概念設(shè)計階段所選定的參數(shù)以及設(shè)定的參數(shù)化關(guān)系,要遵循是讓它們能夠有效地響應(yīng)之后各個階段的可能變動。這是參數(shù)化設(shè)計的優(yōu)點之一。傳統(tǒng)的設(shè)計方法是完成了概念設(shè)計,然后開始設(shè)定幾何形式。一旦形式定好之后,就很難改動了。只能退回到最開始的形體控制階段改變基本的幾何形式。這種線性不可逆的經(jīng)典設(shè)計的流程已經(jīng)越來越不適合設(shè)計的需求。而在參數(shù)化設(shè)計過程中,即使修改最開始的維形設(shè)定,只要參數(shù)和幾何形體之間的邏輯關(guān)系不變,這些都會自動更新到最后的發(fā)展階段,設(shè)計過程中因為某種原因需要改原始的形體,有了參數(shù)化設(shè)計,依然可以很容易地退回到原始的設(shè)計中來修改方案,原始設(shè)計之后的工作可以自動更新直到最后的細部設(shè)計。這是工業(yè)產(chǎn)品外觀設(shè)計思路的一種根本性的轉(zhuǎn)變。

2.2 參數(shù)化設(shè)計軟件平臺

參數(shù)化軟件發(fā)展迅速、種類繁多,目前主流的參數(shù)化設(shè)計軟件有Rhino scrip、Revit、Grasshopper、Veb等,這里主要介紹比較常用的Grasshopper。Grasshopper是集成在Rhino內(nèi)的一款參數(shù)化輔助建模插件,相比于其他參數(shù)化建模軟件,Grasshopper無需復(fù)雜的編程語言,只通過對各運算器的數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)完成程序。相對于Rhino自身的手動修改建模尺寸數(shù)據(jù)等,Grasshopper運算器尺寸參數(shù)修改更加精確、快捷,在符合程序邏輯的情況下,幾何形態(tài)的基礎(chǔ)或者構(gòu)件可以通過替換運算器的方式快速完成轉(zhuǎn)換。參數(shù)化設(shè)計軟件特有的建模方式使得模型生成、修改速度得到提高,對產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)流程、生產(chǎn)成本、營銷模式等都有著一定的影響。

3 參數(shù)化設(shè)計方法對不同領(lǐng)域工業(yè)產(chǎn)品外觀設(shè)計風(fēng)格所造成的影響

3.1 參數(shù)變量的靈活可調(diào)控性拓展產(chǎn)品設(shè)計思維

參數(shù)化設(shè)計方法的參數(shù)和變量可調(diào)系統(tǒng)特性,使設(shè)計者可以自由調(diào)整約束范圍而不重復(fù)具體的設(shè)計條件。通過對工業(yè)產(chǎn)品外觀結(jié)構(gòu)參數(shù)化邏輯關(guān)系的分析,仍然可以保證設(shè)計目標(biāo)的效率和準(zhǔn)確性。它產(chǎn)生了一種傳統(tǒng)建模技術(shù)和手繪設(shè)計效果圖很難表現(xiàn)復(fù)雜形態(tài)。例如小米小愛藍牙音箱采用的費馬螺旋漸變發(fā)音孔陣,是通過函數(shù)邏輯關(guān)系的連接,建立孔陣,打孔的尺寸及組織方式由函數(shù)模型樹自動計算生成,使孔洞尺寸和排列方式符合主觀所需的外觀質(zhì)感。

3.2 外觀模型設(shè)計的多元準(zhǔn)確性豐富產(chǎn)品設(shè)計造型

參數(shù)化設(shè)計方法為工業(yè)產(chǎn)品外觀設(shè)計的多樣化提供了更多的可能性,在一定程度上提高了外觀設(shè)計的美學(xué)品質(zhì),解決了因復(fù)雜的表面成形工藝而難以實現(xiàn)預(yù)覽效果的問題,很大程度節(jié)約了研發(fā)成本。如寶馬公司概念車的創(chuàng)意格柵設(shè)計,就是通過參數(shù)化的設(shè)計方法生成漸變表皮紋理的,就是先由設(shè)計師設(shè)計好每個單元紋理,再通過參數(shù)化設(shè)計方法底層邏輯,將每個單獨的單元細胞按照一定數(shù)學(xué)邏輯鏈接在一起,從而得到完整的汽車格柵造型。

3.3 參數(shù)化設(shè)計的復(fù)雜邏輯性突破產(chǎn)品設(shè)計原則

參數(shù)化設(shè)計方法的應(yīng)用以及數(shù)字化加工技術(shù)的成熟,讓產(chǎn)品的鏤空紋理設(shè)計逐漸成為可能。中空紋理本身就是設(shè)計的造型語言,具有完整的設(shè)計結(jié)構(gòu)。如設(shè)計師馬子聰通過參數(shù)化技術(shù)設(shè)計的《觀云篇》鏤空紋理燈具,其通過邏輯算法生形的模擬自然生長的鏤空紋理,令人產(chǎn)生愉快的節(jié)奏。鏤空紋理不僅作為產(chǎn)品本身的結(jié)構(gòu)而存在,更直接地表達了設(shè)計師獨特的有機造型語言。

4 參數(shù)化設(shè)計方法引領(lǐng)全新的工業(yè)產(chǎn)品外觀設(shè)計思路和風(fēng)格導(dǎo)向

4.1 邏輯構(gòu)成形態(tài)

邏輯形式是符合或接近數(shù)學(xué)邏輯關(guān)系規(guī)則的形式,強調(diào)形式的邏輯性[2]。參數(shù)化設(shè)計邏輯構(gòu)成形態(tài)設(shè)計的流程:①制定設(shè)計要求;②把設(shè)計要求的約束條件轉(zhuǎn)化為有效參數(shù);③利用算法建立參數(shù)之間的函數(shù)邏輯關(guān)系,生成產(chǎn)品設(shè)計原型;④通過對算法模型樹中關(guān)鍵參數(shù)的調(diào)整,理論上可生成無限多種形態(tài)各異的方案,該算法可以不斷更新和迭代;⑤選擇最終方案。例如美國設(shè)計師Matthias Pliessnig為私人客戶設(shè)計的Amada長凳。設(shè)計要求是讓公共長凳橫穿室內(nèi)空間,設(shè)計師首先運用參數(shù)化設(shè)計方法中的曲線干擾、細分剖面等規(guī)則創(chuàng)造出高低起伏的整體效果,得出長凳的基本型;其次,通過調(diào)整干擾強度、細分層級等參數(shù)生成一系列形態(tài)方案;最后根據(jù)最初設(shè)計要求和審美標(biāo)準(zhǔn)對最終方案進行評價和篩選。

4.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)成形態(tài)

對于工業(yè)產(chǎn)品的外觀設(shè)計,既可以通過參數(shù)化設(shè)計方法中相關(guān)力學(xué)環(huán)境模擬軟件對產(chǎn)品外觀結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化,得到更加合理的外觀結(jié)構(gòu);也可以通過力學(xué)仿真算法模擬出自然界和傳統(tǒng)人工物體中的力學(xué)結(jié)構(gòu)的仿真機械骨架,給產(chǎn)品提供滿足相應(yīng)功能需求的結(jié)構(gòu)形式[3]。

4.2.1 拓撲優(yōu)化

拓撲優(yōu)化可以將結(jié)構(gòu)的離散性模型優(yōu)化為滿足設(shè)計要求的材料在空間分布的最優(yōu)解,也可以通過力學(xué)環(huán)境仿真模擬原產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型進行拓撲變形,從而對產(chǎn)品外觀結(jié)構(gòu)進行迭代優(yōu)化。例如德國設(shè)計師Marco Hemmerling和UIrich Nether設(shè)計的衍生椅。設(shè)計要求是在減少原材料的同時提供更好的穩(wěn)定性和舒適性。設(shè)計人員在設(shè)計過程中主要運用有限元分析軟件,對座椅的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、材料化學(xué)性能以及人機工程學(xué)參數(shù)等進行綜合考量,通過反復(fù)迭代試錯,生成最優(yōu)解模型,也是該座椅的最終方案。衍生椅的設(shè)計以結(jié)構(gòu)優(yōu)化為導(dǎo)向,以及參數(shù)化設(shè)計方法的應(yīng)用,實現(xiàn)了產(chǎn)品復(fù)雜結(jié)構(gòu)形態(tài)的創(chuàng)新。

4.2.2 結(jié)構(gòu)模擬

自然界的許多物理結(jié)構(gòu)不僅符合各種物理力學(xué)定律,還具有和諧的韻律。人類通過學(xué)習(xí)和模仿大自然的生物結(jié)構(gòu),創(chuàng)造出了無數(shù)性能優(yōu)異的人工結(jié)構(gòu)。以參數(shù)化設(shè)計方法為依托的工業(yè)產(chǎn)品外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計,可選擇的另一個途徑是模仿自然界和傳統(tǒng)人遭物體中的結(jié)構(gòu),將決定產(chǎn)品外觀基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)單元的各個約束條件轉(zhuǎn)化為多個參數(shù),設(shè)計力學(xué)模擬仿真算法模型,在參數(shù)反復(fù)迭代試錯中得到最終外觀結(jié)構(gòu)形態(tài)。例如荷蘭Drift工作室設(shè)計的動態(tài)吊燈The Shylights。大自然里的花會在白天盛開,夜晚就害羞的閉合,Shylights完全模擬自然界花朵開合的節(jié)律行為,白天花開時燈打開,夜晚花閉合時燈關(guān)閉。改設(shè)計方案的關(guān)鍵步驟是利用參數(shù)化軟件模擬花朵開合時的結(jié)構(gòu)之間的力學(xué)關(guān)系,為燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一個靈活且高精度的機械支撐骨架,從而在燈具外觀結(jié)構(gòu)上生動地呈現(xiàn)真實花朵盛開時的自然生命力。

4.3 肌理構(gòu)成形態(tài)

工業(yè)產(chǎn)品表面肌理是產(chǎn)品質(zhì)感的重要表現(xiàn)形式。工業(yè)產(chǎn)品參數(shù)化肌理設(shè)計的基本過程:①制定設(shè)計要求;②提取出產(chǎn)品紋理各種約束條件,轉(zhuǎn)化為基本參數(shù),選擇設(shè)計元素;③設(shè)定這些元素基元之間的函數(shù)邏輯關(guān)系從而構(gòu)建基礎(chǔ)算法,利用算法建立參數(shù)之間的邏輯關(guān)系,生成肌理設(shè)計原型;④調(diào)整參數(shù)變量,反復(fù)迭代細化方案;⑤通過綜合調(diào)整參數(shù),根據(jù)最初設(shè)計要求選擇最終方案[4]。例如馬薩諸塞州神經(jīng)系統(tǒng)實驗室設(shè)計的菌絲燈。它以自然界的常見生物活動規(guī)律為設(shè)計基礎(chǔ)元素,通過參數(shù)化設(shè)計方法設(shè)計出生長分形算法,從最初的基元種子和一個基座,通過生長算法產(chǎn)生的節(jié)點的連續(xù)分支和不斷合并,生長分形成有機形態(tài)的鏤空網(wǎng)格[5]。每個燈的具體參數(shù)值是依據(jù)真實的植物參數(shù),這一系列的有機燈具的每個個體都是取材于大自然真實存在的植物單獨個體,其分形生成的有機紋理可以形成墻壁上獨特的燈光投影,充滿了生機與活力。

5 結(jié)語

從工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計的外觀風(fēng)格來看,表面紋理的構(gòu)成和結(jié)構(gòu)的有機秩序是其獨立性的重要表現(xiàn),成為產(chǎn)品外觀設(shè)計語言。參數(shù)化設(shè)計方法的出現(xiàn)使得工業(yè)產(chǎn)品外觀質(zhì)感表現(xiàn)效果達到了一個新的高度,它為實現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)品外觀設(shè)計的參數(shù)化風(fēng)格表達帶來了革命性的技術(shù),也改變了原有工業(yè)產(chǎn)品外觀給人心理上冰冷的感覺,提升了產(chǎn)品外觀整體藝術(shù)設(shè)計的美感,為工業(yè)產(chǎn)品外觀設(shè)計創(chuàng)造了豐富的可能性,并使產(chǎn)品的使用者感受到設(shè)計中感性與理性的相對平衡,啟發(fā)了設(shè)計師們對于工業(yè)產(chǎn)品外觀全新的設(shè)計思路。