增材制造思維下的中國傳統陶鼓設計與實踐

欽松 王毅 王紫君 宣怡瀟

摘要：探究增材制造思維對陶土樂器的設計方法、生產制造和藝術創造產生的影響。文章基于增材制造思維利用參數介入、拓撲優化等數字手段開展設計實踐，在3D陶土打印制造技術的支持下完成符合聲學、力學等性能要求的陶鼓制造，并最終燒制完成，達到預設要求。文章提出了一種利用工程思維，結合科學思維和設計思維的系統性陶土樂器創新設計方法，將助力陶土樂器開拓出一種充滿激情和幻想的新陶土樂器語言。

關鍵詞：陶鼓 陶土樂器 增材制造思維 樂器設計 3D陶土打印

中圖分類號：TS936

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（ 2021） 03-0140-03

引言

陶鼓是人類擁有的最早的樂器之一，這種最為古老的“音樂藝術”伴隨著人類的童年共同成長。中國傳統陶土樂器從其產生，經歷數千年的文明更迭進步，逐漸形成了獨具中國地域特征的陶土樂器的“復合型”美學。這種從泥土到音樂的呈現形式，作為陶的一種多維藝術形式還將伴隨著人類設計活動持續制作。

增材制造對藝術創造、設計思維、生產制造和人們的藝術審美產生了巨大影響。當下增材制造已經完成從數字設計到數字制造整個閉環構建，具有傳統工藝無法實現的設計、制造優勢，如參數介入、拓撲優化、3D打印等手段突破了傳統工藝手段的限制，為未來帶來無限的可能性[1]。增材制造思維作為一種工程思維，將為連接科學和設計思維、促進傳統文化產品再創造提供一種新的路徑和方法。當下隨著數字核心技術縱深發展，陶土樂器在傳統形式的傳承，新藝術形式拓展等核心問題上，面臨著理論滯后于技術的現實狀況，也折射出陶土樂器的藝術語言理論的缺失。當下僅僅將增材制造作為傳統制造的一個輔助環節，顯然已經不能滿足更深層次的需求[2]。因此需要利用增材制造的思維，以突破性的視角與思維重構傳統設計思想和方法。本文利用增材制造思維作為一種系統化的協作手段，在滿足陶鼓的使用功能需求和出色演出效果的外觀需求下，提出了一種新的陶土樂器設計方法。

一、陶鼓的產生、發展

陶鼓是新石器時代伴隨著陶制缶、甕等食器的發展而逐漸出現的一種樂器[3]，由于用手敲擊、鼓擊或摩擦都可以發出聲音，使人們認識到鼓腔作為共鳴體發聲的道理，從出土遺存中清晰得知陶鼓的演變脈絡，從自然材料的相互擊打出聲逐漸發展到器物體鳴發音和膜鳴發音。

體鳴發音是陶鼓的發聲方式之一，代表是陶缶如圖l，陶缶并不是專門的樂器，最初是新石器時代先民制造的一種陶容器，主要功能用來盛水、酒或其他食物，但缶在被有意打擊的一瞬間，就已經具有了樂器的性質。正如《文獻通考·樂考》記載“中虛而善容，外圓而善應，中聲之所自出”。陶罐可以被敲擊產生聲音，與大多數其他鼓不同的是，陶罐“鼓”沒有膜，聲音完全是由陶罐內的空氣共振產生的，這是最基本的“陶土之聲”之一;伽達姆（Ghatam）是印度最古老的打擊樂器之一，同“缶”發音原理一致屬于體鳴陶土樂器，圖2、圖3是印度南部發現的一種陶罐鼓，名為Ghatam。它是一種古老的鼓，用于為卡納蒂克古典音樂中的聲音和旋律樂器伴奏。伽達姆是一個大致呈球形的陶罐，它由陶土燒制而成，這給了加塔姆獨特的聲音，伽達姆有很多復雜的演奏技巧，演奏者用雙手、手腕、十個指關節和指甲擊打壺的頸部、中心和底部。左手握住的部分是用來產生低音的，而右手的手指和指甲是用來產生高音的，發出的音響明亮而富有光彩;起源于尼日利亞中西部的側孔壺鼓，成為風靡世界的UDU陶鼓（如圖4），國內也有音譯稱為“巫毒鼓”。古人在傳統的陶土水罐的側面打了個洞，發現了可以產生共鳴的聲音，產生了適用在宗教儀式中使用的“祖先的聲音”。操作主要依靠掌心敲打鼓子L.摩擦有紋理的鼓身，或直接用手拍擊，既能產生輕如氣泡聲的音韻，又能發出深沉還帶有水的回響的獨特聲韻，直到今天UDU陶鼓仍然以各種形式活躍在世界舞臺上。

陶鼓由體鳴樂器進一步發展到膜鳴樂器，將其蒙上獸皮變為膜鳴樂器之后，有著震撼人心的效果。我國史前膜鳴陶鼓流行的主要區域其中以黃河流域為代表，由于農業的發展，黃河流域經濟文化水平明顯高于其他周圍地區，華夏主體地位初步顯現。與之相對應的是仰韶文化、馬家窯文化、龍山文化和大汶口文化等，這些文化出土的陶鼓極具代表性，都具有強烈的不同視覺符號化的呈現，含有不同地域審美，彰顯特定美學思想的語言符號和獨特的傳統制造工藝。圖5為筆者依據黃河流域分布，分別拍攝于具有地域代表性的蘭州市博物館、山西省博物館、陜西省歷史博物館、山東省博物館、徐州市博物館。

二、增材思維與傳統陶土樂器的關聯

在人類文明漫長的發展中，陶鼓也在隨著文明不斷改變著自己的形態和職能。當下陶鼓是人類在聽覺藝術中常常使用的一種樂器，也是文化演變的活化石。隨著數字化設計核心算法逐漸完善和相關配套的數字化制造技術的不斷延伸，不同的藝術形式蓬勃發展，增材制造思維在此基礎上孕育而出。將推動新理論的縱深發展，也會產生新的工藝特點及美學特征[4]，給予陶土樂器“脫胎換骨”的進化可能。因此探究增材制造思維對中國傳統陶鼓設計產生的影響，將為陶土樂器的創新設計尋求到了一個可以突破的發展方向（如圖6）。

（一）思維方式從“單一”轉向“多維”。思維方式的改變，將涌現出截然不同的設計手段、表達方式和最終呈現。傳統陶土樂器的思維方式接近“線性”的思考方式，強調每一個步驟前后的關聯性。而增材制造思維更接近“立體”多維思考方式。因其全程采用數字化，所以具有從底層到最終整體的緊密關聯性，底層的更改可以直接致使最終形態的改變，反之亦可[5]。這種增材制造思維的“立體”的特點，也打破了傳統思維定勢。當復雜形態很難在設計構思階段利用傳統簡單幾何元素去描繪和表達時，也意味著常規手繪作業以及一般繪圖軟件沒有能力去建構、模擬這類復雜系統，往往需要通過計算機輔助才能準確再現與清晰表達，繁復的傳統制造工藝不在作為實現藝術創造的必要措施，規則形狀與精密尺寸配合亦不再是傳統設計所考慮的剛性約束。因此相較于傳統制造方式，利用增材制造的方法通過算法優化確實更接近理想結構形態，并由此帶來全新的視覺沖擊。

（二）增材制造思維助力陶鼓與時俱進的進化。由于工程、科學和藝術跨學科的交融，增材制造思維和技術創造的新藝術形式，將出現有別于傳統制造工藝如手工捏塑、拉坯、灌漿模具等新形式[6]。陶土樂器利用參數化與仿真等數字手段開展設計，在3D陶土打印制造技術的支持下，陶土樂器具備鈍化形態外部空間的輪廓的效用，強調了內部的空間結構能力，打破了內外部空間過渡的界限。通過使用了拓撲優化等的程序算法，具有適合復雜和輕量化結構的形體，來滿足符合聲學、力學等性能要求，最終陶鼓能夠以清晰、通透、合理的秩序性體現整體空間之美。

三、設計流程

增材制造利用數字模型、核心算法和關鍵3D陶土打印制造設備，將陶瓷藝術帶入嶄新的數字陶瓷藝術時代，數字將成為增材制造中的精確、清晰的“語言”[7]。將從傳統設計、制造思路中跳脫出來，直接面向生成制造的視角，增材思維由此也將產生全新的設計方式、生產工藝、功能結構、視覺呈現，具有巨大的創造力[8]，圖了為整個陶土樂器數字設計流程圖。

（一）數字模型構建。文章在對史前黃河流域的中國傳統陶鼓進行收集、解讀的基礎上[9]，基于增材制造思維，利用參數介入、拓撲優化等數字手段的開展設計實踐。既要考慮陶鼓具有現場表演和渲染氣氛的外形，也要具備發音功能與聲學結構，于是設計方案采用八個類似外骨髂形態的肢體造型代替了鼓本身所需要的支架結構。八個外骨骼都保持中空的結構，在敲擊鼓身產生震顫音時，八個中空的外骨骼會使得聲音多次震顫，產生復合音效。這種中空外骨骼支撐結構，充分思考聲音傳送、功能結構，在設計階段反復推敲、演算、模擬，可以依賴3D打印設備后期制作而成與傳統制作方式有本質的不同[10]。建模采用Rhinoceros5中的T-Spline插件進行制作（如圖8和圖9），對陶鼓進行空間堆疊的方式進行設計，這種造型中空、輕量的設計可以在保證結構剛度和承載能力的基礎上，具有優化分布、融合一體的優點。增材制造技術具有能夠滿足拓撲優化面向自由形狀設計制造要求的可能，顯示出相對于傳統手工方式的極大優勢。

（二）泰森多邊形的肌理設計。泰森多邊形（Voronoidiagram），是由一組由連接兩鄰點線段的垂直平分線組成的連續多邊形組成的圖形[11]。能夠通過迭代、對稱、螺旋等邏輯算法，引發二維、三維圖形的變化。陶鼓的參數化肌理采用Rhinocer05中的Grasshopper插件完成（如圖10），利用泰森多邊形原理進行形態分割，將點陣隨機分布密鋪在陶鼓八個旋轉的外骨骼和八個獨立的面運算后進行整合優化。該方法可以通過參數的調節，改變多種泰森多邊形形態與結構的變化，從而可以得到所需3D打印陶鼓的形態方案。

（三）數字模型切片。陶鼓選擇熔融沉積技術（FDM） 3D陶土打印機完成生產制造環節，在數字模型與3D陶土打印機進行對接的過程中，需要在打印之前進行機器加工路徑規劃，這樣的關鍵步驟稱為切片，切片也是快速成形軟件系統的關鍵步驟之一[12]。其工作原理是計算每一層的截面輪廓，然后有序地連接起來，得到模型在該層的截面輪廓（如圖11），最后由3D打印機根據這樣的輪廓線層層疊加打印。切片過程中不僅需要參數準確，也要考慮陶泥的材料特性。例如對于壁厚整體較薄且軌道角度變化大于45度的體塊要采用雙層打印，因為單層泥條無法承受上層泥條帶來的壓力，由于大于45度的縱向軌道實際打印寬度比數據小，大于45度時使用單層打印，底層沒有落泥點，容易導致坍塌。

（四）3D陶土打印實驗與實踐。陶鼓在進行打印過程中，進行了多次的嘗試。由于設計的陶鼓整體造型呈現下小上大的結構以及陶泥材料的特性特殊，無法做到迅速凝固，這樣的結構由于下小上大，坡度大于45度，并且胎體單層并且較薄，在打印過程中會出現坍塌，因此采用特殊的支撐結構設計。支撐的作用類似于建筑上常用的支撐結構，作為關鍵的輔助結構，可以避免打印的模型塌陷。由此設計了針對性的支撐結構（如圖12）并進行切片數據規劃，但通過實驗證明效果并不理想（如圖13）。盡管采用特殊的支撐輔助，依然在關鍵結構處出現了坍塌的缺陷，因此放棄這種打印步驟。

由于陶鼓采用上大下小的結構并且坡度大于45度，使得（FDM）3D陶土打印機面臨復雜的技術挑戰。因此調整了制作步驟，重新制作切片，規劃新的打印路徑，更改重心翻轉打印，解決了坡度導致陶鼓塌陷的問題。另外，由于陶鼓鏤空結構較多，在鏤空的結構打印中，使用泥條打印脆弱的鏤空結構難度高，因為鏤空結構所需打印泥條的用量與普通物體用量并不相同，需要不斷地調整泥條擠出的用量和速度，才能保證輸出的平穩打印，并且出口的泥條淤積需要及時人工處理。最終通過該方式的打印步驟（如圖14），能夠制作出符合設計預期的陶鼓，由此證明該打印方式合理。

（五）燒制與測音。打印成功后的陶土打印陶鼓并不能真正投入使用，因為質地脆弱強度差，無法承作為打擊樂器長期使用的要求，所以最終作品采用電窯燒制，燒制規劃溫度800℃，材質由生泥轉換為陶質（如圖15、16）。此時真正可以被稱為陶鼓，因為燒制導致密度增加，內部失水的同時體積也有一定縮小，晾干未燒時尺寸為21cm×21cm×23cm，初次800℃燒制后，尺寸為20.5cm×20.2cm×21cm。燒制后的陶鼓經過實際測試更耐用，而且由于質地的變化，音色能夠更加響亮通透，音質效果比生泥更佳。因為設置共鳴腔和八個輔助腔，使得鼓的音量和音域較廣，高中低音明確，鼓音色鏗鏘有力而且音色豐富，適合實際樂器演奏用，通過聲音測試，達到設計最初預期。

結論

自古人們都在用雙手去體驗、用智慧去觸摸，用傳統的方式思考和感悟泥土。陶土樂器在不同的思維、技術與文化的發展過程中不斷的交融、并蒂共生。“知者創物，巧者述之，守之，世謂之工”，從陶鼓的發展歷程來看，每一次變革也是一次技術的升級和思維方式的改變，增材制造思維結合陶土樂器，無疑是一個很好的契機，不止是技術升級釋放，也能協助設計者突破所受的限制，使人類的創作能力得到延伸。這種陶土樂器與新思維的全新融合，將助力陶土樂器開拓出新的形式語言，也能更好地滿足當代陶鼓的文化傳播特性。

基金項目：2020年度教育部人文社會科學基金項目《中國傳統陶土樂器多維設計的文化價值考證》20YJC760074;西安理工大學教育教學改革研究項目《陶藝課程中的3D陶瓷打印技術引入研究》xjy1738。

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