Grasshopper插件在燈具參數化設計中的應用研究

劉 陽

（成都理工大學傳播科學與藝術學院，四川 成都 610059）

根據市場調查，我國燈具銷售量逐年遞增的趨勢，其巨額銷售量的增長意味著消費者對于燈具的功能和個性要求。傳統燈具設計的流程包括深入、細化、建模、修改（再建模-再修改）、反饋等，由于建模和修改的過程可能因客戶需求無限次重復，所以該流程沒有固定的完成時間，這不僅大大耗費了人力物力，還增加了雙方的時間成本。

參數化設計是包括數據應用、互聯網應用以及模塊應用等多方面的應用技術，不僅能夠縮短產品建模、設計的周期，還能減少設計師工作量。因此，文章將利用參數化設計的方法，借助Grasshopper平臺，展開對燈具參數化設計的具體研究。

1 Grasshopper插件

1.1 插件簡介

用于進行參數化設計的平臺有CAD、3D Max及Grasshopper等。其中CAD主要作為幾何繪圖的輔助工具，該軟件對工作環境要求較少，用戶交互做得較好便于設計師操作，使用及維護方式較簡單。而3D Max則是通過調用腳本來進行功能實現，建模速度快，能提高設計效率的作用。

相較于以上幾種設計平臺，Grasshopper插件具有其沒有的三種優勢：⑴可視化程度高，該插件做出來的模型由運算器和電池等組件構成，用戶可以通過運算器和電池的組成清楚判斷其設計流程；⑵方便數據儲存，該插件的儲存模式是分析電池后可以清楚看到其背后存儲的各項數據，不單是電池本身，保證數據本身的精確度；⑶該插件還擴展性較好，其產生的數據不僅能用于Grasshopper本身，還可以用于與CAD等軟件進行數據交互，不具有太大局限性。

1.2 Grasshopper設計模式

Grasshopper是一款可視化的編程插件，其可視化的特點對于設計師的設計工作來說十分有利，其簡單的節點有助于設計師進行相對動態化、模塊化的設計。因此，越來越多的設計行業，不同產品的設計工作，開始使用Grasshopper插件，參數化設計逐漸發展起來。

Grasshopper最大的特點即模塊化組成，簡單地來說，即使不精通算法和編程代碼的初學者，也能輕松完成運算器的連接，其組成主要包括運算器和參數。前者是用來進行信息處理的模塊，與一般設計插件的幾何功能基本相差無幾，包括點線面等基本的操作，并負責完成數據的輸入及輸出。后者主要用于設計數據的存儲，與一般編程軟件相同，參數包括多種不同的數據形式，從數據輸入結點開始，經過運算點的層層處理最終得到相應的運算結果，起到控制所生成結果屬性的重要作用。

Grasshopper插件之所以適合初學者，由于其編程過程是可視化界面，可以很清楚地向用戶展示設計過程，以及每一個制作步驟使用的運算器。有助于設計師對作品進行調整，方便客戶了解設計思路等。每個板塊代表所使用的一個運算器，每個運算器都有其特定的程序，若需要進行運算器的使用，只需要在插件中進行運算器的首尾連接。

最后，Grasshopper插件的使用可以幫助設計師較好地解決傳統設計過程中面臨的不停迭代更改問題，只需要在自己設定的前提下，對自己輸入端的參數進行取值的更改，就可以實現整個計算結果的變化，根據觀察模型的變化，選擇最佳參數值。

2 Grasshopper插件在燈具參數化設計中的應用

2.1 需求分析

任何產品的設計過程都是以對用戶需求的分析作為引導的，整個參數化設計流程也是，用戶需求分析是整個設計過程的第一步，也是首要任務。用戶需求分析主要包括用戶群體，用戶需求以及用戶行為等三大模塊。

首先對用戶群體特征的分析，其操作是針對產品的使用者和相關人員進行的，即除了直接使用者以外，還需要考慮間接使用產品的用戶的感受。例如學校采購課桌，不僅要考慮學生的需求，還需要考慮教師、家長、管理人員等相關人員。整合直接使用者和相關使用者的所有資料，包括性別，年齡，工作性質，家庭地域，教育水平等多個方面，進行分析考慮。

其次，對用戶需求的分析通常采用問卷或是線下調查的方式進行，獲取到不同群體用戶對于相同產品不同的需求。用戶需求按照表達需求來分包括隱性顯性兩種。例如對于一瓶高端的紅酒來說，其顯性的需求體現在作為社交的工具，隱性需求則是對于用戶的尊重。

最后，用戶行為方面的分析主要是在用戶獲得產品之后的使用行為，以及一些下意識的表現。進行這方面的數據獲取時，可以通過人員作為用戶進行角色扮演，親身體驗用戶在使用該產品時的內心想法和行為舉止。

綜上所述，在進行燈具的參數化設計時，要經過對用戶需求的三方面分析，才能使得所設計出的產品更加符合用戶心意和使用方面的行為習慣。

2.2 參數化

所謂參數化的過程，就是指定模型約束，對模型進行約束求解并滿足約束的一個過程，其應用在設計過程中，即基于產品在某些參數上的相關約束進行建模并求解，從而實現設計參數化。

Grasshopper參數化的設計方式可以提高燈飾設計效率。在以往的燈飾設計方案中，由于技術的限制（傳統CG設計軟件以多邊形手工建模為主要方法），當燈飾設計方案如果包含復雜的自然規律變化，多邊形建模設計效率會非常低，而且修改設計方案將會非常困難。使用多邊形建模的燈飾設計方案屬于CG效果圖，CG效果圖不能直接用手產品后期的加工制造。在燈飾的制造階段，結構工程師只能去參考設計師的CG效果圖重新繪制燈飾零部件的CAD圖紙，用以后面的模具制造或CNC切割。Grasshopper基于Rhino平臺，而Rhino以NURBS為核心，產品三維數據可以直接導出相關圖紙用手后期的產品制造，減少了三維模型的數據轉換過程，縮短了燈飾設計開發周期。

要實現燈具設計參數化，首先應該對數據進行約束，約束是整個參數化設計的核心，需要對燈具的功能、結構和制造過程進行約束，并將這些約束作為集合約束反映到拓撲結構中。例如光源的設計，光源是整個燈具實現功能的核心，是不可或缺的組成部分，不同規格、功率、品牌等光源實現的功能都不完全相同，因此，作為制造過程的約束之一，要對單一光源因素的各種參數進行調查分析，并指定最合適的約束范圍。

2.3 模型邏輯

所謂模型邏輯的建立，就是根據不同角度的要求來進行參數之間關系的設定，建立關系網，選擇合適的參數，從而滿足設計師對燈具各個功能的要求。一切與產品最終形態、功能相關的因素，都可以作為模型中特定的參數。例如產品實現的功能、產品外觀以及規格等參數。因此在進行設計建模時，可以將這些參數可視化，建立相互關系，形成最后的產品，主要包括材料、外觀邏輯兩種。

前者主要是從生物學和幾何兩種角度出發的。生物學角度研究動植物的形態，根據優勝劣汰的原理，能夠長期生存并在生物圈中占據一席之地的生物，都有自身或外在的因素來適應周圍的環境。例如，燈具的形態設計如果參考植物或動物的一些生長特性，其作為一種存在生態場所中的工具，應該與人生存的空間具有協調性和連續性，能夠實現人與空間以及空間內工具三者的協調。

后者從數學幾何的角度，利用數學研究視覺上最舒適的組織關系，用數學規律將設計形象概念化，將這些概念化成果應用到燈具參數化設計中，能創造出科學原理上符合人的審美的設計。

而材料邏輯是從燈具的內涵方面考慮的，材料是支撐燈具的根本載體，燈具展現出的功能質感主要是由其材料的特性所控制的。材料邏輯具體指的是設計師在確定設計思路之后，根據自己的審美方式，用不同規格的材料去展示產品形式的設計過程，在設計制作過程中，需要考慮用戶要求的產品功能，將多種材料的特性與設計師的設計要求進行結合，利用參數化設計的工具，快速產生多個設計方案，根據每個方案搭配的不同效果選出最優的設計。例如在燈具投入使用時，需要考慮其所屬環境的溫度、濕度，考慮燈具所用材料防潮、防銹、防腐蝕等性質。不僅要選用易于操作的材料、性價比高的材料，還要選擇能發揮最佳性能的材料作為燈具主體。每種材料都有其自身的特性，為了提高燈具的可用度和可觀賞度，應該準確應用材質特性進行搭配。即使是使用木頭或塑料材質，也有聚丙烯、聚氯乙烯等不同材質的區別，這些材質具有不同的功能表現力，應具體問題具體分析。

2.4 造型參數化設計

在進行產品設計參數化的時候，上文中提到主要通過幾何約束和參數關系來進行特征說明，使得設計參數滿足用戶需求。并在可行方案中選擇一組參數對最終方案進行約束，根據這一組約束來進行設計修改。

目前用于造型參數化設計的方法主要包括程序驅動和尺寸驅動兩種。前者在使用的時候要針對幾何圖形進行具體分析，分析其特點和參數關系，即參數之間的邏輯聯系，將這些數學關系編寫在邏輯化程序中。使得在后期的設計中直接輸入具體參數就能通過這些邏輯關系直接得出大體數據。后者主要是對程序驅動的拓展應用，尺寸驅動主要是根據具體尺寸生成基本圖，在圖中進行尺寸標注，這些尺寸在程序編寫的時候進行呈現，在設計師進行多個參數修改之后，一次性形成最終成像，且最終圖像滿足用戶最初的約束。

2.5 動態分析

一般的參數化設計過程中，參數主要包括給定不變的參數和根據形態改變而改變的參數兩大類。在設計師進行完模型制作之后，可以通過調整改變第二種參數，來改變設計稿的形態，觀察最優的參數組合，找出符合用戶要求的最優設計。

以花環為例，插件中可調節參數的調整界面，前五個參數可調整，分別調整了花環的上方空心圓的大小、位置，中間圓的大小、位置，以及底部空心圓的大小、位置等參數。調整不同的參數組合，會形成不同的視覺效果，設計師可以從插件的交互界面直觀地看到設計效果，因此使用該插件能夠更方便設計師對參數進行擇優選取。

2.6 最終優化

產品設計最終的優化過程，其最初是產品制造的有限資源配置問題，即從不同的可行性方案中，挑選最優的一種進行投產。在燈具參數化設計的過程中加入優化的過程是十分有必要的，不僅可以從產品結構、材料等方面分析產品是否適合投產加工，還能提高所生產產品的用戶滿意度。例如，用軟件在進行設計優化的時候，由左邊的雙曲面玻璃改進為右邊的單曲面玻璃，不僅能夠在實際投產的時候節省成本和操作時間，還能縮短生產周期，提高性價比以及企業利潤，使得產品投產更加合理化，同時也沒有耽誤產品設計的工藝性。

2.7 用戶滿意度

眾所周知，燈具是具有觀賞性的實用品，不僅僅是照明使用，還在使用過程中與用戶產生交互的過程，只有在設計時保證其交互過程讓用戶感到舒適，才能讓用戶滿意度有所提升，是一個循環交互的過程。

因此在進行設計的時候，不能單一使用無聊的開關燈方式，設計師可以適當根據需求加入一些有趣的元素，增加用戶使用時的情感交互，滿足廣大用戶對于產品的需求。

3 總結

首先，隨著參數化設計技術的不斷發展，工業設計的體系也不斷完善，有助于設計師應對當前復雜的環境和不斷提升的用戶需求；

第二，基于Grasshopper插件的交互式參數化設計過程，動態的設計方法讓設計師能夠更加靈活改變設計，精準控制自己的設計，根據用戶具體需求變化、產品功能具體要求等隨時進行設計方案的改變，改變參數約束范圍。

最后，作為后來發展的新型設計方法，雖然近幾年才越發普及，被應用到工業、制造業等生產行業中，但通過文章對于其在燈具設計方面的應用分析，參數化設計的思維適用于工業設計領域，終將會被普及應用。

4 結束語

隨著經濟發展和科技進步，人們對于生活質量的要求不斷提升，對于生活用品的質量要求也在提升，燈具就是其中之一。作為生活必需品之一，日常使用的燈具在性能、外觀、功能、交互度等方面都有一定程度上的提升，筆者針對燈具設計行業的發展現狀和技術進步趨勢進行了分析，展開論述了燈具參數化設計的過程，并基于Grasshopper插件進行了簡要介紹。同時進行了應用舉例，能讓讀者更加直觀地感受每一個環節。

作者簡介：劉陽（1970-），男，籍貫：山東泰安，學歷：碩士研究生，職稱：副教授，研究方向：舞臺影視燈光設計。