公共空間參數化雕塑設計與施工方法研究

梁 楠 大連藝術學院

屈曉松 大連藝術學院

參數化設計是指參數化模型的尺寸用對應的關系表示，可以用一個變量數值確定大致比例關系而不用前期確定準確數值，變化一個參數數值后（可變參數）會根據搭建的“約束條件”（不變參數或模型特征）的架構而隨即做出其當下可變數值的數字模型，無需重復搭建數字模型的成型特征指令，以一種協同的方式相互關聯和共同改變[1]。

1 數字化發展背景

1.1 技術發展現狀

隨著計算機輔助設計（Computer—Aided Design，CAD）、計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）、計算機輔助生產（Computer Aided Manufacturing，CAM）以及計算機輔助工藝規劃（Computer Aided Process Planning，CAPP）等技術在工程建造領域得到應用發展，設計和施工技術也不斷進步，如計算設計方法（Computational Design）、 數 字 加 工 技 術（Digital Fabrication）、數字構建（DigitalTectonics）、數字工匠（Digital Crafting）等[2]。

1.2 技術概述分析

參數化雕塑設計和施工方法是將計算機技術與工程施工技術相融合的新方法，無論在設計還是生產加工方面都以數字化工具為側重。使用計算機技術來幫助解決設計問題，以更科學和靈活高效的方式支持設計人員更好地完成方案。建立出數字模型后根據實際的施工方案結合有限元分析，優化形體結構制定施工方法流程，利用數字加工技術即數控機械、激光切割裝置、增材制造以及建造機器人等設備，來實現CAD與CAM集成下的構件制造與裝配。

2 數字軟件適配分析

參數化的發展多數在機械領域，而常用的參數化設計CAD 軟件中，主流的應用軟 件 有Pro/Engineer、UGNX、CATIA 以及Solidworks，4 大軟件各有特點，并在不同的領域分別占據一定的市場份額[3]。Pro/Engineer 是參數化設計的鼻祖，參數化設計的實現最先就是由它實現。

2.1 數字化軟件選用分析

因為在空間雕塑領域需要構建大量的數字模型作為現實環境的模擬仿真模型，而CAD 軟件相對建模對象數量較低，所以在參數化雕塑領域可以選用美國Robert McNeel& Assoc 開發的PC 上強大的專業3D 造型軟件Rhinoceros。它的應用程序架構和開放的SDK 使其模塊化，用戶能夠自定義界面并創建自定義命令和菜單。Rhino 可以創建、編輯、分析和轉換NURBS 曲線、曲面和實體，并且在復雜度、角度和尺寸方面沒有任何限制。對要求精細、彈性與復雜的3D NURBS 模型，有更好、更精準的控制與輸出，能輸出obj、DXF、IGES、STL、3dm 等不同格式，并適用于幾乎所有3D 軟件，兼容度優秀。

2.2 軟件優勢分析

McNeel 和其他軟件公司提供了數十種插件，可以補充和擴展Rhinoceros 在特定領域的能力，如渲染動畫、建筑、海洋、珠寶、工程、原型制作、工業制造、科學研究以及機械設計等領域。而其中名為Grasshopper的插件（Rhino6 之后版本為內置）是在Rhinoceros 3D CAD 應用程序中運行的可視化編程語言和環境。Grasshopper 主要用于構建生成算法，如生成藝術等，它的許多組件都可以創建3D 幾何體。程序還可能包含其他類型的算法，包括數字、文本、視聽和觸覺應用程序。Grasshopper 的高級用途包括結構工程的參數化建模、建筑和制造的參數化建模、環保建筑的照明性能分析和建筑能耗等領域。其強大的邏輯建模功能可以在短時間內產生大量結果，并且可以實時生成可視化數據和數字模型，方便進行對比分析，優化設計結果[4]。

3 參數化設計

接下來以空間雕塑中常見的多面（切面）藝術造型為案例，進行參數化設計與數字加工等項目梳理，實際造型材料為金屬。因本文具體研究參數化在藝術造型設計和施工領域中的應用，故對其中的三角化網格處理、參數化迭代算法、逆向掃面原理、數據分析歸納算法以及排版算法等分支領域不做深入研究與說明。

3.1 初期設計

通過手繪、常溫可塑材質等進行藝術設計，通過方案推演確定大致造型。利用三視圖造型法或三維逆向掃描法等輸入數字造型軟件，建立初步數字模型。結合CAA 軟件進行計算機輔助分析，優化造型結構使其滿足實際生產加工時以及后續裝配等環節在力學、材料學、光學等方面的客觀條件要求。也可通過插件在Rhino 環境下采用數據量化的形式設定參數量化范圍，利用Grasshopper 模擬退火法（Simulated Annealing，SA）或遺傳算法快速分析得出滿足要求的最優解法的數值，并運用到數字模型上得到實例化模型，二次設計出滿足條件的數字藝術造型，如圖1 所示。

圖1 軟件操作界面示意圖

3.2 分析檢查優化

在得到符合結構等要求的實例化數字模型后，在Rhino 中行進模型減面操作。減面操作達到所需符合美觀的模型后，三角化其中的面（Triangulate Mesh）以滿足在空間中切面曲率平直的要求，根據具體要求檢查藝術形體是否為水密封閉的多面體。如不滿足以上條件，請檢查物件是否是以數個三角形構成，可以在Grasshopper 中分析每個面是否為三邊，因為三角形的幾何定義，不在一條直線上的三個點可確定一個平面。利用Rhino中Show Edges 命令可檢查物體是否是封閉物體。

3.3 流程搭建分析

數字模型無誤后，通過Grasshopper 拾取工具把模型輸入到插件環境中，方便進行下一步分析。List Length 工具分析拾取后，檢查模型面數數量對比之前是否有遺漏，也可通過默認顯示通過鼠標懸停查看具體信息的方式查看物件信息。Area 運算得出每個面元素的重心點，把得到的點進行拆分得到所在的空間絕對坐標數據（x、y、z 坐標系），定義排序規則使每個元素按照規則重新排序（方便后續查找）得到新排序模型。通過角度運算器分析每兩個面之間的空間角度關系數值，并且利用計算機二進制特性通過布爾算法計算這兩個物件是否相鄰。相鄰輸出為1（即True），不相鄰則輸出為0（即False）。之后運用Repeat Data 和Stack Data 運算器創建在重新排序后的面單元的序號組，如1—1、1—2、1—3、……8—7、8—8，至此得到了面元素序號數據組、對應的角度數據組以及數組是否相鄰或有用這3組數據。

4 數據分析處理及導出

因為對數據處理來說excel 更加方便直觀，受眾群體也更廣，因此選用office excel 作為數據處理軟件，也可以利用插件在Rhino 環境下處理數據。建立好文件后通過Grasshopper 的Panel 工具把數據導出分csv、txt 等文字格式。

4.1 數據處理

圖3 數字化全流程導視圖

導入excel 后得到4 列數據，依據False和True 標記，利用條件語句把False 所在行執行刪除操作。因為Rhino 計算精度可調所以角度數據基本無重復，除非是兩兩重復的單元面，所以在角度數據所在列執行條件語句，即數據去重并刪除所在行內的所有數據。至此，已經得到優化簡潔的數據組，但每個角度仍然對應兩組數據，可根據具體要求對單元面序號組進行去重操作，從而得到無重復數據表格。

4.2 數字模型后續加工處理

在Rhino 和Grasshopper 的環境下，利用Unroll 工具，通過算法可以把面平展到一個平面上，得到所有面的二維平面圖面，提取出邊框加入序號組的序號數據，了解數字加工要求后進行排版操作，之后導出為數字加工設備所需的一般為dwg格式的文件輸出到工廠。

4.3 輸出圖紙

打印圖紙，最終得到了裝配所需的帶有編號的拼裝模塊單元、模塊單元在空間中位置的數字模型文件以及每個相鄰單元之間的空間角度對照表[5]。

以上內容為參數化設計與施工方法全流程搭建及數據處理的全部過程研究內容，具體如圖2 所示。

圖2 參考建模示意圖

5 結語

參數化設計的核心是將影響造型的因素轉變為數字化變量系統，對于公共藝術的造型設計而言，參數化設計是一種全新的創作方法，設計師和雕塑家可以創造一些因素以調整雕塑的結構或形態。不同于傳統的數字造型，參數設計制作流程所提供的造型方法可以很大程度上提升作品精度，并開拓藝術家設計思維形式。用特殊情況找尋原理和解釋技術，為設計者提供尺寸驅動能力。變量化技術和參數化技術還都在不斷地豐富和完善自身，其中變量參數化技術是一種設計方法，從技術的理論深度上來說要比參數化技術高一個檔次。