汽車內飾參數化設計方法研究

梅濤 孫穎瑩 夏芒

關鍵詞：參數化設計 內飾設計 算法生形 grasshopper 自動駕駛

引言

體驗經濟時代的到來，用戶對待產品的需求不再局限于功能的改良優化，多樣化的產品形態，獨特的CMF設計等應用研究都隨著用戶審美的提升而迅速發展。汽車內飾作為多類產品的高度整合，也在新能源、自動駕駛等時代背景下迎來全新的設計變更。隨著出行工具的重新定義，休息娛樂、學習辦公等傳統的固有場景開始移動化，汽車的內飾開始承載更多的功能需求，這也將驅動汽車內飾向輕量化、定制化等方向快速發展。

參數化設計憑借其極具辨識度的造型風格和以計算機計算生成結果的設計模式，突破了人們對形態的想象和認知，也賦予了設計師新的思維方式。目前參數化設計在汽車內飾中的應用研究主要集中在表皮紋理等CMF設計方面，但是通過參數化在建筑和產品設計領域中的案例分析可以發現，運用參數化及算法生形的方式得到的設計結果具有輕量化、多樣性等特點，為造型帶來更多可能性，這與內飾的發展趨勢相契合。

因此，將參數化設計模式和算法生形技術與內飾進行系統性的整合，找到合適的應用切入點，能夠有助于設計師以全新的視角和設計思路來看待內飾造型，同時也能夠拓展參數化及算法生形在工業制造領域的應用場景。

一 、參數化設計概述

（一）參數化設計

參數化設計是基于數字設計與制造背景下衍生出的一種設計方法。它強調設計工程的邏輯性和關聯性。傳統的設計方法通常是線性思維，自上而下式的推導，一旦方案發生變化就需要回溯到前幾個層級進行修改，而參數化的設計模式，要求設計師去尋找數據之間的拓撲關系，進行邏輯層面的歸納和梳理，借助計算機語言來描述形態生成過程，如此一來整個設計過程都可以維持邏輯的統一，產出的設計模型也是聯動的，靈活性較高[1]。

（二）參數化設計思維

在建筑制造和產品設計中，參數化的運用秉承兩種設計思路：一種是參數化實現設計，即按照傳統的設計思路，由設計師主導，提前構思建筑形態，隨后利用參數化的方式進行數字模型構建，并對結構、模塊分組方式進行優化，輔助設計制造;第二種是參數化主導設計，設計師的工作重心不再是通過經驗和判斷力去構思設計，而是根據數據之間的拓撲關系，構建參數化系統，建立完整運算規則體系，從而直接由計算機生成設計結果[2]。

在產品的CMF設計中，設計師對局部表面運用參數化的方式設計紋理來提升外觀的層次感，只要滿足模具制造的基本要求，這樣的紋理都能夠被大規模生產。在一些個性定制化產品設計中，設計師利用相關工具建立參數化系統和生形規則，再利用約束條件去控制形態的生成[3]。約束條件即參數的提取可以分為感性意向參數和理性特征參數。感性意向參數是指運用感性工學的實驗方法將用戶對產品的意向表達情緒進行量化，通過指標篩選參數。理性特征參數是指提取符合用戶人機工程標準的參數，例如鞋類、服飾、座椅等產品定制化設計過程中首先需要對用戶的局部人體數據進行采集，之后在計算機內構建基本數字模型，在此基礎上用參數化的設計方式做生形計算，之后再用有限元等力學分析方法判斷產品的功能性、結構性，再做進一步的形態優化。

（三）基于grasshopper的參數化算法生形

Grasshopper是一款基于Rhino軟件平臺的參數化插件，憑借其強大的數據處理能力和可視化的編程方式，成為目前運用最廣泛的參數化設計工具。 grasshopper中內置了許多算法的核心模塊，設計師只需要通過可視化的編程方式搭建算法邏輯便能控制算法生形。

1.干擾算法：干擾算法在表皮紋理的設計中最為常見，是一種在單位元素陣列群化的此基礎之上，通過干擾源來有規律的對肌理整體的節奏進行干擾控制的一種算法，例如可以通過干擾源和受干擾物件之間的距離來控制單元模塊的大小、間距、深度等，讓其呈現一定規律的變化。

2. Voronoi算法：在Grasshopper中集成了Voronoi 2D和Voronoi 3D兩個模塊，與生成隨機數指令結合運用，可以在三維空間之內隨機生成細胞模塊，再結合Weavebird等細分工具可以生成復雜的有機形態。Voronoi是目前在工業設計中運用較為廣泛的一種算法，運用此算法生成的形態一般不具備規律性且多樣化，需要通過3D打印技術實現增材制造，所以多在定制類產品設計中使用，比如珠寶首飾、家居裝飾品等。

3.極小曲面算法：極小曲面在數學上的定義是在滿足一定約束條件之下表面積最小的曲面。這一特殊的幾何性質，使得極小曲面擁有優秀的結構性能，同時其本身優美的造形曲線與虛實結合的空間關系也使許多設計師為之著迷。幾百年的研究歷史，數學家們成功將極小曲面的構成關系數理化，并運用了函數進行邏輯表達，在Grasshopper中，Millipede（千足蟲）插件就集成了極小曲面的生成模塊，通過輸入不同的極小曲面表達式來得到不同的極小曲面造型[4]。

二、面向未來汽車內飾的參數化設計方法

（一）未來汽車內飾設計趨勢

21世紀初，由于三大技術（高密度鋰電池、電池管理、信息通訊）的成熟，電動汽車成為了新能源汽車的市場主力軍。而與傳統燃油車相比，電動車的續航能力一直是無法取代燃油車的一大原因，因此通過降低整車重量來提升續航能力的輕量化設計思路成為了目前改良此問題的研究對象。對內飾進行輕量化設計，主要從材料、制造和設計三方面著手。合理的采用質量較輕的金屬非金屬材料;采用先進的輕量化制造技術，如液壓膨脹、激光拼焊、3D打印等先進制造工藝輕量化結構;使用結構優化設計方法可以對原有結構進行優化改進，常用的優化方法有拓撲優化、尺寸優化以及形態優化等。通過對應算法，可以使基本形態按照約束條件（承重、對稱等）生成最優的結構尺寸和最省料的形態。在參數化軟件Grasshopper中也有對應的插件可以完成結構拓撲優化，如Millipede（千足蟲）、Ameba（阿米巴）等。

從產品定位層面分析，無人駕駛技術的成熟會加速汽車從傳統的出行工具到移動空間的角色轉化，同時在互聯網的推動之下，這類移動空間在未來會根據不同的用戶場景呈現出多種功能細分，比如商務、休憩、運動等。從人機交互層面分析，在智能網聯技術的布局下，汽車硬件也在不斷更新升級，可以識別用戶狀態并進行反饋，逐漸為用戶提供更加智能方便的車生活[5]。

個性化定制，其本質通過多品種、小批量的生產模式，滿足用戶的多樣化需求，這與傳統的大批量生產模式相矛盾，而隨著5G、互聯網等信息技術的發展，智能制造逐漸在兩種模式之間找到了平衡點，即在保持大批量生產的成本和效率優勢的基礎上，滿足了消費者的個性化需求。目前汽車內飾的定制主要集中在局部內飾件的定制，例如汽車座椅的表皮材質、紋理，內飾整體的涂裝風格等。

（二）面向汽車內飾的參數化設計原則

1.輕量化原則基于新能源背景下汽車的發展趨勢及電池續航能力的瓶頸，整個汽車框架（車身、內飾、車架）都需要輕量化設計和制造。在運用參數化的方式設計內飾模塊的時候需要遵循輕量化的原則，運用拓撲優化、網格細分、Voronoi生成骨架等算法設計出用料少、骨架輕、結構穩定、形式優美的內飾產品。

2.多樣化設計原則基于智能互聯網背景下的汽車將被重新定義，作為出行工具可以附加工作學習、娛樂休閑、運動健身等場景標簽，場景需求的多樣化促使內飾設計的多樣化適配。通過參數化算法生形的形態可以突破傳統的思維局限，復雜的生形算法只需要調節相關參數，便可以產生不同的形態，給設計帶來更多可能性。

3.定制化設計原則汽車制造產業不同于一些小體量穿戴產品的制造模式，汽車企業要對每一位客戶準備不同設計、達到量身定制的服務是不切實際的，因此車企在實施大規模定制生產時遵循的原則是在一定的資源范圍內盡可能的滿足用戶的多樣化選擇需求。而參數化設計天然的計算優勢，可以利用算法在一定的約束條件之下生成結構和外觀的優化方案，同時根據不同參數的輸入呈現設計方案多樣化，可以為內飾定制的多樣化需求提供設計層面的支持參數化算法由設計師通過基本元素之間的拓撲關構建，由外部約束條件控制，在定制化的模式之中，設計師應當關注用戶的需求，將用戶個人的人體參數、審美意象作為約束條件去干擾算法生形，實現真正意義上的個性定制。

4.功能干擾原則是指將內飾空間按照功能劃分為不同模塊，例如滿足乘坐的功能區域、操控的功能區域、儲物的功能區域等，之后根據每個不同的功能模塊所需要的空間尺寸、形態輪廓來建立基本的干擾物件，作為形態母體輸入到算法之中。

5.人機約束原則以人為本的設計出發點要求設計師在進行產品設計時必須嚴格按照相關人機工程標準執行。在以計算機主導的參數化設計模式中，人機工程數據的約束能夠使算法得到的設計結果更加精準和有效，在內飾空間、座椅等形態生成的過程中，人機關系約束對最終形態的導向將起決定性的作用。而且不同人的人機數據會對算法結果產生差別化影響，滿足用戶個性化的定制需求。

6.簡化輸入原則是指算法的最初干擾形態從簡設計，算法生形的一大優勢就是能通過簡易的母體衍生出不同類型的形態方案。簡化輸入既可以解放設計師部分生產力（傳統模式中設計師在前期就需要不斷構思推導方案），也能夠降低用戶參與設計的門檻，用戶能夠以一種更加積極和主導的姿態參與到方案前期的討論中，設計師也能更高效準確地去捕捉用戶的真實需求，提高設計的溝通效率。

7.形式優化原則計算機主導的參數化設計模式并不是指計算機生成的形態便是最佳方案，設計師只是把造型推演、空間拓撲關系建立等工作交由計算機執行，而設計師自身需要扮演架構師的角色去構建算法程序，由于相關算法所生成形態的隨機性與多樣性，設計師需要根據形式美的法則不斷去調整算法的約束條件從而去控制計算機的生形方向和趨勢，在形式美和功能完善的基礎之上去篩選最優方案。面向汽車內飾的參數化設計原則，如圖1所示。

三 、汽車內飾參數化設計

（一）參數化設計在乘用車中的應用

1.參數化設計在汽車外飾中的應用通過參數化設計方式生成的產品紋理依附于外觀設計，拓展了產品表面肌理的多樣性，逐漸成為近幾年常用的紋理設計手段。參數化紋理在汽車外飾表皮中的運用提高外形創新的同時，增加了品牌辨識度，同時以一種新的視覺感受來平衡因車身結構（電動化、模塊化）改變帶來的外觀影響。按部件分類，目前參數化設計較為廣泛應用的是格柵、尾燈以及車身的外表皮部分。例如2016年發布的寶馬Vision Next100概念車的設計中，格柵部件、輪包表皮都采用了有規律可循的參數化紋理，尤其是輪包的處理，參數化紋理不僅僅作為外觀裝飾，還與汽車轉向時的燈光效果相結合，呈現一種自然的呼吸感，這種將紋理與功能相結合的方式，也為參數化設計在產品表皮中的應用提供了新的思路，如圖2所示。

2.參數化設計在車身設計中的應用利用算法生成的形態可以突破傳統金屬外觀的限制，作為設計師靈感和想象力的補充。在一些車身設計過程中，設計師會利用算法生成有機的網狀車架，之后再根據車架結構和形式美法則設計表皮鐵皮造型。對于復雜車架的制造一般會采用3D打印組裝的方式，相比傳統的車架制造工藝更加省料環保。通過算法生成的車身具有輕量化等優勢，在設置最初約束條件時可以按照空氣動力學標準來設計，這樣的約束算法可以用在未來賽車的車身設計上，提供全新外觀設計的同時優化其性能。如圖3所示。

3.參數化設計在內飾CMF設計中的應用目前參數化在內飾件中的運用主要還是在CMF層面，但是內飾件多種多樣，功能不一，其表面材質、肌理的設計也有很大差異。針對不同的內飾件，往往也會采用不同的參數化算法進行設計。例如針對車載音響的揚聲孔設計。利用算法圖解去模擬自然界的葉序規律[6]，以黃金角137.5度為核心參數（互生葉序中相鄰長出的葉片理想夾角均為137.5度），基于斐波那契數列構建相鄰項便可以生成葉序規律。與汽車外表皮參數化設計相似，在內飾件的CMF設計中，使用干擾算法來生成紋理成為了提升內飾整體品質感的有效手段。許多品牌的汽車內部儀表板、方向盤、汽車座椅等產品表面的紋理都運用了干擾算法進行設計。如圖4所示。

（二）汽車內飾參數化設計流程

參數化在內飾設計中的應用不同于單個產品的設計，需要考慮產品之間、人與產品之間、人與空間的關系。因此在選擇相關算法生形之前，需要解構整個內飾布局，區分不同的功能模塊（乘坐、休息、娛樂等），獲悉基本的功能形態參數（產品的基本框架、外輪廓等信息）以及人機工程參數（座椅高度、屏幕高度等），以此作為后續算法的約束條件。之后，針對不同的內飾模塊選擇算法，大件產品例如座椅、辦公桌等運用拓撲優化、極小曲面等算法進行輕量化生形處理，外表皮CMF設計運用干擾算法生成非線性紋理，提升產品品質感等。通過算法生形得到的形態具有一定隨機性（調節參數形態就會產生較大差異），此時設計師應當介入憑借美學素養和用戶意向對算法進行有效變形，把控生形方向，進行形態優化。

（三）基于參數化的內飾設計實例

現代汽車內飾系統可以劃分為以下幾個子系統：側圍飾件系統、座椅系統、座艙系統、乘員約束系統、聲學飾件和頂飾件系統。相比外飾，內飾包含零部件眾多，結構復雜，設計師需要將各部件整合為滿足人機工程、功能性和體驗舒適感的空間同時，提供優越的審美體驗。汽車作為承載用戶的出行工具，其乘坐系統是核心功能之一，筆者以內飾乘坐系統為例，提取相關坐姿數據構建基本功能形態，并構建參數化算法進行生形計算。常用的坐姿人機數據可以參考國家標準或者用逆向掃描的技術直接獲取人體數據，筆者采用的提取方法是第三代Kinect和Unity環境下的實時人體模型建立。

1.人體工程參數提取與預處理以可調節的座椅作為承載來模擬內飾乘坐系統，邀請被試采用三種姿勢分別模擬平躺休息、普通乘坐、端坐辦公三種場景，每一種姿勢都通過被試自身的最佳感受調節，之后用Kinect進行記錄并用Unity生成三種場景下的坐姿模型。提取人體坐姿數據之后，將坐姿數據導入Rhino中，并完善人體模型，提取關鍵人機曲線。

2.生形算法構建將上一步得到的人機曲線作為算法干擾源，以極小曲面作為算法原型，并運用幾何包裹的變形方式進行生形干擾。GeometryWrapper（幾何包裹）運算器來提供構建等值面的體數據，再搭配Iso surface運算器生成基于體數據的極小曲面，Geometry Wrapper運算器的輸入端為Geometry，即幾何形體，因此可以用曲線、曲面、有機體快等物件去生成體數據，從而對極小曲面產生干擾。以普通乘坐姿勢為例，將得到的座椅框架曲線拾取進Grasshopper中，首先用divide curve指令將曲線進行等分，得到可以人為控制的等分點，之后將這些等分點作為干擾物件接入到Geometry Wrapper的接收端，圍繞這些點生成力場，通過衰減度、立場強度、型面分辨率等參數控制極小曲面之間的融合度，從而生成座椅骨架形態。

3.優化算法結果構建完生形算法之后，將人機曲線拾取到算法輸入端，調節相關參數值，便可以得到一系列基于人機關系的產品形態。除了通過調節參數的方式調整計算結果之外，設計師還可以手動的在Rhino界面中去調節初始曲線的控制點、走勢等去影響最終的算法形態，這種方式使得設計師可以更加直觀可控地去影響算法的生成結果，在設計師的主觀判斷和計算機的邏輯生成之間找到可控的平衡點。筆者通過對三種不同坐姿提煉出來的座椅功能曲線分別輸入到算法中進行生形計算，調節參數和曲線形式改變計算結果，并將其匯總對比，如圖5所示。

4.設計方案評價運用Geometry Wrapper（幾何包裹）運算器來干擾生產極小曲面的方式較為靈活，設計師可以在Rhino中根據功能參數或者人體工程學參數限定產品基本外輪廓，之后運用這個基本輪廓去干擾生成等值面，這樣計算得到的等值面既具備良好的輕量化造型屬性，同時符合真實場景相關參數的約束條件（功能制約和人機關系制約）。但是在此生形模擬實驗中，僅僅是以座椅為例進行研究，而真實的內飾環境更為復雜，是多個功能系統的集合，所以需要將多個功能模塊進行拆解，去提取每一個子系統的人機功能參數，并且人為的去優化這些參數構建基本功能形態，作為算法的約束條件輸入。

結語

面向未來汽車內飾的參數化設計方法研究，探討的是在新能源、自動駕駛等技術背景下，參數化的設計模式和算法生形技術與內飾設計的兼容形式。其重點在于研究參數化的設計模式在內飾中的具體運用場景和使用原則，構建完整的方法論體系，并通過這種方法去指導內飾設計。隨著生產技術的迅速進步，利用參數化的設計方式生成的復雜形態也逐漸具備大規模生產的可能性，這也將從技術層面推動汽車內飾的參數化設計運用，將算法生形的優勢更好地展現。