基于Grasshopper的竹編形態參數化設計研究

■白興義，舒志鵬，白睿昇，高彩華，王伶羽

(1.蘭州理工大學設計藝術學院，蘭州 730050；2.蘭州理工大學機電工程學院，蘭州 730050；3.上海交通大學設計學院，上海 200240）

傳統文化產業是我國鄉村振興戰略的精神動力和重要支撐，我國非物質文化遺產在這個時代正面臨著創造性的轉型和發展[1]。傳統的竹編制品具有美觀實用的特點，種類繁多的竹編產品承載著人們日常生活中的諸多需求。然而，隨著工業產品的大量生產，竹編產品逐漸衰落，淡出生活的舞臺[2]。在當代，有必要重新審視竹編生活器具的運用新理念、新技術、新方法，開發出符合現代生活美學的竹編產品，并從多個角度探索其在現代生活中應用的可能性，使其重新煥發光彩[3-4]。

從編織的名詞屬性來講，它是一種用線型材料生成覆蓋空間的二維平面，例如竹編工藝的編制竹席、草編和麻編工藝編制的坐墊等；然后將生成的二維平面轉換為三維形態，例如竹籃、簸箕等。從編織的動詞屬性來講，“編織”是一種利用線型材料圍合出空間的動態操作方式，線條之間相互交織、穿插、重疊，構成復雜的空間網格，因此編織工藝具有非常清晰的構建邏輯，兼具規律性、復雜性和藝術性[5]。目前國內學者對竹編工藝的傳承和發展問題從不同角度提出了各自的觀點。刁婷婷[6]認為應將新技術與傳統工藝相結合來傳承傳統工藝與滿足現代人審美；張力麗[7]認為竹編應與現代生活相結合，進行功能創新和技術創新；陳文格[8]則提出了使用設計輔助工具解放竹編工藝，讓更多人了解和傳承竹編。在探究傳統竹編工藝與現代技術更好結合的基礎上，可使用參數化設計方法分析竹編形態的建構規律，提出一種竹編形態參數化設計方法。該方法簡化竹編編織工藝的編制過程，打破傳統竹編工藝對造型的束縛，利于竹編形態方案的快速生成和多樣造型選擇，促進竹編技藝的傳承與發展[9]。

■圖1 思路框架圖

20世紀60年代早期Sutherland首次提出參數化概念；70年代末，美國的Robert Light和Gossard進一步完善了參數化方法[10]；20世紀80年代中葉，隨著幾何推理、神經網絡等人工智能方法的興起，學者們將參數化技術運用到現實的創造中來[11]；90年代Jae Yeo lee嘗試用圖形來表示幾何推理方法，使參數化設計變得更簡潔，優化計算，節約時間[12]。如今參數化設計日趨完善和成熟，并被更多的領域所接受和應用[13]。國外學者Rizal Muslimin[14]嘗試通過計算機輔助設計，制作新竹編模塊；Amit Zoran[15]嘗試3D打印制作傳統編織竹籃；Ye Tao[16]提出利用計算機輔助設計編織手工藝品。基于此，本研究提出一種竹編形態參數化設計方法，模擬傳統竹編編織工藝，打破傳統竹編工藝對造型的束縛，促使竹編形態方案的快速生成和造型的多樣選擇，有助于傳統竹編工藝的傳承與發展。基本的思路框架如圖1所示。

1 Grasshopper參數化設計平臺

1.1 Grasshopper特點

Grasshopper是 Rhino平臺上的一款參數化插件，是參數化設計中非常具有代表性的工具[17]。在參數化設計的發展歷程中，經過眾多學者的不斷研究，Grasshopper的使用范疇不斷拓展，早已從建筑設計延伸到產品設計(首飾、燈具、家具等)、公共藝術領域[18]，它可以輔助設計師完成復雜的曲面結構與表皮設計，且設計過程可視化[19]。與傳統的建模軟件相比，其建模方法有許多明顯的區別。它最重要的特點是可以通過一系列模塊化的建模指令構建完整的模型生成邏輯,并通過邏輯運算執行這些指令來生成最終的模型[20]。在整個建模過程中，Grasshopper能簡單快捷地改變數據，從而實現復雜形體調節與優化[21]，并通過Rhino平臺將生成的模型直觀地、即時地展示給我們。

參數化設計具有三個顯著特點[22]。

（1）即時可見：常見的編程建模需要自行編寫代碼，在代碼編寫完整后，才會生成模型。所以每次編寫完都需要試運行再不斷調整，最終才能生成模型。但Grasshopper的運算器都是以電池滑塊的形式呈現出完整的封裝代碼，它們具有可視化、靈活組合、邏輯明了的特點。這使得設計過程即時可見，適用于輔助設計過程推演。

■圖2 應用流程圖

（2）邏輯建模：Grasshopper編寫的是模型生成過程，在這個過程中，最重要的是潛在形態之下的構成邏輯，這將促使設計活動更注重形態生成的邏輯性。

（3）動態建模：Grasshopper邏輯運算生成模型的特點，使得當改變某個運算器輸入端的參數時，整個生成結果會隨著參數的變化而發生某種形態趨勢的動態變化。

參數化設計能夠解構和詮釋竹編形態的規律性和復雜性，并有效地產生多樣性的變化，以適應當代社會多變、多元品質的需求[23]。

1.2 竹編形態產品中參數化設計的優勢

傳統的竹編在于竹與編的結合，既具有竹自然質樸、溫潤細膩的特點，又具有編織所產生的藝術性和美感[24]，竹編形態精細，竹篾之間經緯交織，一般被壓的竹篾為“經篾”，編織的竹篾為“緯篾”[25]。竹編編法有壓一挑一、壓二挑二、六角挑壓、圓面編織等，篾片的數量、寬窄、角度變化，可以產生無數的竹編形態。傳統竹編形態存在極其嚴謹的規律性，非常適合參數化設計[26]。結合參數化設計即時可見、邏輯建模、動態建模的特點，可以將每一根竹條都看作一個單元，在經緯方向進行定距、交錯的起伏變化，互相疊壓形成參數化編織形態[27]。依據對竹編形態前期研究，根據不同編織效果，提取經緯篾數據為變量，例如編織篾片的密度、間距、厚度等參數，設計師可以自由調節，快速生成編織表皮，最后靈活運用到不同類型的產品上。竹編形態與參數化設計結合后，在保留竹編優點的前提下能讓竹編形態與更多現代材料兼容，也能適應更豐富的造型[28]。

2 竹編形態參數化設計適應性分析

傳統竹編在創新過程中會受到材料和編織技術等因素限制，傳統竹編工藝的形態造型都是憑借竹編匠人們豐富的經驗，盡管竹編手藝人的編織技藝登峰造極，但是由于手工編織的局限性，還是有很多形態無法完成。創作復雜竹編形態對竹編藝人的技藝有很高的要求，而竹編形態參數化設計恰好可以實現竹編形態之間的靈活搭配，可以打破傳統竹編工藝的限制因素[29]。本次研究對基礎傳統竹編形態進行系統梳理分析，對其中的垂直挑壓編法（表1）、多角挑壓編法（表2）進行參數化模擬。

表1 垂直挑壓編織法

表2 多角挑壓編織法

最常見的垂直挑壓編法有平編、人字形編，其編法都是X方向與Y方向的篾片起伏變化，編織成型，其中包含的邏輯規律很容易研究，再結合參數化設計即時可見、動態建模的特點，通過調整篾條起伏規律的參數，篾條粗細、薄厚的參數，篾條形狀的參數，以及篾條之間間隙的參數就可以很理想地完成類似平編、人字形編這一類縱橫方向竹編形態的參數化模擬。

■圖3 人字形編編碼圖

■圖4 人字形編Grasshopper邏輯運算圖

■圖5 不同參數下人字形編織面積變化效果

■圖6 不同參數下人字形編織間距變化效果

■圖7 平編編碼圖

■圖8 多角孔編編碼圖

■圖9 多角孔編Grasshopper邏輯運算圖

常見的多角挑壓編法有三角孔編、六角孔編等編法形態，它們的編制篾條都來自三個方向，在仔細研究這三類竹編形態后，結合參數化建模的思路可以分析這一類三向竹編形態篾條之間的位置交織關系，提取交點作為控制點，每一個方向的每一根篾條有交點時，第一個交點目標篾條在上方，第二個交點目標篾條就在下方，以此類推。再結合參數化建模方法，將相關聯的控制點連接起來，就可以很理想地完成類似三角孔編、六角孔編這一類三向竹編形態的參數化模擬。

竹編中篾條柔性的材質特性，以及竹編形態自身的結構關系中所包含的嚴謹規律性，非常適合參數化設計的邏輯運算。垂直挑壓編法的平編、人字形編，都是X方向與Y方向的篾片起伏、編織成型；多角挑壓編法的三角孔編、六角孔編等竹編編織形態，這一類三向竹編形態都是三個方向的篾片相互疊壓、編織成型，其中包含的函數規律很容易研究，符合Grasshopper參數化建模的特點。

平編、人字形編、三角孔編、六角孔編等竹編形態在傳統竹編手工藝中使用的頻率也比較高，適用于多種器型、多種手工藝產品、多種場合[30]。所以本次的研究重點還是選為垂直挑壓編法中的平編、人字形編和多角挑壓編法的三角孔編、六角孔編的參數化設計。

3 竹編形態參數化設計平臺及應用

利用Grasshopper參數化設計工具，搭建竹編形態參數化設計平臺，開展具體的參數化設計應用。基本應用流程如圖2所示。

首先，根據參數化竹編形態的復雜程度，創建平面或空間曲面作為參考面；其次，捕捉控制點，確定控制點的位置關系，并將其相連，生成線性編織形態；最后，調整各項參數，得到優化后的參數化竹編形態。竹編形態參數化設計平臺，有利于竹編從業人員及愛好者進行應用和開發，不斷分享最新的研究成果，提高創新效率[31]。

3.1 參數化垂直挑壓竹編形態構建

構建參數化垂直挑壓竹編形態以垂直挑壓編法中最具代表性的人字形竹編形態和平編形態為例，首先要在工作平面作出兩組參考點，使用repeat運算器和shift list運算器對所有的參考點進行編碼，X方向的點向法線方向的點標記為“i”，向法線相反方向的點標記為“-i”；Y方向的點向法線方向的點標記為“-i”，向法線相反方向的點標記為“i”，根據人字形竹編形態壓二挑二的編織規律進行編碼，如圖3所示。

人字形編形態Grasshopper邏輯運算圖如圖4所示。

在Grasshopper中將所有的運算器打包成一個只有四個接口的封裝代碼，通過調整篾片數量滑塊可以控制參數化編織的面積，效果如圖5所示。

通過調整篾片寬度運算器可以控制參數化編織的編織間距。同理可以通過調整相對應的運算器來調整篾片的厚度以及尺寸，效果如圖6所示。

參數化平編形態的構建邏輯與參數化人字形編的構建邏輯一致，編碼過程根據平編形態壓一挑一的編織規律進行編碼，如圖7所示。

3.2 參數化多角挑壓竹編形態構建

■圖10 不同參數下多角孔編織面積變化效果

■圖11 不同參數下多角孔編篾條粗細變化效果

■圖12 回轉體編織形態Grasshopper邏輯運算圖

■圖13 回轉體編織形態參數化建模流程圖

■圖14 回轉體編織形態參數化示意圖

■圖15 參數化六角孔編椅面構建示意圖

■圖16 “竹悅”參數化竹編躺椅效果圖

多角挑壓竹編主要指三角孔編和六角孔編，在做進階竹編形態時，以六角孔編為例，先要分析六角孔編的編織規律，研究其三個方向上篾片之間存在的函數關系。首先依據六角孔編的編織圖案，找到所有篾片之間的交點，以這些交點作為控制點，橫向的控制點向法線方向的點標記為“ij(1≤ j≤ l)”，向法線相反方向的點標記為“-ij(1≤ j≤ l)”；右斜方向的控制點向法線方向的點標記為“-ij(1≤ j≤ l)”，向法線相反方向的點標記為“ij(1≤ j≤ l)”；左斜方向的控制點向法線方向的點標記為“ik(2≤ k≤ l+1)”，向法線相反方向的點標記為“-ik(2≤ k≤ l+1)”，其中j為交點，k為錯位交點，l為交點上限值。如圖8所示，再將相同方向的參考線與相同方向的的控制點上下交錯連接起來，即可生成三角孔編和六角孔編的編織形態[32-33]。

多角孔編形態Grasshopper邏輯運算圖如圖9所示。

將多角孔編所有的運算器也打包成封裝代碼，與人字形參數化編織形態一致，可以通過調整參數來控制參數化編織的面積，效果如圖10所示。

通過調整篾條直徑運算器可以控制參數化編織篾條的粗細，效果如圖11所示。

三角孔編與六角孔編編織技法相同，只是篾片之間的間距不同，所以參數化三角孔編形態的構建邏輯與參數化六角孔編的構建邏輯一致，只需在參數化六角孔編邏輯運算過程中調整篾片之間間距的參數即可得到參數化三角孔編形態。

將上述編織形態進行參數化模擬后，與相應的傳統竹編形態進行比較，效果如表3所示。

表3 竹編形態參數化對照表

3.3 參數化竹編花瓶形態構建

在Grasshopper中使用revolution運算器建立參考曲面，使用divide surface運算器在參考曲面上找到控制點，再使用dispatch運算器將所有的點分派到兩個項目列表，第一組點向法線方向平移，第二組點向法線相反方向平移，將所有點連接起來，賦予體積即可得到平編形態。

將平編形態應用到產品設計中以回轉體為例，先在Rhino中畫出想要的斷面曲線，然后使用revolution運算器建立參考回轉曲面，邏輯運算圖如圖12所示，再使用以上編織形態生成方法即可得到回轉體的竹編形態，效果如圖13所示。

首先做出參考回轉體曲面的斷面線，輸入至Grasshopper，在每一項接口輸入相應參數，即可生成基本回轉體編織形態模型，設計師可以根據不同的設計需求來調整數量、密度、間隔等相對應的參數，來生成設計所需的回轉體編織形態。通過調整相應參數，可以快速生成一系列形態相近或相異的竹編花瓶，例如上窄下寬型、球型、上寬下窄型等，如圖14所示。

3.4 “竹悅”參數化竹編躺椅形態構建

“竹悅”參數化竹編躺椅是一款造型簡潔的休閑躺椅，椅面既要美觀、貼近自然，又要具備良好的承重性和透氣性，六角孔編可以滿足這些設計要求，同時躺椅椅面要是符合人體半躺狀態下較為舒適的身體曲線的曲面，所以使用參數化六角孔編形態進行進階設計，以躺椅椅面的曲面建立參考面，結合參數化六角孔編形態構建邏輯，來生成參數化六角孔編形態椅面，椅面構建過程如圖15所示，“竹悅”參數化竹編躺椅風格簡約、大氣，竹編元素的加入更顯得親近自然，還能提升用戶的幸福感，采用一體式造型設計，節省材料、方便生產（圖16）。

4 結語

竹編作為我國重要的非物質文化遺產，在從傳統的生產生活工具向當代手工藝品、藝術品的轉變過程中，因為工藝繁瑣、傳承人稀缺等原因，其作為生活工具的特性逐步被取代。因此如何改善竹編的技藝，讓竹編更好地符合當代市場需求，就成為了竹編產業活化的關鍵。本次設計應用研究，為當代設計師以及用戶提供了竹編形態設計的一個參考方案，結合參數化設計可視化的特點，可以讓更多人了解竹編工藝，促進竹編技藝的傳承與發展，讓傳統竹編技藝再放異彩。竹編形態參數化是傳統技藝與現代數字化技術的良性結合，打破了傳統工藝、傳統材料對竹編形態的束縛，使竹編自身造型形態更多變、豐富，應用范圍更加廣泛。最后通過竹編形態參數化設計實踐，驗證竹編形態參數化設計方法和Grasshopper參數化模型的有效性和可操作性，發現參數化模擬結果貼合真實竹編效果。參數化設計的融入對推動傳統竹編編織技藝的傳承、發展和保護都發揮了積極作用，后續研究也將繼續探索竹編形態參數化設計的更多可能，讓傳統竹編工藝更加符合當代審美需求和市場需求。