參數化設計方法對工業產品外觀設計思路的影響與啟發*

葉 磊

(景德鎮陶瓷大學 江西 景德鎮 333000)

1 參數化設計概述

參數化設計,即通過改變參數變量而求解得到最終因變量結果的設計方法,參變量的值顯示了設計結果最重要的基礎屬性,因變量的值會隨參變量的改變而改變。參數化設計最顯著的特點是參數變量的實時調整和相應輸出因變量結果的實時反饋。在參數化設計系統中,恒定參數通過一定的數學邏輯規則形成設計基礎模型,然后通過對可變參數進行數值調整來優化方案,最終生成設計結果[1]。

2 參數化設計方法

2.1 參數化設計流程

在確定設計的基本思路后,設計師需要運用參數化設計的技術,根據設計方案具體的目標要求和設計中間模型的選擇,并設定合適的參數,通過把設計的各種約束條件,以相關參數化的輔助設計軟件作為媒介,與設計方案最終輸出的形式之間建立相關的數學邏輯關系,從而生成可以靈活調節參數的原始計算機算法模型。這些約束條件所對應的參數設定范圍,是可以與設計目標所指的主要問題相關的各種基礎信息,比如功能、結構、材料等。這些基礎信息是通過人為收集、分析、合理規整化之后,作為相關參數導入計算機模型中,當計算機計算得出可調控的三維數據模型后,再將結果通過肉眼可見的3D圖形呈現在計算機顯示屏中,或轉換成各相關領域行業都能共享的模型數據。其中所指的數學邏輯關系就是參數化設計的核心運算法則,是一種外觀形態與內部函數之間的聯系規則。

參數化設計在概念設計階段所選定的參數以及設定的參數化關系,要遵循是讓它們能夠有效地響應之后各個階段的可能變動。這是參數化設計的優點之一。傳統的設計方法是完成了概念設計,然后開始設定幾何形式。一旦形式定好之后,就很難改動了。只能退回到最開始的形體控制階段改變基本的幾何形式。這種線性不可逆的經典設計的流程已經越來越不適合設計的需求。而在參數化設計過程中,即使修改最開始的維形設定,只要參數和幾何形體之間的邏輯關系不變,這些都會自動更新到最后的發展階段,設計過程中因為某種原因需要改原始的形體,有了參數化設計,依然可以很容易地退回到原始的設計中來修改方案,原始設計之后的工作可以自動更新直到最后的細部設計。這是工業產品外觀設計思路的一種根本性的轉變。

2.2 參數化設計軟件平臺

參數化軟件發展迅速、種類繁多,目前主流的參數化設計軟件有Rhino scrip、Revit、Grasshopper、Veb等,這里主要介紹比較常用的Grasshopper。Grasshopper是集成在Rhino內的一款參數化輔助建模插件,相比于其他參數化建模軟件,Grasshopper無需復雜的編程語言,只通過對各運算器的數據進行關聯完成程序。相對于Rhino自身的手動修改建模尺寸數據等,Grasshopper運算器尺寸參數修改更加精確、快捷,在符合程序邏輯的情況下,幾何形態的基礎或者構件可以通過替換運算器的方式快速完成轉換。參數化設計軟件特有的建模方式使得模型生成、修改速度得到提高,對產品的設計、生產流程、生產成本、營銷模式等都有著一定的影響。

3 參數化設計方法對不同領域工業產品外觀設計風格所造成的影響

3.1 參數變量的靈活可調控性拓展產品設計思維

參數化設計方法的參數和變量可調系統特性,使設計者可以自由調整約束范圍而不重復具體的設計條件。通過對工業產品外觀結構參數化邏輯關系的分析,仍然可以保證設計目標的效率和準確性。它產生了一種傳統建模技術和手繪設計效果圖很難表現復雜形態。例如小米小愛藍牙音箱采用的費馬螺旋漸變發音孔陣,是通過函數邏輯關系的連接,建立孔陣,打孔的尺寸及組織方式由函數模型樹自動計算生成,使孔洞尺寸和排列方式符合主觀所需的外觀質感。

3.2 外觀模型設計的多元準確性豐富產品設計造型

參數化設計方法為工業產品外觀設計的多樣化提供了更多的可能性,在一定程度上提高了外觀設計的美學品質,解決了因復雜的表面成形工藝而難以實現預覽效果的問題,很大程度節約了研發成本。如寶馬公司概念車的創意格柵設計,就是通過參數化的設計方法生成漸變表皮紋理的,就是先由設計師設計好每個單元紋理,再通過參數化設計方法底層邏輯,將每個單獨的單元細胞按照一定數學邏輯鏈接在一起,從而得到完整的汽車格柵造型。

3.3 參數化設計的復雜邏輯性突破產品設計原則

參數化設計方法的應用以及數字化加工技術的成熟,讓產品的鏤空紋理設計逐漸成為可能。中空紋理本身就是設計的造型語言,具有完整的設計結構。如設計師馬子聰通過參數化技術設計的《觀云篇》鏤空紋理燈具,其通過邏輯算法生形的模擬自然生長的鏤空紋理,令人產生愉快的節奏。鏤空紋理不僅作為產品本身的結構而存在,更直接地表達了設計師獨特的有機造型語言。

4 參數化設計方法引領全新的工業產品外觀設計思路和風格導向

4.1 邏輯構成形態

邏輯形式是符合或接近數學邏輯關系規則的形式,強調形式的邏輯性[2]。參數化設計邏輯構成形態設計的流程:①制定設計要求;②把設計要求的約束條件轉化為有效參數;③利用算法建立參數之間的函數邏輯關系,生成產品設計原型;④通過對算法模型樹中關鍵參數的調整,理論上可生成無限多種形態各異的方案,該算法可以不斷更新和迭代;⑤選擇最終方案。例如美國設計師Matthias Pliessnig為私人客戶設計的Amada長凳。設計要求是讓公共長凳橫穿室內空間,設計師首先運用參數化設計方法中的曲線干擾、細分剖面等規則創造出高低起伏的整體效果,得出長凳的基本型;其次,通過調整干擾強度、細分層級等參數生成一系列形態方案;最后根據最初設計要求和審美標準對最終方案進行評價和篩選。

4.2 結構構成形態

對于工業產品的外觀設計,既可以通過參數化設計方法中相關力學環境模擬軟件對產品外觀結構進行拓撲優化,得到更加合理的外觀結構;也可以通過力學仿真算法模擬出自然界和傳統人工物體中的力學結構的仿真機械骨架,給產品提供滿足相應功能需求的結構形式[3]。

4.2.1 拓撲優化

拓撲優化可以將結構的離散性模型優化為滿足設計要求的材料在空間分布的最優解,也可以通過力學環境仿真模擬原產品結構模型進行拓撲變形,從而對產品外觀結構進行迭代優化。例如德國設計師Marco Hemmerling和UIrich Nether設計的衍生椅。設計要求是在減少原材料的同時提供更好的穩定性和舒適性。設計人員在設計過程中主要運用有限元分析軟件,對座椅的結構穩定性、材料化學性能以及人機工程學參數等進行綜合考量,通過反復迭代試錯,生成最優解模型,也是該座椅的最終方案。衍生椅的設計以結構優化為導向,以及參數化設計方法的應用,實現了產品復雜結構形態的創新。

4.2.2 結構模擬

自然界的許多物理結構不僅符合各種物理力學定律,還具有和諧的韻律。人類通過學習和模仿大自然的生物結構,創造出了無數性能優異的人工結構。以參數化設計方法為依托的工業產品外觀結構設計,可選擇的另一個途徑是模仿自然界和傳統人遭物體中的結構,將決定產品外觀基礎結構單元的各個約束條件轉化為多個參數,設計力學模擬仿真算法模型,在參數反復迭代試錯中得到最終外觀結構形態。例如荷蘭Drift工作室設計的動態吊燈The Shylights。大自然里的花會在白天盛開,夜晚就害羞的閉合,Shylights完全模擬自然界花朵開合的節律行為,白天花開時燈打開,夜晚花閉合時燈關閉。改設計方案的關鍵步驟是利用參數化軟件模擬花朵開合時的結構之間的力學關系,為燈具結構設計提供一個靈活且高精度的機械支撐骨架,從而在燈具外觀結構上生動地呈現真實花朵盛開時的自然生命力。

4.3 肌理構成形態

工業產品表面肌理是產品質感的重要表現形式。工業產品參數化肌理設計的基本過程:①制定設計要求;②提取出產品紋理各種約束條件,轉化為基本參數,選擇設計元素;③設定這些元素基元之間的函數邏輯關系從而構建基礎算法,利用算法建立參數之間的邏輯關系,生成肌理設計原型;④調整參數變量,反復迭代細化方案;⑤通過綜合調整參數,根據最初設計要求選擇最終方案[4]。例如馬薩諸塞州神經系統實驗室設計的菌絲燈。它以自然界的常見生物活動規律為設計基礎元素,通過參數化設計方法設計出生長分形算法,從最初的基元種子和一個基座,通過生長算法產生的節點的連續分支和不斷合并,生長分形成有機形態的鏤空網格[5]。每個燈的具體參數值是依據真實的植物參數,這一系列的有機燈具的每個個體都是取材于大自然真實存在的植物單獨個體,其分形生成的有機紋理可以形成墻壁上獨特的燈光投影,充滿了生機與活力。

5 結語

從工業產品設計的外觀風格來看,表面紋理的構成和結構的有機秩序是其獨立性的重要表現,成為產品外觀設計語言。參數化設計方法的出現使得工業產品外觀質感表現效果達到了一個新的高度,它為實現工業產品外觀設計的參數化風格表達帶來了革命性的技術,也改變了原有工業產品外觀給人心理上冰冷的感覺,提升了產品外觀整體藝術設計的美感,為工業產品外觀設計創造了豐富的可能性,并使產品的使用者感受到設計中感性與理性的相對平衡,啟發了設計師們對于工業產品外觀全新的設計思路。