面向未來的參數(shù)化設(shè)計*

孫星潔 吳金艷 陳煜潼

浙江農(nóng)林大學(xué)暨陽學(xué)院 晨曉藝術(shù)與設(shè)計學(xué)院 浙江 諸暨 311800

1 參數(shù)化設(shè)計概念

參數(shù)化設(shè)計又稱為衍生設(shè)計或者生成化設(shè)計，是一種多次被運用于現(xiàn)代建筑的一種設(shè)計技術(shù)方法，該技術(shù)方法的設(shè)計核心思想是把一個建筑設(shè)計的全部要素都能轉(zhuǎn)變成某個函數(shù)的某種變量，運用AI的高效能通過數(shù)據(jù)錄入，人工智能算法和云計算就可以很快地生成各種各樣的方案，滿足不同客戶的需求，極大地提高了工作的效率。參數(shù)可視化設(shè)計技術(shù)的主要優(yōu)勢之處在于能夠提高工程設(shè)計與生產(chǎn)效率、節(jié)約設(shè)計成本、減小出錯的概率，具有實現(xiàn)信息化和可視化、方案化和可行性優(yōu)化、虛擬化和現(xiàn)實可視化的優(yōu)點，因而可以使得其在多個不同行業(yè)逐漸成為流行。當(dāng)今社會個體消費的獨立性與個性化趨勢愈發(fā)明顯，然而產(chǎn)品同質(zhì)化問題卻越來越突出，產(chǎn)品設(shè)計面臨著形式創(chuàng)新的不足，在這樣一個日新月異的數(shù)字化時代，利用技術(shù)更高效地進行產(chǎn)品設(shè)計工作，形成數(shù)字化時代下產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域的科學(xué)設(shè)計理論，給設(shè)計工作帶來了新的機遇.以非線性科學(xué)為基礎(chǔ)的參數(shù)化設(shè)計，代表了一種前衛(wèi)的設(shè)計理念。參數(shù)化主義的內(nèi)涵實際上大大超過形式本身，數(shù)字技術(shù)改變了建筑師的設(shè)計思考方式。算法是計算的核心內(nèi)容，它所包含的內(nèi)容遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止建筑的形式風(fēng)格。

2 參數(shù)化設(shè)計的發(fā)展

2.1 歷史

參數(shù)化設(shè)計是在變量化設(shè)計理論產(chǎn)生后應(yīng)運而生的，要領(lǐng)會參數(shù)化設(shè)計的汗青必需追溯變量化設(shè)計的源頭。

變量化設(shè)計一詞是美國麻省理工學(xué)院Gossard教授提出的，他采用非線性約束方程組的聯(lián)立求解，設(shè)定初值后用牛頓迭代法精化，這種方法的獨到之處在于通用性強，約束方程的內(nèi)容不限，但其存在一個不可逾越的障礙: 是線性方程組，如何解線性方程組，如何應(yīng)用線性方程組的解，如何解。這種計算方法過早地把代數(shù)幾何中的約束方程映射為一個代數(shù)組合方程的分組，使一個問題所要求解的過程規(guī)模和計算速度難以同時得到有效率的控制。

2.2 現(xiàn)狀

參數(shù)化設(shè)計本質(zhì)上是可控制的量化參數(shù)通過計算機軟件設(shè)定法則或者邏輯生成不可量化的多元結(jié)果，從而尋求新形式和更多的設(shè)計優(yōu)化方案。參數(shù)化設(shè)計的出現(xiàn)意味著形式的可能性將超過人能達(dá)到的最大極限。參數(shù)化最棒的一個地方在于，它可以幫助設(shè)計師優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)。尤其是當(dāng)你面對那些又薄又硬、超難處理的材料的時候。

參數(shù)化設(shè)計是在變量化設(shè)計思想產(chǎn)生以后出現(xiàn)的，要了解參數(shù)化設(shè)計的歷史必須追溯變量化設(shè)計的起源[1]。任務(wù)情報局的設(shè)計者是美國麻省理工學(xué)院戈賽德教授與此同時也發(fā)現(xiàn)了非線性會計的解決方法。這種設(shè)計方法關(guān)注的是事物之間的邏輯聯(lián)系而非具體形式，將設(shè)計過程中的數(shù)據(jù)變量化的同時建立起相互間的約束，是一種多維的參數(shù)化過程，其工作模式可抽象為“輸入-邏輯作用-反饋”。

隨著計算機數(shù)據(jù)庫的儲備更加完善和AI技術(shù)的進步。傳統(tǒng)的設(shè)計需要通過設(shè)計師的創(chuàng)意靈感和電腦渲染而成，但是人類大腦始終有局限性，無法將大數(shù)據(jù)進行采集和分析，從而拉長設(shè)計的所需時間，參數(shù)化設(shè)計大大提高了設(shè)計師的設(shè)計效率，可以在了解相關(guān)數(shù)據(jù)的情況下，生成多個設(shè)計方案，設(shè)計師可以選取其中符合的方案加以修改即可完成一件設(shè)計。

參數(shù)化設(shè)計注重形式的邏輯性和注重操作步驟的關(guān)聯(lián)性。它指的是將原來生形的控制結(jié)果通過一套新的操作過程邏輯進行轉(zhuǎn)化而成為一個或多個參數(shù)來進行控制， 它不僅僅可以通過復(fù)雜參數(shù)形體模型的設(shè)計幫助從而使控制輸入數(shù)據(jù)參數(shù)和控制輸出數(shù)據(jù)形體之間能夠建立精確、可控的邏輯聯(lián)系，而且它還可以幫助讓復(fù)雜參數(shù)形體的模型設(shè)計、建模工作成為一種可能。另一方面通過改變這些參數(shù)的值來改變設(shè)計結(jié)果，這樣也更方便設(shè)計師在設(shè)計過程中進行修改和操作。

在使用參數(shù)化設(shè)計的方法開發(fā)產(chǎn)品時，零件設(shè)計模型的建立速度是決定整個產(chǎn)品開發(fā)效率的關(guān)鍵。產(chǎn)品開發(fā)初期，零件形狀和尺寸有一定模糊性，要在裝配驗證、性能分析和數(shù)控編程之后才能確定。這就希望零件模型具有易于修改的柔性。

3 參數(shù)化設(shè)計的成果與意義

3.1 參數(shù)化設(shè)計的應(yīng)用情況

參數(shù)化設(shè)計最開始在建筑設(shè)計中興起，之后慢慢涉及交通、產(chǎn)品、家居、服裝設(shè)計等各個領(lǐng)域。初期，建立零件設(shè)計模型的速度快慢直接決定了整個工作效率。其中零件形狀和尺寸都要在驗證、檢驗分析和數(shù)控系統(tǒng)編程完成之后才能進行確定，是希望零件制造模型能夠具有一種反復(fù)修改的高度柔性。參數(shù)化設(shè)計就是將任意模型調(diào)整中的一個定量參數(shù)通過變量參數(shù)化，使之可以成為任意模型調(diào)整的參數(shù)。對于變量化后的參數(shù)值再賦予不同的參數(shù)值，就等于可繪制得到不同物體大小和各種形狀的零件模型[2]。在CAD中，想要正確實現(xiàn)各種參數(shù)的優(yōu)化工程設(shè)計，關(guān)鍵性在于建立參數(shù)化模型。參數(shù)化模型表示了一個零件圖形的幾何和工程約束，其中幾何約束主要包括結(jié)構(gòu)和尺寸約束[3]。結(jié)構(gòu)約束主要是廣泛指介于幾何結(jié)構(gòu)元素之間的各種拓?fù)浼s束關(guān)系，如結(jié)構(gòu)平行、垂直、相切、對稱等；尺寸約束則主要是通過使用尺寸測量標(biāo)注法來表示的測量約束，如平均距離測量尺寸、角度測量尺寸、半徑長度尺寸等。工程尺寸約束關(guān)系是泛指工程尺寸之間的一種約束測量關(guān)系，通過測量定義工程尺寸中的變量及它們之間在工程數(shù)值上和工程邏輯上的約束關(guān)系公式來進行表示。

參數(shù)化設(shè)計對于用戶體驗來說與以往不同，對設(shè)計師來說更加便捷簡潔。2018 UCAN阿里正式發(fā)布了AI“鹿班”設(shè)計，它是通過結(jié)合人工智能技術(shù)快速、批量、自動化的方式進行企業(yè)圖片整體的設(shè)計，為中小企業(yè)用戶大幅度有效節(jié)省人力的人工智能設(shè)計服務(wù)平臺。鹿班設(shè)計主要為大眾提供一頁按鍵生成智能設(shè)計生成拓展設(shè)計制作圖片、拓展設(shè)計尺寸、拓展設(shè)計顏色等智能設(shè)計制作服務(wù)，可隨時隨地做設(shè)計圖，讓人們的設(shè)計制作更簡單。

3.2 參數(shù)化設(shè)計的意義

3.2.1 快速的改善傳統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)技術(shù)問題。

3.2.2 節(jié)約人力與物力，設(shè)計從而簡單方便。

3.2.3 提高AI智能輸出的技術(shù)與工匠設(shè)計的能力。

現(xiàn)在，市場對設(shè)計需求越來越多，其中大量設(shè)計師的作品并不需要體現(xiàn)太多的藝術(shù)獨創(chuàng)性，并且人力成本高，效率低。傳統(tǒng)的設(shè)計是通過設(shè)計師的靈感和電腦渲染所組成的方案，但是整個設(shè)計過程中會伴隨很多因素的影響，如客戶預(yù)算，客戶需求，文化元素等。因此做設(shè)計并不簡單，它需要將各種方面的元素進行排列組合，從而找到最優(yōu)解決方案，在這個過程中設(shè)計師要參考大量的文獻進行查閱，再融合自己的想法思考設(shè)計，這樣不僅導(dǎo)致效率低下還浪費大量時間與精力，這時參數(shù)化設(shè)計便體現(xiàn)出其必要性。它主要有變量幾何法和參數(shù)化建模法，其中變量幾何法主要是適用于平面模型，而基于參數(shù)化建模法更多的適合于三維中的模型。參數(shù)化設(shè)計是變量化設(shè)計的重要前提，借助其中的思想可輕松實現(xiàn)機構(gòu)設(shè)計的物體仿真參數(shù)模擬、物體動力學(xué)設(shè)計。所以，參數(shù)化設(shè)計相對于傳統(tǒng)設(shè)計來說，對未來的設(shè)計方向有非常重要的意義。

參數(shù)化設(shè)計可以大大提高我們與設(shè)計師的溝通效率，還可以把每個構(gòu)件的一些詳細(xì)信息直接生成一個統(tǒng)計表格，方便我們進行統(tǒng)計。最關(guān)鍵的優(yōu)勢是，GH參數(shù)化軟件還可以與一些BIM軟件比如REVIT進行協(xié)同設(shè)計，甚至通過GH的插件，實現(xiàn)rhino的BIM化，另外還可以配合一些算法和插件做一些優(yōu)化設(shè)計。但是真正重要的問題始終還是在于設(shè)計師的邏輯思維，這才是真正可以創(chuàng)造出好產(chǎn)品設(shè)計的動力源泉。

4 參數(shù)化設(shè)計的未來

在舊設(shè)計中，更多的是單位的重復(fù)，隨著參數(shù)化設(shè)計的應(yīng)運而生，設(shè)計中有了許多柔和感性的線條和輕盈層疊的空間、自由想象力豐富的圖案紋樣。參數(shù)化設(shè)計工具的出現(xiàn)實際上是很大程度上突破了設(shè)計工具本身對設(shè)計的限制。我們正處在一個多元化的時代，參數(shù)化設(shè)計可以讓設(shè)計師在這個多元化時代更加不受局限的去進行設(shè)計，發(fā)揮出以前傳統(tǒng)方法完全沒有可能去實現(xiàn)的設(shè)計效果和想法。但同時也對設(shè)計人本身提出更高要求，設(shè)計師本身需要培養(yǎng)清晰的邏輯思維并具備一定的編程思考能力和觀察能力，才能駕馭參數(shù)化設(shè)計工具輔助和不斷發(fā)展設(shè)計。參數(shù)個性化的巨大優(yōu)勢是顯而易見的，參數(shù)式文化建筑設(shè)計運動如同我國現(xiàn)代主義設(shè)計運動一樣，涉及我國建筑設(shè)計領(lǐng)域各個方面的設(shè)計問題，參數(shù)式文化建筑設(shè)計的迅速崛起，也可能是現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計文明迅速取代傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計文明，在我國建筑設(shè)計領(lǐng)域的重要表現(xiàn)。但實際限量參數(shù)因素也是多方面的， 絕大部分存在元素上還是由于參數(shù)個性化建筑設(shè)計眼下依然很不成熟，歸根結(jié)底參數(shù)化還是一種先鋒的建筑設(shè)計處理手法，也正是因為這種不斷的成熟性、先遣性，才有人會讓越來越多的各國建筑師為之感到沉迷，才有人會認(rèn)為其能夠引領(lǐng)未來中國建筑設(shè)計的成長趨向。

仿生設(shè)計是電子參數(shù)自動化工程設(shè)計發(fā)展的重要方向。在國內(nèi)相關(guān)研究中，李曼紅等人利用仿生建模結(jié)構(gòu)技術(shù)對六足模型機器人的內(nèi)部參數(shù)建模設(shè)計進行了優(yōu)化。李大偉等人將參數(shù)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)廣泛應(yīng)用于巨型鯊魚和橡膠趾的整體模型設(shè)計和施工中。金海明利用建模仿生學(xué)技術(shù)，不斷提高軟件產(chǎn)品內(nèi)部建模的整體藝術(shù)質(zhì)量和質(zhì)量。從仿生學(xué)的結(jié)構(gòu)特征到模型的變化都是在研究中，尤其是對于優(yōu)秀的個體功能仿生學(xué)來說，微生物個體結(jié)構(gòu)特征的建模控制參數(shù)和仿生學(xué)優(yōu)化的方式和控制方法還比較少。諸如數(shù)據(jù)參數(shù)優(yōu)化、生產(chǎn)成本低、效率高和管理大量數(shù)據(jù)進程等因素將為數(shù)據(jù)參數(shù)提供優(yōu)化設(shè)計智能等因素，這無疑是未來綠色設(shè)計行業(yè)發(fā)展中不可避免的趨勢。

近十幾年來，參數(shù)個性化工程設(shè)計在現(xiàn)代我國機械制造、建筑設(shè)計領(lǐng)域都已經(jīng)得到了廣泛推廣，日益普遍，越來越多的事業(yè)單位和建筑企業(yè)認(rèn)為采取這種設(shè)計方法可以提高參數(shù)設(shè)計的工作準(zhǔn)確性和工作效率，降低專業(yè)技術(shù)人員的勞動強度，提高建筑企業(yè)核心競爭力。現(xiàn)在國內(nèi)市場對于產(chǎn)品訂制一體化的產(chǎn)品需求也越來越高，對于產(chǎn)品參數(shù)定制化產(chǎn)品設(shè)計的市場需求也日趨強烈。通過企業(yè)參數(shù)自動化施工設(shè)計可以實現(xiàn)企業(yè)設(shè)計施工自動化，從而大大降低企業(yè)設(shè)計施工成本，節(jié)省企業(yè)設(shè)計施工時間及盡量減少企業(yè)勞動力的大量消耗。在未來，參數(shù)一體化產(chǎn)品設(shè)計企業(yè)應(yīng)當(dāng)在進一步充分發(fā)展自己的科學(xué)技術(shù)理性知識優(yōu)勢的基礎(chǔ)同時，更多地深入思考社會環(huán)境、文脈、可持續(xù)發(fā)展、多樣化等等有關(guān)人文社會層面的技術(shù)問題，因此參數(shù)化設(shè)計仍在不斷前進。

5 結(jié)束語

綜合而言，參數(shù)化設(shè)計的應(yīng)用在未來的發(fā)展是可觀的，持續(xù)性的、顛覆性的。因此會有越來越多的行業(yè)，公司提升參數(shù)化設(shè)計技術(shù)，投入大量人才，帶來高效的收益。參數(shù)化的設(shè)計是一種與其他時期不同的設(shè)計風(fēng)格，它有別于其他現(xiàn)代主義設(shè)計時期的風(fēng)格，是或者說已經(jīng)取代了現(xiàn)代主義。參數(shù)化設(shè)計就是指函數(shù)/方法合理地提供參數(shù)表，內(nèi)部邏輯根據(jù)這些參數(shù)進行具體的工作，而由于參數(shù)可以從外部傳遞進來，所以就是等于外部可以控制內(nèi)部的工作方式，大家都很清楚我們能用各種函數(shù)方法做事就是因為這些函數(shù)都提供了操作參數(shù)，我們根據(jù)功能傳遞不同參數(shù)即可，如果使用參數(shù)化設(shè)計，可以在適當(dāng)?shù)膶用鎸?shù)據(jù)修正并繼續(xù)往后面?zhèn)鬟f，還可以方便地模擬數(shù)據(jù)而無須理會外部數(shù)據(jù)。形成參數(shù)化設(shè)計的習(xí)慣，其實是個人編程能力上升的又一境界，參數(shù)化與不參數(shù)化的程序員思想是具有很大差異的，參數(shù)化設(shè)計者看待軟件工程會更加宏觀，所設(shè)計出來的東西更加穩(wěn)定，可維護以及好擴展。