基于基因約束和可拓語義的直飲水機造型設計研究

關鍵詞：造型設計；基因；可拓語義；圖解思維；直飲水機

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：J

文章編號：1003-0069（2024）24-0104-05

引言

直飲水機作為一種能提供高水質飲用水的設備，滿足了人們對健康飲水的需求。傳統直飲水機主要以技術創新為驅動，但隨著技術的發展逐漸成熟以及企業間的競爭日益激烈，賦予產品獨特的造型設計語言來塑造有辨識度的品牌形象越來越重要[1]，直飲水機外部造型的設計在企業市場競爭中變得更為關鍵。另外，直飲水機行業的新生品牌面臨市場空間的縮減，要在新產品設計過程中進一步拓展市場份額，需積極汲取其他企業優秀產品的特征基因[2]，運用工業設計方法，融合企業的品牌理念[3]，生成初始產品基因。該過程對新產品的傳承性與創新性要求較高，而國內直飲水機的設計研究主要集中在產品本身的性能方面和人性化設計改良方面，對造型傳承性和創新性方面的考量不足。

產品造型設計中的傳承性要求與遺傳學基因之間有著極其相似的特征[4]。目前已有學者從產品基因角度對造型傳承性進行了研究，主要集中在較成熟的品牌的迭代設計，側重設計過程中產品家族特征的傳承性，對直飲水機傳承設計具有一定啟示。在產品造型創新性方面，可拓語義能夠基于形式化模型來探討事物拓展的可能性[5] 并結合圖解思維[6] 進行圖形化表征和造型演變，可用于拓展造型思路，為造型創新設計實施過程提供了客觀有效的指導。

借鑒前人的研究成果，本文在產品基因約束的前提下，應用可拓語義方法對直飲水機造型語言進行傳承和創新，并將研究結果應用于直飲水機造型設計中，進一步開發直飲水機產品的市場空間，提升企業新產品的市場競爭力。

一、相關概念及研究方法

（一）產品基因

在工業設計領域，“基因”指的是在新產品造型設計的過程中延續，并保留某一特征造型，使新產品與原有產品之間具有相似性和一定差異性，形成一種整體感和品牌識別度[7]。

產品基因可以分為顯性基因和隱性基因，分別指產品的外顯特征和潛在的語義內涵，其中外顯特征包括產品基本功能、形態、材質、加工工藝、色彩等可以直觀感受到的要素，潛在的語義內涵包括產品造型語義、用戶認知、企業理念以及文化背景等可以形容產品風格的要素[8]。產品基因的提取與分析為設計過程中確定產品基因約束和設計變量奠定基礎。

層次分析法：由美國運籌學家托馬斯·賽蒂在20 世紀70 年代中期提出的一種定性與定量分析相結合的多目標決策方法，其實質是試圖使人的思維條理化、層次化[9]。可用于對樣本的層次化分組實驗并提取影響樣本分組的顯性特征要素。

（二）可拓語義分析

可拓語義分析是基于可拓基元理論并結合圖解思維的一種創新設計方法[10]，通過產品語義思維與圖解思維的結合，以量化的形式呈現物元、事元、關系元之間的關系，解決無法規范表達的內容[11]。本文運用可拓語義分析對直飲水機隱性基因進行提取、分析和圖解表達，并對圖解元素進行拓展變換，為后續方案設計提供了思路。

1. 隱性基因的可拓分析方法

按照可拓學中的基元理論，為了量化描述直飲水機設計中的思維過程，將對象 O、特征 C、量值V 統一到一個三元組當中[12]。在直飲水機造型設計過程中，其基元表達式為式（1）：

2. 隱性基因圖解元素的可拓變換方法

運用可拓變換的方法，對隱性基因的圖解語義元素進行復制、擴縮、分解、增減變換和置換變換[13]。基本規則過程如表1所示。

二、基于基因約束和可拓語義的直飲水機造型設計流程

直飲水機造型設計從產品視角看主要包括了現有產品特征分析、用戶需求獲取分析、創新和傳承設計實踐等多個流程，以基因視角看主要涉及基因評估和基因優化流程[14]。

其流程如圖1 所示，主要分為6 個步驟。1. 典型樣本確定。2. 基因約束分析。3. 直飲水機隱性基因獲取。4. 隱性基因可拓區間分析。5. 基因圖解語義庫構建。6. 直飲水機方案設計及評估。

此方法旨在將現有產品中較難變化的顯性特征與用戶對直飲水機的感性需求共同融入直飲水機造型設計中，設計出具有傳承性和創新性的直飲水機造型形態，形成產品市場競爭力，樹立品牌形象。

三、現有產品特征分析

（一）典型樣本確定

市場產品是一段時間內用戶需求的外化，對現有產品的造型特征進行分析有助于明確產品現有的設計約束和設計方向。通過網絡、雜志、企業資料查詢等渠道對市場現有直飲水機進行廣泛搜集，去除相近、相似和時間較為久遠的產品樣本，整理出市場上常見的直飲水機共20款。本次研究選擇包含主要產品信息的正面側45°作為研究對象。為避免顏色因素對后續實驗的干擾，對樣本進行去色和編號，見表2。

（二）基因約束分析

根據市場現有產品分析直飲水機主要外觀特征，如圖2。以20款直飲水機作為研究對象，通過焦點小組法從形態要素、尺寸與位置及基本功能和CMF 特征3 方面展開了顯性特征約束分析。

1. 形態元素權重約束：直飲水機主要形態元素包括控制面板、儲納柜、出水口、接水盤、側面輪廓以及移動萬向輪6 個要素。認知心理學中“選擇性注意”概念指出用戶在面對產品時，他們的注意力是有限的。產品造型中的重點元素，如獨特的形態、對比度高的區域，可以吸引用戶的注意并幫助用戶快速獲取產品關鍵信息。因此，可以通過層次分析法實驗，在層次化分析的過程中獲取人們對直飲水機形態的關注點，確定直飲水機各形態元素在視覺上的優先級和強度，明確造型設計的重點元素。

首先邀請12 位不同專業的人員作為被試，請被試根據圖片中的產品造型特征對樣本進行多輪分組，在分組過程中說明每一次具體的分組原因，每組樣本個數不限。最后通過比較12 位被試分組的理由與傾向，對形態要素按照A1～A6 進行編號，統計各形態要素提到的次數并計算頻率確定要素權重。

按照權重大小對影響直飲水機形態的要素排序為A1 控制面板（100%）、A5 側面輪廓（83%）、A4 接水盤（58%）、A3 出水口（50%）、A2 儲納柜（42%）、A6 移動萬向輪（8%）。因此，直飲水機形態要素中A1 控制面板和A5 側面輪廓是造型設計的重點元素和主要變量。

2. 形態尺寸與位置約束：產品造型的設計過程需要考量現有技術和結構對形態尺寸與位置的約束，因而與技術人員針對直飲水機內部結構和形態特征進行交流，參考表2 和圖2，得出其尺寸與位置方面的主要約束為：

（1）直飲水機的高度尺寸為1450mm。

（2）控制面板區域與儲納柜長度比值＜ 1。

（3）出水口在接水盤的上方，兩者之間需留出的垂直距離≥ 290mm。

（4）出水口對稱分布。

（5）接水盤在儲納柜的上部放置。

（6）側面寬度小于整體機身正面寬度，整體寬度約460mm。

3. 基本功能和CMF特征約束

根據馬斯洛需求層次理論，將用戶在使用直飲水機時的需求分為生理需求、安全需求、認知需求。直飲水機需要設置至少兩個出水口以及提供不同容器放置空間的接水盤滿足公共空間多用戶飲水的生理需求；在造型設計中可進行圓角設計、操作提示標識設計滿足用戶對使用環境和操作過程的安全性需求。

直飲水機的色彩、材質及加工工藝（CMF）特征影響著企業利益和用戶更高層級的認知需求，而針對各樣本的分析發現，直飲水機主要材料是金屬板材，其生產技術以鈑金折彎工藝為主，加工過程中材料厚度不變且無法制作復雜形態。其色彩受到材質和加工工藝以及產品市場定位的影響，主要以黑白灰并輔以點綴色為主，呈現簡約、大氣、可靠的產品風格。因而在造型設計中應注重CMF 特征的改變對生產成本和用戶認知產生的負面影響。

四、用戶需求獲取分析

（一）直飲水機隱性基因獲取

從用戶感性認知意象和品牌理念中獲取直飲水機的隱性基因。首先通過訪談法并借助品牌官網、相關書籍雜志等二手資料廣泛查詢和搜集直飲水機造型意象詞匯。其次，對企業負責人進行訪談，了解到相關負責人想要傳達的品牌理念為現代、創新。最后，由2 名設計專業的學生和4位有工作經驗的設計人員共6名設計師組成小組1，結合表2 中的直飲水機的典型樣本，以及目前直飲水機的工作特性和市場定位、品牌理念，最終選出5個最符合直飲水機造型風格特征的感性詞匯作為隱性基因，即：簡約、現代、創新、高端、智能。

（二）隱性基因可拓區間分析

1. 隱性基因關聯度評分。運用語義差異法，將上述隱性基因和20個直飲水機樣本結合，根據Likert5 級評價量表建立樣本的語義差分問卷。采用線上和線下結合進行問卷調查，結合產品受眾，將問卷發放給具有直飲水機使用經驗的公司工作人員和在校學生。請被試者對隱性基因與造型風格的關聯度進行評估，共收回有效問卷25份。

歸納整理上述數據，見表3。根據表3的數據，對直飲水機隱性基因的可拓設計區間從大到小進行排序和編號，依次是：S1創新、S2高端、S3簡約、S4現代、S5智能。在設計時應對可拓區間較大的隱性基因充分考量。

五、創新和傳承設計實踐

（一）基因圖解語義庫構建

1. 隱性基因語義圖形搜集和篩選。從現有樣本和網絡搜索途徑中選出與直飲水機產品具有相似功能、相同材料或相同加工工藝的并且隱性基因相關性較強的造型語義圖片，將選取的圖片進一步篩選并進行去色和重新編號。

2. 圖形分析與圖解。利用圖解思維，選取圖片中的控制面板、側面輪廓或主要幾何特征等重點造型要素對隱性基因進行圖解表達和編號。

最終根據篩選和分析圖解結果構建隱性基因可拓圖解語義庫，見表4。

（二）方案設計與方案評估

1. 基因圖解語義可拓變換。根據可拓區間排序，從表4 中選取可拓區間較大的“S1 創新”“S2 高端”和“S3 簡約”3 個隱性基因對應的圖解元素進行可拓深度變換。從產品創新性設計出發，以形成具有差異度的控制面板和側面輪廓造型為標準進行變換，例如：對“S1創新”中的S111 和S131 進行置換變換，S141 和S142 分別進行復制變換、“S2 高端”中的S211 和S241 進行置換變換、“S3 簡約”中的S322 進行變換，最終產生的新的造型元素共同組成可拓變換造型設計元素集，編號為SF01～SF19，見表5。

2. 元素選取和方案設計

（1）元素選取。首先從產品創新性出發選取最符合描述相應隱性基因的設計元素。邀請小組2 的設計師討論表5 設計元素應用在控制面板或側面輪廓中對相應隱性基因的描述情況，進行初步篩選。

再從產品傳承性出發，進一步選出符合顯性基因約束的設計元素，設定評估區間1～5分，分數越高表明相應設計元素越適合直飲水機的市場定位。由于元素SF03 應用在控制面板部分時不能滿足多個出水口和元素SF13 應用在側面輪廓部分時不符合尺寸與位置約束中的出水口與接水盤距離要求，元素SF17 不符合公共空間使用安全性的要求等，最終選取得分較高的，涉及控制面板和側面輪廓的圖形元素SF01，SF05，SF08，SF12，SF16進行后續方案設計。

（2）方案設計。將選取的5 個圖形元素融入方案設計中進行產品的創新性設計，拉開差異度；對功能、CMF 特征以及尺寸與位置、形態權重值較小的顯性基因進行產品的傳承性設計，不做較大改變。共得到3 款設計方案如圖3。

其中方案1選取SF01 元素，采用圓形并向上凸出的控制面板設計，見圖3（a）。方案2 選取SF12 和SF16 元素進行側面輪廓設計，出水口側面部分參考SF16進行斜切，增強用戶操作便捷性，見圖3（b）。方案3 選取SF05和SF08元素，對直飲水機上部分側面輪廓進行了凹凸處理，同時將出水口的冷熱控制區噴涂不同于機身顏色和材質的中性色金屬漆，見圖3（c）。

另外，上述3 款方案的接水盤都傳承了基礎的方形造型和金屬材質；機身外殼在鈑金加工工藝可實現的基礎上保留圓角處理，避免磕碰風險；水龍頭與接水盤的距離都控制在290mm，儲納柜和移動萬向輪等部分傳承已有設計要素。整體方案在創新設計的同時，盡量避免新產品的設計導致用戶識別和操作成本增加。

3. 方案評估

為進一步檢驗結合基因約束和可拓語義分析方法在設計實踐中的有效性，采用模糊綜合評價法[9] 對上述方案進行評估。評估過程如下：

（1）確定評價指標和評語集；確定評價指標U 包括u1 造型創新性、u2造型傳承性、u3造型可行性，表示為U={u1、u2、u3}。設定評語集X={x1 差、x2 較差、x3 一般、x4較好、x5 好}，劃分為5個等級，表示為X={-2、-1、0、1、2}。

（2）確定指標權重；根據評價指標U 中各元素的重要程度，由小組3 人員采用1～9 標度法進行評價，統計得到各指標權重系數，見表6，表示為W={0.297，0.164，0.535}，由于方案最終要考慮落地的可能性，因而造型可行性占權重較高。

（3）確定模糊綜合判斷矩陣；設定方案綜合判斷矩陣為R，R={R1、R2、R3} 將問卷線下發放給從事設計工作的相關人員和有生產經驗的公司技術人員共20人，根據上述評價指標，對3 款設計方案進行打分，共回收有效問卷20份，整理評價結果，整體方案的突破性和產品傳承性獲得一致肯定，計算3 款方案評分矩陣。

（4）確定綜合評價模型。設定綜合評價模型為B，3方案的評價模型表示為B={B1、B2、B3}，則各方案的綜合評價模型為：

根據方案模糊綜合評價值，方案1、方案2 和方案3 分別得分1.235、0.945、0.894 分。最終選擇方案一進行打樣和后續生產。

結語

本文結合基因約束和可拓語義兩種分析方法的優勢探索了直飲水機造型設計的方法。結果表明，對市場直飲水機產品進行基因約束分析可以更好地在直飲水機造型創新過程中傳承同類產品的主要特征并明確變換方向。基于可拓語義分析可以幫助設計人員更有效地將用戶感性需求融入造型設計中，并生成獨特的產品造型元素，為設計人員進行創新性設計拓展造型思路。將基因約束與可拓分析結合起來，能夠有效處理直飲水機造型設計中傳承性和創新性的矛盾問題，為提高產品市場競爭力，并進一步拓展市場空間創造了條件。