参数化技术在家具设计中的应用研究∗

周郑雅 张仲凤

（中南林业科技大学湖南省绿色家居工程技术研究中心，长沙 410004）

1 参数化技术概念

参数化技术是指在参数化软件中通过一定算法生成三维立体模型，在算法运算过程中可以通过改变参数而使模型发生改变，并且整个变化过程可视。该技术打破了传统手工、绘画、设计需对已知的事物进行描绘的桎梏[1]，设计者既可以通过分析程序内在逻辑规律认识形体，又可有目的地生成与改变形体。参数化技术的优势在于提高设计与生产效率、节约成本、减小出错率，具有信息可视化、方案可优化、虚拟现实化的优点，因而使得其在多个行业逐渐流行。

2 参数化技术在家具设计中的应用优势

2.1 信息可视化

信息可视化是将模型、表格、网络、投票等抽象数据通过图形的方式展现出来。这种技术有利于人们更直观、高效地理解与分析信息，将人与机器有机结合起来，充分发挥各自的优势实现最优结果。这种借助图形化手段将数据可视化具有更大的认同感和趣味性[2]。

2.2 方案可优化

参数化技术为家具设计师提供了高效改变模型形体的工具，使得模型结果更加多样化，可借助数学算法对结构拓扑，形状和尺寸进行优化设计[3]。设计中除了考虑产品实用、美观、经济等因素，如能将环境、资源、产品综合性能评价等纳入其中，可得到更优的家具设计方案[4]，由于家具设计需考虑诸多影响因素，增加了复杂性和不可控性，而基于参数化技术的设计、生产与信息管理可为其提供更多的可能性[5]。

2.3 虚拟现实化

参数化在虚拟现实化的优势主要体现在反求技术过程中，对实物的反求经由选取事物、表面轮廓数字化测量、数据分析、CAD模型重构、快速成型一系列步骤，其中在模型重构阶段可通过Pro/E、GH、NX等创建曲面的工具对模型进行修改，并通过3D打印技术、数控技术共同实现实体化[6]，如图1所示。

图1 原实物与新建实物转换关系图Fig.1 Transformation relation diagram of original object and new object

3 参数化技术在家具设计中的应用策略

3.1 设计阶段

3.1.1 以人为本

居家环境中，家具与人的接触频率最高, 家具风格、使用舒适度对人生理和心理有很大影响，因此家具设计应以人为本，要求家具具有与使用环境的可协调性，可激发人的自发性活动，提高人们的生活质量[7]。在家具设计中，运用参数化技术通过控制数值将产品结构与人机工学建立联系，例如通过传感椅获取用户人体数据，利用机器学习等方法生成多种类型的家具，满足用户对于家具个性化设计的需求。

3.1.2 以功能为准则

对家具功能化考量往往针对某一个特殊群体或某一现象的适用范围，比如儿童、老人、亲子互动、小户型等等。产品的实用性是考量一个设计是否优良的重要标准，除此之外，还要满足美观、时尚、个性化等条件。无论是对家具产品主要功能还是辅助功能设计，均应采用参数化技术针对用户的不同需求进行模型的高效修改，在精准满足用户需求的同时，提高设计效率[8]。

3.1.3 以结构为导向

产品多功能化是家具设计发展的趋势，如座椅、柜体、灯具已不再具单一功能，这对产品结构的设计提出了挑战。同时，产品结构简洁化、模块化、仿生形态已成为众多消费者的选择。因此在参数化设计中 ，利用遗传算法、拓扑优化快速构建简洁有序的结构形态[9]，还可以模拟自然环境、力学等，打破传统设计思维，以设计出更加丰富的产品。

3.2 生产阶段

3.2.1 产品精准制造

家具受空间限制的影响，往往体量较小，形态多变，在生产中会因设计出现误差导致成本增加，加工废料增多而造成资源浪费。参数化设计平台可以与生产设备在计算机模型与设计产品之间建立联系，通过模型数据对产品进行精密制造，比如在进行一些复杂曲面造型或者需要大量零部件组装时，可采用CNC数控系统、3D打印技术等，使模型快速精确地实现产品实体，在提高生产效率的同时也方便运输。

3.2.2 工艺设计优化

参数化技术应用于家具产品生产过程主要有CNC数控切割、3D打印技术、有限元分析[10]等。CNC切割技术主要应用于切片家具，通过切割大小、形状不同的单元按规律组成家具造型。3D打印技术应用于家具生产具有减小制造难度、缩短研制周期、零技能制造、个性化定制的优势[11]。有限元分析普遍被应用于多个学科，运用有限元仿真软件 ANSYS Workbench对产品结构进行分析与优化[12]。利用参数化技术进行家具生产时，应根据家具体量、材料、结构优化工艺。

3.3 产品信息管理阶段

对家具加工过程中原始数据进行整合、优化、交换、共享，实现企业信息全集成[13]。通过追踪产品参数、整个家具制造过程的环境参数、基材基础参数、机器运行过程以及工人规范化操作的监控和优化管理，以实现对加工过程中存在的质量问题的控制和预防。

4 参数化技术在家具设计中应用的案例分析

本文选用家具产品中具代表性的座椅类作为设计对象，基于参数化技术进行创作。座椅类家具在设计过程中除了需考虑其安全性、舒适性、功能性、美观性等，还应考虑产品材料的选择、加工工艺、组合形式等。“阴阳椅”的参数化设计在前期主要综合考虑文化、社会、人等相关因素和产品舒适度、安全性、功能性（主要功能与辅助功能），完成对产品的设计定位；中期将材料选择、加工工艺、运输与安装成本等因素纳入参数化设计[14]；后期则主要对项目信息进行管理。

4.1 设计阶段

“阴阳椅”设计采用Grasshopper作为参数化编辑软件，该软件适用于满足条件的任一形体，主要通过对参数调节改变产品结构[15]。在“阴阳椅”设计阶段，分别对其基本理念、人机工学、功能与结构四个方面进行考量，得出最优解。

“阴阳椅”设计理念来源于中国古代哲学的阴阳学说，结合现代思想，以抽象、极简的诉求构建出新的表达方式。座椅分为两个部分，可拼合作为躺椅，也可分开作休闲椅单独使用，围合、半围合空间给人以安全、舒适的心理感受。“阴阳椅”采用波纹管修饰弯曲柔和的曲线，利用信息可视化的优点，从视觉与触觉上进行优化，如图2、3所示。

图2 座椅单体造型图解Fig.2 Seat monomer modeling

图3 座椅在Grasshopper中的可视化算法Fig.3 Seat algorithm in Grasshopper

“阴阳椅”最基本的功能是满足休憩、休闲、阅读。座椅设计的基本要求是要满足使用者的舒适性与安全性需求。依据人体工学尺寸塑造座椅基本形态，如表1所示，塑造好的曲面被拾取到Grasshopper的基础编辑器中，使用集合编辑器中组件SDivide生成曲面上U、V方向点的栅格，根据生成的列表连线[16]。在这一过程中，设计师通过滑块控制U、V方向上点的数量以及每根圆管的半径数求得最优解，参数化方案可优化的特点免除了设计中繁杂反复的工作[17]。

坐卧类家具除了要满足休息这一主要功能，还可能需要增加一些辅助功能，例如：收纳置物、植物养殖等。“阴阳椅”的功能划分明确，二为一体，分别为休息坐卧区与休闲置物区，如图4所示。座椅分为两部分，既可分开为多人交流提供空间，又可合二为一围合成私密空间。

表1 阴阳椅的主要功能形态和参数Tab.1 Main functional forms and parameters of yin-yang chairs

图4 阴阳椅功能划分Fig.4 Function division of yin-yang chairs

“阴阳椅”结构的设计符合现代个性化审美、模块化的极简风格要求，但并不是座椅造型唯一的表现形式。Grasshopper技术为座椅模型设计提供便利，同样的逻辑语言能够快速构建多种结构形态的结构线形式座椅[18]，如图5所示。图中公共座椅为比利时工业设计师Sebastien Wierinck利用波纹管设计而成，这种艺术表现手法无疑使空间环境变得灵动、更具趣味性[19]。

图5 结构线表现形式的座椅Fig.5 Structure line representation of the seat

4.2 生产阶段

生产环节是产品设计的升华阶段，既要精确模型又要确定产品材料可适性。“阴阳椅”采用的波纹管便于弯曲，又具有较高的强度，不锈钢金属表面颜色可以根据喜好与环境搭配。最重要的是起到支撑作用的钢管结构及其连接件的精准设计，利用Grasshopper建立以20 cm为间隔座椅截面形态，并bake(烘焙)到Rhino中便于精准制造，连接配件可以进行现场组装，便于运输，提高了生产与经济效益。

为保证钢管结构的稳定性，运用金属材料弯曲成型的计算机模拟分析。高温状态金属材料成型的本构方程可以表示为 ：σ=σ(ε，T，S) ，其中ε为金属材料应变速率，T为成型的温度，S为金属材料内部组织参数[20]。引入本构方程求出金属材料的应力状态与应变增量的关系，再根据建立的有限元几何模型确定弯曲成型的温度，实现金属材料弯曲成型，论证方案的可行性、稳定性。座椅侧面图如图6所示。

图6 座椅侧面图Fig.6 Side view of seat

4.3 产品信息管理阶段

“阴阳椅”作为家具产品，从设计阶段到生产阶段都采用了参数化技术，探索性的尝试初步论证了参数化设计应用于家具设计中的可行性，产品完成后，将设计与加工过程中的数据进行整合。利用物料清单 (bill of material，BOM)将产品的配置结构形成质量信息清单。这种“质量信息”组织方式能够便于追踪记录产品中不同零部件在不同时间纬度上的“质量信息”，方便质量问题的追溯和分析[21]，利于今后产品质量的过程控制和事前事后预防，也为今后参数化设计在室内家居产品中的应用积累充分的数据与实践经验，为新产品的研发与设计提供参考。

5 结语

现阶段，参数化设计在家具设计中的应用还处于萌芽阶段，利用参数化技术对家具产品建模、生产、分析是家具行业的发展趋势。参数化设计可满足家具市场个性化、模块化、大批量生产需求，在家具设计与制造过程中，设计师可以参数化技术为手段，使模型建立更快捷高效，设计实体更精准安全。当然，优秀的家具设计主要取决于设计师的设计理念与创意思维，但参数化技术作为一种辅助工具，可帮助设计师将创意变为现实，其在家具领域的应用与发展，将对产品质量的提升与家居环境的整体改善产生积极影响。