竹编织结构的参数化设计与运用

（浙江农林大学 艺术与设计学院，浙江 杭州 311300）

1 grasshopper 的运用与研究现状

1.1 grasshopper 的运用

Rhino 由美国Robert Mcneel&Assoc 于1998 年正式开发，是基于nurbs 图形技术的专业3D 造型软件，最早主要用于辅助工业产品造型与生产的计算机辅助工业设计（CAID）软件，能够帮助设计师完成工业产品的构想、造型以及提供与计算机辅助制造软件的接口，用于产品最后的整套生产流程。

grasshopper 作为rhino 的一个内置插件，是一种基于Rhino 平台运行的可视化程序语言，具有两个最大的特点：其一，只需通过指令输入，计算机就会按照拟定的算法自动生成结果，其算法结果不局限于模型、视频流媒体以及可视化方案；其二，将程序经过算法编写后，计算机的循环运算就会取代机械性的重复操作以及大量具有逻辑的演化过程，其结果也可以直接通过参数修改来调整，这些操作方式可以极大地提高设计人员的工作效率。

Mesh+以及weaverbird 是grasshopper 中已经被编写好的运算插件，Mesh+能在grasshopper 中自由地进行网格编辑、创建、交互和拓扑修改。weaverbird 是款可以针对网格进行快速编辑的软件，其中文名字叫做织巢鸟，插件中包括了网格细分、模型转换工具，支持对网格体进行快速编辑，省去了许多重复步骤，让网格设计变得更加轻松。本研究主要通过该两个运算插件来进行编织纹样的花瓶模拟和设计。

1.2 研究现状

国内有关rhino 和grasshopper 的文献有很多，其中较有价值的文献也有相当一部分。通过在rhino 的基础上，结合grasshopper 插件，运用mesh+和weaverbird 来参数化建模的方式可以使设计更加智能化，让建模更高效且更具有科学的数据支撑。

参数化编织文献更多呈现在建筑领域，如同悦、许蓁的《编织形态的数字化策略》，任晓霏的《基于参数化建模的建筑“编织”主题研究——以莱州草编博物馆概念设计方案为例》等优秀文献资料。虽然该类文献研究grasshopper 的编织结构运用在建筑上，但其与产品的参数化编织也有许多共通之处，因此对本研究也有极大的参考价值。而grasshopper 在产品上的运用也有戴欣伟的《基于Grasshopper 参数化设计在产品设计中的应用探索》，李森然、耿晓杰的《基于分形理论的家具形态创构研究》 等优秀文献。因此对于运用Grasshopper 来进行参数化产品设计有着可观的研究前景。

国外与grasshopper 相关联的文献也有相当一部分，但依旧主要运用于建筑方面，产品方面较少，因此主要从国内有关grasshopper 的优秀期刊、专利、会议、学位论文进行研读与参考。

2 竹编织花盆

2.1 竹编

编织在中国有悠久的发展历史，对于编织工艺品而言，如果按照原料划分，则主要有竹编、藤编、草编、棕编、柳编和麻编等六大类。编织的工艺品种主要有日用品、欣赏品、家具、玩具和鞋帽等五类。如下主要从竹编工艺进行研究。

中国传统竹编工艺分为细丝竹编工艺和粗丝竹编工艺。细丝竹编工艺又被人们称为瓷胎竹编工艺，是四川特有的手工工艺，以精细见长，制作而成的瓷胎竹编工艺品，其竹丝厚薄均匀，紧贴瓷面，接头藏而不露，浑然天成。常见的细丝竹编工艺品有瓷胎竹编花瓶、竹编茶具等。

我国南方地区主要是粗丝竹编工艺：东阳竹编、闽西竹编、三穗竹编等。南方地区拥有淡竹、慈竹、毛竹等两百多种竹子，不同地区的人们创造了各种艺术特色的编织工艺，仅东阳竹编就拥有260 多种编织技艺。常见的粗丝竹编工艺品有竹编凉席、凉枕、筐、篮和摇篮等，使用性较强，常作为各种生活用品。

如果按照竹编工艺编法来分类，则有平编底、四角孔编底、米字型编底（俗称菊编底）、斜纹编法图解、圆口编制法、六角孔编法、双重三角形编法、三角孔编法、梯形编法、回字形编法、一挑一编法等。竹编的纹样则主要有方格纹、回纹、米字纹、波纹等。

竹编在花盆的运用上也较为常见，其在具有观赏价值的同时又保证了功能价值。同样的编织工艺、纹路可以运用在形态各异的花盆上，会产生不同的观赏效果和功能价值。

竹编花盆因为其材料和制作工艺的特性，竹条与竹条之间往往会存在间隙，当水分含量过多时容易渗出或是易导致竹花盆腐烂。因此，竹花盆虽然有着低碳、环保、成本低廉和美观等优势，但也有易腐烂、不密封等劣势。

2.2 陶瓷3D 打印

为了保留编织独特的审美价值，通过参数化建模来设计编织纹样的花盆，并且通过建模得到的花盆可以采用3D 打印的方式来进行实物制作。现已有部分通过参数化设计花盆的案例，运用的插件也各有不同，所得到的产品也形态风格各异。

先利用参数化来进行花盆外形以及结构的设计，再通过3D 打印陶瓷材料来得到陶瓷花盆。现有的陶瓷3D 打印技术所运用的材料是由陶瓷粉末和粘结剂混合而成，激光作用在打印材料上会引发内部的交联作用固化成型，然后逐层打印成型陶瓷零部件。形成相对密度接近100%的高强度产品，所制备的陶瓷产品的物理化学性能已经能媲美常规的注射成型或干压成型产品。参数化建模得到的产品可以为常规的手工制作陶瓷带来极大的便捷，能做出一些手工无法做出的结构或形态，且陶瓷3D 打印的市场在以较快的速度扩大，有着较好的市场潜力和经济效益。

3 设计的展开

采用grasshopper 中的mesh+以及weaverbird 两个插件来进行编织模拟和设计。在运用grasshopper 之前，首先需要在犀牛中画好陶瓷花盆的整体造型结构。为了保证展示的简洁明了，先在rhino 界面中使用椭圆工具画了4 个圆并用放样工具画出了陶瓷花盆外形的nurb 曲面，如图1 所示。

图1 花盆的曲线和曲面

当有了外形nurb 曲面之后，才能进行下一步的参数化建模。在犀牛中运行grasshopper 后，将在犀牛中画的nurb 曲面设定到grasshopper 的surface 电池中，因为mesh+的thatch 插件需要用mesh 面才能连接，因此必须先将nurb 面转化为mesh 面。通过将surface 电池连接mesh surface 电池，可以重构所需要图形的UV坐标点数。为了确保运行的流畅度,所设置的UV 点数不能过大，需控制在100 以内，否则后续的电池连接会因电脑运算超负荷而导致软件无响应。当转化好mesh面之后连接mesh+插件中的thatch 电池。在thatch 中可以调节和设置合适的宽度和距离。在调节T0 列边宽度时，要控制好大小，数值不能超过1，否则会导致网格生成失败。在调节D 距离之时，同样也要控制好数值的大小，如图2 所示，过大的数值会导致编织网过于凹凸，显得很不真实。图3 为Thatch 完整运算图。

图2 Thatch 运算

图3 Thatch 完整运算图

经过thatch 插件可以直接得到编织状的结构，但不够精细，需要通过weaverbird’s catmul-dark subdivision 这一插件来细分所得到的mesh 面，该电池可以调节细分的阶数，有一、二、三阶，三阶也是最为精细的。再将细分过的mesh 面连接到织物网变厚工具让编织网有一个厚度。可以在距离处设置合适的数值，同样该数值不能过大，通常编织竹片的厚度较薄，为了还原较真实的竹编织的效果，厚度设置同样需要调节到位。而后将会得到一个完整的编织结构由mesh rbird面组成的模型，如图4 模型①所示。

图4 四个编织模型

Mesh+中还有其余5 个插件能直接用来编织，不同的电池能产生不同的作用和效果，例如net 电池，在输入多个可调节数据之后，能根据所需要的尺寸达到预期的效果。分别在T0、T1、T2、T3、D 中输入数据之后，将得到如图4 模型②所示的编织结构。

而在使用criss cross 电池后，在T0、T1、T2、D、C、F中输入数值之后，又将得到不同的编织效果，如图4 模型③所示。

也有别的方式可以进行参数化建模来模拟编织结构，但没有这两个电池便捷和快速，如图5 所示。不运用mesh+和weaverbird 也是可以进行参数化编织设计的，通过圆条状结构和竹片状结构的分别计算和建模，能得到所需要的编织结构，如图4 模型④所示。但这较为费时费力，但其结构mesh+中的weaverbird 插件无法直接生成，因此各有利弊。

图5 运算图

通过mesh+和weaverbird 插件绘制的花盆经过渲染得到的效果，可以经过陶瓷3D 打印技术来进行实物的打印制作。

在keyshot 渲染中，可以根据所想要的产品预期效果给模型添加材质，例如陶瓷花盆应添加陶瓷材质来达到预期效果。将竹编织的结构纹样和陶瓷材质的结合，既保留了竹编的结构和造型特色，又能让花盆更加结实耐用，极大地减少了手工编织制作的时间，又能根据自己所需要的造型和形态来进行数值改变和替换，也能做出许多普通竹编织无法做出的造型和纹样，有着巨大的潜力和市场价值。渲染效果如图6 所示。

图6 渲染效果图

4 结语

运用grasshopper 来进行参数化建模不同于直接在rhino 中建模，参数化的方式能更快捷地进行一些智能化的数值调节，而其插件内原本带有的电池则能方便快捷地通过一系列自带的运算来建模，这是常规的建模手段无法快速做到的。

本研究展示的参数化编织花盆设计通过还原部分传统的竹编花盆纹样，在保留编织的特有结构和纹理的同时，融入一些传统竹编无法制作的编织纹样，能为编织花盆提供更大的设计空间，再通过3D 陶瓷打印的技术将所设计的模型快速制作出来，大大节省了时间成本。陶瓷材料有其本身的优势，而竹编织则有易腐烂、不密封等缺点，因此通过3D 打印的模型相比较传统的制作方式会有其优势之处。这种通过参数化来进行设计的方式是现在以及未来产品设计不可或缺的，并在设计界越来越被认可。