竹编结构的参数化建构与复合应用

江晓斌，傅桂涛

（浙江农林大学 艺术设计学院，浙江 杭州311300）

作为中国优秀传统民间手工艺代表之一的竹编有着悠久的历史，是珍贵且具有重要价值的文化资源。保护、弘扬与发展中国的竹编文化，是顺应时代潮流的必然之路［1－2］。

各式巧妙的结构是竹编的精髓，在数千年历史文化的传承之下，竹编结构符合了历代人民对于部分生活用品和审美情趣的需求［3］。例如挑一压一的编织手法则是竹编中最为基本的，其简单而又巧妙的结构是科学的，富有弹性且又能承载较大的质量。因此竹编结构的特性让其在部分生活用品中发挥着作用［4］。但传统竹编也因其结构的局限性和材料的制约导致其逐渐和现代产品脱节，如何将传统竹编结构更好地运用在现代产品上是一个有待深入研究的问题。

随着科学技术的不断发展，竹编结构可以不通过竹蔑的手工编织来实现，例如3D打印的方式就可以用各类不同的材料来实现竹编结构［5］，通过结构的再设计和材料的替换将赋予产品更优良的品质。具体可通过提取传统竹编结构的经典元素，运用Grasshopper参数化设计的方式，将传统竹编赋予多层复合式的立体空间结构，使其有更丰富且现代化的功能价值。传统元素与现代参数化设计结合的方式在保留和弘扬传统文化的同时更能满足现代产品的功能需求，使竹编结构应用在更为广泛的领域。

1 传统竹编在现代设计中的问题与对策

1．1 结构的局限性

传统竹编是指采用竹丝篾片来进行挑压交织，被挑压的蔑一般被称为经线，纬线则为编织的蔑。通过经纬线的相互交织作用可以编出各类丰富结构。挑一压一作为竹编中最基本的工艺手法，由其衍生而来的挑一压二、挑二压二、挑三压三也十分常用，由挑压编法形成的四角孔纹样、六角孔纹样、回形纹样等被运用在了各类传统产品上［6－7］，此外还有各类装饰性编织手法，本文暂不进行研究。虽然从竹编的工艺出发可以分为平面竹编和立体竹编，但两者的本质都是通过竹篾丝的挑压形成，因此传统竹编结构更多地趋向于平面上的编织，而立体编织则可以理解为由平面竹编作为立体化产品表皮的过程。

由此可见传统的编织结构更多地以竹篾丝挑压编织成面的方式来制作成各类日常生活用品，如艺术观赏品、承载物、收纳品、家具等［8］，平面的结构让传统竹编只能作为上述产品形体的表皮面，因此传统的手工竹编结构逐渐和现代工业技术产物脱节。现代的产品往往因功能需求的多样化产生了各类复杂的空间结构，传统的挑压编织不能满足该类产品的需求。

1．2 材料的制约性

中国的竹类资源丰富，栽培历史悠久，在数千年历史文化长河中，正是依托着丰富的竹资源，才能造就一代又一代的传统竹编匠人，他们制成的竹编日用品，工艺品等融入了百姓的日常生活中。

竹材有其独特的优势，相比较木材而言，竹的生长周期更短，只需3－5 a即可成材，而木材有些则需数十年甚至上百年。且竹有产量高、韧性好、重量轻、强度高等特点使得竹材在许多领域发挥着作用。

但竹编类产品却又会因竹材而受到种种制约，例如许多竹编产品存在较易发霉、生虫、开裂的问题［9］，导致这类产品的使用寿命往往较为短暂。此外，竹编的材料往往不能满足现代产品的功能需求，且相比较同类现代化流水线产品的制造成本往往较高、生产效率低下。对于许多需要较高科技水平或是功能价值的产品而言，竹材往往不能发挥作用。

1．3 产品适用性低

因竹编类产品结构的局限性和材料的制约性，导致传统竹编产品相对于现代工业产品的适用性较低。传统竹编产品常为生活日用品和观赏品等，例如瓷胎竹编的坛罐瓶类产品，竹包类的竹包手袋和挎包，竹编灯具，竹编茶具、咖啡具、酒具、文具、竹编平面画等［10－11］。

这些产品往往以传统手工艺的方式制作，体现的是中国传统竹编文化的源远流长与匠人的精湛技艺，但其制作过程费时费力，所涉及的产品制作工艺也相对落后，与高速发展的科技水平存在一定的脱节，因此很大程度上限制了竹编结构轻薄透气、支撑牢固以及弹性在现代化产品上的发挥和利用空间。

1．4 参数化解决方案

参数化设计可以通过算法模拟传统竹编的复杂结构，进一步与3D打印技术结合，可将竹编结构类产品以光敏树脂复合材料、陶瓷粉末材料、金属粉末材料、塑料粉末材料等材料制作出，能突破传统竹编工艺的材料和生产效率等限制。根据特定产品的功能要求，经参数化结构再设计，可将平面化的竹编结构通过复合重组形成空间立体化的形态，提高编织结构的产品适应性。解决对策见图1。

图1 传统竹编结构应用的参数化解决对策Fig.1 Parameterized solutions for the application of traditional bamboo braiding structures

更进一步的，参数化设计模式具有较高的互动性，能通过调整数个关键参数来生成多种方案，这大大提高了设计的反应速度和灵活性，对于实现用户定制和个性化生产有极大的促进作用，甚至可以实现生产部门对销售端的实时反馈。这对于产业、商业模式的创新具有革命性的意义。

2 竹编结构的参数化再设计

2．1 竹编结构元素的提取与衍生

传统竹编的文化内涵丰富，历史底蕴悠久，其结构巧妙而又富有各自独特的功能价值，以下从常规的竹编结构出发，提取可利用的竹编元素，再结合参数化的方式来进行设计。

挑一压一的编法是所有竹编结构中最为基本也是最为常用的，从该竹编结构中提取的经纬交叉线在很多现代化产品中都能看到其影子，这种交错式的结构满足和符合物品承重的原理。竹编结构中的米字纹由最基本的经纬交织衍生而来，通过45度的斜向交错可以让编织结构更具稳固性。相应的，又选取了斜纹编法和六角孔编法这两种较为经典的竹编结构，从传统竹编中提取部分经典可用结构的衍生变化过程见图2。

图2 传统竹编结构的提取与衍生变化图Fig.2 Extraction and derivation of traditional bamboo braiding structure

通过Grasshopper参数化设计，可将平面化，单层化的竹编结构通过一系列的逻辑运算达到多层复合式效果，让现代化的技术手段突破原本所选取的传统竹编结构束缚，让所设计的产品不仅仅只是表皮的纯粹手工挑压编织结构。

从功能角度分析：挑一压一的结构适用于产品受力面，且具有良好的透气效果，可作为复合结构的上层面；斜纹结构的排列方式呈90度斜向交错状，因此该结构具有良好的防滑性能，可作为防滑纹路进行设计；六角孔纹、米字纹等结构因其良好的承重性能，可在重构形成立体空间结构后作为复合结构的缓震支撑层。

2．2 参数化设计的实现

Grasshopper是一种基于Rhino平台运行的可视化程序语言，用这种参数化设计的方式来对传统竹编结构进行重构设计是科学的，符合了时代的潮流发展［12－13］。

先将所选取的3类传统编织结构进行了逻辑化的算法构建。以挑一压一法为例，在Grasshopper中有许多种编织结构的运算方法，常规的为选取曲面并构建UV点，通过经纬方向的间隔点各自以上下移动一段距离的方式形成波纹效果的曲线，再按曲线的法线等方向构建矩形来形成长条形状的竹篾编织效果。此外还有Mesh＋插件中的Thatch电池结合Weaverbird中的圆滑边缘与增加厚度电池来构建竹编结构，但该类方式需将Nurbs曲面转化为Mesh面，最后所得到的产品模型为网格面，不利于后期的修改。图3展示了通过Parakeet中的Knit电池来进行挑一压一结构制作。先选取所需要的曲面，再通过Knit电池设定所需编织线的UV方向数量，以此控制竹编结构的疏密即可得到经纬交错的编织线，之后将编织线通过输入所需要竹编篾条的厚度与宽度以及方向等一系列参数即可获得所需模型，最终运算出的结果为Nurbs曲面，也更易进行后期操作。这类通过Grasshopper参数化设计的方式可以按照需求输入各个量值，再按照逻辑运算过程即可生成结果，相比较常规建模方式更利于数值修改以获得多方案，更快捷智能，也更具科学性［14］。将经过Grasshopper运算所生成的模型经过渲染后得到的立体效果见图3。

图3 挑一压一结构参数化设计过程图Fig.3 Parameterized design process diagram of the picking-pressing structures

同样的通过构建UV点，控制经纬线交错顺序、UV点起伏幅度、疏密、蔑条的宽度与厚度等数据可以得到斜纹编法［15］，因过程较为繁复，具体的运算方式就不做说明，只展示结果模型。六角孔结构由3个方向的线编织而成，呈60度交错状，起伏原理与挑一压一的四角孔编法相同。斜纹编法与六角孔编法的参数化模型渲染效果见图4。

图4 斜纹编织和六角孔编织结构渲染效果图Fig.4 Rendering effect of twill braiding and hexagonal braiding structure

2．3 多层复合编织结构的实现与应用

在实际应用中，可通过将平面的编织结构空间立体化，来获得较优的缓震支撑性能，结合透气结构与防滑结构能形成一体式的多功能多层复合编织结构。鞋底作为一类典型产品结构，需同时具有较优的透气性能、缓震支撑性能、防滑性能等，多层复合编织结构则能很好地满足这类要求。

以下，从鞋底结构的多个维度出发进行探究设计。针对鞋底所需的透气结构、防滑结构以及缓震支撑结构进行了参数化多层复合编织结构的实现。

2.3.1 摩擦纹路的设计 首先选取斜纹元素来进行鞋底的防滑结构设计。为了能更好地符合人体工程学的防滑效果，先对鞋底的受力情况进行了资料收集与分析，因每个人的足部形态各异，案例中选取44码鞋底的尺寸比例做运算设计，并绘制了相应的鞋底受力分布灰度图［16］，在足部受力多的部位，会有更深的色块。案例中的运算方式主要通过Image Sampler电池，该电池能将图案信息转化为每个灰度点上的信息，根据灰度值的深浅度变化会反应不同的结果，因此该运算方式得出的结果可以作为纹路的大小以及疏密信息进行绘制。

在绘制完鞋底受力分布图后，运用Nurbs曲线在Rhino中绘制单个斜纹元素作为鞋底纹路的经纬列阵，可以得到所需数量的列阵效果，再按照斜纹的横竖比例关系来调节经纬方向的数量比例，以此来确保所绘制的模型与鞋底受力分布图的比例一致。由于所导入的图片范围在0到1之间，因此也同样需要运用Scale NU电池将由斜纹元素列阵得到的区域缩小至0到1之间来满足两者点元素的相互对应，再将输出的各个点的信息作为斜纹元素的缩放因子，以此来得到大小与疏密满足鞋底受力的排列效果，最终所获得的纹路效果在鞋底受力较多的地方会排列更紧密，满足鞋底的防滑需求。该案例将传统的斜纹竹编元素融入到鞋底纹路设计中，运用参数化的方式让鞋底的防滑性达到更优的效果，具体运算步骤与渲染效果见图5。

图5 防滑鞋底纹路的参数化设计过程图Fig.5 Parameterized design process diagram of anti-skid sole pattern

2.3.2 缓震与支撑结构的设计 对于产品的缓震来说，不仅有利用特殊材料来增加产品缓震性能的方式，同时也有通过结构的变形来吸收冲击能量的机械缓震。例如弓形、波浪形硬质材料，气垫等，均属于机械缓震。

随着3D打印技术的逐渐成熟，越来越多的材料可以被运用在3D打印中，而复杂结构的制作原本就是3D打印的优势所在。以光固化打印为例，结合新型缓震材料，可以同时满足材料缓震与机械缓震［17］，且能兼备良好的支撑性能。而传统竹编中的多类编织结构就有很好的缓震与支撑效果，因而选取该类传统竹编结构元素运用Grasshopper参数化的方式对产品缓震与支撑进行思考与设计。

以空间化米字纹缓震支撑结构设计为例，先选定所需设计的曲面，再运用Quad Panles电池对所选定的曲面按照所需经纬数目来进行切割，该电池能将曲面划分为若干独立矩形格，而后再运用这些独立的矩形格进行逻辑化的数组对应与连接。从每个小方格的中间获取中心点并将其按Z轴方向移动一定距离，再将移动后的点在移动后的平面中进行经纬方向连接和向初始面的矩形四角点进行连接可获得斜向支撑结构线。下层的平面再按照数列的排布方式依次进行连接，由于所选定曲面的最外侧两条曲线会重复运算，因此需要将其独立出来单独获取其边线，最终可获得米字型的缓震支撑结构，再在各个支点处增加球体来进行加固设计。该运算方式多次运用数据罗列电池与按照所需结构进行数据匹配连接的电池，这种从传统米字纹结构中提取的米字双层参数化结构，可以很好地将上层受力分解到下层，以此来起到缓震与支撑的作用，具体的运算步骤与效果图见图6。

图6 米字纹缓震支撑结构参数化设计过程图Fig.6 Parameterized design process diagram of米－shaped seismic moderating support structure

通过Grasshopper参数化的方式设计的多层米字纹编织结构拥有良好的缓震与支撑性能，结合前文所设计的挑一压一竹编结构与斜纹鞋底摩擦结构，能设计出兼备优异的透气性能、防滑效果、缓震支撑功能的鞋底，见图7。该款鞋底依旧以44码男鞋为例，进行参数化设计时，先选择所要设计的鞋底面作为逻辑运算的起始面，再连接编写好的米字纹缓震支撑结构运算程序，即可快速高效地获得模型。所设计的缓震与支撑结构由四层空间米字纹组成，足部对于鞋底的压力能被数百条斜向结构分解，并且能提供良好的支撑与回弹效果，鞋面的挑一压一竹编结构在具有良好透气性能的同时对中间层的米字纹缓震支撑结构起到稳固的作用。鞋底的斜纹摩擦结构、多层米字纹缓震支撑结构、挑一压一透气结构三者复合形成一体式的多功能多层复合编织结构，能为运动鞋带来更优异的性能表现。

除了米字纹结构外，对方格纹与六角纹的元素都进行了参数化的双层空间结构设计，见图8。其原理都是通过数据的拆分与重新匹配，具体的运算过程不做展示。所设计的上下支撑结构结合现代的3D打印材料都可以起到较好的缓震与支撑作用，这类结构均可以通过Grasshopper参数化设计的方式运用到各类现代产品上。

图8 方格纹与六角纹的缓震支撑结构设计效果图Fig.8 Design effect drawing of lattice and hexagonal lattice cushioning support structure

所设计的多层复合编织鞋底在实际生产过程中，依托参数化设计的快速可修改性，可通过数值调整来根据不同的鞋码设计各异的尺寸规格，或调整透气结构、缓震支撑结构以及摩擦结构的排布方式以及疏密，增加或降低鞋底厚度，赋予外层新的结构等方式来快速、高效地获得各类鞋底的方案效果，以此来满足不同种类、不同功能用途鞋底的实际需求。

3 其它案例

以上给出了多层复合编织结构的参数化设计实现过程。现实中还有许多产品都存在类似鞋底这样对防滑、支撑和缓震的结构性能需求，也可用类似的思路给出解决方案。例如将多层方格纹结构运用在椅子上，首先在靠背和凳面表面层采用挑一压一的结构，具有一定的防滑透气性，下层采用空间米字纹的多层缓震支撑结构，并在外围采用光滑包边结构进行加固，形成一体的复合结构，结合高分子材料3D打印技术，可以高效地获得一款透气且柔软舒适的椅子，模型效果见图9。

图9 多层复合编织椅模型图Fig.9 Model diagram of multilayer composite woven chair

多层复合编织结构在自行车轮中也可以有不错的应用，见图10，传统的车轮需要通过在内胎打气来让车轮起到缓震作用，而参数化多层复合编织结构则在具有良好缓震效果的同时，省去了需要打气的麻烦，也不会有爆胎的危险。通过运用方格纹缓震支撑结构的逻辑运算，结合自行车轮毂来进行设计，该车轮由数百根独立支撑结构组成，各自承担并分解所受的力，外侧的防滑纹路由斜纹重构设计而来。将缓震支撑与防滑一体化，形成了具有多功能的多层复合编织结构，让产品的适用性更优。

图10 多层复合编织自行车轮模型图Fig.10 Model diagram of multilayer composite braided bicycle wheel

上述所设计的多层复合编织结构产品，相比较传统竹编产品而言，多层复合编织的结构更具功能性，生产也更为高效，对于用户群体来说能带来更好的使用体验。

4 结语

通过提取传统竹编结构的典型结构元素进行了Grasshopper参数化建构，并以鞋底等产品为主要研究对象进行了参数化多层复合编织结构设计。文中所设计的结构可运用在各类需要摩擦或缓震支撑功能的产品外表皮、内部结构上。这是对传统竹编结构的一种全新改造方式，突破了传统竹编产品的局限性，为更好地在现代产品上发挥其作用提供了全新的设计思路。多层复合编织结构结合现代逐渐成熟的3D打印技术，为相关产品的设计、生产和个性化定制等产业链条提供了一种解决方案。

由于实验条件的限制，文中从透气、防滑、缓震支撑角度出发设计的多层复合编织在运用于鞋底、椅子、自行车轮设计时，可根据实际的试验数据来调整各类参数，如排布方式、疏密、厚度等，因此还存在较大的优化空间，可作为进一步研究的方向。