基于参数化与增材制造技术的家具设计研究*

宋 杰 陈起明 陈 力 郭 琼 张佳琦

（1. 华南农业大学材料与能源学院，广东 广州 510642；2. 广东生态工程职业学院，广东 广州 510520）

参数化设计技术的应用已从建筑领域逐步扩展到其它设计、工程领域。在家具设计领域，随着用户要求的提高，使用参数化技术进行家具概念设计的探索也开始出现[1]。但实际生产较少。主要原因是参数化设计的家具造型独特、功能多样，难以用传统工艺和技术进行批量加工生产[2]，参数化设计案例如图1所示。近年来，3D打印技术发展迅速，打印材料日益丰富[3]，竹质[4-5]、木质复合打印材料[6]和打印技术[7]也日渐成熟，本文旨在将参数化设计与3D打印技术相结合，探索如何将这一技术用于家具设计及其制造的可行性。

图1 参数化设计案例——公共座椅[10]Fig.1 Parametric design case——Public Seat

1 参数化设计

1.1 参数化设计概念

参数的相关概念源于数学，指影响因素或是有关变量，而参数化设计则是一种伴随计算机技术进步而发展起来的自动化设计方法[8]。

在进行参数化设计时，设计师先将尺寸、颜色以及位置关系等设计元素转化为相关参数并建立起各个参数之间的逻辑联系，再以编程的形式将设计项目本体编写为具体的函数关系，最后实现改变相关的初始参数或者逻辑关系即可让计算机输出对应的设计结果的目的。参数化设计包含设计手段参数化和设计理念参数化两个方面[9]，在实际的家具设计生产过程中，参数化设计主要用于参数化建模。

1.2 参数化建模技术

在实际生产中，参数化设计离不开相关的参数化建模平台。目前主流的设计软件都提供了参数化设计平台，根据其功能和操作方式可以分为三类[11]：人机交互类平台、脚本类平台和可视化编程类平台（表1）。这三类平台各自的代表软件分别为CATIA、RhinoScript和Grasshopper。其中，可视化编程类平台是目前技术较新的参数化建模平台。相较于人机交互类建模平台，设计师在使用可视化编程类平台时不直接对点线面进行操作，而是通过对参数的关联来实现高效率的复杂建模。比起脚本编程类平台，可视化编程类不需要设计师具有良好的计算机语言基础，它弱化了代码的编写，增强了视觉框架的搭建，设计师只需根据需要修改代码逻辑即可。

表1 参数化建模平台Tab.1 Parametric modeling platform

2 家具产品的参数化设计

2.1 参数化设计家具的特点

参数化设计可生成造型复杂的家具，尤其是分形构造、仿生等类型家具[12]。然而，由于其特别的造型，生产过程往往比较复杂。相比而言，参数化设计的建筑因为尺度大、批量小，一般可以用传统方式建造。而家具产品若使用传统方式进行制作，极易出现造型困难、曲线不规范、相关尺寸不够准确等问题，最终导致产品的部分构件难以加工成型，或各批次之间存在较大差异等品控问题。此外，如需对设计方案进行改进，设计师则需从原始草图到最终图纸进行逐一修改，相较参数化设计更为复杂。

使用Grasshopper等参数化软件进家具设计时，设计师不再需要具体描绘出产品复杂的外观造型，而是能更加专注于产品各个零部件结构之间的关系。设计师将所需要设计的相关元素用参数进行替代，并确定各个参数之间的函数关系，即可设计出造型复杂的家具。完成参数化建模后，计算机可准确输出所设计的家具产品的尺寸数据，并指导相关机器进行精确生产。若需要进行设计修改，设计师只需要修改所设定参数的具体数值或是参数之间的函数关系，从而实现自上而下对整个设计流程修改的目的。相比传统设计方式，使用参数化软件进行家具等复杂的造型设计，可减少设计过程中的时间成本[13]。

2.2 家具参数化设计流程

2.2.1 家具造型分析

参数化造型软件可以生成复杂的造型，但无意义的混乱形式不是设计的初衷。利用参数化技术进行家具造型设计，首先要对家具的整体形态特征进行分析。将复杂多变的形态关系，按堆成、重复、渐变、比例分割等几种主要构成关系进行解析。对自然原型整体及局部结构和功能进行研究分析，获取基本造型元素，发现相关形态存在的规律性，并在此基础上利用参数化建模工具进行形体生成。

2.2.2 造型特征参数化及匹配

在完成特征分析后，应当有效提取相关特征并进行参数化建模处理。在参数化相关特征时，应使用一定的变量参数，并确定各个参数之间的映射关系。例如，当需要对直角坐标系空间曲线特征进行参数化时，可以选择在参数化建模软件中设置变量X、Y和Z，并声明三个参数之间的函数关系来实现。同理，可在RGB色彩空间中声明R、G和B三个的数值，并给出相应的函数关系，使颜色特征参数化。

根据参数化结果将特征与家具进行匹配，常用的匹配方式有物理特征认知匹配和心理特征认知匹配两种[14]。物理特征认知匹配指造型特征与目标产品在外形、结构或是物理状态上的要素匹配；心理特征认知匹配则是造型的象征意义或情感内涵与家具的匹配，两种匹配方式以物理特征认知匹配居多，后者常用于仿生或者仿形家具。

2.2.3 造型优化与筛选

完成参数化建模及特征匹配后，可进行方案的优化和筛选。模型优化调整的方法主要是调节所声明的参数以及参数之间的映射关系，设计师可使用一定的算法或者相关插件完成这一步骤。若使用可视化编程类参数化建模软件进行建模，则可更加直观的观察模型根据参数的改变而发生的相应变化，方便设计师筛选出最优的参数和映射关系组合即最优模型。

3 3D打印在家具制造领域的应用

3.1 3D打印原理

3D打印技术是在三维软件基础上，使用计算机控制特定机器将塑料、金属、陶瓷、树脂等不同散状材料熔化后再进行逐层堆叠以完成实体的一项技术[15]，将该技术也被称为快速成型技术、增材制造术等[16]。这种制造技术不使用传统生产中的刀具、模具等，不需要复杂的工艺就可实现复杂造型零部件的加工制作。其加工过程主要为：使用相关软件将该产品的三维模型处理为3D打印机可识别的数据，输出给3D打印机；机器在接收到相关数据后，将打印材料小颗粒堆叠为三维实体，生成实体。

3D打印技术在诸多领域得到了广泛应用。由于成本较高，目前在家具领域，尤其是在传统的批量化成品家具生产领域内应用较少。一般将这一技术用于设计阶段的小模型制作，或定制一些个性化零件[17]。

3.2 3D打印与参数化设计融合的前景

3D打印与参数化设计技术联系紧密。3D打印设备需要上游设计环节提供准确的模型信息，而参数化设计所输出的恰好就是产品的尺寸数据和结构位置关系，将尺寸和结构的参数传输给3D打印机。参数化设计为3D打印技术提供了精准的数据信息，而3D打印技术则能将这些数据信息呈现出来[18]。

3.3 3D打印技术结合参数化设计的技术优势

相对传统家具生产工艺，3D打印技术结合参数化设计技术将产生显著的技术优势：

1） 加工精度高。参数化模型设计往往具有丰富的细节和变化，在建筑等体型庞大的工程中使用时，传统的工艺技术比较容易实现。而家具产品形体一般较小，过多的细节结构会导致传统工艺技术无法加工。传统家具制造行业在进行家具设计时，往往先进行图纸绘制，再根据所绘制的图纸进行相关的打样生产[19]。

2） 加工效率高。传统家具加工的流程复杂，加工过程涉及多种工艺、设备等，时间长，生产效率低下。在实际生产过程中，倘若在实物生产的过程中发现问题，需要对设计方案进行修正，则需要从设计图纸到前工序进行逐一修改，工程量庞大。采用参数化建模配合3D打印技术进行家具设计与生产可简化设计到生产的流程[20]。参数化建模软件不仅可以准确的定义家具的相关尺寸，并传输给3D打印设备，使打印机打印出相对准确的产品，还能让设计师轻松修改设计方案。参数化设计技术配合3D打印技术进行生产，则可以实现设计到成品的一步完成，有效提高了生产效率[21]并减少出错率，还可实现分布式生产[22]。

3） 材料丰富。3D打印材料种类丰富，主要包括聚合物材料、金属材料、陶瓷材料、复合材料等，从航天零部件到食品领域都有应用。除天然木材外，新型复合材料如竹塑[23]、木塑等木质复合材料也可作为3D打印材料[24]，先进的打印机还可以实现多种材料打印。

4） 低碳环保。传统的家具制造在生产时多用刀具对板材进行切割和铣削，原材料利用率相对不高，同时还会产生噪音和粉尘。3D打印设备较传统的刀具加工更为灵活，可通过基材堆叠出复杂的造型，整个生产过程没有巨大噪音。

5） 便于个性化定制。3D打印独特的制造方式基本摆脱了传统的家具生产线概念。针对用户的个性化定制生产需求，而非按照传统家具排产方式生产。打印出的家具表面还可根据需求进行个性化涂饰[25-27]。

4 参数化建模家具设计制作实践

本次家具设计制作实践是为了验证采用Grasshopper参数化建模平台和3D打印技术进行家具设计与制造的可行性。综合考虑尺寸、成本、时间等因素，选择仿生儿童座椅作为实践对象。

4.1 产品介绍

“NEST”儿童座椅采用鸟巢造型，以首尾相连的线条缠绕形成座面和靠背。座椅椅腿以树枝为原型，两者结合，增加了趣味性。各线条之间的差异与重复的运动处于无规律条理的自由状态，展现了鸟巢的自然美。

4.2 参数化设计过程

本次实践主要包括参数化模型生成、模型调整、3D打印、实物修整涂饰等几个环节。如图2所示，建模过程中要尽可能的精准，避免后续环节出现问题。

图2 家具产品参数化设计制作流程Fig.2 Parametric design and production process of furniture products

4.2.1 参数化建模

本次家具设计使用可视化编程类参数化设计工具Grasshopper，程序逻辑图见图3。

图3 “鸟巢”造型逻辑图Fig.3 Logic diagram of "NEST"

首先，创建多个逐渐接近圆心的点并用圆弧将点逐个连接起来得到螺旋线，调整点的平面位置参数，可打乱点的位置顺序进而得到一个曲线错乱的造型，随着曲线数量增加，得到的造型越复杂。

其次，将调整相关点在空间直角坐标系中的坐标形成鸟巢造型（图4），进行树枝状支架的参数化建模。

图4 造型生成图Fig.4 Modeling generation

最后，将散乱的点和自由的树枝造型收敛到实现家具功能性和符合人体工程学的状态，再将座面经过同一逻辑程序生成曲线，搭配树枝支撑结构，得到艺术性与功能性结合的“NEST”儿童座椅。

4.2.2 模型优化与调整

由于可视化编程类参数化设计软件的动态可视性，设计师可在调整参数的过程中实时观察模型的变化，选择最佳参数组合。本方案设计过程中线圈混乱度和密度两个参数的变化对造型的结果影响较大，现进行调整。

经过对比可知，线圈混乱度为0.1时，模型在视觉上有层次感，线圈越混乱，模型在视觉上显得过于凌乱且松垮。在混乱度为0.1的基础上，线圈密度为100圈时造型最佳。否则密度过低，模型不够美观，有点呆板，密度过高，线圈过于拥挤，结构不明显。所以最终将模型确定为混乱度0.1和密度100圈的参数组合（图5）。

图5 模型优化Fig.5 Model optimization

4.2.3 打印成品

完成建模后，使用3D打印机打印成品（图6）。考虑家具制品的要求，打印工艺选用SLA光固化成型工艺。SLA（Stereo lithography Apparatus）技术打印精度高，效率高，打印制品表面光滑。打印设备为3DSL-800型3D打印机，尺寸精度高（±0.1 mm/100 mm），成型尺寸最大800 mm×800 mm×550 mm，能满足一般座椅的使用要求。

图6 打印后的成品Fig.6 Printed product

4.2.4 实物模型修整涂饰

打印后的实物模型可能在表面、孔隙、支撑点等部分存在一定的瑕疵或加工痕迹，需要对其进行修整。可采用溶解、打磨、切削等方式进行加工，完成后可根据需求在表面进行涂饰，得到最终产品。

5 结语

目前，参数化设计在家具设计中的实际应用较少，本文在对参数化相关技术以及仿生家具的特点进行分析后，尝试使用参数化方法进行仿生家具设计并用与参数化相关的3D打印技术进行生产。经过实践表明，使用该方式进行家具的设计与制造是有效的途径之一，在家具设计生产，尤其是个性化定制家具的设计生产领域具有较好的应用前景。