基于Grasshopper节点可视化编程的参数化设计在雕塑深化设计中的应用——以海口市国际免税城项目(地块五）主题中庭施工工程飞天梯主体雕塑为例

浙江大丰实业股份有限公司 郭昊 胡冬冬 徐慧文 武进 张本虎 陈雅 杨绍昌

从雕塑深化设计的角度来讲，不仅是实际零件的制作加工依赖于精准的尺寸、定位、编号、组合顺序等信息，即便是在深化模型的过程中，在软件里的三维模型同样需要这些精准的信息。然而在实际的雕塑设计流程中尤其是在前期的雕塑方案设计阶段，模型往往只是为了效果服务的，其精度并不能直接用于指导施工。因此，需要对雕塑方案进行深化设计，反映到技术手段上，首先要解决模型问题。即进一步按照方案的要求，提升模型的精度、完善模型的结构、丰富模型的细节。参数化设计应用于雕塑深化设计中，是用编程的思维方式塑造精准的形态并解决设计过程中的问题，可以节省大量的人力和时间，优化模型构建的方法、提高模型的精度、提升模型构建的效率，为后期的雕塑施工、组装提供了技术保障。

1 计算机技术在雕塑设计应用的现状概述

随着时代的发展和技术的进步，雕塑设计的方法日新月异。三维模型技术的出现极大地提升了雕塑设计的表现力和施工的精准度，三维模型所承载的信息直观、具体、丰富、精准，数据稳定，储存和传输方便快捷，是传统的平面图纸无法企及的。因此，在如今的雕塑设计中，三维信息模型几乎都是伴随着从方案到施工整个设计周期的[1]。随着电脑技术的进步，越来越稳定的硬件基础和操作系统、越来越大的储存空间、越来越强的运算性能、越来越智能化的三维建模软件相继实现，雕塑建模工作变得轻松简单。与此同时，随着3D打印技术的日益完善，三维信息模型既是雕塑设计作品的表现方式又是其生产手段，因此建立精准的三维信息模型非常必要。而借助于参数化设计的方法进行逻辑构建的过程，既可以作为雕塑设计的绝妙创意的来源，又可以是构建和实现雕塑具体形态和雕塑空间形式的必要手段，参数化设计的方法既是组织空间表达创意的方法，又是建立精准三维模型保证结构实现的方法。

2 参数化设计的概念分析

2.1 编程、参数化以及与设计之间的关系

参数化设计是编程辅助设计应用的一个分支，参数化的实质是编程，基于Rhino的Grasshopper的节点可视化编程是常用的参数化设计平台。Grasshopper可以将编程的方法带入到设计领域，用编程的思维来协助设计，可以极大地提升设计的创造性并解决设计过程中遇到的许多问题。参数化设计在建筑设计、工业设计、服装设计中的应用案例已经屡见不鲜。Grasshopper作为参数模型构建的工具类似于数学几何公理，而不是传统的建模软件操作命令，需要明确参数模型构建不是单纯的计算机操作，而是新的一门学科，一门能够辅助设计、拓展设计、主导设计的设计领域;它基于传统的设计方法并与之并行发展，并且它是以研究程序语言、数学几何和逻辑构建的方法用于辅助设计、主导设计的方法[2]。

2.2 逻辑构建过程、程序语言、设计之间的关系

设计参数化的目的往往是构建由参数控制形态的有机体，而基于编程的逻辑构建过程包括参数化的方法，包括各类设计过程中能够借助于编程解决的问题。计算机将逻辑构建过程变得更加强大，可以拓展到更多的形式领域的逻辑过程构建，并实时的反馈逻辑构建过程每一步所产生的形式结果[3]。

使用编程语言来从事设计活动就是一种非常具有创造性的思考活动和实践活动，将实际的设计问题进行抽象、归纳，将设计以程序语言的方式构建逻辑过程。逻辑构建过程是由程序语言或者节点式程序语言编写的，逻辑构建过程是为设计服务并受其影响，由程序语言实现的逻辑构建过程本身就是一种设计方法，三者之间互相影响。

2.3 参数化设计的核心问题

数据是参数化编程需要处理的核心问题，熟练地掌握各种数据的组织方式和管理方法有助于设计者更加智能化地借助参数化设计方法辅助甚至主导设计。Grasshopper具有强大的数据管理方法，例如其树型数据和各类数据处理的组件[4]。数据是参数化领域的基础，需要时刻观察数据的变化。Grasshopper软件平台的数据连接的方式可以系统的处理数据流程，操作方法与传统三维构建软件平台有很大的区别，其核心是各个单独的节点组件和各种数据管理的方法[5]。使用参数化方法辅助设计并不是在学习所谓的一款软件，而是进入了编程的领域，需要学习的是编程的知识和思维方法，各类设计问题如选取何种空间形式、采用何种形态组合都可以试图以编程的思维去重新思考这个讨程。

2.4 Grasshopper的节点可视化编程的优势

Grasshopper中算法的优势在于它们是参数化的，通过闭包好的程序节点（电池）可以建立参数控制互相联动的有机体。这意味着可以在建模过程的任何阶段通过更改尺寸和约束来修改图纸和几何图形。而节点模式的方法，则将设计师从面板中解脱出来，通过各个单独的节点组件不同的连接方式，极大地增加了模型构建的灵活性。参数化设计应用于雕塑深化设计中是用编程的思维方式塑造精准的形态并解决设计过程中的问题，可以极大地节省大量的人力和时间，优化模型构建的方法、提高模型的精度、提升模型构建的效率。

3 基于Grasshopper的节点可视化编程的参数化设计方法在雕塑深化设计中的应用

3.1 基于编程的逻辑构建过程

3.1.1 基于雕塑方案的基础模型数据

不管是纯粹的参数化、还是能反映实际位置、形态、尺度的雕塑模型信息，任何具有计算机数据属性的内容，都可以作为编程的基础数据。海口市国际免税城项目(地块五）主题中庭施工工程飞天梯主体雕塑方案由weta工作室设计，飞天梯主体围绕着直通四层的扶梯，雕塑整体呈现为由泰森多边形围合的巨型树干，由内到外可分为三层，分别是内部的主要环形序列框架、中层的横向伸展蔓延的枝桠（横向伸展蔓延的枝桠按照泰森多边形的平面生成逻辑生长然后贴附于树干表面）、最外侧是定制裁边与泰森多边形网格完全适应的聚碳酸酯板。（效果如图1所示）

图1 飞天梯效果图Fig.1 Flying ladder renderings

3.1.2 雕塑形态的生成逻辑

从雕塑设计理念的角度讲，雕塑形态按“泰森多边形”“隐喻的巨型树干形态”“内、中、外三个结构层次”三种逻辑生成，外观呈现为巨型树干形态，树干由泰森多边形网格构成。要注意的是，泰森多边形在此雕塑方案中仅仅是雕塑立面的设计手法，而不是引导空间体积的设计方法。在方案模型建模阶段，常用的建模顺序是先生成巨型树干的曲面结构，然后再使用特定算法，以树干曲面为基面，按照泰森多边形的划分逻辑进行表面的划分。（如图2所示）这样建模的缺点就是，虽然可以得到相应的效果，但是由于缺少足够精致的设计图纸，这样的模型很难用于指导雕塑的加工和安装。

图2 飞天梯模型组装示意图Fig.2 Schematic diagram of the assembly of the flying ladder model

从雕塑深化设计的角度来讲，不仅是实际零件的制作加工依赖于精准的尺寸、定位、编号、组合顺序等信息，即便是在深化模型的过程中，软件里的三维模型同样需要这些信息。然而在实际的雕塑设计流程中，多数的雕塑方案模型只是为了效果服务的，并不能直接用于指导施工。因此，需要对雕塑方案进行深化设计，进一步按照方案的要求，提升模型的精度、完善模型的结构、丰富模型的细节，借助深化后的模型进而指导雕塑的施工和安装。

3.1.3 深化设计过程中关键问题梳理

（1）飞天梯雕塑杆件数量有一万一千多条，每条杆件的两端需要切割成不同的角度相贯口。杆件有两种规格，不同规格之间的杆件对接同样需要切割相贯口。杆件在实际的机器切割中需要在杆件表面雕刻对应的编号，且每根杆件需要单独的.IGS文件。

（2）由于杆件数量多，需要对杆件几何体进行多次分割，整体运算量大，所以需要对杆件进行分批处理来减少单次的运算量。

（3）杆件分批处理时边缘的曲线需要根据所有与其相连的曲线来切割贯口，所以就需要将所有与目标曲线相关的线条加入到运算中。

（4）雕塑表面其中有一部分网格面需要镂空处理，镂空的这部分杆件外部不需要做压条，所以就需要将这部分剔除。

3.1.4 设计算法与参数模型的生成

（1）创建杆件。

1）网格面细分。将雕塑的网格面拾取，原有网格面有一部分四边形网格，有一部分是三角形网格，将其全部转化成三角形网格，再用Weaverbird中的Loop Subdivision将网格面细分。

2）创建贴合网格面法向的杆件。将上一步细分之后的网格面接入。将直线加长，避免杆件切割贯口之后贯口不能闭合。选取用直线的中点，并提取中点处网格的法向向量，以直线的起点为原点，以中点处网格的法向向量和直线的向量分别作为轴线创建目标坐标系。创建杆件的截面图形，并将截面图形变换到创建好的目标坐标系，以直线的方向和长度为向量将截面挤出为几何体，杆件创建完成。

（2）切割贯口。

1）剔除网格面上镂空区域的线条。根据直线中点到网格面的距离来筛选，保留距离小于特定数值的线条。

2）筛选相关线条。每条线条的两端都需要切割贯口，所以需要筛选每条线条的两端相关联的线条加入到运算中。将需要切贯口的线接入到目标线的接口，将其他与其相关联的线接入到相关线的接口。由于选择有用的相关线比较耗时，采用测量相关线到需要切贯口的每条线的距离，并筛选到需要切贯口的线的距离等于零的相关线（由于线条之间可能存在一定的间隙，两条线的端点之间并没有完全重合，所以用1mm作为允许的公差，用距离小于1代替原有的距离等于0），避免大量的手工选择。将筛选出的有用的相关线插入到目标线的数据的末尾并提出运算中存在的空值，便于运算完成之后剔除相关杆件来保留有效的目标杆件。

3）匹配每一条直线两端相关的直线。对直线用Cross Reference运算器进行列表交叉，将交叉之后的列表拆分为多个列表，以直线数量减1作为分区大小，得到一组除自身以外的曲线的列表集。即，第一个列表为除第一条直线以外的所有线，第二个列表为除第二条曲线以外的所有线……分别筛选直线自身的起点和终点到其他所有直线的距离小于1的直线，即可得到与直线两个端点处分别有关联的曲线。将相关联的曲线加入到自身直线之后形成新的直线列表，并提取与列表对应的直线的起点和终点用于下一步的运算。

4）直线逆时针排序。以列表中直线的交点为圆心，以端点处网格面的法向为Z轴创建平面。在平面上创建圆作为逆时针排序的辅助圆，将直线列表的中点投影到平面上，并用Sort Along Curve电池将点逆时针排序，提取排序之后的点的序号将点对应的原曲线排序。

5）创建直线之间的夹角等分线。将排序之后的曲线投影到上一步中创建的平面，对上一步中创建的圆进行分割，以圆心为起点，切割之后的圆弧的中点为终点，建议直线并将其延长到足够长。

6）创建杆件贯口切割用的片体。将用上一步中生成的直线沿网格的发现方向挤出作为杆件切割用的片体。

7）杆件切割贯口，有效部分筛选。用上一步中创建的片体对杆件切割，切割之后会产生多个几何体，保留到直线中心最近的几何体，将相关线条产生的杆件剔除，

…………剩余的几何体为切贯口之后需要的几何体。

（3）杆件雕刻编号。

1）按泡沫雕刻的分段选择对应的杆件。用泡沫雕刻的几何体生成最小体积的外包方盒，用碰撞检测电池选取和外包方有碰撞的杆件。

2）在杆件上雕刻编号。杆件数量多，雕刻编号运算大，采用循环运算电池对杆件逐条自动雕刻。

（4）杆件单根导出.IGS文件。

1）将雕刻编号之后的杆件，用杆件上的序号作为块的名称，以杆件的坐标系为块的坐标系烘焙成块。

2）将杆件图块的名称作为导出的IGS文件名称，指定IGS文件存放的目标文件夹，将图块中的杆件变换到坐标原点烘焙到文件夹中。

3.2 雕塑零件统计和施工安装

深化设计的最后阶段，通过参数化设计的方法，对生成的大量的形态各异的零件模型进行统计和定位，进而指导雕塑的施工和安装。

4 结语

使用参数化方法辅助设计并不是在学习所谓的一款软件，参数化是用编程的思维解决设计问题，各类设计的问题如采用何种空间形态、选取何种材料、采用何种组合都可以试图以编程的思维去重新思考这个过程。在雕塑深化设计流程中，通过参数化设计的方法，量身定制的算法大大减少了模型运算量，节省了大量的人力和时间，在短时间内优化了建模的方法、提高了模型的精度、提升了建模的效率。参数化设计统一了雕塑从设计到施工阶段的三维模型，为后期的雕塑施工、组装提供了技术保障。

引用

[1]郝凯利,朱一.参数化设计竹构装置研究[J].流行色,2020(6): 173-174.

[2]朱一.参数化智能设计在当代公共艺术中的价值与应用[J].大众文艺:学术版,2020(1):44-46.

[3]李悦.参数化技术在城市家具设计中的应用研究[J].包装工程, 2017,38(14):110-115.

[4]徐卫国,罗丹,叶扬,等.“数字渗透”与“参数化主义”——关于“数字技术与建筑设计”的访谈与对话录[J].世界建筑,2013(9): 17-35.

[5]谢飞扬.参数化辅助设计在灯饰设计中的应用[J].数字技术与应用,2020,38(6):122-123.