参数化设计方法对工业产品外观设计思路的影响与启发*

叶 磊

(景德镇陶瓷大学 江西 景德镇 333000)

1 参数化设计概述

参数化设计,即通过改变参数变量而求解得到最终因变量结果的设计方法,参变量的值显示了设计结果最重要的基础属性,因变量的值会随参变量的改变而改变。参数化设计最显着的特点是参数变量的实时调整和相应输出因变量结果的实时反馈。在参数化设计系统中,恒定参数通过一定的数学逻辑规则形成设计基础模型,然后通过对可变参数进行数值调整来优化方案,最终生成设计结果[1]。

2 参数化设计方法

2.1 参数化设计流程

在确定设计的基本思路后,设计师需要运用参数化设计的技术,根据设计方案具体的目标要求和设计中间模型的选择,并设定合适的参数,通过把设计的各种约束条件,以相关参数化的辅助设计软件作为媒介,与设计方案最终输出的形式之间建立相关的数学逻辑关系,从而生成可以灵活调节参数的原始计算机算法模型。这些约束条件所对应的参数设定范围,是可以与设计目标所指的主要问题相关的各种基础信息,比如功能、结构、材料等。这些基础信息是通过人为收集、分析、合理规整化之后,作为相关参数导入计算机模型中,当计算机计算得出可调控的三维数据模型后,再将结果通过肉眼可见的3D图形呈现在计算机显示屏中,或转换成各相关领域行业都能共享的模型数据。其中所指的数学逻辑关系就是参数化设计的核心运算法则,是一种外观形态与内部函数之间的联系规则。

参数化设计在概念设计阶段所选定的参数以及设定的参数化关系,要遵循是让它们能够有效地响应之后各个阶段的可能变动。这是参数化设计的优点之一。传统的设计方法是完成了概念设计,然后开始设定几何形式。一旦形式定好之后,就很难改动了。只能退回到最开始的形体控制阶段改变基本的几何形式。这种线性不可逆的经典设计的流程已经越来越不适合设计的需求。而在参数化设计过程中,即使修改最开始的维形设定,只要参数和几何形体之间的逻辑关系不变,这些都会自动更新到最后的发展阶段,设计过程中因为某种原因需要改原始的形体,有了参数化设计,依然可以很容易地退回到原始的设计中来修改方案,原始设计之后的工作可以自动更新直到最后的细部设计。这是工业产品外观设计思路的一种根本性的转变。

2.2 参数化设计软件平台

参数化软件发展迅速、种类繁多,目前主流的参数化设计软件有Rhino scrip、Revit、Grasshopper、Veb等,这里主要介绍比较常用的Grasshopper。Grasshopper是集成在Rhino内的一款参数化辅助建模插件,相比于其他参数化建模软件,Grasshopper无需复杂的编程语言,只通过对各运算器的数据进行关联完成程序。相对于Rhino自身的手动修改建模尺寸数据等,Grasshopper运算器尺寸参数修改更加精确、快捷,在符合程序逻辑的情况下,几何形态的基础或者构件可以通过替换运算器的方式快速完成转换。参数化设计软件特有的建模方式使得模型生成、修改速度得到提高,对产品的设计、生产流程、生产成本、营销模式等都有着一定的影响。

3 参数化设计方法对不同领域工业产品外观设计风格所造成的影响

3.1 参数变量的灵活可调控性拓展产品设计思维

参数化设计方法的参数和变量可调系统特性,使设计者可以自由调整约束范围而不重复具体的设计条件。通过对工业产品外观结构参数化逻辑关系的分析,仍然可以保证设计目标的效率和准确性。它产生了一种传统建模技术和手绘设计效果图很难表现复杂形态。例如小米小爱蓝牙音箱采用的费马螺旋渐变发音孔阵,是通过函数逻辑关系的连接,建立孔阵,打孔的尺寸及组织方式由函数模型树自动计算生成,使孔洞尺寸和排列方式符合主观所需的外观质感。

3.2 外观模型设计的多元准确性丰富产品设计造型

参数化设计方法为工业产品外观设计的多样化提供了更多的可能性,在一定程度上提高了外观设计的美学品质,解决了因复杂的表面成形工艺而难以实现预览效果的问题,很大程度节约了研发成本。如宝马公司概念车的创意格栅设计,就是通过参数化的设计方法生成渐变表皮纹理的,就是先由设计师设计好每个单元纹理,再通过参数化设计方法底层逻辑,将每个单独的单元细胞按照一定数学逻辑链接在一起,从而得到完整的汽车格栅造型。

3.3 参数化设计的复杂逻辑性突破产品设计原则

参数化设计方法的应用以及数字化加工技术的成熟,让产品的镂空纹理设计逐渐成为可能。中空纹理本身就是设计的造型语言,具有完整的设计结构。如设计师马子聪通过参数化技术设计的《观云篇》镂空纹理灯具,其通过逻辑算法生形的模拟自然生长的镂空纹理,令人产生愉快的节奏。镂空纹理不仅作为产品本身的结构而存在,更直接地表达了设计师独特的有机造型语言。

4 参数化设计方法引领全新的工业产品外观设计思路和风格导向

4.1 逻辑构成形态

逻辑形式是符合或接近数学逻辑关系规则的形式,强调形式的逻辑性[2]。参数化设计逻辑构成形态设计的流程:①制定设计要求;②把设计要求的约束条件转化为有效参数;③利用算法建立参数之间的函数逻辑关系,生成产品设计原型;④通过对算法模型树中关键参数的调整,理论上可生成无限多种形态各异的方案,该算法可以不断更新和迭代;⑤选择最终方案。例如美国设计师Matthias Pliessnig为私人客户设计的Amada长凳。设计要求是让公共长凳横穿室内空间,设计师首先运用参数化设计方法中的曲线干扰、细分剖面等规则创造出高低起伏的整体效果,得出长凳的基本型;其次,通过调整干扰强度、细分层级等参数生成一系列形态方案;最后根据最初设计要求和审美标准对最终方案进行评价和筛选。

4.2 结构构成形态

对于工业产品的外观设计,既可以通过参数化设计方法中相关力学环境模拟软件对产品外观结构进行拓扑优化,得到更加合理的外观结构;也可以通过力学仿真算法模拟出自然界和传统人工物体中的力学结构的仿真机械骨架,给产品提供满足相应功能需求的结构形式[3]。

4.2.1 拓扑优化

拓扑优化可以将结构的离散性模型优化为满足设计要求的材料在空间分布的最优解,也可以通过力学环境仿真模拟原产品结构模型进行拓扑变形,从而对产品外观结构进行迭代优化。例如德国设计师Marco Hemmerling和UIrich Nether设计的衍生椅。设计要求是在减少原材料的同时提供更好的稳定性和舒适性。设计人员在设计过程中主要运用有限元分析软件,对座椅的结构稳定性、材料化学性能以及人机工程学参数等进行综合考量,通过反复迭代试错,生成最优解模型,也是该座椅的最终方案。衍生椅的设计以结构优化为导向,以及参数化设计方法的应用,实现了产品复杂结构形态的创新。

4.2.2 结构模拟

自然界的许多物理结构不仅符合各种物理力学定律,还具有和谐的韵律。人类通过学习和模仿大自然的生物结构,创造出了无数性能优异的人工结构。以参数化设计方法为依托的工业产品外观结构设计,可选择的另一个途径是模仿自然界和传统人遭物体中的结构,将决定产品外观基础结构单元的各个约束条件转化为多个参数,设计力学模拟仿真算法模型,在参数反复迭代试错中得到最终外观结构形态。例如荷兰Drift工作室设计的动态吊灯The Shylights。大自然里的花会在白天盛开,夜晚就害羞的闭合,Shylights完全模拟自然界花朵开合的节律行为,白天花开时灯打开,夜晚花闭合时灯关闭。改设计方案的关键步骤是利用参数化软件模拟花朵开合时的结构之间的力学关系,为灯具结构设计提供一个灵活且高精度的机械支撑骨架,从而在灯具外观结构上生动地呈现真实花朵盛开时的自然生命力。

4.3 肌理构成形态

工业产品表面肌理是产品质感的重要表现形式。工业产品参数化肌理设计的基本过程:①制定设计要求;②提取出产品纹理各种约束条件,转化为基本参数,选择设计元素;③设定这些元素基元之间的函数逻辑关系从而构建基础算法,利用算法建立参数之间的逻辑关系,生成肌理设计原型;④调整参数变量,反复迭代细化方案;⑤通过综合调整参数,根据最初设计要求选择最终方案[4]。例如马萨诸塞州神经系统实验室设计的菌丝灯。它以自然界的常见生物活动规律为设计基础元素,通过参数化设计方法设计出生长分形算法,从最初的基元种子和一个基座,通过生长算法产生的节点的连续分支和不断合并,生长分形成有机形态的镂空网格[5]。每个灯的具体参数值是依据真实的植物参数,这一系列的有机灯具的每个个体都是取材于大自然真实存在的植物单独个体,其分形生成的有机纹理可以形成墙壁上独特的灯光投影,充满了生机与活力。

5 结语

从工业产品设计的外观风格来看,表面纹理的构成和结构的有机秩序是其独立性的重要表现,成为产品外观设计语言。参数化设计方法的出现使得工业产品外观质感表现效果达到了一个新的高度,它为实现工业产品外观设计的参数化风格表达带来了革命性的技术,也改变了原有工业产品外观给人心理上冰冷的感觉,提升了产品外观整体艺术设计的美感,为工业产品外观设计创造了丰富的可能性,并使产品的使用者感受到设计中感性与理性的相对平衡,启发了设计师们对于工业产品外观全新的设计思路。