面向未来的参数化设计*

孙星洁 吴金艳 陈煜潼

浙江农林大学暨阳学院 晨晓艺术与设计学院 浙江 诸暨 311800

1 参数化设计概念

参数化设计又称为衍生设计或者生成化设计，是一种多次被运用于现代建筑的一种设计技术方法，该技术方法的设计核心思想是把一个建筑设计的全部要素都能转变成某个函数的某种变量，运用AI的高效能通过数据录入，人工智能算法和云计算就可以很快地生成各种各样的方案，满足不同客户的需求，极大地提高了工作的效率。参数可视化设计技术的主要优势之处在于能够提高工程设计与生产效率、节约设计成本、减小出错的概率，具有实现信息化和可视化、方案化和可行性优化、虚拟化和现实可视化的优点，因而可以使得其在多个不同行业逐渐成为流行。当今社会个体消费的独立性与个性化趋势愈发明显，然而产品同质化问题却越来越突出，产品设计面临着形式创新的不足，在这样一个日新月异的数字化时代，利用技术更高效地进行产品设计工作，形成数字化时代下产品设计领域的科学设计理论，给设计工作带来了新的机遇.以非线性科学为基础的参数化设计，代表了一种前卫的设计理念。参数化主义的内涵实际上大大超过形式本身，数字技术改变了建筑师的设计思考方式。算法是计算的核心内容，它所包含的内容远远不止建筑的形式风格。

2 参数化设计的发展

2.1 历史

参数化设计是在变量化设计理论产生后应运而生的，要领会参数化设计的汗青必需追溯变量化设计的源头。

变量化设计一词是美国麻省理工学院Gossard教授提出的，他采用非线性约束方程组的联立求解，设定初值后用牛顿迭代法精化，这种方法的独到之处在于通用性强，约束方程的内容不限，但其存在一个不可逾越的障碍: 是线性方程组，如何解线性方程组，如何应用线性方程组的解，如何解。这种计算方法过早地把代数几何中的约束方程映射为一个代数组合方程的分组，使一个问题所要求解的过程规模和计算速度难以同时得到有效率的控制。

2.2 现状

参数化设计本质上是可控制的量化参数通过计算机软件设定法则或者逻辑生成不可量化的多元结果，从而寻求新形式和更多的设计优化方案。参数化设计的出现意味着形式的可能性将超过人能达到的最大极限。参数化最棒的一个地方在于，它可以帮助设计师优化建筑结构。尤其是当你面对那些又薄又硬、超难处理的材料的时候。

参数化设计是在变量化设计思想产生以后出现的，要了解参数化设计的历史必须追溯变量化设计的起源[1]。任务情报局的设计者是美国麻省理工学院戈赛德教授与此同时也发现了非线性会计的解决方法。这种设计方法关注的是事物之间的逻辑联系而非具体形式，将设计过程中的数据变量化的同时建立起相互间的约束，是一种多维的参数化过程，其工作模式可抽象为“输入-逻辑作用-反馈”。

随着计算机数据库的储备更加完善和AI技术的进步。传统的设计需要通过设计师的创意灵感和电脑渲染而成，但是人类大脑始终有局限性，无法将大数据进行采集和分析，从而拉长设计的所需时间，参数化设计大大提高了设计师的设计效率，可以在了解相关数据的情况下，生成多个设计方案，设计师可以选取其中符合的方案加以修改即可完成一件设计。

参数化设计注重形式的逻辑性和注重操作步骤的关联性。它指的是将原来生形的控制结果通过一套新的操作过程逻辑进行转化而成为一个或多个参数来进行控制， 它不仅仅可以通过复杂参数形体模型的设计帮助从而使控制输入数据参数和控制输出数据形体之间能够建立精确、可控的逻辑联系，而且它还可以帮助让复杂参数形体的模型设计、建模工作成为一种可能。另一方面通过改变这些参数的值来改变设计结果，这样也更方便设计师在设计过程中进行修改和操作。

在使用参数化设计的方法开发产品时，零件设计模型的建立速度是决定整个产品开发效率的关键。产品开发初期，零件形状和尺寸有一定模糊性，要在装配验证、性能分析和数控编程之后才能确定。这就希望零件模型具有易于修改的柔性。

3 参数化设计的成果与意义

3.1 参数化设计的应用情况

参数化设计最开始在建筑设计中兴起，之后慢慢涉及交通、产品、家居、服装设计等各个领域。初期，建立零件设计模型的速度快慢直接决定了整个工作效率。其中零件形状和尺寸都要在验证、检验分析和数控系统编程完成之后才能进行确定，是希望零件制造模型能够具有一种反复修改的高度柔性。参数化设计就是将任意模型调整中的一个定量参数通过变量参数化，使之可以成为任意模型调整的参数。对于变量化后的参数值再赋予不同的参数值，就等于可绘制得到不同物体大小和各种形状的零件模型[2]。在CAD中，想要正确实现各种参数的优化工程设计，关键性在于建立参数化模型。参数化模型表示了一个零件图形的几何和工程约束，其中几何约束主要包括结构和尺寸约束[3]。结构约束主要是广泛指介于几何结构元素之间的各种拓扑约束关系，如结构平行、垂直、相切、对称等；尺寸约束则主要是通过使用尺寸测量标注法来表示的测量约束，如平均距离测量尺寸、角度测量尺寸、半径长度尺寸等。工程尺寸约束关系是泛指工程尺寸之间的一种约束测量关系，通过测量定义工程尺寸中的变量及它们之间在工程数值上和工程逻辑上的约束关系公式来进行表示。

参数化设计对于用户体验来说与以往不同，对设计师来说更加便捷简洁。2018 UCAN阿里正式发布了AI“鹿班”设计，它是通过结合人工智能技术快速、批量、自动化的方式进行企业图片整体的设计，为中小企业用户大幅度有效节省人力的人工智能设计服务平台。鹿班设计主要为大众提供一页按键生成智能设计生成拓展设计制作图片、拓展设计尺寸、拓展设计颜色等智能设计制作服务，可随时随地做设计图，让人们的设计制作更简单。

3.2 参数化设计的意义

3.2.1 快速的改善传统设计的基础技术问题。

3.2.2 节约人力与物力，设计从而简单方便。

3.2.3 提高AI智能输出的技术与工匠设计的能力。

现在，市场对设计需求越来越多，其中大量设计师的作品并不需要体现太多的艺术独创性，并且人力成本高，效率低。传统的设计是通过设计师的灵感和电脑渲染所组成的方案，但是整个设计过程中会伴随很多因素的影响，如客户预算，客户需求，文化元素等。因此做设计并不简单，它需要将各种方面的元素进行排列组合，从而找到最优解决方案，在这个过程中设计师要参考大量的文献进行查阅，再融合自己的想法思考设计，这样不仅导致效率低下还浪费大量时间与精力，这时参数化设计便体现出其必要性。它主要有变量几何法和参数化建模法，其中变量几何法主要是适用于平面模型，而基于参数化建模法更多的适合于三维中的模型。参数化设计是变量化设计的重要前提，借助其中的思想可轻松实现机构设计的物体仿真参数模拟、物体动力学设计。所以，参数化设计相对于传统设计来说，对未来的设计方向有非常重要的意义。

参数化设计可以大大提高我们与设计师的沟通效率，还可以把每个构件的一些详细信息直接生成一个统计表格，方便我们进行统计。最关键的优势是，GH参数化软件还可以与一些BIM软件比如REVIT进行协同设计，甚至通过GH的插件，实现rhino的BIM化，另外还可以配合一些算法和插件做一些优化设计。但是真正重要的问题始终还是在于设计师的逻辑思维，这才是真正可以创造出好产品设计的动力源泉。

4 参数化设计的未来

在旧设计中，更多的是单位的重复，随着参数化设计的应运而生，设计中有了许多柔和感性的线条和轻盈层叠的空间、自由想象力丰富的图案纹样。参数化设计工具的出现实际上是很大程度上突破了设计工具本身对设计的限制。我们正处在一个多元化的时代，参数化设计可以让设计师在这个多元化时代更加不受局限的去进行设计，发挥出以前传统方法完全没有可能去实现的设计效果和想法。但同时也对设计人本身提出更高要求，设计师本身需要培养清晰的逻辑思维并具备一定的编程思考能力和观察能力，才能驾驭参数化设计工具辅助和不断发展设计。参数个性化的巨大优势是显而易见的，参数式文化建筑设计运动如同我国现代主义设计运动一样，涉及我国建筑设计领域各个方面的设计问题，参数式文化建筑设计的迅速崛起，也可能是现代数字化设计文明迅速取代传统工业设计文明，在我国建筑设计领域的重要表现。但实际限量参数因素也是多方面的， 绝大部分存在元素上还是由于参数个性化建筑设计眼下依然很不成熟，归根结底参数化还是一种先锋的建筑设计处理手法，也正是因为这种不断的成熟性、先遣性，才有人会让越来越多的各国建筑师为之感到沉迷，才有人会认为其能够引领未来中国建筑设计的成长趋向。

仿生设计是电子参数自动化工程设计发展的重要方向。在国内相关研究中，李曼红等人利用仿生建模结构技术对六足模型机器人的内部参数建模设计进行了优化。李大伟等人将参数优化设计技术广泛应用于巨型鲨鱼和橡胶趾的整体模型设计和施工中。金海明利用建模仿生学技术，不断提高软件产品内部建模的整体艺术质量和质量。从仿生学的结构特征到模型的变化都是在研究中，尤其是对于优秀的个体功能仿生学来说，微生物个体结构特征的建模控制参数和仿生学优化的方式和控制方法还比较少。诸如数据参数优化、生产成本低、效率高和管理大量数据进程等因素将为数据参数提供优化设计智能等因素，这无疑是未来绿色设计行业发展中不可避免的趋势。

近十几年来，参数个性化工程设计在现代我国机械制造、建筑设计领域都已经得到了广泛推广，日益普遍，越来越多的事业单位和建筑企业认为采取这种设计方法可以提高参数设计的工作准确性和工作效率，降低专业技术人员的劳动强度，提高建筑企业核心竞争力。现在国内市场对于产品订制一体化的产品需求也越来越高，对于产品参数定制化产品设计的市场需求也日趋强烈。通过企业参数自动化施工设计可以实现企业设计施工自动化，从而大大降低企业设计施工成本，节省企业设计施工时间及尽量减少企业劳动力的大量消耗。在未来，参数一体化产品设计企业应当在进一步充分发展自己的科学技术理性知识优势的基础同时，更多地深入思考社会环境、文脉、可持续发展、多样化等等有关人文社会层面的技术问题，因此参数化设计仍在不断前进。

5 结束语

综合而言，参数化设计的应用在未来的发展是可观的，持续性的、颠覆性的。因此会有越来越多的行业，公司提升参数化设计技术，投入大量人才，带来高效的收益。参数化的设计是一种与其他时期不同的设计风格，它有别于其他现代主义设计时期的风格，是或者说已经取代了现代主义。参数化设计就是指函数/方法合理地提供参数表，内部逻辑根据这些参数进行具体的工作，而由于参数可以从外部传递进来，所以就是等于外部可以控制内部的工作方式，大家都很清楚我们能用各种函数方法做事就是因为这些函数都提供了操作参数，我们根据功能传递不同参数即可，如果使用参数化设计，可以在适当的层面将数据修正并继续往后面传递，还可以方便地模拟数据而无须理会外部数据。形成参数化设计的习惯，其实是个人编程能力上升的又一境界，参数化与不参数化的程序员思想是具有很大差异的，参数化设计者看待软件工程会更加宏观，所设计出来的东西更加稳定，可维护以及好扩展。