基于基因约束和可拓语义的直饮水机造型设计研究

关键词：造型设计；基因；可拓语义；图解思维；直饮水机

中图分类号：TB472 文献标识码：J

文章编号：1003-0069（2024）24-0104-05

引言

直饮水机作为一种能提供高水质饮用水的设备，满足了人们对健康饮水的需求。传统直饮水机主要以技术创新为驱动，但随着技术的发展逐渐成熟以及企业间的竞争日益激烈，赋予产品独特的造型设计语言来塑造有辨识度的品牌形象越来越重要[1]，直饮水机外部造型的设计在企业市场竞争中变得更为关键。另外，直饮水机行业的新生品牌面临市场空间的缩减，要在新产品设计过程中进一步拓展市场份额，需积极汲取其他企业优秀产品的特征基因[2]，运用工业设计方法，融合企业的品牌理念[3]，生成初始产品基因。该过程对新产品的传承性与创新性要求较高，而国内直饮水机的设计研究主要集中在产品本身的性能方面和人性化设计改良方面，对造型传承性和创新性方面的考量不足。

产品造型设计中的传承性要求与遗传学基因之间有着极其相似的特征[4]。目前已有学者从产品基因角度对造型传承性进行了研究，主要集中在较成熟的品牌的迭代设计，侧重设计过程中产品家族特征的传承性，对直饮水机传承设计具有一定启示。在产品造型创新性方面，可拓语义能够基于形式化模型来探讨事物拓展的可能性[5] 并结合图解思维[6] 进行图形化表征和造型演变，可用于拓展造型思路，为造型创新设计实施过程提供了客观有效的指导。

借鉴前人的研究成果，本文在产品基因约束的前提下，应用可拓语义方法对直饮水机造型语言进行传承和创新，并将研究结果应用于直饮水机造型设计中，进一步开发直饮水机产品的市场空间，提升企业新产品的市场竞争力。

一、相关概念及研究方法

（一）产品基因

在工业设计领域，“基因”指的是在新产品造型设计的过程中延续，并保留某一特征造型，使新产品与原有产品之间具有相似性和一定差异性，形成一种整体感和品牌识别度[7]。

产品基因可以分为显性基因和隐性基因，分别指产品的外显特征和潜在的语义内涵，其中外显特征包括产品基本功能、形态、材质、加工工艺、色彩等可以直观感受到的要素，潜在的语义内涵包括产品造型语义、用户认知、企业理念以及文化背景等可以形容产品风格的要素[8]。产品基因的提取与分析为设计过程中确定产品基因约束和设计变量奠定基础。

层次分析法：由美国运筹学家托马斯·赛蒂在20 世纪70 年代中期提出的一种定性与定量分析相结合的多目标决策方法，其实质是试图使人的思维条理化、层次化[9]。可用于对样本的层次化分组实验并提取影响样本分组的显性特征要素。

（二）可拓语义分析

可拓语义分析是基于可拓基元理论并结合图解思维的一种创新设计方法[10]，通过产品语义思维与图解思维的结合，以量化的形式呈现物元、事元、关系元之间的关系，解决无法规范表达的内容[11]。本文运用可拓语义分析对直饮水机隐性基因进行提取、分析和图解表达，并对图解元素进行拓展变换，为后续方案设计提供了思路。

1. 隐性基因的可拓分析方法

按照可拓学中的基元理论，为了量化描述直饮水机设计中的思维过程，将对象 O、特征 C、量值V 统一到一个三元组当中[12]。在直饮水机造型设计过程中，其基元表达式为式（1）：

2. 隐性基因图解元素的可拓变换方法

运用可拓变换的方法，对隐性基因的图解语义元素进行复制、扩缩、分解、增减变换和置换变换[13]。基本规则过程如表1所示。

二、基于基因约束和可拓语义的直饮水机造型设计流程

直饮水机造型设计从产品视角看主要包括了现有产品特征分析、用户需求获取分析、创新和传承设计实践等多个流程，以基因视角看主要涉及基因评估和基因优化流程[14]。

其流程如图1 所示，主要分为6 个步骤。1. 典型样本确定。2. 基因约束分析。3. 直饮水机隐性基因获取。4. 隐性基因可拓区间分析。5. 基因图解语义库构建。6. 直饮水机方案设计及评估。

此方法旨在将现有产品中较难变化的显性特征与用户对直饮水机的感性需求共同融入直饮水机造型设计中，设计出具有传承性和创新性的直饮水机造型形态，形成产品市场竞争力，树立品牌形象。

三、现有产品特征分析

（一）典型样本确定

市场产品是一段时间内用户需求的外化，对现有产品的造型特征进行分析有助于明确产品现有的设计约束和设计方向。通过网络、杂志、企业资料查询等渠道对市场现有直饮水机进行广泛搜集，去除相近、相似和时间较为久远的产品样本，整理出市场上常见的直饮水机共20款。本次研究选择包含主要产品信息的正面侧45°作为研究对象。为避免颜色因素对后续实验的干扰，对样本进行去色和编号，见表2。

（二）基因约束分析

根据市场现有产品分析直饮水机主要外观特征，如图2。以20款直饮水机作为研究对象，通过焦点小组法从形态要素、尺寸与位置及基本功能和CMF 特征3 方面展开了显性特征约束分析。

1. 形态元素权重约束：直饮水机主要形态元素包括控制面板、储纳柜、出水口、接水盘、侧面轮廓以及移动万向轮6 个要素。认知心理学中“选择性注意”概念指出用户在面对产品时，他们的注意力是有限的。产品造型中的重点元素，如独特的形态、对比度高的区域，可以吸引用户的注意并帮助用户快速获取产品关键信息。因此，可以通过层次分析法实验，在层次化分析的过程中获取人们对直饮水机形态的关注点，确定直饮水机各形态元素在视觉上的优先级和强度，明确造型设计的重点元素。

首先邀请12 位不同专业的人员作为被试，请被试根据图片中的产品造型特征对样本进行多轮分组，在分组过程中说明每一次具体的分组原因，每组样本个数不限。最后通过比较12 位被试分组的理由与倾向，对形态要素按照A1～A6 进行编号，统计各形态要素提到的次数并计算频率确定要素权重。

按照权重大小对影响直饮水机形态的要素排序为A1 控制面板（100%）、A5 侧面轮廓（83%）、A4 接水盘（58%）、A3 出水口（50%）、A2 储纳柜（42%）、A6 移动万向轮（8%）。因此，直饮水机形态要素中A1 控制面板和A5 侧面轮廓是造型设计的重点元素和主要变量。

2. 形态尺寸与位置约束：产品造型的设计过程需要考量现有技术和结构对形态尺寸与位置的约束，因而与技术人员针对直饮水机内部结构和形态特征进行交流，参考表2 和图2，得出其尺寸与位置方面的主要约束为：

（1）直饮水机的高度尺寸为1450mm。

（2）控制面板区域与储纳柜长度比值＜ 1。

（3）出水口在接水盘的上方，两者之间需留出的垂直距离≥ 290mm。

（4）出水口对称分布。

（5）接水盘在储纳柜的上部放置。

（6）侧面宽度小于整体机身正面宽度，整体宽度约460mm。

3. 基本功能和CMF特征约束

根据马斯洛需求层次理论，将用户在使用直饮水机时的需求分为生理需求、安全需求、认知需求。直饮水机需要设置至少两个出水口以及提供不同容器放置空间的接水盘满足公共空间多用户饮水的生理需求；在造型设计中可进行圆角设计、操作提示标识设计满足用户对使用环境和操作过程的安全性需求。

直饮水机的色彩、材质及加工工艺（CMF）特征影响着企业利益和用户更高层级的认知需求，而针对各样本的分析发现，直饮水机主要材料是金属板材，其生产技术以钣金折弯工艺为主，加工过程中材料厚度不变且无法制作复杂形态。其色彩受到材质和加工工艺以及产品市场定位的影响，主要以黑白灰并辅以点缀色为主，呈现简约、大气、可靠的产品风格。因而在造型设计中应注重CMF 特征的改变对生产成本和用户认知产生的负面影响。

四、用户需求获取分析

（一）直饮水机隐性基因获取

从用户感性认知意象和品牌理念中获取直饮水机的隐性基因。首先通过访谈法并借助品牌官网、相关书籍杂志等二手资料广泛查询和搜集直饮水机造型意象词汇。其次，对企业负责人进行访谈，了解到相关负责人想要传达的品牌理念为现代、创新。最后，由2 名设计专业的学生和4位有工作经验的设计人员共6名设计师组成小组1，结合表2 中的直饮水机的典型样本，以及目前直饮水机的工作特性和市场定位、品牌理念，最终选出5个最符合直饮水机造型风格特征的感性词汇作为隐性基因，即：简约、现代、创新、高端、智能。

（二）隐性基因可拓区间分析

1. 隐性基因关联度评分。运用语义差异法，将上述隐性基因和20个直饮水机样本结合，根据Likert5 级评价量表建立样本的语义差分问卷。采用线上和线下结合进行问卷调查，结合产品受众，将问卷发放给具有直饮水机使用经验的公司工作人员和在校学生。请被试者对隐性基因与造型风格的关联度进行评估，共收回有效问卷25份。

归纳整理上述数据，见表3。根据表3的数据，对直饮水机隐性基因的可拓设计区间从大到小进行排序和编号，依次是：S1创新、S2高端、S3简约、S4现代、S5智能。在设计时应对可拓区间较大的隐性基因充分考量。

五、创新和传承设计实践

（一）基因图解语义库构建

1. 隐性基因语义图形搜集和筛选。从现有样本和网络搜索途径中选出与直饮水机产品具有相似功能、相同材料或相同加工工艺的并且隐性基因相关性较强的造型语义图片，将选取的图片进一步筛选并进行去色和重新编号。

2. 图形分析与图解。利用图解思维，选取图片中的控制面板、侧面轮廓或主要几何特征等重点造型要素对隐性基因进行图解表达和编号。

最终根据筛选和分析图解结果构建隐性基因可拓图解语义库，见表4。

（二）方案设计与方案评估

1. 基因图解语义可拓变换。根据可拓区间排序，从表4 中选取可拓区间较大的“S1 创新”“S2 高端”和“S3 简约”3 个隐性基因对应的图解元素进行可拓深度变换。从产品创新性设计出发，以形成具有差异度的控制面板和侧面轮廓造型为标准进行变换，例如：对“S1创新”中的S111 和S131 进行置换变换，S141 和S142 分别进行复制变换、“S2 高端”中的S211 和S241 进行置换变换、“S3 简约”中的S322 进行变换，最终产生的新的造型元素共同组成可拓变换造型设计元素集，编号为SF01～SF19，见表5。

2. 元素选取和方案设计

（1）元素选取。首先从产品创新性出发选取最符合描述相应隐性基因的设计元素。邀请小组2 的设计师讨论表5 设计元素应用在控制面板或侧面轮廓中对相应隐性基因的描述情况，进行初步筛选。

再从产品传承性出发，进一步选出符合显性基因约束的设计元素，设定评估区间1～5分，分数越高表明相应设计元素越适合直饮水机的市场定位。由于元素SF03 应用在控制面板部分时不能满足多个出水口和元素SF13 应用在侧面轮廓部分时不符合尺寸与位置约束中的出水口与接水盘距离要求，元素SF17 不符合公共空间使用安全性的要求等，最终选取得分较高的，涉及控制面板和侧面轮廓的图形元素SF01，SF05，SF08，SF12，SF16进行后续方案设计。

（2）方案设计。将选取的5 个图形元素融入方案设计中进行产品的创新性设计，拉开差异度；对功能、CMF 特征以及尺寸与位置、形态权重值较小的显性基因进行产品的传承性设计，不做较大改变。共得到3 款设计方案如图3。

其中方案1选取SF01 元素，采用圆形并向上凸出的控制面板设计，见图3（a）。方案2 选取SF12 和SF16 元素进行侧面轮廓设计，出水口侧面部分参考SF16进行斜切，增强用户操作便捷性，见图3（b）。方案3 选取SF05和SF08元素，对直饮水机上部分侧面轮廓进行了凹凸处理，同时将出水口的冷热控制区喷涂不同于机身颜色和材质的中性色金属漆，见图3（c）。

另外，上述3 款方案的接水盘都传承了基础的方形造型和金属材质；机身外壳在钣金加工工艺可实现的基础上保留圆角处理，避免磕碰风险；水龙头与接水盘的距离都控制在290mm，储纳柜和移动万向轮等部分传承已有设计要素。整体方案在创新设计的同时，尽量避免新产品的设计导致用户识别和操作成本增加。

3. 方案评估

为进一步检验结合基因约束和可拓语义分析方法在设计实践中的有效性，采用模糊综合评价法[9] 对上述方案进行评估。评估过程如下：

（1）确定评价指标和评语集；确定评价指标U 包括u1 造型创新性、u2造型传承性、u3造型可行性，表示为U={u1、u2、u3}。设定评语集X={x1 差、x2 较差、x3 一般、x4较好、x5 好}，划分为5个等级，表示为X={-2、-1、0、1、2}。

（2）确定指标权重；根据评价指标U 中各元素的重要程度，由小组3 人员采用1～9 标度法进行评价，统计得到各指标权重系数，见表6，表示为W={0.297，0.164，0.535}，由于方案最终要考虑落地的可能性，因而造型可行性占权重较高。

（3）确定模糊综合判断矩阵；设定方案综合判断矩阵为R，R={R1、R2、R3} 将问卷线下发放给从事设计工作的相关人员和有生产经验的公司技术人员共20人，根据上述评价指标，对3 款设计方案进行打分，共回收有效问卷20份，整理评价结果，整体方案的突破性和产品传承性获得一致肯定，计算3 款方案评分矩阵。

（4）确定综合评价模型。设定综合评价模型为B，3方案的评价模型表示为B={B1、B2、B3}，则各方案的综合评价模型为：

根据方案模糊综合评价值，方案1、方案2 和方案3 分别得分1.235、0.945、0.894 分。最终选择方案一进行打样和后续生产。

结语

本文结合基因约束和可拓语义两种分析方法的优势探索了直饮水机造型设计的方法。结果表明，对市场直饮水机产品进行基因约束分析可以更好地在直饮水机造型创新过程中传承同类产品的主要特征并明确变换方向。基于可拓语义分析可以帮助设计人员更有效地将用户感性需求融入造型设计中，并生成独特的产品造型元素，为设计人员进行创新性设计拓展造型思路。将基因约束与可拓分析结合起来，能够有效处理直饮水机造型设计中传承性和创新性的矛盾问题，为提高产品市场竞争力，并进一步拓展市场空间创造了条件。