参数化设计在产品形态设计中的应用

    张凯++张寒

    

    摘要：基于复杂数理逻辑的参数化设计能给人带来逻辑美感，已成为产品形态设计领域研究的热点。本文着重运用归纳法和案例分析法从逻辑构成形态、结构构成形态、肌理构成形态三个方面探讨其应用路径，并归纳出“生成——调节——挑选”这一基本的逻辑流程。

    关键词：参数化设计 产品形态 逻辑构成 结构构成肌理构成

    中图分类号：TB47

    文献标识码：A

    文章编号：1003-0069（2016）02-0024-02

    参数化设计目前在现代设计中的应用比较广泛，在各类造型领域的探索中，建筑行业的应用已经取得了较为显著的成绩。随着技术的不断进步，参数化设计的应用面在不断扩大，逐渐由建筑领域扩展到其他领域，初步展开在产品形态设计中的应用，并出现一些相关设计作品，但对于设计方法和应用路径的研究还不完善。基于应用路径的研究一定程度上对推动设计创新具有重要的现实意义。

    1 参数化设计概述

    参数化设计其实就是参变量化设计，即把设计参变量化，每个参变量控制或表明设计结果的某种重要性质，改变参变量的值会改变设计结果。

    参数化设计的最大特点表现在参数的即时调节和与之相对应数字模型的即时反馈。在参数化设计系统中，不变参数通过一定的逻辑规则形成设计基础，再通过可变参数的数值调节进行方案的调整和优化，最终生成设计结果。在这个过程中，各种影响因素被数据化和关联化，并通过规则和逻辑贯穿在一起。参数化的这种可变和易于调节的特点，使设计变得更加方便和灵活，设计师只需要调节规则逻辑中的参数就能迅速调整方案的呈现效果。参数化设计的运用可以在短时间内生成一系列方案，设计师或用户可以根据设计要求或审美经验进行方案选择，这在一定程度上带来更为丰富、多变的体验，促进基于互联网的个性定制的发展和完善，为设计行业带来新的活力。

    2 参数化设计与产品形态设计

    数理逻辑又称“符号逻辑”，是一门用数学方法研究思维的形式结构及其规律的学科。数理逻辑在形态塑造中的运用能够体现比例与尺度、对称与均衡、节奏与韵律、统一与变化等形式美法则。从古至今，一些简单而经典的数理逻辑被广泛运用到设计当中，最为人们熟知的就是黄金分割比，古代的埃及金字塔、印度泰姬陵到现代苹果公司的很多产品设计都以黄金分割比为内在逻辑，这些设计无不被人奉为经典。

    当代，计算机技术的快速发展与3D打印技术的进步，使复杂数理逻辑的呈现成为可能，参数化设计便是其中之一，其作为一种新的设计方法在现代设计中的探索极为引入注目。尤其在产品形态设计领域，参数化设计使原来不可能实现的复杂结构与形式得以呈现，形态的内在数理逻辑性使产品展现出变化丰富、充满律动的形式美感，既能丰富产品的视觉呈现效果，又可以满足用户的个性化需求。参数化设计正逐渐应用于产品形态设计中，并呈现出一个新的发展潮流“。

    3 参数化设计在产品形态设计中的应用路径

    参数化设计在产品形态设计中的应用主要表现为逻辑构成形态、结构构成形态和肌理构成形态三个方面。

    3.1 逻辑构成形态

    逻辑构成形态是指以符合或接近数理逻辑关系的规则塑造的形体，着重强调形态的逻辑性。参数化的产品逻辑构成形态设计的基本流程如下：（1）确定设计目标；（2）找出对设计目标具有影响的各类因素，将这些因素转化为有效的参量，通过研究和逻辑推理，确定参数之间的基本关系；（3）运用某种规则系统（即算法）构筑参数关系，逐步实施算法生成产品的设计原型；（4）通过对算法中关键变量的调整，生成海量方案，这一环节如果达不到理想效果，则返回去进一步修改算法，进行新一轮的实施和迭代，从而得到另一类可能性，在算法的反复实施和迭代中生成理想的设计结果；（5）设计师或用户在生成的一系列方案中进行方案挑选。整个流程可以概括为：设计目标——参量设定——算法构建——参数调整——评价——确定。

    例如由美国设计师Matthias Pliessnig为私人客户所设计的阿玛达长凳（图1），是参数化的产品逻辑构成形态设计的一个典型案例。其设计目标是一个贯穿空间的宽大流动的长凳，设计师首先运用曲线干扰、细分等规则营造一个高低起伏、凹凸有致的流动效果，构造出长凳的设计原型；其次通过对整体尺寸、细分次数等参数数值的调节，生成一系列的形态结果。最后根据自己的经验、审美或脑海中的预想等进行方案评估和挑选，得到令人满意的视觉形态。

    3.2 结构构成形态

    对于参数化的产品结构构成形态设计，一方面可以通过相关参数化软件对现有产品进行拓扑优化，以达到某种经济或生态效益；另一方面也可以运用参数化设计方法研究及模拟自然界和传统人工物中的结构，赋予产品以新的结构形式。

    3.2.1 拓扑优化

    拓扑优化算法主要用于结构优化。基于设计目标的拓扑优化可以将材料均质的模型优化为材料在空间中的最佳分布模型，也可以从力学角度出发对原有产品模型进行拓扑变形，通过这两种方式的反复迭代优化，最终产生一种新的结构形态。可以总结为：设计目标——力学分析——变形优化——评价——确定。

    例如德国设计师Marco Hemmerling和Ulrich Nether设计的这款衍生椅（图2），即是参数化的产品结构拓扑优化的典型案例。其设计目标是在原材料减少的同时保证座椅的稳定性及舒适度。设计师在设计构建时主要采用有限元建模软件，对座椅的结构性能、材料特性、人机工程学数据以及生产加工工艺等参数进行综合分析，并通过反复迭代，生成一个最优化的方案模型，最终呈现的是经过计算机逻辑运算之后的结构，亦是座椅的最终形态。衍生椅设计通过参数化软件的运用，在功能优化的基础上，实现了产品的形态创新和制造的经济性。

    3.2.2 结构模拟

    大自然中的诸多结构不仅具有科学的力学法则，并且拥有和谐的美感，前人通过学习、模仿和研究自然界中的生物结构，创造了很多优秀的人工结构，流传至今。参数化的产品结构构成形态设计的另一种方式就是研究自然界和传统人工物中的结构，将影响产品及结构构件的要素转化为多个参数，设定模拟算法，并进行优化与创新，在反复迭代中生成最终的结构形态。即：设计目标——研究现有结构——模拟优化——评价—确定。

    例如荷兰Studio Drift工作室设计的可以动态变化的吊灯——TheShylights（羞羞灯）（图3），便是通过对自然界中优秀结构的模拟，所实现的产品创新。绽放是花最美的瞬间，然而到了夜间，美丽的花朵便害羞般的闭合起来，The Shylights（羞羞灯）正是模拟花瓣盛开和闭合这两个动作，即垂下绽放时灯具打开，向上收缩时灯具关闭。其设计的关键是利用参数化软件模拟花的开合，为灯具制作了可伸缩并极其精密的机械骨架，以此生动地呈现花朵绽放时所展现出的自然生命力。

    3.3 肌理构成形态

    肌理是物体表面组织结构的表现形式，是产品形态的重要组成部分。参数化的产品肌理构成形态设计的基本流程如下：（1）确定设计目标；（2）找出影响特定产品肌理设计的各种因素，将其转化为参（变）量，并基于对这些参（变）量的分析确定具体的设计元素；（3）设定该元素自身的变化及组合逻辑（算法），通过算法的逐步实施构造出设计原型；（4）确定变量，调节变量数值，推敲方案；（5）通过对参数的综合调节进一步优化方案，并在比较的基础上挑选最终效果。该流程可以概括为：设计目标——确定设计元素——基于元素的变化及组合逻辑（算法）构建——变量数值调节——评价——确定。

    例如由马萨诸塞州的Nervous System实验室设计的Hyphae Lamps（图4），是参数化的产品肌理构成形态设计的一个典型案例。HyphaeLamps是系列化的有机台灯设计，以自然界中的生物生长规律为元素，设定生长算法，从最初的种子和一个基面，通过节点的不断分支与合并，生长为一个有机的镂空网络。同时，算法可以随着参数数值的调整而发生改变，每个灯都是基于这些类似算法而单独种植的，因此，这一系列有机台灯中的每一个都是独一无二的，其自然化的肌理可以通过LED灯向墙上或天花板上投射独特的图案，创造一种空灵和有机的氛围。

    4 结论

    随着计算机技术的发展，基于复杂数理逻辑的参数化设计在产品形态设计中的应用越来越广泛。其应用的基本流程可以概括为：实施规则或算法生成设计原型——调节参数得到一系列方案——设计师或用户进行方案挑选，进一步归纳为“生成——调节——挑选”这一逻辑流程。

    参数化设计在产品形态设计领域的应用具有重要的现实意义。一方面，为设计师提供新的方法和思路，拓展设计师的思维；另一方面，基于算法的参数调节能够在短时间内生成一系列方案，这在很大程度上可以促进产品的设计更新，缩短产品的设计周期，丰富产品的表现形式，让产品以更为全新的面貌呈现在世人面前。此外，用户可以根据自己的喜好从生成的系列化方案中进行选择，很大程度上实现了用户参与，特别是通过与互联网及3D打印相结合，用户能够基于不断发展与完善的互联网个性化定制平台直接参与设计，这些都为用户带来了全新、有趣、互动的体验感受。由此可以预见，参数化设计必将成为未来应用到产品形态设计领域的重要方法之一。