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标题

玩具产品造型参数化设计应用

范文

邓卫斌宋仁慈李珺

关键词：参数化参数化设计造型产品造型玩具设计

引言

从世界上第一台计算机诞生开始，数字化信息技术的优势就日益凸显，深入到各行各业，在建筑领域参数化设计的应用取得了实质性的突破，较为理性科学的数理逻辑编程让流畅有机的复杂建筑造型得以展现在世人面前，在工业设计方面的开发及应用极大丰富了产品多样性，物质需求的富足使社会背景下人们热衷于更高层次的需求——精神追求。因此对产品的需求标准也更趋于完美，玩具作为产品设计的一大门类，逐渐以传统满足儿童娱乐的单一属性向复合型社会属性的角色过渡来融入社会，以满足多元化社会需求。研究数据显示，玩具产品造型所营造的视觉空间在很大程度上决定了消费者对产品第一印象的属性定义及购买欲。玩具造型设计在玩具产品同质化的今天显得十分重要，而参数化设计的动态数理逻辑所衍生出的随机自然形态必然为玩具造型设计注入新鲜血液。因此，造型新奇且体验良好的玩具造型尤为重要。参数化设计在建筑界的成功案例令参数化设计的独特优势被释放出来并引起设计师们的高度关注，参数化设计将成为未来产品的一大趋势，为产品形态注入更多理性的科学因子，将感性与理性、艺术与技术巧妙结合，解放设计师的思维束缚，为产品形态提供了更多可能性。

一、参数化设计概述

“参数化”顧名思义就是运用数字符号，以非线性科学为理论基础，通过计算机逻辑运算编程在关键数字符号间建立起相应的参数关系，进而形成参变量，由参变量的变动引起其他参数的联动变化生成一系列参数化造型，作为设计备选方案以满足不同设计需求。

参数化设计（Parametric Design）最多运用在建筑领域，但其概念的缘起要早于建筑。作为一种计算机辅助设计手段在20世纪80年代占据主导地位。从字面意思来看，其所传达的是一种数学上的运算形式，即运用数学符号的编码、变换、运算、试错、检验，进而得到较为合理的数字化模型的动态运算过程。

参数化设计是一种颠覆传统的全新设计方式，可以理解为是一种基于程序算法的方式而进行自组织的一种过程，该过程是复杂、抽象、动态稳定、无唯一解的[1] 。形象地说，就是在一端输入条件，另一端输出形象，随着输入条件的改变，逻辑程序的内部结构则相应发生联动变化，进而影响直观的图像变化，获得参数模型[2] 。因此，参数化设计之于传统造型设计更为严谨、科学、合理、人性化，它将传统不可逆的设计过程变成一种随时修改的动态可持续设计过程，符合当下产品设计趋势。简化设计步骤，优化设计流程，减少设计师在造型设计过程中因过度依靠经验而反复修改模型参数的两难现象，减少无用功，让设计师们更多地致力于设计本身，回归数据，以参数的方式实现多元化的造型结果，优化设计方案。

二、参数化设计优势特点

Grasshopper作为时下热度最高的参数化建模辅助技术，被应用的范围越来越广（建筑、汽车、工业产品、服饰、珠宝、家具、景观、灯具等），与人们的生活越来越密切，它并不是一个独立的个体而是作为一个插件（Grasshopper）依附于Rhino三维建模软件的程序内，形成“Rhino+Grasshopper”模式。客观上，Grasshopper工具本身相比Rhino具有灵活的设计方式及简易的参数算法编程为设计生型提供更多选择、减少设计周期、节约成本、方便修改、电池块永久存储等明显优势;主观上就设计师而言不管是参数化设计这一技术本身还是参数化设计思维方法，都能有效改善设计师对产品造型问题的思考方式，打破思维惯性，解放思想束缚，提供更开阔的创作空间。

（一）更高效的设计方法

参数化设计的方法、思路有别于一般的产品设计方法，这也是参数化设计本身的魅力所在。简言之，就是将所有设计因素用参数的方式表现并根据需要建立各参数间的多重对应关系，在动态效果中修改对应参数使之呈现理想的造型效果。在这一过程中，一切都由计算机参数控制，参数是随机可变的，这也就意味着设计师也不确定最终输出的产品形态，就像是“世界上没有两片完全相同的树叶”一样，模拟自然界有机形态、纹理，在参数化的世界里可以赋予产品这一特性。以产品设计为例，其基本方法可以分为以下内容：（1）通过前期的调查与研究将设计要求数据化，形成参变量;（2）设计参数关系的基本参数模型和算法;（3）软件中基本模型的建立;（4）软件中丰富模型的基本内容;（5）设计参数化的结构系统和解决在构造逻辑中的材料与工艺问题[3] 。

如今，个性化需求的消费诉求日益增多，每个人都想拥有与众不同的产品和标签，与之相对同质化产品充斥着市场，对设计师的造型能力提出了更高的要求，自然的形态是可贵的，它有着独一无二的自然属性，在参数化的世界里流畅自然的有机曲面可以清晰呈现，参数化设计的引入将为产品造型设计创造更多可能性。

（二）更客观的设计过程：从理论上来讲，“数据”是参数化设计的本质，一切设计活动都围绕数据展开，是设计师借助计算机以主观设计目的展开的客观设计过程，设计师需要对影响造型的关键因素做出大致的方向把握。因此，参数化设计是一种较为理性、科学的计算机辅助设计手段，其设计过程就是建立特定关系，依托这种关系通过元素中某些数据中的变化带来结果的变化[4] 。相比较传统静态的设计过程参数化设计是一直处于动态变化的稳定结构，在这一过程中随着参变量的修改，因变量数据也会发生改变，而这一系列变化将客观地反映在三维动态模型上，会产生“牵一发而动全身”造型效果。换句话来讲，如果参变量一直变动，这一过程将会产生无数个相似但又存在细微差别的造型效果，直到设计师找到认为相对满意、合理的造型效果。因此，设计结果只不过是处在设计过程中某个阶段的合理化节点，是产品生命周期的前期雏形。设计师无需刻意在脑海中构思最终形态，而是在计算机生成的大量方案中选择形态，设计的形态处理工作也由“构形”转变为“找形”[5] 。

（三）多元化的设计结果：参数化设计的介入对于解决设计师“脑中无形”的问题无疑是雪中送炭，对于解决产品造型生产同质化市场现象与消费者日益高涨的个性化消费需求间的矛盾起到润滑剂的作用。

具体来看，以往传统造型设计方式大多以“结果”倒推找形的过程，都是根据前端大量竞品分析和设计目标的确立来规划既定的草图形态，经过在设计师大脑的接收和内化形成理想化的预期结果，然后在三维建模软件中根据大脑中的主观映像通过一系列工具命令的转换叠加进行展现，个人主观色彩较严重，且对于某些复杂、流畅的造型以及精细表皮的生成存在短板，模型生成不可逆，输出的结果多具有唯一性，数据的输入完全依靠设计师的主观经验和视觉考量，如果要得到更多的选择方案，后期修改工作量极大。参数化设计的可变“参数”控制，“牵一发而动全身”的动态效果为产品造型增添了无限可能性，设计师只需要在修改影响造型的关键参数所得到的结果中“找形”，便可在较短的时间内得出丰富的造型结果，产出设计方案，提高设计效率，减少设计浪费降低企业成本。

三、传统产品造型设计与参数化产品造型设计

“造型”是一个比较宽泛的概念，产品造型是设计师将设计思维目标通过一定媒介转化为可视化形象的结果，是产品构成要素综合展示的载体。产品造型是产品风格的体现，在一定程度上映射出使用者的个性特征，从这个意义上讲产品造型的变化也是人们高级需求的表达。所以，产品造型设计不是孤立的产品外观表现，作为与消费者接触的第一印象，造型和色彩要保持一致，但不能局限于产品本身的视觉形態表达，更多的是以功能和技术等相关要素的综合性概念传递，主要包括产品内部结构、外部形态、材质、表皮肌理、色彩、人机尺寸、安全性等限制性因素。

产品造型所营造的视觉空间也会给人以心理暗示，如设计语意的获取、产品动态趋势、产品风格、色彩情感、材质肌理属性等。运用传统建模造型方式对于在较短时间内综合考虑各项因素并完成多个设计方案的设计师来说，综合造型能力表现无疑是极大的考验，借助参数化设计的造型过程能有效缓解设计师在产品造型时间和质量上的同时兼顾的两难境地，为产品造型设计提供了新的设计思路。

（一）传统产品造型设计过程：就造型来讲，传统设计过程主要受设计师的个人主观影响较多，长期思维惯性容易造成创新能力的不足。具体过程表现为：（1）设计师经过前期的产品调研和头脑风暴;（2）将脑海中的形态方案通过大量二维草图表现;（3）经过筛选确定最终理想化形态;（4）再通过三维建模软件（如Rhi no）进行展示;（5）最后输出最终产品形态，通过3D打印模型测试尺寸范围;（6）模型形态反复修正;（7）确定最终产品形态。其中在“（6）模型形态反复修正”这一过程中，最终形态所涉及到的各项参数都不是一蹴而就得来的，需要设计师反复撤回步骤进行修改，不仅耗费时间也会产生大量废弃模型，无形中增加了设计师的工作量，对于复杂曲面形态的修改考验设计师的空间想象能力，对其耐心也是较大的考验，增加设计成本、降低了设计效率，在短时间内呈现的设计方案十分有限。这种在脑海中先有既定形态的“倒推式”、“自下而上”的设计过程显然不利于短时高效地产出多种选择的造型设计方案，如图1。

（二）参数化产品造型设计过程：与传统由“结果”定形倒推方式不同的是参数化产品造型设计是“自上而下”式的逻辑推导过程，主要依靠非线性科学中的算法逻辑和几何逻辑规则。一般分为三个过程：确定影响因素参数化、将参数之间建立关系、依据参数因素和设计参数之间的关系建立参数化模型，其中将参数之间建立关系是造型的核心[6] 。在了解过程要点后设计者要（1）规划清晰的设计目标;（2）确定产品造型设计的限制性因素（3）明确限制性因素间的逻辑关系并通过几何算法逻辑转化为相应参数;（4）在Grasshopper中使用不同的算法命令构建模型框架;（5）对限制性因素的参变量修改以约束产品形态，期间得到一系列不同的形态效果，找到理想的产品形态;（6）在软件中分析模型拔模角度等物理参数，如图2。

参数间的关系集合通过电池块相互连接的形式体现，因此，任何一环节中的参数变化都会引起相应参数的联动变化效应，影响产品最终形态，每修改一次参数就会产生新的形态，并且这种参数关系一旦建立，便可以进行封装与打包，从而拒绝了重复的机械劳动，具有极大的自定义性[7] 。这样一来参数的修改过程就是设计师“找形”的过程，短时高效，令设计过程充满无限可能。此外，软件还能分析模型拔模角度作参考，节省重复打印模型检验的成本。

四、玩具造型设计的参数化应用

“玩”作为一种休闲娱乐活动，通过玩具使人们从精神心理层面得到放松舒适，玩具作为产品设计的一大门类，玩具造型相比其他产品要更加具有辨识度，不仅仅是简单的功能概括，应是形、色、质以及功能结构的高度融合。工业批量化生产提高了社会劳动效率，但也导致了商品同质化问题频发，中国是玩具生产出口大国却在原创玩具造型自主创新方面有所欠缺，与之冲突的是人们追求新奇个性的热度持续高涨，玩具造型设计的创新问题亟待解决，计算机技术的飞速发展与落后材料加工工艺也是导致我国玩具造型设计创新能力不足的重要原因。将参数化设计在产品生形方面的独特优势注入到玩具造型设计中，能够在短时间内高效表达创意，提供更加科学合理的玩具参数，为设计师提供了更广阔的创意思维空间，令设计过程更客观，为玩具造型设计开辟了新路径。

（一）儿童摇摇椅参数化应用：以儿童玩具摇摇椅为例，传统摇摇椅主要通过简单几何造型表现憨态可掬卡通具象形态，加上高饱和度的配色来吸引儿童注意，如图3～5。

1.儿童摇摇椅参数化流程规划：参数化设计最明显的特征是通过数理逻辑一步步拟合生形，所以在开始之前设计师就要明确接下来的生形逻辑，每一环节的电池块都是一对一或者一对多的“串联”关系，这与物理学中的电路串联关系十分类似，一个开关限制多个分电路，这种自上而下式的生形逻辑贯穿始终，在得到初步形态后，设计师可以对整个电池链中的某些影响形态的关键环节进行参数调整以达到多元化设计结果的目的，如图6。

2.儿童摇摇椅参数化流程实践：在参数化的指导下，富有动感的有机形态相比较具象化的同类产品更能带来新鲜感和视觉引导性。借助参数化设计的儿童摇摇椅实现一体化成型效果，首先要明确一体化逻辑构建方式，即由单一曲线或曲面得出的轮廓形态。

（1）生形逻辑分析。运用点线面的数学几何逻辑和算法，将步骤进行拆分有序选择对应电池块完成简单逻辑编程，实现生形结果，由于每个电池块的输出和输入端都有多个接口，在进行逻辑分析时要充分考虑前后的逻辑关系，以此保证电池块的逻辑链接科学合理。

（2）建立形态骨架线。如图7，在Rhino中用点画线工具勾勒并调整点的疏密排布得到平滑曲线链接到Grasshopper中，或者直接在Grasshopper中进行搭建，需要注意的是，点、线、面是所有空间形体的基本构成要素，就相当于人体的骨架躯干，所有的外在形态都依附于形态骨架线，比如流线型的极简设计和仿生形态设计即使没有华丽的装饰辨识度也极高。这也是当前很多设计师忽略的细节，计算机绘图的发展使设计师的手绘能力有所影响，“基础既是关键”，因此基础骨架线的搭建与调整很关键。

（3）基准曲面成形。如图7，根据平滑曲线轮廓通过“Loft”放样命令生成光滑曲面，预览结构形态作为造型变化的基准曲面。这里的“Loft”一步生成的曲面可以直接达到Rhino中曲面的G2连续性效果，曲面质量较高不需要再进行曲面的平滑连续性编辑，这在传统建模软件中要得到高质量的G2曲面是无法直接实现的，一般要经过多次命令转换才能实现，如图8。

（4）泰森多边形逻辑形态搭建。使用“Voronoi 3D”命令将不规则中心点阵错落分布在曲面上，然后通过修改参数来调整曲面随机点的数量及疏密分布，随后泰森多边形会以这些不规则点为中心点生成有连续性的不规则曲面形态，生成的曲面是依附于基准曲面的空间形态，有倾斜角度和方向之分，而这恰巧能够形成曲面强度，达到力的分解，如图9、10。

（5）关键参数范围及形态拟合。在生成的泰森多边形面中调整开口大小以满足使用需求，“Output”调整泰森多边形的挤出厚度以及衔接处的光滑过渡会一起发生变化，这个厚度又会影响整个曲面形态的物理强度，最终形成优于布尔倒角的曲面造型，在渲染预览中调整效果颜色，这在一定程度上能够提升并检验设计师对CMF的综合认知能力，如图11～13。

（6）微调参数生成系列化形态。若对最终形态不满意，可返回修改对应尺寸参数，在渲染模式或极地模式下觀察并选择合适尺寸来确定最终造型效果，如图14～16。有效避免传统生形中异形曲面建构和破面补面的繁琐修改过程，实时动态显示模型状态，及时校对模型参数，科学高效完成造型过程。在传统建模软件中生成大面积曲面形态相当困难，模型多为网格面，在进行曲面圆滑倒角时对于计算机CPU运算量考验极大，稍有不慎整个文件全部丢失。

目前参数化在产品形态中的应用并不广泛，在儿童玩具造型中的探索也很少涉及，基于上文中对参数化设计与产品造型设计的对比探讨，以及在玩具产品造型中的应用实践，参数化设计的生形优势可见一斑，不过参数化设计的优势不止于此，“Attractor”和“Normals”的生形效果也同样可观，文中对Voronoi（泰森多边形）的简单运用也只是冰山一角，起到抛砖引玉的作用，参数化设计还可以参与精密复杂的产品造型探索，甚至是渗透到后期模型制作阶段的拔模角度、和曲面连续性分析，都可以在Grasshopper中一体化呈现具体参数，最后将数据传输至模型加工设备中。信息化时代可视化数据的优势显而易见，可以预见，未来借助参数化设计不仅能实现产品造型一体化，还能渗透到整个产品的前端设计周期，使设计周期一体化。参数化设计与玩具产品造型的碰撞融合将让玩具产品造型迸发出新的生机。

结论

充分发挥参数化设计的突出优势，优化设计流程，未来参数化的世界里更多别致复杂的造型将与人们面对面，快速高效的造型效果让设计师有更多精力展开天马行空的造型创意想法，解放思想束缚，提高设计效率，节约企业成本，符合未来可持续发展理念，为我国产品造型设计注入新生动力。

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