生成式設(shè)計(jì)在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

崔強(qiáng)

摘要：隨著數(shù)字化設(shè)計(jì)方法的不斷發(fā)展，新的設(shè)計(jì)手段與其他領(lǐng)域的結(jié)合帶來了全新的設(shè)計(jì)觀念。生成式設(shè)計(jì)就是一種新的設(shè)計(jì)流程，這個(gè)流程通過計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力，高效的生成設(shè)計(jì)方案。本文通過分析生成式設(shè)計(jì)的概念、方法和工業(yè)產(chǎn)品案例作為依托，闡述了生成式設(shè)計(jì)在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，探討了算法和數(shù)字建模技術(shù)在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中運(yùn)用的潛能及對(duì)生成式設(shè)計(jì)未來發(fā)展的展望。

關(guān)鍵詞：生成式設(shè)計(jì)；產(chǎn)品設(shè)計(jì)；算法

中圖分類號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編碼：1672-7053（2018）03-0111-02

1 前言

隨著科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)對(duì)工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)有著重要的影響。早期的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)只能輔助設(shè)計(jì)師進(jìn)行模型制作及效果圖表現(xiàn)。雖然這使得設(shè)計(jì)的過程更加有效率，但是并沒有改變?cè)O(shè)計(jì)的流程。傳統(tǒng)思維下的設(shè)計(jì)師依靠頭腦風(fēng)暴產(chǎn)生很多設(shè)計(jì)的可能性，從中去深化特定的設(shè)計(jì)概念，但這往往會(huì)受到設(shè)計(jì)師自身想象力的束縛。然而，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)可以更高效的幫我們完成出方案的過程，因此計(jì)算機(jī)的角色從輔助我們表現(xiàn)方案到幫助我們生成方案。通過輸入設(shè)計(jì)的目標(biāo)，計(jì)算機(jī)能自動(dòng)生成大量的可視化圖形，輔助設(shè)計(jì)師發(fā)現(xiàn)一些他們難以想到的優(yōu)秀設(shè)計(jì)方案。

1.1 從傳統(tǒng)設(shè)計(jì)到參數(shù)化設(shè)計(jì)

在十幾年前，參數(shù)化設(shè)計(jì)工具的出現(xiàn)全完改變了設(shè)計(jì)師創(chuàng)作的方式，這種設(shè)計(jì)方法讓設(shè)計(jì)師通過設(shè)計(jì)整個(gè)生成系統(tǒng)來生成設(shè)計(jì)，而不是傳統(tǒng)的直接建立模型。通過這個(gè)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)師可以改變其中的變量來生成不同的設(shè)計(jì)。盡管這種設(shè)計(jì)方法在設(shè)計(jì)之初會(huì)消耗大量的精力，但是它給設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)方案提供了很多便利。首先，參數(shù)化設(shè)計(jì)方法可以很方便的生成出不同的設(shè)計(jì)方案。不同于傳統(tǒng)的手工建模方式，參數(shù)化設(shè)計(jì)可以直接通過調(diào)整參數(shù)來生成不同的模型；其次，參數(shù)化模型可以在設(shè)計(jì)完成后不斷修改，不需要手動(dòng)的一次次修改模型。最重要的是，參數(shù)化設(shè)計(jì)方法可以讓設(shè)計(jì)師更廣更深的研究設(shè)計(jì)問題。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是設(shè)計(jì)師分析設(shè)計(jì)問題，尋找靈感解決問題，然后根據(jù)設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)與技能來創(chuàng)作出一個(gè)設(shè)計(jì)方案。使用參數(shù)化設(shè)計(jì)的方法，設(shè)計(jì)問題的約束與目標(biāo)會(huì)被直接寫進(jìn)參數(shù)模型，隨后參數(shù)模型便可根據(jù)不同的參數(shù)生成與之相符的設(shè)計(jì)方案。

1.2 從參數(shù)化設(shè)計(jì)到生成式設(shè)計(jì)

雖然參數(shù)化設(shè)計(jì)方法擴(kuò)展了設(shè)計(jì)的可能性，推動(dòng)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)過程中的位置，但是設(shè)計(jì)空間（Design Space）的創(chuàng)造仍然受到設(shè)計(jì)師個(gè)人能力的限制。一些變量依據(jù)設(shè)計(jì)的限制與需求確定，但仍然需要設(shè)計(jì)師手動(dòng)的調(diào)整變量并根據(jù)自身的經(jīng)驗(yàn)選擇合適的生成結(jié)果，這其實(shí)和傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法并無兩樣。生成式設(shè)計(jì)方法充分發(fā)揮了設(shè)計(jì)師和計(jì)算機(jī)各自擅長(zhǎng)的領(lǐng)域，自動(dòng)幫助設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)空間里發(fā)掘設(shè)計(jì)方案，并回饋設(shè)計(jì)師哪個(gè)方案符合后期深化的要求。計(jì)算機(jī)處理信息要比人類快數(shù)以萬倍，因此這個(gè)系統(tǒng)可以發(fā)掘更深入更復(fù)雜的設(shè)計(jì)空間。對(duì)于一些復(fù)雜的模型，生成式設(shè)計(jì)方法也被用來發(fā)掘設(shè)計(jì)空間中一些設(shè)計(jì)師用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法很難發(fā)現(xiàn)的創(chuàng)新性方案。

2 生成式設(shè)計(jì)的基本原理

2.1 生成原則

生成式設(shè)計(jì)由設(shè)計(jì)師給出一個(gè)大致的設(shè)計(jì)空間（結(jié)構(gòu)、體積、形態(tài)元素），計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)的計(jì)算可以高效的生成大量的設(shè)計(jì)方案，然后基于用戶的限定篩選出符合設(shè)計(jì)要求并且高質(zhì)量的方案。生成式設(shè)計(jì)不但能夠在方案數(shù)量上有優(yōu)勢(shì)，而且還能產(chǎn)生出很多有創(chuàng)新的設(shè)計(jì)，構(gòu)造設(shè)計(jì)師難以想象的復(fù)雜形態(tài)，激發(fā)設(shè)計(jì)師的靈感。生成式設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)師更多地去考慮一個(gè)多維度的設(shè)計(jì)空間，每個(gè)空間維度表示一個(gè)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)設(shè)計(jì)方案都會(huì)在這個(gè)設(shè)計(jì)空間里有一個(gè)特定的位置。

生成設(shè)計(jì)模型要滿足以下兩個(gè)方法。第一，每個(gè)模型必須包含可以被設(shè)計(jì)評(píng)估的度量標(biāo)準(zhǔn)，由于計(jì)算機(jī)沒有評(píng)判設(shè)計(jì)好壞的直覺，設(shè)計(jì)師要向計(jì)算機(jī)明確什么樣的設(shè)計(jì)是好的，什么是不好的。第二，計(jì)算機(jī)需要有能夠改變控制變量的算法，并且能夠從變量中得到反饋，發(fā)掘所有的設(shè)計(jì)可能性。其中的一個(gè)較常用的算法是多目標(biāo)優(yōu)化算法（multi-objective genetic algorithm），它使用進(jìn)化的原理來生成一些列設(shè)計(jì)，并隨著時(shí)間的推移不斷產(chǎn)生更好的結(jié)果。

2.2 多目標(biāo)優(yōu)化算法

多目標(biāo)優(yōu)化算法也就是多個(gè)目標(biāo)的遺傳算法，起源于對(duì)自然發(fā)展過程的模擬，是通過達(dá)爾文的生物進(jìn)化論演變而來的隨機(jī)優(yōu)化生成方法。隨著軟硬件和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，多目標(biāo)優(yōu)化算法解決復(fù)雜工程設(shè)計(jì)問題在工程領(lǐng)域很常見，建筑領(lǐng)域也有將類似的優(yōu)化方法應(yīng)用于各種架構(gòu)問題。然而，受限于工程問題的目標(biāo)，這些應(yīng)用僅限于使用結(jié)構(gòu)性能作為優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)。相對(duì)于工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)而言，生成式設(shè)計(jì)需要一個(gè)更加靈活的工作流程可以適應(yīng)各種各樣的優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)。生成設(shè)計(jì)在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的工作流程可以分為四個(gè)步驟：（1）設(shè)計(jì)模型需要有一定變化空間，能夠產(chǎn)生多樣化的可能性；（2）用一系列評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)估單個(gè)設(shè)計(jì)的性能；（3）通過多目標(biāo)優(yōu)化算法對(duì)模型的設(shè)計(jì)空間進(jìn)行探索；（4）通過統(tǒng)計(jì)分析對(duì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理。

3 生成式設(shè)計(jì)在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新應(yīng)用

3.1 設(shè)計(jì)概述

本設(shè)計(jì)運(yùn)用生成式設(shè)計(jì)把結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與形態(tài)設(shè)計(jì)作相結(jié)合，通過目標(biāo)優(yōu)化使計(jì)算機(jī)能夠輔助設(shè)計(jì)師把結(jié)構(gòu)作為形態(tài)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，創(chuàng)造出結(jié)構(gòu)合理形態(tài)優(yōu)美的設(shè)計(jì)方案。通過給定設(shè)計(jì)基因（形態(tài)元素），計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)的計(jì)算可以高效的生成大量不同的設(shè)計(jì)方案，然后通過評(píng)分篩選出符合要求的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)結(jié)果為一把結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、重量輕的樹枝元素椅子。

3.2 設(shè)計(jì)主題

自然界是人類靈感的重要來源，本設(shè)計(jì)的靈感來源于自然界中樹枝的形態(tài)。樹枝存在著潛在的結(jié)構(gòu)合理性，比如獨(dú)特的生長(zhǎng)方式能夠把營(yíng)養(yǎng)傳遞到所有樹葉，能夠支撐起整個(gè)樹的重量等。通過對(duì)樹枝生長(zhǎng)方式的分析并結(jié)合一些研究，提取了樹枝生長(zhǎng)的規(guī)律。例如樹枝分叉在樹木的生成過程中不斷調(diào)整、斐波那契數(shù)列生長(zhǎng)規(guī)律、樹干粗度等于第二級(jí)樹枝總粗度。運(yùn)用這些規(guī)律生成樹枝算法（圖1），可以在突出方案表現(xiàn)力的同時(shí)，兼顧一定的力學(xué)性能。在設(shè)計(jì)之初需要明確設(shè)計(jì)的目標(biāo)和約束。設(shè)定約束包括：（1）能夠承載人的重量；（2）高度在人機(jī)工程標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)；（3）以樹枝生長(zhǎng)為元素；（4）保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；（5）總重量在一定范圍內(nèi)。

由于還沒有專門用于生成式設(shè)計(jì)的軟件出現(xiàn)，所以使用基于Rhino建模軟件的Grasshopper插件進(jìn)行程序編寫。通過選取椅子的支撐點(diǎn)，讓樹干從支撐點(diǎn)按照一定的規(guī)則生長(zhǎng)、分叉、轉(zhuǎn)向、相交和終止，得到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)形態(tài)的規(guī)律和有限元分析對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化計(jì)算生成設(shè)計(jì)方案。為了減少計(jì)算量，在設(shè)計(jì)之初減少了影響設(shè)計(jì)生成的參數(shù)數(shù)量。最終幾何模型的建立，一共有三個(gè)主樹干，每個(gè)主樹干分出兩個(gè)二級(jí)樹權(quán)，因此在設(shè)計(jì)空間里有10的6次方個(gè)不同解。

3.3 方案的評(píng)價(jià)

為了使程序能夠自動(dòng)篩選出最優(yōu)解，需要確定設(shè)計(jì)的目標(biāo)以便程序?qū)γ總€(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)分篩選出評(píng)分高的設(shè)計(jì)。對(duì)于一些工程性問題如強(qiáng)度、質(zhì)量等，設(shè)計(jì)的目標(biāo)很容易轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)。但是像美感、情感等感性的目標(biāo)卻很難用數(shù)據(jù)表達(dá)，需要設(shè)計(jì)師去參與最終方案的選擇。

設(shè)計(jì)的目標(biāo)評(píng)估參數(shù)：（1）重量（體積*材料密度）；（2）穩(wěn)定性（Karamba有限元分析插件計(jì)算）；（3）支撐強(qiáng)度（Karamba有限元分析插件計(jì)算）；（4）設(shè)計(jì)感（設(shè)計(jì)師把控）；（5）創(chuàng)新性（設(shè)計(jì)師把控）。

3.4 方案選擇

經(jīng)過目標(biāo)優(yōu)化算法篩選出100個(gè)符合要求的方案，每個(gè)設(shè)計(jì)有相應(yīng)的評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)生成，比如模型的重量，穩(wěn)定性和承重能力等（圖2）。但是多目標(biāo)優(yōu)化沒有最優(yōu)解，有一個(gè)相對(duì)的最優(yōu)解范圍。在這個(gè)范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)師根據(jù)自己的喜好先擇相應(yīng)的方案繼續(xù)深化。最終設(shè)計(jì)方案如圖（圖3）。

4 生成式設(shè)計(jì)的不足及未來發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)階段的生成式設(shè)計(jì)還有一定的不足，例如模型不能有過多的變量，因?yàn)槊慷嘁粋€(gè)影響參數(shù)，計(jì)算的難度將會(huì)指數(shù)級(jí)的增加，這大大降低了生成效率。生成式設(shè)計(jì)的技術(shù)較復(fù)雜，需要設(shè)計(jì)師有編程的能力，因此運(yùn)用生成式設(shè)計(jì)方法的門檻較高。生成式設(shè)計(jì)也很難對(duì)感性的目標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，例如美感。但是隨著機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，評(píng)價(jià)美感的能力也逐漸能被計(jì)算機(jī)掌控，未來生成式設(shè)計(jì)結(jié)合Ai技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)將會(huì)創(chuàng)造出更多可能性。

5 結(jié)語

生成式設(shè)計(jì)需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求、功能和參數(shù)等，選擇適當(dāng)?shù)乃惴òl(fā)覺設(shè)計(jì)的可能性，而不是簡(jiǎn)單地利用算法生成一系列造型。新的技術(shù)手段使設(shè)計(jì)不在僅僅依靠設(shè)計(jì)師的個(gè)人能力，而是結(jié)合其它因素共同決定，這相對(duì)于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法會(huì)更加的高效和理性。本文中的設(shè)計(jì)方案主要是生成式設(shè)計(jì)應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域，生成式設(shè)計(jì)還有更廣闊的應(yīng)用層面，包括建筑設(shè)計(jì)、室內(nèi)設(shè)計(jì)、城市規(guī)劃設(shè)計(jì)等。利用算法結(jié)合日照分析、人流量分析和建筑性能分析等，更能突出生成式設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。在信息時(shí)代背景下，生成式設(shè)計(jì)是將藝術(shù)與科學(xué)、理性與感性結(jié)合的新的設(shè)計(jì)方法，在未來會(huì)有很廣闊的發(fā)展前景。