基于參數(shù)化設(shè)計的數(shù)據(jù)邏輯思維研究

王妍　李卓

摘要：研究參數(shù)化設(shè)計中“數(shù)據(jù)邏輯思維”的含義、來源和影響，為參數(shù)化設(shè)計的發(fā)展與應(yīng)用提供參考和啟發(fā)。調(diào)查研究相關(guān)成果案例，全面分析數(shù)據(jù)邏輯思維在參數(shù)化設(shè)計中的地位，分析其來源的有效途徑。結(jié)合其他學(xué)科理論背景對數(shù)據(jù)邏輯思維的具體應(yīng)用進行深入研究。數(shù)據(jù)邏輯是參數(shù)化設(shè)計的本質(zhì)，主要來源有個人經(jīng)驗轉(zhuǎn)化和理論數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化兩條途徑。通過對其的研究可以使參數(shù)化設(shè)計更好地適用于不同需求背景下的設(shè)計實踐當(dāng)中。

關(guān)鍵詞：參數(shù)化 數(shù)據(jù)邏輯 數(shù)據(jù)化轉(zhuǎn)化 Grasshopper

中圖分類號：TB47 文獻標(biāo)識碼：J

文章編號：1003-0069（2019）08-0065-03

引言

近年來參數(shù)化設(shè)計作品引領(lǐng)創(chuàng)新科技新風(fēng)尚，從建筑領(lǐng)域興起的參數(shù)化設(shè)計一經(jīng)出現(xiàn)就引發(fā)設(shè)計熱潮。首飾、鞋品、服裝設(shè)計等時尚行業(yè)也逐漸向參數(shù)化獨有的科技感、未來感造型風(fēng)格靠攏，進一步的，參數(shù)化設(shè)計在其他工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域如一般工業(yè)產(chǎn)品和汽車產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域中逐漸得到了更加廣泛的研究和應(yīng)用。隨著參數(shù)化設(shè)計的應(yīng)用范圍廣泛鋪展開來，對于參數(shù)化設(shè)計的思維本質(zhì)以及計算機數(shù)字化背景在其中影響的探討也顯得越來越有現(xiàn)實意義。參數(shù)化設(shè)計的計算機數(shù)字化背景作為其根源和主要應(yīng)用形式，為其深入研究提供了一個很好的切入點。

一、參數(shù)化設(shè)計概述

（一）基本概念

參數(shù)化設(shè)計的本質(zhì)是可控量化參數(shù)通過計算機軟件設(shè)定法則或者邏輯函數(shù)實現(xiàn)生成多元結(jié)果的過程，它以數(shù)字化的方式詮釋設(shè)計目的，構(gòu)建設(shè)計邏輯，解決設(shè)計問題，進而尋求更新的形式和更多設(shè)計優(yōu)化的解決方案。

（二）發(fā)展脈絡(luò)

現(xiàn)代參數(shù)化設(shè)計是伴隨著計算機數(shù)字技術(shù)的發(fā)展而逐漸應(yīng)實際設(shè)計需求發(fā)展起來的一種新型設(shè)計方法，隨著其多領(lǐng)域應(yīng)用、多形式表達得到了越來越廣泛的關(guān)注和發(fā)展。它通過邏輯建模調(diào)節(jié)參數(shù)，迅速得到相應(yīng)變化的模型結(jié)構(gòu)，從而可在短時間內(nèi)生成大量結(jié)果，用以對比分析優(yōu)選，有效地提高了設(shè)計效率。擁有著計算機的數(shù)據(jù)邏輯背景，參數(shù)化設(shè)計通過邏輯建?？蔀閺V泛適用的工業(yè)化產(chǎn)品提供大量富有變化的形態(tài)結(jié)構(gòu)樣式，對于形成全新的設(shè)計形態(tài)和格局做出了巨大貢獻。

參數(shù)化軟件繁多，本文主要基于Rhinoceros+Grasshopper軟件平臺進行簡要介紹。Grasshopper是一款在Rhinoceros環(huán)境下運行的三維模型插件，采用程序算法生成區(qū)別于傳統(tǒng)建模工具的操作方法，將數(shù)據(jù)邏輯轉(zhuǎn)化為可視化幾何模型。Grasshopper的最大特點是可以通過程序算法向計算機下達更加高級且復(fù)雜的邏輯建模命令，使計算機根據(jù)確定了的數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)自動生成模型結(jié)果。通過編寫含有邏輯建模概念的運算器，機械性的重復(fù)操作可以交由計算機的自動循環(huán)運算來完成，如圖1所示。

Grasshopper將編程語言變成可見的集成塊，讓用戶自己拼裝并將這一過程鏈接起來使其成為一個整體。使得建模思路和完整過程以更加直觀的圖形化形式進行展現(xiàn)。圖2中每個運算器都可以對其中的參數(shù)進行調(diào)節(jié)，以生成動態(tài)的多元化的設(shè)計結(jié)果。在增強視覺感染力、表現(xiàn)力的同時也體現(xiàn)了科技化手段在豐富產(chǎn)品形態(tài)結(jié)構(gòu)上的巨大優(yōu)勢。另外，Grasshopper本身還具備兼容多種特點的次級運算器功能，設(shè)計師甚至可利用Grasshopper自帶的編程工具編寫特殊的個性化運算器，這也是Grasshopper成為最流行的參數(shù)化建模插件的原因之一。

（三）主要特點

1.以數(shù)據(jù)邏輯為質(zhì)。參數(shù)化設(shè)計手段與其他計算機輔助設(shè)計方式兩者最大的差別在于參數(shù)化設(shè)計在計算機軟件技術(shù)的應(yīng)用上更能夠顯示其核心是在于數(shù)據(jù)邏輯思維的巧妙特質(zhì)，即“操作數(shù)據(jù)進而間接影響形態(tài)”，而不是廣泛意義上的單純數(shù)字化呈現(xiàn)。參數(shù)化設(shè)計最大的特點就是將設(shè)計中的邏輯關(guān)系外化，強調(diào)邏輯，邏輯是參數(shù)化設(shè)計的核心和本質(zhì)。數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)反映了數(shù)據(jù)的組成元素之間的關(guān)系，數(shù)據(jù)通過邏輯結(jié)構(gòu)在虛擬上的實現(xiàn)反映了客觀幾何元素的物理水平。

2.以設(shè)計思維為本。因為數(shù)據(jù)邏輯信息的復(fù)雜性和多元性的特點導(dǎo)致目前參數(shù)化設(shè)計的具體表達是依靠計算機龐大的計算能力來承載的，現(xiàn)代參數(shù)化設(shè)計更多地表現(xiàn)為一種計算機輔助設(shè)計實現(xiàn)的邏輯可視化過程。參數(shù)化設(shè)計的出現(xiàn)意味著形式的可能性將超過人能達到的最大極限，其中最為關(guān)鍵的就是設(shè)計的邏輯算法，它體現(xiàn)了設(shè)計師的本質(zhì)意愿。這是人們在突破自身計算能力而追求更加多元化設(shè)計結(jié)果的大膽嘗試，這也是隨著科技的不斷進步人們體現(xiàn)自身價值的必然趨向。

二、數(shù)據(jù)邏輯來源的兩條途徑

數(shù)據(jù)邏輯是計算機用以安排數(shù)據(jù)進行運算的邏輯結(jié)構(gòu)，它體現(xiàn)了整個設(shè)計過程的總體框架，是設(shè)計作品的骨骼。數(shù)據(jù)邏輯作為一種邏輯框架擁有一定的知識性和規(guī)律性，這種知識性和規(guī)律性與其他經(jīng)驗法則有本質(zhì)上的相似性，通過一定思維轉(zhuǎn)化方法，有機會將其他經(jīng)驗法則轉(zhuǎn)化為計算機可以接受的邏輯結(jié)構(gòu)即數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)。這樣既拓寬了數(shù)據(jù)邏輯框架的來源，為后續(xù)數(shù)據(jù)的加載提供了多樣化的基礎(chǔ)條件，同時，還可以用一種全新的方式將已有的經(jīng)驗法則進行合理化利用，并且反作用于科學(xué)的不斷進步。由此經(jīng)驗法則的數(shù)據(jù)化轉(zhuǎn)化起到了一舉多得的作用。

目前參數(shù)化中的數(shù)據(jù)邏輯框架的來源主要有兩個：一是設(shè)計師通過日常觀察、經(jīng)驗積累總結(jié)出的個人設(shè)計思維進行梳理和提煉，用數(shù)據(jù)的方式進行邏輯化表達，逐漸形成參數(shù)化設(shè)計中的數(shù)據(jù)邏輯框架。二是設(shè)計師對于其他自然學(xué)科總結(jié)出的規(guī)律和守則加以分別，以實際設(shè)計目標(biāo)甄選出具有進一步發(fā)展?jié)摿Φ目茖W(xué)理論進行數(shù)字化背景的數(shù)據(jù)邏輯轉(zhuǎn)化，以運用到后續(xù)的設(shè)計活動中去，如圖3。

（一）以設(shè)計師的個人思維轉(zhuǎn)化為來源

傳統(tǒng)設(shè)計模式下的設(shè)計過程大部分往往只存在于設(shè)計師自己的腦袋里，受傳統(tǒng)手段對于形體表達方式的局限性影響，設(shè)計師能夠表達出來供以交流分享的大多只是設(shè)計思維中一部分具有具體形態(tài)的結(jié)果，而在有限的表達過程中很多其他的設(shè)計想法因為這一部分具體表達的形態(tài)結(jié)果而被抹殺。這是很多設(shè)計師都面臨過或一直在面臨的問題，傳統(tǒng)設(shè)計方法在思維多樣性的保留和表達方面具有很大的局限性。

現(xiàn)在由于參數(shù)化設(shè)計的出現(xiàn)使得設(shè)計師們有了新的記錄設(shè)計思維的方式，打破了傳統(tǒng)設(shè)計方法取一舍三的困境。設(shè)計師通過將自己的想法轉(zhuǎn)化為計算機邏輯語言，將參數(shù)化軟件中的數(shù)據(jù)元素按照轉(zhuǎn)化好的邏輯語言進行連接，既保留了完整的思維過程，還可以隨時進行修改優(yōu)化，這對于設(shè)計思維的保留具有很大的現(xiàn)實意義。另外，參數(shù)化軟件還可以根據(jù)設(shè)計師的想法時時生成虛擬三維模型，對邏輯參數(shù)進行調(diào)整的同時還可以實現(xiàn)形態(tài)變化的動態(tài)展現(xiàn)，這對于設(shè)計師尋求設(shè)計最優(yōu)解也提供了強有力的技術(shù)支持。

（二）以其他自然學(xué)科理論轉(zhuǎn)化為來源

現(xiàn)代設(shè)計的發(fā)展在不斷向更深層次延伸，愈來愈呈現(xiàn)出與更多學(xué)科交叉、融合的趨勢。邏輯是自然的法則，也是美學(xué)的守則。幾何數(shù)學(xué)、計算機科學(xué)、物理學(xué)、信息學(xué)、生物學(xué)等繁雜的自然科學(xué)已經(jīng)對自然中的很多形態(tài)、結(jié)構(gòu)、現(xiàn)象都做了大量的科學(xué)研究，總結(jié)出了許多自然科學(xué)理論和美的法則，基于計算機技術(shù)長足發(fā)展所誕生的參數(shù)化設(shè)計為這些理論和法則提供了知識轉(zhuǎn)化的機會和手段。參數(shù)化設(shè)計的數(shù)據(jù)邏輯思維可以將學(xué)科理論數(shù)據(jù)化處理之后轉(zhuǎn)化為計算機可以依據(jù)、表達的思維結(jié)構(gòu)，這也讓參數(shù)化設(shè)計的數(shù)據(jù)邏輯來源得到了極大的拓展，為參數(shù)化設(shè)計結(jié)果復(fù)雜性的表達提供了資源。

數(shù)據(jù)邏輯來源的多樣化讓不同設(shè)計目標(biāo)在前期就打下了良好的學(xué)科背景和基礎(chǔ)，打破了原有學(xué)科之間的科學(xué)壁壘，為多學(xué)科的交互協(xié)調(diào)發(fā)展起到了重要的促進作用。通過對這些科學(xué)理論的數(shù)據(jù)化處理，使得它們可以作為設(shè)計活動的邏輯框架構(gòu)建起人們學(xué)習(xí)自然的現(xiàn)實途經(jīng)，將自然智慧付諸生活實際，也大大拓展了現(xiàn)有設(shè)計的形態(tài)來源，開辟了一條全新的設(shè)計形態(tài)良好可持續(xù)發(fā)展途徑。且參數(shù)化設(shè)計既帶有隨機性，同時又有可控性，這反過來也為探究大自然規(guī)律的奧秘和創(chuàng)新式生態(tài)設(shè)計提供了新的可能。

三、基于數(shù)據(jù)邏輯思維把握形與力的具體表達

形態(tài)與結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)邏輯的物理表達，數(shù)據(jù)邏輯是形態(tài)與結(jié)構(gòu)的數(shù)字依據(jù)，不同的數(shù)據(jù)邏輯來源和背景適用于不同的設(shè)計前提之下。以數(shù)據(jù)邏輯思維為先導(dǎo)，因地制宜把握形與力在參數(shù)化設(shè)計中的表達既是參數(shù)化設(shè)計深入發(fā)展的理論需要，也是參數(shù)化設(shè)計更好地適應(yīng)和匹配各行各業(yè)生產(chǎn)實際的客觀要求。

（一）數(shù)據(jù)邏輯與以形為主的設(shè)計形式

1.概念簡述?！耙孕螢橹鳌钡脑O(shè)計一般指優(yōu)先注重產(chǎn)品形態(tài)的設(shè)計，對于產(chǎn)品力學(xué)方面的設(shè)計要求不是很高，比如首飾、一般家居產(chǎn)品和其他小產(chǎn)品等。這種產(chǎn)品的設(shè)計要求主要體現(xiàn)在對其外觀形態(tài)美的把控上，為了得到更美的設(shè)計結(jié)果，設(shè)計師往往要在項目前期給出大量的方案草案以供挑選，所以設(shè)計思維和形態(tài)結(jié)果的多元化發(fā)展是設(shè)計師所追求的主要目標(biāo)。

2.促進作用。在“以形為主”的設(shè)計領(lǐng)域參數(shù)化設(shè)計方法顯得尤為適用。它突出了幾何形態(tài)乃至復(fù)雜形態(tài)的多樣性，而3D打印技術(shù)為復(fù)雜形體的可實現(xiàn)性提供了技術(shù)支持，在現(xiàn)代工業(yè)制造產(chǎn)品的原型設(shè)計上有著極大的發(fā)展?jié)撃?。參?shù)化設(shè)計的數(shù)據(jù)邏輯本質(zhì)讓其以可操控的形式保留了設(shè)計師思維發(fā)展的演變過程。它為設(shè)計師保留了最原始的各種數(shù)據(jù)的同時也讓最原始的各種可能被保留了下來，這為后續(xù)設(shè)計的演變、發(fā)展、優(yōu)化提供了更加豐富的結(jié)果，促進了設(shè)計的進步與發(fā)展。

因為數(shù)據(jù)邏輯的建立，參數(shù)化設(shè)計生成結(jié)果的多樣性還滿足了用戶對于獨特形態(tài)的個性化需求。設(shè)計師在利用Grasshopper邏輯建模方法時可以通過調(diào)節(jié)運算器所包含的對應(yīng)參數(shù)，使方案快速匹配定制要求。同時，編程化的建模方式還可通過干擾、編織、Voronoi、隨機生長、循環(huán)等計算機運算方式生成全新而奇妙的形態(tài)，給用戶帶來不同的視覺體驗，增強了感性視覺力的表現(xiàn)，如圖4。感性視覺力的形成多來自于現(xiàn)實中存在的事物，包括有機和無機的自然形態(tài)，以及各類人造物。應(yīng)用在變化干擾方式上，不僅可通過點、線、圖面等基本幾何信息進行干擾，還可通過自然界中的自然現(xiàn)象進行干擾。例如在構(gòu)建好基本曲面后加入頻率干擾，可根據(jù)頻率起伏、頻率的集中程度分布狀況而形成類聲波樣的視覺變化。將制作好的各種變化作為基本樣式映射在之前生成的曲面形態(tài)上，可以創(chuàng)造出豐富而靈動的美妙結(jié)構(gòu)。

（二）數(shù)據(jù)邏輯與以力為主的設(shè)計形式

1.概念簡述?！耙粤橹鳌钡脑O(shè)計一般指對設(shè)計結(jié)果的力學(xué)性能非常重視的設(shè)計過程，例如以建筑為代表的設(shè)計與工程相結(jié)合的領(lǐng)域。這類領(lǐng)域的設(shè)計目標(biāo)在于保證設(shè)計產(chǎn)品工程質(zhì)量前提下盡可能追求形態(tài)的美觀和多元，在項目后期還要就工程標(biāo)準(zhǔn)對設(shè)計結(jié)果進行驗證和迭代優(yōu)化。所以如何能夠在設(shè)計前期就將工程標(biāo)準(zhǔn)納入設(shè)計考慮，設(shè)計出更具客觀現(xiàn)實的結(jié)構(gòu)并在形態(tài)上盡量富有新意是設(shè)計師最為關(guān)心的問題。

2.以力找形應(yīng)用模式。復(fù)雜形態(tài)與結(jié)構(gòu)體系之間所存在的數(shù)學(xué)邏輯與力學(xué)法則之間的偏差，構(gòu)成了當(dāng)今國際建筑參數(shù)化設(shè)計深化研究與面向現(xiàn)實實施的困境與挑戰(zhàn)。隨著參數(shù)化設(shè)計的發(fā)展人們更加了解了參數(shù)化設(shè)計的運作原理，明白了數(shù)據(jù)邏輯作為其本質(zhì)可以反映出設(shè)計結(jié)果的基本物理水平，從而開始根據(jù)目標(biāo)在設(shè)計活動初期的邏輯建立階段就將所需要的跨學(xué)科理論知識作為邏輯框架的來源納入到考慮之中。因為建筑領(lǐng)域總是需要考慮實際建造過程中結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的問題，所以建筑參數(shù)化設(shè)計師通過將設(shè)計過程倒回至設(shè)計初期的數(shù)據(jù)邏輯建立上，試圖就其本質(zhì)背景進行改善。

作為自然學(xué)科理論的一部分，現(xiàn)有的力學(xué)結(jié)構(gòu)法則也有機會經(jīng)過數(shù)據(jù)化處理后參與到參數(shù)化設(shè)計的邏輯框架中。如果在設(shè)計活動一開始的邏輯構(gòu)建就從物理學(xué)的力學(xué)結(jié)構(gòu)理論出發(fā)，使得它們作為設(shè)計活動的物理學(xué)邏輯背景，那么以此邏輯生成的結(jié)果在滿足形態(tài)目標(biāo)的同時將在后續(xù)的設(shè)計檢驗中更可能較好符合最初力學(xué)性能的設(shè)計指標(biāo)。著名建筑結(jié)構(gòu)大師巴爾蒙德（Cecil Balmond）專注于創(chuàng)新結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計方向，提出了一系列與建筑結(jié)構(gòu)相關(guān)的數(shù)學(xué)和物理定義，以及由此生成的建筑構(gòu)成和空間組織形式，把“結(jié)構(gòu)就是建筑”的理念貫徹到他多個設(shè)計作品中，為這一理論的實踐提供了經(jīng)驗，如圖5。

在數(shù)據(jù)邏輯思維的指導(dǎo)下，參數(shù)化設(shè)計在具有實際空間意義的三維數(shù)據(jù)層面打破了“形體先于結(jié)構(gòu)”的傳統(tǒng)設(shè)計思維桎梏，為結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的快速迭代和多樣化發(fā)展做出了巨大的貢獻，也為后續(xù)工程人員的檢測和重構(gòu)提供了便利。在聯(lián)合其他計算機數(shù)字背景下的分析技術(shù)，可對參數(shù)化設(shè)計方案進行有效的線上虛擬評估，及時優(yōu)化調(diào)整，做到設(shè)計與工程的有機結(jié)合，大大降低了產(chǎn)品實驗成本，提升了前期設(shè)計到實際生產(chǎn)全鏈路的可操控性。且參數(shù)化設(shè)計自身帶有的未來感、科技感風(fēng)格也解放了之前在工程標(biāo)準(zhǔn)限制下的結(jié)構(gòu)形態(tài)，使之朝著更加開放、自由的復(fù)雜形體趨勢不斷發(fā)展。

結(jié)語

數(shù)據(jù)邏輯是計算機背景下的參數(shù)化設(shè)計的靈魂，數(shù)據(jù)邏輯思維下的參數(shù)化設(shè)計方法的應(yīng)用突破了傳統(tǒng)設(shè)計思維的局限性，將“新鮮血液”注入到了當(dāng)今設(shè)計形態(tài)與格局之中。以往需要人工整理的設(shè)計過程通過數(shù)據(jù)邏輯的轉(zhuǎn)化被直觀地記錄下來，既保留了設(shè)計的多元化潛能，也減輕了設(shè)計師們的生理負(fù)擔(dān)，使得他們能將更多的精力投入到設(shè)計思維的本質(zhì)理解和形式的表達之中。數(shù)據(jù)邏輯思維通過參數(shù)化設(shè)計表現(xiàn)手段將理論邏輯與視覺感知有機的結(jié)合起來，在思想、方法、技術(shù)、風(fēng)格等各個層面都帶來了深刻的影響，具備很強的前瞻性與啟發(fā)性。數(shù)據(jù)邏輯來源的多樣性還促進了多學(xué)科交流融合以及設(shè)計結(jié)果的多元化發(fā)展，推動了設(shè)計到生產(chǎn)全鏈路的優(yōu)化升級。基于數(shù)據(jù)邏輯思維的參數(shù)化設(shè)計突破了人生理上的有限，而將人的思想價值放大到無限，這是人類發(fā)展進步的過程中最寶貴的部分。