參數(shù)化技術(shù)在家具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究?

周鄭雅 張仲鳳

（中南林業(yè)科技大學(xué)湖南省綠色家居工程技術(shù)研究中心，長(zhǎng)沙 410004）

1 參數(shù)化技術(shù)概念

參數(shù)化技術(shù)是指在參數(shù)化軟件中通過(guò)一定算法生成三維立體模型，在算法運(yùn)算過(guò)程中可以通過(guò)改變參數(shù)而使模型發(fā)生改變，并且整個(gè)變化過(guò)程可視。該技術(shù)打破了傳統(tǒng)手工、繪畫(huà)、設(shè)計(jì)需對(duì)已知的事物進(jìn)行描繪的桎梏[1]，設(shè)計(jì)者既可以通過(guò)分析程序內(nèi)在邏輯規(guī)律認(rèn)識(shí)形體，又可有目的地生成與改變形體。參數(shù)化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于提高設(shè)計(jì)與生產(chǎn)效率、節(jié)約成本、減小出錯(cuò)率，具有信息可視化、方案可優(yōu)化、虛擬現(xiàn)實(shí)化的優(yōu)點(diǎn)，因而使得其在多個(gè)行業(yè)逐漸流行。

2 參數(shù)化技術(shù)在家具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 信息可視化

信息可視化是將模型、表格、網(wǎng)絡(luò)、投票等抽象數(shù)據(jù)通過(guò)圖形的方式展現(xiàn)出來(lái)。這種技術(shù)有利于人們更直觀、高效地理解與分析信息，將人與機(jī)器有機(jī)結(jié)合起來(lái)，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)結(jié)果。這種借助圖形化手段將數(shù)據(jù)可視化具有更大的認(rèn)同感和趣味性[2]。

2.2 方案可優(yōu)化

參數(shù)化技術(shù)為家具設(shè)計(jì)師提供了高效改變模型形體的工具，使得模型結(jié)果更加多樣化，可借助數(shù)學(xué)算法對(duì)結(jié)構(gòu)拓?fù)?，形狀和尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[3]。設(shè)計(jì)中除了考慮產(chǎn)品實(shí)用、美觀、經(jīng)濟(jì)等因素，如能將環(huán)境、資源、產(chǎn)品綜合性能評(píng)價(jià)等納入其中，可得到更優(yōu)的家具設(shè)計(jì)方案[4]，由于家具設(shè)計(jì)需考慮諸多影響因素，增加了復(fù)雜性和不可控性，而基于參數(shù)化技術(shù)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與信息管理可為其提供更多的可能性[5]。

2.3 虛擬現(xiàn)實(shí)化

參數(shù)化在虛擬現(xiàn)實(shí)化的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在反求技術(shù)過(guò)程中，對(duì)實(shí)物的反求經(jīng)由選取事物、表面輪廓數(shù)字化測(cè)量、數(shù)據(jù)分析、CAD模型重構(gòu)、快速成型一系列步驟，其中在模型重構(gòu)階段可通過(guò)Pro/E、GH、NX等創(chuàng)建曲面的工具對(duì)模型進(jìn)行修改，并通過(guò)3D打印技術(shù)、數(shù)控技術(shù)共同實(shí)現(xiàn)實(shí)體化[6]，如圖1所示。

圖1 原實(shí)物與新建實(shí)物轉(zhuǎn)換關(guān)系圖Fig.1 Transformation relation diagram of original object and new object

3 參數(shù)化技術(shù)在家具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用策略

3.1 設(shè)計(jì)階段

3.1.1 以人為本

居家環(huán)境中，家具與人的接觸頻率最高, 家具風(fēng)格、使用舒適度對(duì)人生理和心理有很大影響，因此家具設(shè)計(jì)應(yīng)以人為本，要求家具具有與使用環(huán)境的可協(xié)調(diào)性，可激發(fā)人的自發(fā)性活動(dòng)，提高人們的生活質(zhì)量[7]。在家具設(shè)計(jì)中，運(yùn)用參數(shù)化技術(shù)通過(guò)控制數(shù)值將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與人機(jī)工學(xué)建立聯(lián)系，例如通過(guò)傳感椅獲取用戶人體數(shù)據(jù)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)等方法生成多種類型的家具，滿足用戶對(duì)于家具個(gè)性化設(shè)計(jì)的需求。

3.1.2 以功能為準(zhǔn)則

對(duì)家具功能化考量往往針對(duì)某一個(gè)特殊群體或某一現(xiàn)象的適用范圍，比如兒童、老人、親子互動(dòng)、小戶型等等。產(chǎn)品的實(shí)用性是考量一個(gè)設(shè)計(jì)是否優(yōu)良的重要標(biāo)準(zhǔn)，除此之外，還要滿足美觀、時(shí)尚、個(gè)性化等條件。無(wú)論是對(duì)家具產(chǎn)品主要功能還是輔助功能設(shè)計(jì)，均應(yīng)采用參數(shù)化技術(shù)針對(duì)用戶的不同需求進(jìn)行模型的高效修改，在精準(zhǔn)滿足用戶需求的同時(shí)，提高設(shè)計(jì)效率[8]。

3.1.3 以結(jié)構(gòu)為導(dǎo)向

產(chǎn)品多功能化是家具設(shè)計(jì)發(fā)展的趨勢(shì)，如座椅、柜體、燈具已不再具單一功能，這對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。同時(shí)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔化、模塊化、仿生形態(tài)已成為眾多消費(fèi)者的選擇。因此在參數(shù)化設(shè)計(jì)中 ，利用遺傳算法、拓?fù)鋬?yōu)化快速構(gòu)建簡(jiǎn)潔有序的結(jié)構(gòu)形態(tài)[9]，還可以模擬自然環(huán)境、力學(xué)等，打破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思維，以設(shè)計(jì)出更加豐富的產(chǎn)品。

3.2 生產(chǎn)階段

3.2.1 產(chǎn)品精準(zhǔn)制造

家具受空間限制的影響，往往體量較小，形態(tài)多變，在生產(chǎn)中會(huì)因設(shè)計(jì)出現(xiàn)誤差導(dǎo)致成本增加，加工廢料增多而造成資源浪費(fèi)。參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)可以與生產(chǎn)設(shè)備在計(jì)算機(jī)模型與設(shè)計(jì)產(chǎn)品之間建立聯(lián)系，通過(guò)模型數(shù)據(jù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行精密制造，比如在進(jìn)行一些復(fù)雜曲面造型或者需要大量零部件組裝時(shí)，可采用CNC數(shù)控系統(tǒng)、3D打印技術(shù)等，使模型快速精確地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品實(shí)體，在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)也方便運(yùn)輸。

3.2.2 工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化

參數(shù)化技術(shù)應(yīng)用于家具產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程主要有CNC數(shù)控切割、3D打印技術(shù)、有限元分析[10]等。CNC切割技術(shù)主要應(yīng)用于切片家具，通過(guò)切割大小、形狀不同的單元按規(guī)律組成家具造型。3D打印技術(shù)應(yīng)用于家具生產(chǎn)具有減小制造難度、縮短研制周期、零技能制造、個(gè)性化定制的優(yōu)勢(shì)[11]。有限元分析普遍被應(yīng)用于多個(gè)學(xué)科，運(yùn)用有限元仿真軟件 ANSYS Workbench對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與優(yōu)化[12]。利用參數(shù)化技術(shù)進(jìn)行家具生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)家具體量、材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化工藝。

3.3 產(chǎn)品信息管理階段

對(duì)家具加工過(guò)程中原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、優(yōu)化、交換、共享，實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息全集成[13]。通過(guò)追蹤產(chǎn)品參數(shù)、整個(gè)家具制造過(guò)程的環(huán)境參數(shù)、基材基礎(chǔ)參數(shù)、機(jī)器運(yùn)行過(guò)程以及工人規(guī)范化操作的監(jiān)控和優(yōu)化管理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過(guò)程中存在的質(zhì)量問(wèn)題的控制和預(yù)防。

4 參數(shù)化技術(shù)在家具設(shè)計(jì)中應(yīng)用的案例分析

本文選用家具產(chǎn)品中具代表性的座椅類作為設(shè)計(jì)對(duì)象，基于參數(shù)化技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)作。座椅類家具在設(shè)計(jì)過(guò)程中除了需考慮其安全性、舒適性、功能性、美觀性等，還應(yīng)考慮產(chǎn)品材料的選擇、加工工藝、組合形式等?！瓣庩?yáng)椅”的參數(shù)化設(shè)計(jì)在前期主要綜合考慮文化、社會(huì)、人等相關(guān)因素和產(chǎn)品舒適度、安全性、功能性（主要功能與輔助功能），完成對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)定位；中期將材料選擇、加工工藝、運(yùn)輸與安裝成本等因素納入?yún)?shù)化設(shè)計(jì)[14]；后期則主要對(duì)項(xiàng)目信息進(jìn)行管理。

4.1 設(shè)計(jì)階段

“陰陽(yáng)椅”設(shè)計(jì)采用Grasshopper作為參數(shù)化編輯軟件，該軟件適用于滿足條件的任一形體，主要通過(guò)對(duì)參數(shù)調(diào)節(jié)改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)[15]。在“陰陽(yáng)椅”設(shè)計(jì)階段，分別對(duì)其基本理念、人機(jī)工學(xué)、功能與結(jié)構(gòu)四個(gè)方面進(jìn)行考量，得出最優(yōu)解。

“陰陽(yáng)椅”設(shè)計(jì)理念來(lái)源于中國(guó)古代哲學(xué)的陰陽(yáng)學(xué)說(shuō)，結(jié)合現(xiàn)代思想，以抽象、極簡(jiǎn)的訴求構(gòu)建出新的表達(dá)方式。座椅分為兩個(gè)部分，可拼合作為躺椅，也可分開(kāi)作休閑椅單獨(dú)使用，圍合、半圍合空間給人以安全、舒適的心理感受。“陰陽(yáng)椅”采用波紋管修飾彎曲柔和的曲線，利用信息可視化的優(yōu)點(diǎn)，從視覺(jué)與觸覺(jué)上進(jìn)行優(yōu)化，如圖2、3所示。

圖2 座椅單體造型圖解Fig.2 Seat monomer modeling

圖3 座椅在Grasshopper中的可視化算法Fig.3 Seat algorithm in Grasshopper

“陰陽(yáng)椅”最基本的功能是滿足休憩、休閑、閱讀。座椅設(shè)計(jì)的基本要求是要滿足使用者的舒適性與安全性需求。依據(jù)人體工學(xué)尺寸塑造座椅基本形態(tài)，如表1所示，塑造好的曲面被拾取到Grasshopper的基礎(chǔ)編輯器中，使用集合編輯器中組件SDivide生成曲面上U、V方向點(diǎn)的柵格，根據(jù)生成的列表連線[16]。在這一過(guò)程中，設(shè)計(jì)師通過(guò)滑塊控制U、V方向上點(diǎn)的數(shù)量以及每根圓管的半徑數(shù)求得最優(yōu)解，參數(shù)化方案可優(yōu)化的特點(diǎn)免除了設(shè)計(jì)中繁雜反復(fù)的工作[17]。

坐臥類家具除了要滿足休息這一主要功能，還可能需要增加一些輔助功能，例如：收納置物、植物養(yǎng)殖等。“陰陽(yáng)椅”的功能劃分明確，二為一體，分別為休息坐臥區(qū)與休閑置物區(qū)，如圖4所示。座椅分為兩部分，既可分開(kāi)為多人交流提供空間，又可合二為一圍合成私密空間。

表1 陰陽(yáng)椅的主要功能形態(tài)和參數(shù)Tab.1 Main functional forms and parameters of yin-yang chairs

圖4 陰陽(yáng)椅功能劃分Fig.4 Function division of yin-yang chairs

“陰陽(yáng)椅”結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)符合現(xiàn)代個(gè)性化審美、模塊化的極簡(jiǎn)風(fēng)格要求，但并不是座椅造型唯一的表現(xiàn)形式。Grasshopper技術(shù)為座椅模型設(shè)計(jì)提供便利，同樣的邏輯語(yǔ)言能夠快速構(gòu)建多種結(jié)構(gòu)形態(tài)的結(jié)構(gòu)線形式座椅[18]，如圖5所示。圖中公共座椅為比利時(shí)工業(yè)設(shè)計(jì)師Sebastien Wierinck利用波紋管設(shè)計(jì)而成，這種藝術(shù)表現(xiàn)手法無(wú)疑使空間環(huán)境變得靈動(dòng)、更具趣味性[19]。

圖5 結(jié)構(gòu)線表現(xiàn)形式的座椅Fig.5 Structure line representation of the seat

4.2 生產(chǎn)階段

生產(chǎn)環(huán)節(jié)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的升華階段，既要精確模型又要確定產(chǎn)品材料可適性?！瓣庩?yáng)椅”采用的波紋管便于彎曲，又具有較高的強(qiáng)度，不銹鋼金屬表面顏色可以根據(jù)喜好與環(huán)境搭配。最重要的是起到支撐作用的鋼管結(jié)構(gòu)及其連接件的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，利用Grasshopper建立以20 cm為間隔座椅截面形態(tài)，并bake(烘焙)到Rhino中便于精準(zhǔn)制造，連接配件可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組裝，便于運(yùn)輸，提高了生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)效益。

為保證鋼管結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，運(yùn)用金屬材料彎曲成型的計(jì)算機(jī)模擬分析。高溫狀態(tài)金屬材料成型的本構(gòu)方程可以表示為 ：σ=σ(ε，T，S) ，其中ε為金屬材料應(yīng)變速率，T為成型的溫度，S為金屬材料內(nèi)部組織參數(shù)[20]。引入本構(gòu)方程求出金屬材料的應(yīng)力狀態(tài)與應(yīng)變?cè)隽康年P(guān)系，再根據(jù)建立的有限元幾何模型確定彎曲成型的溫度，實(shí)現(xiàn)金屬材料彎曲成型，論證方案的可行性、穩(wěn)定性。座椅側(cè)面圖如圖6所示。

圖6 座椅側(cè)面圖Fig.6 Side view of seat

4.3 產(chǎn)品信息管理階段

“陰陽(yáng)椅”作為家具產(chǎn)品，從設(shè)計(jì)階段到生產(chǎn)階段都采用了參數(shù)化技術(shù)，探索性的嘗試初步論證了參數(shù)化設(shè)計(jì)應(yīng)用于家具設(shè)計(jì)中的可行性，產(chǎn)品完成后，將設(shè)計(jì)與加工過(guò)程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合。利用物料清單 (bill of material，BOM)將產(chǎn)品的配置結(jié)構(gòu)形成質(zhì)量信息清單。這種“質(zhì)量信息”組織方式能夠便于追蹤記錄產(chǎn)品中不同零部件在不同時(shí)間緯度上的“質(zhì)量信息”，方便質(zhì)量問(wèn)題的追溯和分析[21]，利于今后產(chǎn)品質(zhì)量的過(guò)程控制和事前事后預(yù)防，也為今后參數(shù)化設(shè)計(jì)在室內(nèi)家居產(chǎn)品中的應(yīng)用積累充分的數(shù)據(jù)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為新產(chǎn)品的研發(fā)與設(shè)計(jì)提供參考。

5 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)階段，參數(shù)化設(shè)計(jì)在家具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用還處于萌芽階段，利用參數(shù)化技術(shù)對(duì)家具產(chǎn)品建模、生產(chǎn)、分析是家具行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。參數(shù)化設(shè)計(jì)可滿足家具市場(chǎng)個(gè)性化、模塊化、大批量生產(chǎn)需求，在家具設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中，設(shè)計(jì)師可以參數(shù)化技術(shù)為手段，使模型建立更快捷高效，設(shè)計(jì)實(shí)體更精準(zhǔn)安全。當(dāng)然，優(yōu)秀的家具設(shè)計(jì)主要取決于設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)理念與創(chuàng)意思維，但參數(shù)化技術(shù)作為一種輔助工具，可幫助設(shè)計(jì)師將創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，其在家具領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展，將對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的提升與家居環(huán)境的整體改善產(chǎn)生積極影響。