公共空間參數(shù)化雕塑設(shè)計(jì)與施工方法研究

梁 楠 大連藝術(shù)學(xué)院

屈曉松 大連藝術(shù)學(xué)院

參數(shù)化設(shè)計(jì)是指參數(shù)化模型的尺寸用對(duì)應(yīng)的關(guān)系表示，可以用一個(gè)變量數(shù)值確定大致比例關(guān)系而不用前期確定準(zhǔn)確數(shù)值，變化一個(gè)參數(shù)數(shù)值后（可變參數(shù)）會(huì)根據(jù)搭建的“約束條件”（不變參數(shù)或模型特征）的架構(gòu)而隨即做出其當(dāng)下可變數(shù)值的數(shù)字模型，無需重復(fù)搭建數(shù)字模型的成型特征指令，以一種協(xié)同的方式相互關(guān)聯(lián)和共同改變[1]。

1 數(shù)字化發(fā)展背景

1.1 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer—Aided Design，CAD）、計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）、計(jì)算機(jī)輔助生產(chǎn)（Computer Aided Manufacturing，CAM）以及計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃（Computer Aided Process Planning，CAPP）等技術(shù)在工程建造領(lǐng)域得到應(yīng)用發(fā)展，設(shè)計(jì)和施工技術(shù)也不斷進(jìn)步，如計(jì)算設(shè)計(jì)方法（Computational Design）、 數(shù) 字 加 工 技 術(shù)（Digital Fabrication）、數(shù)字構(gòu)建（DigitalTectonics）、數(shù)字工匠（Digital Crafting）等[2]。

1.2 技術(shù)概述分析

參數(shù)化雕塑設(shè)計(jì)和施工方法是將計(jì)算機(jī)技術(shù)與工程施工技術(shù)相融合的新方法，無論在設(shè)計(jì)還是生產(chǎn)加工方面都以數(shù)字化工具為側(cè)重。使用計(jì)算機(jī)技術(shù)來幫助解決設(shè)計(jì)問題，以更科學(xué)和靈活高效的方式支持設(shè)計(jì)人員更好地完成方案。建立出數(shù)字模型后根據(jù)實(shí)際的施工方案結(jié)合有限元分析，優(yōu)化形體結(jié)構(gòu)制定施工方法流程，利用數(shù)字加工技術(shù)即數(shù)控機(jī)械、激光切割裝置、增材制造以及建造機(jī)器人等設(shè)備，來實(shí)現(xiàn)CAD與CAM集成下的構(gòu)件制造與裝配。

2 數(shù)字軟件適配分析

參數(shù)化的發(fā)展多數(shù)在機(jī)械領(lǐng)域，而常用的參數(shù)化設(shè)計(jì)CAD 軟件中，主流的應(yīng)用軟 件 有Pro/Engineer、UGNX、CATIA 以及Solidworks，4 大軟件各有特點(diǎn)，并在不同的領(lǐng)域分別占據(jù)一定的市場份額[3]。Pro/Engineer 是參數(shù)化設(shè)計(jì)的鼻祖，參數(shù)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)最先就是由它實(shí)現(xiàn)。

2.1 數(shù)字化軟件選用分析

因?yàn)樵诳臻g雕塑領(lǐng)域需要構(gòu)建大量的數(shù)字模型作為現(xiàn)實(shí)環(huán)境的模擬仿真模型，而CAD 軟件相對(duì)建模對(duì)象數(shù)量較低，所以在參數(shù)化雕塑領(lǐng)域可以選用美國Robert McNeel& Assoc 開發(fā)的PC 上強(qiáng)大的專業(yè)3D 造型軟件Rhinoceros。它的應(yīng)用程序架構(gòu)和開放的SDK 使其模塊化，用戶能夠自定義界面并創(chuàng)建自定義命令和菜單。Rhino 可以創(chuàng)建、編輯、分析和轉(zhuǎn)換NURBS 曲線、曲面和實(shí)體，并且在復(fù)雜度、角度和尺寸方面沒有任何限制。對(duì)要求精細(xì)、彈性與復(fù)雜的3D NURBS 模型，有更好、更精準(zhǔn)的控制與輸出，能輸出obj、DXF、IGES、STL、3dm 等不同格式，并適用于幾乎所有3D 軟件，兼容度優(yōu)秀。

2.2 軟件優(yōu)勢分析

McNeel 和其他軟件公司提供了數(shù)十種插件，可以補(bǔ)充和擴(kuò)展Rhinoceros 在特定領(lǐng)域的能力，如渲染動(dòng)畫、建筑、海洋、珠寶、工程、原型制作、工業(yè)制造、科學(xué)研究以及機(jī)械設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。而其中名為Grasshopper的插件（Rhino6 之后版本為內(nèi)置）是在Rhinoceros 3D CAD 應(yīng)用程序中運(yùn)行的可視化編程語言和環(huán)境。Grasshopper 主要用于構(gòu)建生成算法，如生成藝術(shù)等，它的許多組件都可以創(chuàng)建3D 幾何體。程序還可能包含其他類型的算法，包括數(shù)字、文本、視聽和觸覺應(yīng)用程序。Grasshopper 的高級(jí)用途包括結(jié)構(gòu)工程的參數(shù)化建模、建筑和制造的參數(shù)化建模、環(huán)保建筑的照明性能分析和建筑能耗等領(lǐng)域。其強(qiáng)大的邏輯建模功能可以在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量結(jié)果，并且可以實(shí)時(shí)生成可視化數(shù)據(jù)和數(shù)字模型，方便進(jìn)行對(duì)比分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果[4]。

3 參數(shù)化設(shè)計(jì)

接下來以空間雕塑中常見的多面（切面）藝術(shù)造型為案例，進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)與數(shù)字加工等項(xiàng)目梳理，實(shí)際造型材料為金屬。因本文具體研究參數(shù)化在藝術(shù)造型設(shè)計(jì)和施工領(lǐng)域中的應(yīng)用，故對(duì)其中的三角化網(wǎng)格處理、參數(shù)化迭代算法、逆向掃面原理、數(shù)據(jù)分析歸納算法以及排版算法等分支領(lǐng)域不做深入研究與說明。

3.1 初期設(shè)計(jì)

通過手繪、常溫可塑材質(zhì)等進(jìn)行藝術(shù)設(shè)計(jì)，通過方案推演確定大致造型。利用三視圖造型法或三維逆向掃描法等輸入數(shù)字造型軟件，建立初步數(shù)字模型。結(jié)合CAA 軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助分析，優(yōu)化造型結(jié)構(gòu)使其滿足實(shí)際生產(chǎn)加工時(shí)以及后續(xù)裝配等環(huán)節(jié)在力學(xué)、材料學(xué)、光學(xué)等方面的客觀條件要求。也可通過插件在Rhino 環(huán)境下采用數(shù)據(jù)量化的形式設(shè)定參數(shù)量化范圍，利用Grasshopper 模擬退火法（Simulated Annealing，SA）或遺傳算法快速分析得出滿足要求的最優(yōu)解法的數(shù)值，并運(yùn)用到數(shù)字模型上得到實(shí)例化模型，二次設(shè)計(jì)出滿足條件的數(shù)字藝術(shù)造型，如圖1 所示。

圖1 軟件操作界面示意圖

3.2 分析檢查優(yōu)化

在得到符合結(jié)構(gòu)等要求的實(shí)例化數(shù)字模型后，在Rhino 中行進(jìn)模型減面操作。減面操作達(dá)到所需符合美觀的模型后，三角化其中的面（Triangulate Mesh）以滿足在空間中切面曲率平直的要求，根據(jù)具體要求檢查藝術(shù)形體是否為水密封閉的多面體。如不滿足以上條件，請(qǐng)檢查物件是否是以數(shù)個(gè)三角形構(gòu)成，可以在Grasshopper 中分析每個(gè)面是否為三邊，因?yàn)槿切蔚膸缀味x，不在一條直線上的三個(gè)點(diǎn)可確定一個(gè)平面。利用Rhino中Show Edges 命令可檢查物體是否是封閉物體。

3.3 流程搭建分析

數(shù)字模型無誤后，通過Grasshopper 拾取工具把模型輸入到插件環(huán)境中，方便進(jìn)行下一步分析。List Length 工具分析拾取后，檢查模型面數(shù)數(shù)量對(duì)比之前是否有遺漏，也可通過默認(rèn)顯示通過鼠標(biāo)懸停查看具體信息的方式查看物件信息。Area 運(yùn)算得出每個(gè)面元素的重心點(diǎn)，把得到的點(diǎn)進(jìn)行拆分得到所在的空間絕對(duì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)（x、y、z 坐標(biāo)系），定義排序規(guī)則使每個(gè)元素按照規(guī)則重新排序（方便后續(xù)查找）得到新排序模型。通過角度運(yùn)算器分析每兩個(gè)面之間的空間角度關(guān)系數(shù)值，并且利用計(jì)算機(jī)二進(jìn)制特性通過布爾算法計(jì)算這兩個(gè)物件是否相鄰。相鄰輸出為1（即True），不相鄰則輸出為0（即False）。之后運(yùn)用Repeat Data 和Stack Data 運(yùn)算器創(chuàng)建在重新排序后的面單元的序號(hào)組，如1—1、1—2、1—3、……8—7、8—8，至此得到了面元素序號(hào)數(shù)據(jù)組、對(duì)應(yīng)的角度數(shù)據(jù)組以及數(shù)組是否相鄰或有用這3組數(shù)據(jù)。

4 數(shù)據(jù)分析處理及導(dǎo)出

因?yàn)閷?duì)數(shù)據(jù)處理來說excel 更加方便直觀，受眾群體也更廣，因此選用office excel 作為數(shù)據(jù)處理軟件，也可以利用插件在Rhino 環(huán)境下處理數(shù)據(jù)。建立好文件后通過Grasshopper 的Panel 工具把數(shù)據(jù)導(dǎo)出分csv、txt 等文字格式。

4.1 數(shù)據(jù)處理

圖3 數(shù)字化全流程導(dǎo)視圖

導(dǎo)入excel 后得到4 列數(shù)據(jù)，依據(jù)False和True 標(biāo)記，利用條件語句把False 所在行執(zhí)行刪除操作。因?yàn)镽hino 計(jì)算精度可調(diào)所以角度數(shù)據(jù)基本無重復(fù)，除非是兩兩重復(fù)的單元面，所以在角度數(shù)據(jù)所在列執(zhí)行條件語句，即數(shù)據(jù)去重并刪除所在行內(nèi)的所有數(shù)據(jù)。至此，已經(jīng)得到優(yōu)化簡潔的數(shù)據(jù)組，但每個(gè)角度仍然對(duì)應(yīng)兩組數(shù)據(jù)，可根據(jù)具體要求對(duì)單元面序號(hào)組進(jìn)行去重操作，從而得到無重復(fù)數(shù)據(jù)表格。

4.2 數(shù)字模型后續(xù)加工處理

在Rhino 和Grasshopper 的環(huán)境下，利用Unroll 工具，通過算法可以把面平展到一個(gè)平面上，得到所有面的二維平面圖面，提取出邊框加入序號(hào)組的序號(hào)數(shù)據(jù)，了解數(shù)字加工要求后進(jìn)行排版操作，之后導(dǎo)出為數(shù)字加工設(shè)備所需的一般為dwg格式的文件輸出到工廠。

4.3 輸出圖紙

打印圖紙，最終得到了裝配所需的帶有編號(hào)的拼裝模塊單元、模塊單元在空間中位置的數(shù)字模型文件以及每個(gè)相鄰單元之間的空間角度對(duì)照表[5]。

以上內(nèi)容為參數(shù)化設(shè)計(jì)與施工方法全流程搭建及數(shù)據(jù)處理的全部過程研究內(nèi)容，具體如圖2 所示。

圖2 參考建模示意圖

5 結(jié)語

參數(shù)化設(shè)計(jì)的核心是將影響造型的因素轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化變量系統(tǒng)，對(duì)于公共藝術(shù)的造型設(shè)計(jì)而言，參數(shù)化設(shè)計(jì)是一種全新的創(chuàng)作方法，設(shè)計(jì)師和雕塑家可以創(chuàng)造一些因素以調(diào)整雕塑的結(jié)構(gòu)或形態(tài)。不同于傳統(tǒng)的數(shù)字造型，參數(shù)設(shè)計(jì)制作流程所提供的造型方法可以很大程度上提升作品精度，并開拓藝術(shù)家設(shè)計(jì)思維形式。用特殊情況找尋原理和解釋技術(shù)，為設(shè)計(jì)者提供尺寸驅(qū)動(dòng)能力。變量化技術(shù)和參數(shù)化技術(shù)還都在不斷地豐富和完善自身，其中變量參數(shù)化技術(shù)是一種設(shè)計(jì)方法，從技術(shù)的理論深度上來說要比參數(shù)化技術(shù)高一個(gè)檔次。