基于參數(shù)化與增材制造技術(shù)的家具設(shè)計(jì)研究*

宋 杰 陳起明 陳 力 郭 瓊 張佳琦

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510642；2. 廣東生態(tài)工程職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510520）

參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用已從建筑領(lǐng)域逐步擴(kuò)展到其它設(shè)計(jì)、工程領(lǐng)域。在家具設(shè)計(jì)領(lǐng)域，隨著用戶(hù)要求的提高，使用參數(shù)化技術(shù)進(jìn)行家具概念設(shè)計(jì)的探索也開(kāi)始出現(xiàn)[1]。但實(shí)際生產(chǎn)較少。主要原因是參數(shù)化設(shè)計(jì)的家具造型獨(dú)特、功能多樣，難以用傳統(tǒng)工藝和技術(shù)進(jìn)行批量加工生產(chǎn)[2]，參數(shù)化設(shè)計(jì)案例如圖1所示。近年來(lái)，3D打印技術(shù)發(fā)展迅速，打印材料日益豐富[3]，竹質(zhì)[4-5]、木質(zhì)復(fù)合打印材料[6]和打印技術(shù)[7]也日漸成熟，本文旨在將參數(shù)化設(shè)計(jì)與3D打印技術(shù)相結(jié)合，探索如何將這一技術(shù)用于家具設(shè)計(jì)及其制造的可行性。

圖1 參數(shù)化設(shè)計(jì)案例——公共座椅[10]Fig.1 Parametric design case——Public Seat

1 參數(shù)化設(shè)計(jì)

1.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)概念

參數(shù)的相關(guān)概念源于數(shù)學(xué)，指影響因素或是有關(guān)變量，而參數(shù)化設(shè)計(jì)則是一種伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)步而發(fā)展起來(lái)的自動(dòng)化設(shè)計(jì)方法[8]。

在進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師先將尺寸、顏色以及位置關(guān)系等設(shè)計(jì)元素轉(zhuǎn)化為相關(guān)參數(shù)并建立起各個(gè)參數(shù)之間的邏輯聯(lián)系，再以編程的形式將設(shè)計(jì)項(xiàng)目本體編寫(xiě)為具體的函數(shù)關(guān)系，最后實(shí)現(xiàn)改變相關(guān)的初始參數(shù)或者邏輯關(guān)系即可讓計(jì)算機(jī)輸出對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)結(jié)果的目的。參數(shù)化設(shè)計(jì)包含設(shè)計(jì)手段參數(shù)化和設(shè)計(jì)理念參數(shù)化兩個(gè)方面[9]，在實(shí)際的家具設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程中，參數(shù)化設(shè)計(jì)主要用于參數(shù)化建模。

1.2 參數(shù)化建模技術(shù)

在實(shí)際生產(chǎn)中，參數(shù)化設(shè)計(jì)離不開(kāi)相關(guān)的參數(shù)化建模平臺(tái)。目前主流的設(shè)計(jì)軟件都提供了參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，根據(jù)其功能和操作方式可以分為三類(lèi)[11]：人機(jī)交互類(lèi)平臺(tái)、腳本類(lèi)平臺(tái)和可視化編程類(lèi)平臺(tái)（表1）。這三類(lèi)平臺(tái)各自的代表軟件分別為CATIA、RhinoScript和Grasshopper。其中，可視化編程類(lèi)平臺(tái)是目前技術(shù)較新的參數(shù)化建模平臺(tái)。相較于人機(jī)交互類(lèi)建模平臺(tái)，設(shè)計(jì)師在使用可視化編程類(lèi)平臺(tái)時(shí)不直接對(duì)點(diǎn)線(xiàn)面進(jìn)行操作，而是通過(guò)對(duì)參數(shù)的關(guān)聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)高效率的復(fù)雜建模。比起腳本編程類(lèi)平臺(tái)，可視化編程類(lèi)不需要設(shè)計(jì)師具有良好的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言基礎(chǔ)，它弱化了代碼的編寫(xiě)，增強(qiáng)了視覺(jué)框架的搭建，設(shè)計(jì)師只需根據(jù)需要修改代碼邏輯即可。

表1 參數(shù)化建模平臺(tái)Tab.1 Parametric modeling platform

2 家具產(chǎn)品的參數(shù)化設(shè)計(jì)

2.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)家具的特點(diǎn)

參數(shù)化設(shè)計(jì)可生成造型復(fù)雜的家具，尤其是分形構(gòu)造、仿生等類(lèi)型家具[12]。然而，由于其特別的造型，生產(chǎn)過(guò)程往往比較復(fù)雜。相比而言，參數(shù)化設(shè)計(jì)的建筑因?yàn)槌叨却?、批量小，一般可以用傳統(tǒng)方式建造。而家具產(chǎn)品若使用傳統(tǒng)方式進(jìn)行制作，極易出現(xiàn)造型困難、曲線(xiàn)不規(guī)范、相關(guān)尺寸不夠準(zhǔn)確等問(wèn)題，最終導(dǎo)致產(chǎn)品的部分構(gòu)件難以加工成型，或各批次之間存在較大差異等品控問(wèn)題。此外，如需對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)師則需從原始草圖到最終圖紙進(jìn)行逐一修改，相較參數(shù)化設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。

使用Grasshopper等參數(shù)化軟件進(jìn)家具設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師不再需要具體描繪出產(chǎn)品復(fù)雜的外觀(guān)造型，而是能更加專(zhuān)注于產(chǎn)品各個(gè)零部件結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。設(shè)計(jì)師將所需要設(shè)計(jì)的相關(guān)元素用參數(shù)進(jìn)行替代，并確定各個(gè)參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，即可設(shè)計(jì)出造型復(fù)雜的家具。完成參數(shù)化建模后，計(jì)算機(jī)可準(zhǔn)確輸出所設(shè)計(jì)的家具產(chǎn)品的尺寸數(shù)據(jù)，并指導(dǎo)相關(guān)機(jī)器進(jìn)行精確生產(chǎn)。若需要進(jìn)行設(shè)計(jì)修改，設(shè)計(jì)師只需要修改所設(shè)定參數(shù)的具體數(shù)值或是參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)自上而下對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)流程修改的目的。相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式，使用參數(shù)化軟件進(jìn)行家具等復(fù)雜的造型設(shè)計(jì)，可減少設(shè)計(jì)過(guò)程中的時(shí)間成本[13]。

2.2 家具參數(shù)化設(shè)計(jì)流程

2.2.1 家具造型分析

參數(shù)化造型軟件可以生成復(fù)雜的造型，但無(wú)意義的混亂形式不是設(shè)計(jì)的初衷。利用參數(shù)化技術(shù)進(jìn)行家具造型設(shè)計(jì)，首先要對(duì)家具的整體形態(tài)特征進(jìn)行分析。將復(fù)雜多變的形態(tài)關(guān)系，按堆成、重復(fù)、漸變、比例分割等幾種主要構(gòu)成關(guān)系進(jìn)行解析。對(duì)自然原型整體及局部結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行研究分析，獲取基本造型元素，發(fā)現(xiàn)相關(guān)形態(tài)存在的規(guī)律性，并在此基礎(chǔ)上利用參數(shù)化建模工具進(jìn)行形體生成。

2.2.2 造型特征參數(shù)化及匹配

在完成特征分析后，應(yīng)當(dāng)有效提取相關(guān)特征并進(jìn)行參數(shù)化建模處理。在參數(shù)化相關(guān)特征時(shí)，應(yīng)使用一定的變量參數(shù)，并確定各個(gè)參數(shù)之間的映射關(guān)系。例如，當(dāng)需要對(duì)直角坐標(biāo)系空間曲線(xiàn)特征進(jìn)行參數(shù)化時(shí)，可以選擇在參數(shù)化建模軟件中設(shè)置變量X、Y和Z，并聲明三個(gè)參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)。同理，可在RGB色彩空間中聲明R、G和B三個(gè)的數(shù)值，并給出相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，使顏色特征參數(shù)化。

根據(jù)參數(shù)化結(jié)果將特征與家具進(jìn)行匹配，常用的匹配方式有物理特征認(rèn)知匹配和心理特征認(rèn)知匹配兩種[14]。物理特征認(rèn)知匹配指造型特征與目標(biāo)產(chǎn)品在外形、結(jié)構(gòu)或是物理狀態(tài)上的要素匹配；心理特征認(rèn)知匹配則是造型的象征意義或情感內(nèi)涵與家具的匹配，兩種匹配方式以物理特征認(rèn)知匹配居多，后者常用于仿生或者仿形家具。

2.2.3 造型優(yōu)化與篩選

完成參數(shù)化建模及特征匹配后，可進(jìn)行方案的優(yōu)化和篩選。模型優(yōu)化調(diào)整的方法主要是調(diào)節(jié)所聲明的參數(shù)以及參數(shù)之間的映射關(guān)系，設(shè)計(jì)師可使用一定的算法或者相關(guān)插件完成這一步驟。若使用可視化編程類(lèi)參數(shù)化建模軟件進(jìn)行建模，則可更加直觀(guān)的觀(guān)察模型根據(jù)參數(shù)的改變而發(fā)生的相應(yīng)變化，方便設(shè)計(jì)師篩選出最優(yōu)的參數(shù)和映射關(guān)系組合即最優(yōu)模型。

3 3D打印在家具制造領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 3D打印原理

3D打印技術(shù)是在三維軟件基礎(chǔ)上，使用計(jì)算機(jī)控制特定機(jī)器將塑料、金屬、陶瓷、樹(shù)脂等不同散狀材料熔化后再進(jìn)行逐層堆疊以完成實(shí)體的一項(xiàng)技術(shù)[15]，將該技術(shù)也被稱(chēng)為快速成型技術(shù)、增材制造術(shù)等[16]。這種制造技術(shù)不使用傳統(tǒng)生產(chǎn)中的刀具、模具等，不需要復(fù)雜的工藝就可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜造型零部件的加工制作。其加工過(guò)程主要為：使用相關(guān)軟件將該產(chǎn)品的三維模型處理為3D打印機(jī)可識(shí)別的數(shù)據(jù)，輸出給3D打印機(jī)；機(jī)器在接收到相關(guān)數(shù)據(jù)后，將打印材料小顆粒堆疊為三維實(shí)體，生成實(shí)體。

3D打印技術(shù)在諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于成本較高，目前在家具領(lǐng)域，尤其是在傳統(tǒng)的批量化成品家具生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用較少。一般將這一技術(shù)用于設(shè)計(jì)階段的小模型制作，或定制一些個(gè)性化零件[17]。

3.2 3D打印與參數(shù)化設(shè)計(jì)融合的前景

3D打印與參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)聯(lián)系緊密。3D打印設(shè)備需要上游設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)提供準(zhǔn)確的模型信息，而參數(shù)化設(shè)計(jì)所輸出的恰好就是產(chǎn)品的尺寸數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)位置關(guān)系，將尺寸和結(jié)構(gòu)的參數(shù)傳輸給3D打印機(jī)。參數(shù)化設(shè)計(jì)為3D打印技術(shù)提供了精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息，而3D打印技術(shù)則能將這些數(shù)據(jù)信息呈現(xiàn)出來(lái)[18]。

3.3 3D打印技術(shù)結(jié)合參數(shù)化設(shè)計(jì)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

相對(duì)傳統(tǒng)家具生產(chǎn)工藝，3D打印技術(shù)結(jié)合參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)將產(chǎn)生顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

1） 加工精度高。參數(shù)化模型設(shè)計(jì)往往具有豐富的細(xì)節(jié)和變化，在建筑等體型龐大的工程中使用時(shí)，傳統(tǒng)的工藝技術(shù)比較容易實(shí)現(xiàn)。而家具產(chǎn)品形體一般較小，過(guò)多的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致傳統(tǒng)工藝技術(shù)無(wú)法加工。傳統(tǒng)家具制造行業(yè)在進(jìn)行家具設(shè)計(jì)時(shí)，往往先進(jìn)行圖紙繪制，再根據(jù)所繪制的圖紙進(jìn)行相關(guān)的打樣生產(chǎn)[19]。

2） 加工效率高。傳統(tǒng)家具加工的流程復(fù)雜，加工過(guò)程涉及多種工藝、設(shè)備等，時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低下。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，倘若在實(shí)物生產(chǎn)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，需要對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修正，則需要從設(shè)計(jì)圖紙到前工序進(jìn)行逐一修改，工程量龐大。采用參數(shù)化建模配合3D打印技術(shù)進(jìn)行家具設(shè)計(jì)與生產(chǎn)可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的流程[20]。參數(shù)化建模軟件不僅可以準(zhǔn)確的定義家具的相關(guān)尺寸，并傳輸給3D打印設(shè)備，使打印機(jī)打印出相對(duì)準(zhǔn)確的產(chǎn)品，還能讓設(shè)計(jì)師輕松修改設(shè)計(jì)方案。參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)配合3D打印技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，則可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)到成品的一步完成，有效提高了生產(chǎn)效率[21]并減少出錯(cuò)率，還可實(shí)現(xiàn)分布式生產(chǎn)[22]。

3） 材料豐富。3D打印材料種類(lèi)豐富，主要包括聚合物材料、金屬材料、陶瓷材料、復(fù)合材料等，從航天零部件到食品領(lǐng)域都有應(yīng)用。除天然木材外，新型復(fù)合材料如竹塑[23]、木塑等木質(zhì)復(fù)合材料也可作為3D打印材料[24]，先進(jìn)的打印機(jī)還可以實(shí)現(xiàn)多種材料打印。

4） 低碳環(huán)保。傳統(tǒng)的家具制造在生產(chǎn)時(shí)多用刀具對(duì)板材進(jìn)行切割和銑削，原材料利用率相對(duì)不高，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生噪音和粉塵。3D打印設(shè)備較傳統(tǒng)的刀具加工更為靈活，可通過(guò)基材堆疊出復(fù)雜的造型，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程沒(méi)有巨大噪音。

5） 便于個(gè)性化定制。3D打印獨(dú)特的制造方式基本擺脫了傳統(tǒng)的家具生產(chǎn)線(xiàn)概念。針對(duì)用戶(hù)的個(gè)性化定制生產(chǎn)需求，而非按照傳統(tǒng)家具排產(chǎn)方式生產(chǎn)。打印出的家具表面還可根據(jù)需求進(jìn)行個(gè)性化涂飾[25-27]。

4 參數(shù)化建模家具設(shè)計(jì)制作實(shí)踐

本次家具設(shè)計(jì)制作實(shí)踐是為了驗(yàn)證采用Grasshopper參數(shù)化建模平臺(tái)和3D打印技術(shù)進(jìn)行家具設(shè)計(jì)與制造的可行性。綜合考慮尺寸、成本、時(shí)間等因素，選擇仿生兒童座椅作為實(shí)踐對(duì)象。

4.1 產(chǎn)品介紹

“NEST”兒童座椅采用鳥(niǎo)巢造型，以首尾相連的線(xiàn)條纏繞形成座面和靠背。座椅椅腿以樹(shù)枝為原型，兩者結(jié)合，增加了趣味性。各線(xiàn)條之間的差異與重復(fù)的運(yùn)動(dòng)處于無(wú)規(guī)律條理的自由狀態(tài)，展現(xiàn)了鳥(niǎo)巢的自然美。

4.2 參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程

本次實(shí)踐主要包括參數(shù)化模型生成、模型調(diào)整、3D打印、實(shí)物修整涂飾等幾個(gè)環(huán)節(jié)。如圖2所示，建模過(guò)程中要盡可能的精準(zhǔn)，避免后續(xù)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題。

圖2 家具產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計(jì)制作流程Fig.2 Parametric design and production process of furniture products

4.2.1 參數(shù)化建模

本次家具設(shè)計(jì)使用可視化編程類(lèi)參數(shù)化設(shè)計(jì)工具Grasshopper，程序邏輯圖見(jiàn)圖3。

圖3 “鳥(niǎo)巢”造型邏輯圖Fig.3 Logic diagram of "NEST"

首先，創(chuàng)建多個(gè)逐漸接近圓心的點(diǎn)并用圓弧將點(diǎn)逐個(gè)連接起來(lái)得到螺旋線(xiàn)，調(diào)整點(diǎn)的平面位置參數(shù)，可打亂點(diǎn)的位置順序進(jìn)而得到一個(gè)曲線(xiàn)錯(cuò)亂的造型，隨著曲線(xiàn)數(shù)量增加，得到的造型越復(fù)雜。

其次，將調(diào)整相關(guān)點(diǎn)在空間直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)形成鳥(niǎo)巢造型（圖4），進(jìn)行樹(shù)枝狀支架的參數(shù)化建模。

圖4 造型生成圖Fig.4 Modeling generation

最后，將散亂的點(diǎn)和自由的樹(shù)枝造型收斂到實(shí)現(xiàn)家具功能性和符合人體工程學(xué)的狀態(tài)，再將座面經(jīng)過(guò)同一邏輯程序生成曲線(xiàn)，搭配樹(shù)枝支撐結(jié)構(gòu)，得到藝術(shù)性與功能性結(jié)合的“NEST”兒童座椅。

4.2.2 模型優(yōu)化與調(diào)整

由于可視化編程類(lèi)參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件的動(dòng)態(tài)可視性，設(shè)計(jì)師可在調(diào)整參數(shù)的過(guò)程中實(shí)時(shí)觀(guān)察模型的變化，選擇最佳參數(shù)組合。本方案設(shè)計(jì)過(guò)程中線(xiàn)圈混亂度和密度兩個(gè)參數(shù)的變化對(duì)造型的結(jié)果影響較大，現(xiàn)進(jìn)行調(diào)整。

經(jīng)過(guò)對(duì)比可知，線(xiàn)圈混亂度為0.1時(shí)，模型在視覺(jué)上有層次感，線(xiàn)圈越混亂，模型在視覺(jué)上顯得過(guò)于凌亂且松垮。在混亂度為0.1的基礎(chǔ)上，線(xiàn)圈密度為100圈時(shí)造型最佳。否則密度過(guò)低，模型不夠美觀(guān)，有點(diǎn)呆板，密度過(guò)高，線(xiàn)圈過(guò)于擁擠，結(jié)構(gòu)不明顯。所以最終將模型確定為混亂度0.1和密度100圈的參數(shù)組合（圖5）。

圖5 模型優(yōu)化Fig.5 Model optimization

4.2.3 打印成品

完成建模后，使用3D打印機(jī)打印成品（圖6）?？紤]家具制品的要求，打印工藝選用SLA光固化成型工藝。SLA（Stereo lithography Apparatus）技術(shù)打印精度高，效率高，打印制品表面光滑。打印設(shè)備為3DSL-800型3D打印機(jī)，尺寸精度高（±0.1 mm/100 mm），成型尺寸最大800 mm×800 mm×550 mm，能滿(mǎn)足一般座椅的使用要求。

圖6 打印后的成品Fig.6 Printed product

4.2.4 實(shí)物模型修整涂飾

打印后的實(shí)物模型可能在表面、孔隙、支撐點(diǎn)等部分存在一定的瑕疵或加工痕跡，需要對(duì)其進(jìn)行修整?？刹捎萌芙狻⒋蚰?、切削等方式進(jìn)行加工，完成后可根據(jù)需求在表面進(jìn)行涂飾，得到最終產(chǎn)品。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，參數(shù)化設(shè)計(jì)在家具設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用較少，本文在對(duì)參數(shù)化相關(guān)技術(shù)以及仿生家具的特點(diǎn)進(jìn)行分析后，嘗試使用參數(shù)化方法進(jìn)行仿生家具設(shè)計(jì)并用與參數(shù)化相關(guān)的3D打印技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)實(shí)踐表明，使用該方式進(jìn)行家具的設(shè)計(jì)與制造是有效的途徑之一，在家具設(shè)計(jì)生產(chǎn)，尤其是個(gè)性化定制家具的設(shè)計(jì)生產(chǎn)領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。