基于參數(shù)化設(shè)計的批量可定制家具設(shè)計研究

關(guān)鍵詞：家具設(shè)計；參數(shù)化設(shè)計；批量可定制；Grasshopper；個性化需求

引言

近年來，隨著消費(fèi)者對個性化和定制化需求的不斷增長，批量可定制家具的市場需求也在顯著增加。這種趨勢在Mario Carpo的著作《Beyond Digital：Design and Automation at the End ofModernity》中得到了詳細(xì)闡述。Carpo 指出，數(shù)字化大規(guī)模定制生產(chǎn)通過結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)和工匠定制的優(yōu)點，能夠以相同的單位成本生產(chǎn)出大批量且個性化的產(chǎn)品。這一技術(shù)不僅提高了生產(chǎn)效率，還使得產(chǎn)品更具靈活性，從而能夠更好地滿足現(xiàn)代消費(fèi)者多樣化的需求。這一趨勢標(biāo)志著一個新經(jīng)濟(jì)時代的到來，在這個時代中，規(guī)模經(jīng)濟(jì)不再是生產(chǎn)的決定性因素，數(shù)字化大規(guī)模定制生產(chǎn)成為主導(dǎo)。參數(shù)化設(shè)計作為一種新興方法，具有高度靈活性和高效性，能夠應(yīng)對多樣化需求。我們希望通過參數(shù)化設(shè)計方法，建立家具數(shù)字化設(shè)計與生產(chǎn)系統(tǒng)，實現(xiàn)高效、精準(zhǔn)的設(shè)計過程，以便應(yīng)對快速迭代和定制化生產(chǎn)的家具發(fā)展需求。

一、家具行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

木制家具制作行業(yè)是一個歷史悠久且與人們的生活息息相關(guān)的產(chǎn)業(yè)。經(jīng)過多年的發(fā)展，傳統(tǒng)的手工制作家具逐漸被大規(guī)模機(jī)械生產(chǎn)所取代，這不僅提高了生產(chǎn)效率，降低了成本，也使家具產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化和一致性得到了保證。經(jīng)過多年的演變，中國家具行業(yè)逐漸邁入了以工業(yè)化、規(guī)?；癁橹饕陌l(fā)展軌道[1]。進(jìn)入21 世紀(jì)以來，中國家具行業(yè)發(fā)展一直保持良好態(tài)勢，近兩年來規(guī)模以上家具行業(yè)營業(yè)收入稍有回落。根據(jù)工信部公布的規(guī)模以上家具行業(yè)營業(yè)收入來看，2018 ～ 2022 年中國規(guī)模以上家具行業(yè)營業(yè)收入呈現(xiàn)波動態(tài)勢，2022 年中國規(guī)模以上家具行業(yè)營業(yè)收入為7624.1 億元，2018 ～ 2022 年整體為上升趨勢，詳細(xì)見圖1。

近年來，伴隨著數(shù)字化和智能化技術(shù)的進(jìn)步，使得家具設(shè)計和生產(chǎn)進(jìn)入了一個新的階段。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院表示，從未來我國家具制造行業(yè)產(chǎn)品發(fā)展趨勢來看，如圖2 所示，中國家具制造行業(yè)在產(chǎn)品發(fā)展方面將逐漸呈現(xiàn)圍繞新生代消費(fèi)者設(shè)計、家具環(huán)保逐漸受到重視、定制家具逐步流行、以功能為導(dǎo)向的智能化產(chǎn)品受資本追捧、家具由大眾化消費(fèi)轉(zhuǎn)向個性化消費(fèi)等趨勢。同時，中國板式家具業(yè)要走新型工業(yè)化道路，在制造技術(shù)上面要實現(xiàn)高度機(jī)械化、自動化與數(shù)控加工、大規(guī)模定制生產(chǎn)與柔性制造[2]。

（一）智能化設(shè)計

在1984 年，美國首次提出“智能家居”的概念，在后來隨著“智能型建筑（intelligent building）”的推出，以其集成化形態(tài)面世，掀開全球智能家居建設(shè)的熱潮。從此，國內(nèi)外對智能家居的研究熱度迅速攀升，研究焦點也進(jìn)行了轉(zhuǎn)變，即逐漸從單一的智能家居產(chǎn)品轉(zhuǎn)向智能家居環(huán)境系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，推動了智能家居領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展[3]。智能家具利用物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、人工智能（AI）等技術(shù)，通過自動化控制、遠(yuǎn)程管理、數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析、語音交互及自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)功能，實現(xiàn)家具的智能化和互動性。與傳統(tǒng)家具相比，智能家具不僅具備基本的使用功能，還能夠通過科技手段提高用戶生活的便利性和舒適度。傳統(tǒng)家具通常只是靜態(tài)的物品，其功能有限，而智能家具則通過技術(shù)手段實現(xiàn)了家具與用戶之間的互動，使家具能夠主動提供個性化服務(wù)。例如意大利設(shè)計公司Carlo RattiAssociati 設(shè)計的模塊化智能家具Lift-Bit 。Lift-Bit 是一種模塊化、可數(shù)字重新配置的家具系統(tǒng)，可將沙發(fā)無縫地變成椅子、躺椅、床、休息室和無數(shù)其他配置。該系統(tǒng)由一系列獨立的軟墊凳子組成。每個元件都使用線性執(zhí)行器進(jìn)行電動化，使其能夠升高或降低。除此之外，家具的智能化還體現(xiàn)在生產(chǎn)過程和設(shè)計過程中。智能化家具在生產(chǎn)和設(shè)計上的智能化主要體現(xiàn)在參數(shù)化設(shè)計、自動化生產(chǎn)、物聯(lián)網(wǎng)集成和數(shù)據(jù)驅(qū)動的優(yōu)化。參數(shù)化設(shè)計通過調(diào)整設(shè)計參數(shù)，快速生成不同的家具模型，滿足個性化需求；自動化生產(chǎn)利用數(shù)控機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人提高生產(chǎn)效率和精度；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使家具具備智能控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，提升用戶體驗；數(shù)據(jù)驅(qū)動則通過分析用戶需求和生產(chǎn)過程，優(yōu)化設(shè)計和生產(chǎn)流程，預(yù)測市場趨勢。

（二）個性化定制

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，消費(fèi)者對家具的需求不僅限于基本的功能性，更加注重個性化、美觀性和高品質(zhì)。傳統(tǒng)的大規(guī)模機(jī)械生產(chǎn)雖然成本低、效率高，但難以滿足消費(fèi)者日益增長的個性化需求。而完全手工定制的家具雖然能夠提供高度的個性化服務(wù)，但生產(chǎn)周期長、成本高，難以實現(xiàn)規(guī)?；?。根據(jù)圖3 的數(shù)據(jù)顯示，人們對定制家居的關(guān)注度呈現(xiàn)出逐年上升的趨勢，定制家具已逐步成為家居行業(yè)的重要發(fā)展方向。中國定制家居市場正處于快速發(fā)展階段，“定制”已經(jīng)成為家居行業(yè)的核心關(guān)鍵詞[4]-[5]，各行業(yè)紛紛進(jìn)入定制領(lǐng)域，跨界合作成為普遍現(xiàn)象。除此之外，圖3 還進(jìn)一步表明，定制家居和環(huán)保材料的關(guān)注度雖然有高有低，但整體不斷提升，綠色設(shè)計與制造將引領(lǐng)未來定制家居行業(yè)的發(fā)展潮流。

（三）新材料

在工業(yè)革命前，家具主要依賴天然材料。隨著工業(yè)革命的推動，各類新材料技術(shù)和應(yīng)用產(chǎn)品迅速在中國蓬勃發(fā)展，帶來了家具材料領(lǐng)域的巨大革新。更節(jié)約用量、成本更低的現(xiàn)代材料逐漸替代了傳統(tǒng)的家具材料，如刨花板、碳纖維、亞克力等。近年來，隨著技術(shù)的成熟，新材料在家具市場上占據(jù)了重要地位，并在量產(chǎn)效率和環(huán)保性能等方面超越了傳統(tǒng)材料。性能更為優(yōu)越的新材料逐漸成為家具企業(yè)在市場中脫穎而出的關(guān)鍵亮點，同時也為現(xiàn)代家具設(shè)計帶來了新的突破口[6]，具體見表1。

（四）綠色環(huán)保

家具的綠色環(huán)保主要體現(xiàn)在兩個方面，一是材料的環(huán)保、二是家具在生產(chǎn)和使用過程中的環(huán)保。除了上述提到的新材料外，現(xiàn)代家具中將食物殘渣、海洋垃圾等資源制成的環(huán)保材料，以及新型人造板、改性木復(fù)合材料、軟木等材料，都正成為新型環(huán)保家具材料中極具潛力的創(chuàng)新方向。這些材料因其環(huán)保特性和可持續(xù)發(fā)展優(yōu)勢，在家具行業(yè)中展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景，推動了綠色設(shè)計的進(jìn)一步發(fā)展[7-8]。例如Emeco 公司與可口可樂合作設(shè)計的111 Navy Chair，是經(jīng)典Navy Chair 的環(huán)保版本。該家具由111 個回收的PET 塑料瓶制成，不僅減少了廢棄塑料的環(huán)境影響，還保持了原設(shè)計的堅固耐用性和經(jīng)典外觀。如表，另外在家具生產(chǎn)過程中家具的材料的損耗是否能夠合理利用到最大化以及家具在使用過程中的耐久度能否更持久也是考慮家具綠色環(huán)保的重要因素，具體見表2。

二、參數(shù)化設(shè)計概述和設(shè)計工具

（一）參數(shù)化設(shè)計概述

參數(shù)化設(shè)計，又稱為參變量化設(shè)計，是一種通過將設(shè)計中的關(guān)鍵因素視作參變量，并通過調(diào)整這些參變量的值來控制設(shè)計結(jié)果的設(shè)計方法。換句話說，設(shè)計過程是由參變量所驅(qū)動，每個參變量的變化都會直接影響或決定最終的設(shè)計結(jié)果[9]。參數(shù)化設(shè)計最初作為一種設(shè)計方法，為設(shè)計師提供了一種探索形態(tài)生成的新方法。然而，許多設(shè)計師也對此產(chǎn)生了疑問，認(rèn)為這些過于夸張的造型與實際建造之間存在距離，脫離了設(shè)計的物質(zhì)性。隨著時間的推移，參數(shù)化設(shè)計逐漸開始關(guān)注建造過程，從最初的基于算法的形態(tài)生成，逐步轉(zhuǎn)向性能驅(qū)動的設(shè)計方法。這種轉(zhuǎn)變使得參數(shù)化設(shè)計不僅關(guān)注幾何形態(tài)，還考慮了結(jié)構(gòu)性能、材料性能和環(huán)境性能等多方面的因素。本次設(shè)計以用戶的身體數(shù)據(jù)為主要參數(shù)，借此生成的家具形態(tài)，使之能夠滿足多樣化的用戶需求，從而實現(xiàn)更實用、更人性化的設(shè)計。這種方法不僅保留了參數(shù)化設(shè)計在形態(tài)生成上的優(yōu)勢，還進(jìn)一步增強(qiáng)了設(shè)計的可建造性和結(jié)構(gòu)性能，能夠快速響應(yīng)個性化的市場需求[10]，使得參數(shù)化設(shè)計在現(xiàn)代家具設(shè)計中具有更廣泛的應(yīng)用前景。

（二）Grasshopper 介紹

Grasshopper（GH）是一種可視化編程語言，基于Rhino 平臺運(yùn)行，是參數(shù)化設(shè)計領(lǐng)域的主流工具之一，并且在某些方面與交互設(shè)計有相互交集。與傳統(tǒng)設(shè)計方法相比，GH 具有兩個主要優(yōu)勢：首先，通過圖形化編程軟件界面，設(shè)計師可以利用圖形化的算法構(gòu)建出獨特的設(shè)計程序，讓計算機(jī)自動生成結(jié)果，其次，算法編寫能夠取代以往傳統(tǒng)設(shè)計過程中重復(fù)的操作和大量邏輯演化的過程，循環(huán)運(yùn)算使得方案調(diào)整可以通過直接修改參數(shù)直接實現(xiàn)，顯著提升了設(shè)計效率。此外，GH 的參數(shù)化特性和多樣性正好滿足了個性化需求，進(jìn)一步拓展了其在設(shè)計中的應(yīng)用[11-12]。

（三）Grasshopper 在板式家具設(shè)計中的優(yōu)勢

Grasshopper 其實是一種運(yùn)算法則，可以根據(jù)設(shè)計師所設(shè)定的因變量和自變量來生成運(yùn)算結(jié)果，當(dāng)其作為一種設(shè)計方法時，使用特定的算法，其生成結(jié)果是非主觀的但是是可以預(yù)測的。設(shè)計師可以結(jié)合現(xiàn)實生活中的各種因素，對部分參數(shù)進(jìn)行合理限制，加入設(shè)計師一定的主觀判斷，以尋求設(shè)計的最佳平衡點。通過Grasshopper 中的優(yōu)化設(shè)計工具，能夠有效應(yīng)對這些需求，實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計中的精確調(diào)整和優(yōu)化，確保設(shè)計更符合實際應(yīng)用場景的要求[13-14]。

當(dāng)前家具市場的智能化設(shè)計與生產(chǎn)、個性化定制、新材料的應(yīng)用和綠色環(huán)保等發(fā)展趨勢，數(shù)字化技術(shù)和大規(guī)模定制生產(chǎn)的結(jié)合，不僅提高了生產(chǎn)效率和靈活性，還能以相同的成本生產(chǎn)出不同的個性化產(chǎn)品，從而滿足現(xiàn)代消費(fèi)者的多樣化需求。這種生產(chǎn)模式還通過精準(zhǔn)控制新材料的使用，推動了新材料在家具生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，同時優(yōu)化了材料利用，減少了資源浪費(fèi)和環(huán)境影響。通過數(shù)字化大規(guī)模定制生產(chǎn)，家具制造業(yè)能夠更高效、更環(huán)保地實現(xiàn)智能化和個性化，推動行業(yè)向更加智能、個性化和環(huán)保的方向發(fā)展。

三、基于參數(shù)化設(shè)計的榫卯結(jié)構(gòu)板式家具實例

在我們的本次設(shè)計中，我們選擇椅子作為設(shè)計對象，主要是因為椅子是現(xiàn)代家具產(chǎn)品中較為基礎(chǔ)且重要的類別，與人們的生活息息相關(guān)[15] 同時能體現(xiàn)本次設(shè)計的理念，并展示在美學(xué)、功能性和創(chuàng)新性方面的綜合能力。設(shè)計椅子的過程包括以下幾個步驟：首先，設(shè)計師通過手繪確定椅子的基本造型；接著，根據(jù)人體工程學(xué)提取關(guān)鍵人體參數(shù)，以確保椅子的舒適性和實用性；然后，利用提取的參數(shù)構(gòu)建椅子的參數(shù)化模型，并確定合適的材料，這一步對于節(jié)點的深化設(shè)計至關(guān)重要；隨后，對參數(shù)化模型進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整；最后，按照優(yōu)化后的模型進(jìn)行加工和組裝，確保椅子的質(zhì)量和設(shè)計符合預(yù)期，具體的程序圖見圖4。

（一）家具的造型概念設(shè)計

本次的家具造型的概念是從折紙中汲取靈感，并將其運(yùn)用于家具的造型概念設(shè)計中。通過對折紙的形態(tài)進(jìn)行提取、旋轉(zhuǎn)和調(diào)整進(jìn)而得到最終的家具形態(tài)。首先，我們可以從經(jīng)典的折紙形態(tài)中提取基本的幾何輪廓。然后，我們通過對輪廓旋轉(zhuǎn)得到一個概念的形態(tài)。最后，我們對這個形態(tài)進(jìn)行調(diào)整和細(xì)節(jié)的補(bǔ)充，進(jìn)而得到基本的家具輪廓線條。

（二）家具參數(shù)提取

參數(shù)提取是設(shè)計過程中至關(guān)重要的一步，確定了家具的基本特征和形態(tài)，并為后續(xù)的設(shè)計優(yōu)化和定制提供了依據(jù)。參數(shù)提取的目標(biāo)是識別和描述影響家具形態(tài)和功能的關(guān)鍵因素，以便通過調(diào)整這些參數(shù)來實現(xiàn)家具設(shè)計的靈活性和多樣性。

首先，我們將家具的原型設(shè)計完成后，再提取幾個主要參數(shù)作為影響原型的自變量，構(gòu)建參數(shù)化模型。這些參數(shù)包括家具的尺寸、形狀、比例和布局等，它們直接影響家具的外觀和空間利用效率。例如，家具的長度、寬度和高度決定了其整體尺寸，而各個部件之間的比例和布局決定了家具的整體形態(tài)和視覺效果。通過提取這些參數(shù)，我們可以在不同尺寸和形態(tài)之間進(jìn)行靈活組合和調(diào)整，實現(xiàn)多樣化的設(shè)計需求。本次設(shè)計共提取了4 個可調(diào)節(jié)的長度即線段A、線段B、線段C、線段D，兩個可調(diào)節(jié)的角度即角度α、角度β。他們分別代表了椅子的座高（線段A）、座面（線段B）、靠背（線段C）、靠背調(diào)節(jié)長度（線段D），椅腳與座面的夾角（∠ α）、座面與靠背的夾角（∠ β）如圖6。之所以選擇這6 個參數(shù)是為了綜合滿足用戶需求和優(yōu)化生產(chǎn)流程。這些參數(shù)直接關(guān)系到椅子的舒適性、功能性和可制造性。例如，座高和座面尺寸依據(jù)人體工程學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，確保用戶的腿部自然放松和坐姿穩(wěn)定，同時通過模塊化設(shè)計適應(yīng)不同體型用戶并簡化生產(chǎn)?？勘掣叨群驼{(diào)節(jié)長度提供個性化支撐，緩解久坐疲勞；椅腳與座面的夾角提升椅子的穩(wěn)定性，確保安全；而座面與靠背的夾角則在工作和放松狀態(tài)間取得平衡，提升多場景適用性。通過標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和力學(xué)優(yōu)化設(shè)計，這些參數(shù)不僅滿足了用戶對舒適性與實用性的需求，也在材料使用和制造工藝上實現(xiàn)了高效與成本控制的統(tǒng)一。本次設(shè)計的基本參數(shù)是參照的人體工程學(xué)的椅子如圖7，這些參數(shù)是可以根據(jù)購買者的具體身形進(jìn)行調(diào)整來達(dá)到最適合購買者的躺椅以實現(xiàn)可定制化的家具。

其次，我們需要提取與榫卯結(jié)構(gòu)相關(guān)的參數(shù)。榫卯結(jié)構(gòu)是板式家具的核心連接方式，它直接影響家具的穩(wěn)定性和可拆裝性。在參數(shù)提取時，我們需要考慮榫卯的形狀、尺寸、位置和連接方式等因素。例如，榫頭和卯眼的尺寸決定了它們的連接緊密度，榫卯的位置和數(shù)量決定了家具的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，而榫卯的連接方式則決定了家具的拆裝便利性。通過提取這些參數(shù)，我們可以根據(jù)不同的設(shè)計需求和制造工藝選擇合適的榫卯結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)家具設(shè)計的靈活性和可定制性。

除了整體結(jié)構(gòu)和榫卯結(jié)構(gòu)，還需要提取與家具功能和美學(xué)相關(guān)的參數(shù)。這些參數(shù)包括家具的功能配置、矩形圓角等，它們直接影響家具的使用性能和審美效果。例如，家具的功能配置包括各種功能模塊和附加功能，如書架的隔板高度可調(diào)、抽屜的數(shù)量和尺寸可選等，矩形圓角可以避開尖銳的角，這樣既起到了美學(xué)作用，也起到了安全作用。通過提取這些參數(shù)，我們可以根據(jù)不同的使用場景和審美要求定制家具的功能配置和外觀風(fēng)格，滿足消費(fèi)者的個性化需求。

（三）參數(shù)化原型的建立

作為定制家具產(chǎn)品，應(yīng)更加注重客戶的個性化需求，因此按需修改尺寸已經(jīng)成為許多現(xiàn)有產(chǎn)品的趨勢和必然選擇[16]。在這一過程中，提取關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)并基于這些參數(shù)構(gòu)建靈活的參數(shù)化模型至關(guān)重要。通過將參數(shù)與家具的設(shè)計要求和標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，形成一個可調(diào)節(jié)的設(shè)計系統(tǒng)，可以滿足多樣化需求。在此系統(tǒng)中，設(shè)計者能夠通過調(diào)整參數(shù)數(shù)值或優(yōu)化參數(shù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，快速生成符合不同用戶需求的家具設(shè)計方案。例如，對于兒童（4 ～ 12 歲）來說座高可能150cm 比較合適，而對于青少年（13 ～ 18 歲）來說350cm 或許更合適，從針對不同年齡段用戶對椅子高度、深度、扶手角度等設(shè)計細(xì)節(jié)的差異化需求，該系統(tǒng)能夠通過精準(zhǔn)調(diào)整，生成適宜的設(shè)計方案，從而提升了產(chǎn)品的適配性和用戶體驗。具體數(shù)據(jù)和模型見表3 和圖8。

（四）模型優(yōu)化與調(diào)整

模型優(yōu)化與調(diào)整是確保家具在功能、美觀和制造可行性方面達(dá)到最佳狀態(tài)的關(guān)鍵步驟。本設(shè)計選擇榫卯結(jié)構(gòu)，不僅體現(xiàn)了傳統(tǒng)工藝的美學(xué)價值，還結(jié)合了現(xiàn)代數(shù)控加工技術(shù)（CNC）的優(yōu)勢，顯著提升了制造精度和裝配效率。CNC 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的加工，確保榫頭與卯眼的精準(zhǔn)匹配，提高生產(chǎn)效率和連接的牢固性。然而，由于CNC 技術(shù)在三維加工上的局限性，本次設(shè)計選擇了直榫形式。此外，CNC 加工時鉆頭的圓形特性會導(dǎo)致切割的孔口邊緣出現(xiàn)微小弧形，影響組件的緊密結(jié)合。為解決這一問題，設(shè)計中對孔口形狀進(jìn)行了參數(shù)化調(diào)整，通過在切割位置進(jìn)行圓弧優(yōu)化處理，如圖9，最大限度減少鉆頭形狀對孔口的破壞。參數(shù)化技術(shù)的引入不僅提升了設(shè)計靈活性，還為不同應(yīng)用場景下的孔口形狀優(yōu)化提供了便利性。通過這一設(shè)計細(xì)節(jié)的強(qiáng)化與改進(jìn)，既克服了CNC 技術(shù)的局限性，也突出了榫卯結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代制造中的創(chuàng)新應(yīng)用價值。

（五）構(gòu)件排版

在板式定制家具的規(guī)?；a(chǎn)中，榫卯結(jié)構(gòu)家具的設(shè)計與生產(chǎn)涉及多個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其中構(gòu)件排版與編號是尤為重要的環(huán)節(jié)。構(gòu)件排版不僅關(guān)乎材料利用率和生產(chǎn)效率，還直接影響后續(xù)安裝過程中的準(zhǔn)確性和效率。通過參數(shù)化設(shè)計工具Grasshopper（GH）及其插件OpenNest 的應(yīng)用，構(gòu)件排版和編號的自動化與優(yōu)化可以顯著提升生產(chǎn)效率、降低材料損耗，同時減少人工干預(yù)導(dǎo)致的誤差，為大規(guī)模生產(chǎn)提供智能化解決方案。在排版環(huán)節(jié)，首先需要將設(shè)計完成的家具模型分解為獨立構(gòu)件，并通過GH 建立精確的幾何模型。這一過程需要設(shè)置各部件的尺寸參數(shù)以及排版規(guī)則，如部件的間距限制、方向約束及優(yōu)化目標(biāo)等。GH 的參數(shù)化設(shè)計能力允許設(shè)計師動態(tài)調(diào)整部件的幾何形態(tài)及空間位置，為后續(xù)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。在完成構(gòu)件分解后，OpenNest 通過智能化算法實現(xiàn)排版優(yōu)化，它能夠根據(jù)部件的幾何形狀和尺寸，動態(tài)調(diào)整布局，最大程度減少了材料浪費(fèi)和加工時間。具體而言，OpenNest 的優(yōu)化算法會計算構(gòu)件之間的最優(yōu)排列方式，以保證切割路徑最短、材料利用率最高，同時提供實時預(yù)覽功能，便于設(shè)計師對排版結(jié)果進(jìn)行直觀檢查和微調(diào)。例如，在生產(chǎn)榫卯結(jié)構(gòu)家具時，不同的榫卯部件通常存在復(fù)雜的幾何形狀和加工需求，利用OpenNest 可以有效避免傳統(tǒng)手動排版中可能出現(xiàn)的材料浪費(fèi)、部件重疊或間距不足等問題，從而大幅提高排版精度與效率。如圖10，是用OpenNest 初次排版的過程。

在優(yōu)化排版的過程中，OpenNest 結(jié)合自動化算法與手動微調(diào)方法進(jìn)一步提升了排版效果。具體來說，自動排版算法能夠迅速生成初步布局方案，為材料利用率和切割效率提供基礎(chǔ)優(yōu)化；而手動微調(diào)則可以根據(jù)特定生產(chǎn)需求，對部件的排列順序或方向進(jìn)行細(xì)化調(diào)整，以確保最終布局既滿足生產(chǎn)條件，又貼合設(shè)計師的個性化需求。

面對定制化需求時，參數(shù)化排版展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。不同客戶需求可能導(dǎo)致家具設(shè)計參數(shù)的變化，如尺寸、結(jié)構(gòu)形式或裝飾風(fēng)格的調(diào)整，每次排版的材料損耗因此可能有所不同。參數(shù)化排版通過靈活調(diào)整模型參數(shù)，能夠動態(tài)優(yōu)化排版方案，從而減少材料浪費(fèi)并實現(xiàn)精確控制。例如，在生產(chǎn)多批次家具時，設(shè)計師可以通過GH 預(yù)先設(shè)置排版規(guī)則，讓OpenNest 根據(jù)不同批次的設(shè)計差異自動生成優(yōu)化的排版方案。這不僅提高了生產(chǎn)效率，還顯著降低了材料損耗和人工成本，與傳統(tǒng)手工排版相比優(yōu)勢更加明顯。如圖11 是OpenNest 排版以及編號示意圖。

（六）材料選擇

結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)以及部分制造商的數(shù)據(jù)整合了表，經(jīng)過篩選本次設(shè)計案例選用的材料是海洋板。海洋板材是一種由多層薄木片交錯疊壓而成的復(fù)合材料，其優(yōu)異的性能使其在家具制造領(lǐng)域備受青睞，詳細(xì)見圖12。

首先，海洋板材具有優(yōu)異的耐濕性能。榫卯結(jié)構(gòu)板式家具往往需要在不同的環(huán)境中使用，例如客廳、臥室甚至浴室。然而，傳統(tǒng)的木材在潮濕環(huán)境中容易膨脹、變形甚至霉變，影響家具的使用壽命和美觀度。相比之下，海洋板材具有卓越的耐潮濕性能，不易受潮變形，能夠有效應(yīng)對潮濕環(huán)境的挑戰(zhàn)，保持家具的穩(wěn)定性和外觀。其次，海洋板材具有較高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。榫卯結(jié)構(gòu)板式家具的穩(wěn)固性和耐用性對材料的強(qiáng)度要求較高。海洋板材由多層木片交叉疊壓而成，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易變形，能夠承受較大的荷載和壓力，保證家具的穩(wěn)固性和耐用性。無論是承載書籍的書架還是放置物品的柜子，海洋板材都能夠提供足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，確保家具的長時間使用。此外，海洋板材具有良好的加工性能。且海洋板的規(guī)格能兼容市面上常用的板材加工設(shè)備。榫卯結(jié)構(gòu)板式家具的制作過程需要對材料進(jìn)行切割、雕刻、鉆孔等加工操作。海洋板材由于結(jié)構(gòu)均勻，硬度適中，加工性能良好，容易進(jìn)行精細(xì)加工，并且不易產(chǎn)生裂紋和碎屑，保證了家具制作過程的高效性和精準(zhǔn)度。

（七）CNC 數(shù)控加工及組裝

CNC 數(shù)控加工技術(shù)在基于參數(shù)化設(shè)計的批量可定制家具設(shè)計中起著關(guān)鍵作用。通過精確的數(shù)字化控制，CNC 可以高效地加工復(fù)雜的幾何形狀和非標(biāo)準(zhǔn)尺寸的材料，提高生產(chǎn)精度和材料利用率，特別是在優(yōu)化綠色可持續(xù)設(shè)計時效果顯著。此外，CNC 加工能夠預(yù)制出精確的連接點，簡化組裝過程，使消費(fèi)者無需專業(yè)工具即可完成家具的安裝和調(diào)整，提升了家具的模塊化和靈活性。在通過前文的排版后，我們通過CNC 技術(shù)進(jìn)行加工并且組裝，由于受設(shè)備阻礙，我們最終得出如圖13 的簡易實體模型圖。

結(jié)語

本研究通過應(yīng)用參數(shù)化設(shè)計方法，實現(xiàn)了批量可定制家具的設(shè)計與生產(chǎn)，驗證了該方法在現(xiàn)代家具設(shè)計中的可行性與應(yīng)用價值?；谟脩粜枨筝斎氲臄?shù)據(jù)，利用Grasshopper 平臺開發(fā)的參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)，能夠靈活生成多種家具形態(tài)，滿足了定制化和批量生產(chǎn)的需求。研究表明，參數(shù)化設(shè)計不僅提升了設(shè)計效率，還增強(qiáng)了設(shè)計的適應(yīng)性，具有廣泛的實踐潛力，為板式家具的創(chuàng)新與發(fā)展提供了有益的參考和指導(dǎo)。