天津美术学院

在进行座椅设计时，传统的设计思维主要需要考虑以下三部分内容：

一是人机工程学。座椅是一个为人类提供休息的工具，自然它的舒适性尤为重要，这也是评判一个座椅设计是否成功的因素。为满足舒适性要求，在设计过程当中就要考虑其人机工程学，人机工程学中的人体尺寸是人们经过多年实验与测量的结果，所以这些数据就显得尤为重要。而接下来的案例说明会更加方便快捷、高效地利用这些数据。

二是座椅造型上的创意。在设计过程当中在满足其功能的条件下，为满足个性化需求设计师会绞尽脑汁地在结构造型上创造出与众不同的创意，为此这一步骤将消耗大量时间与精力。随着科技发展，计算机应用技术将解决这一问题。

三是在材料上的应用。不同的材料利用会在质感上对使用者产生直接的影响，一款使用新型材料的座椅其舒适的质感会使得它脱颖而出，但是其材料特性是否有着高效的利用是人脑难以快速计算的，当其材料数据输入软件中时，结果是昭然若揭的。

参数化设计目前是普及度上升阶段，当前国内参数化设计应用范围有建筑设计领域、环境艺术、公共装置、产品家具等等。以一个极具特色与创新设计能力的团队为例，张周捷数字艺术实验室，作为国内参数化设计领域的先锋，该工作室着重研究通过计算机软件参数化建模、编程等数字化手段进行设计，力图诠释在数字语境下的人工事物需要像自然界万物生长演化的设计思想。

一、应用原理

（一）参数化

参数化设计在建筑设计领域是一个耳熟能详的计算机应用技术，参数化设计以独特的展现结构与造型特点、严谨的力学原理和可操作性而被频繁应用，已经成为了一种独特的设计风格。参数化是指建立特定的关系后，当这种关系的某个基本元素发生改变，其他元素也会随之变化，参数化设计的本质是在可变参数的作用下，系统能够自动维护所有的不变参数。由于近代数字科学的发展迅速，设计当中所涉及的电脑软件的可操作性不断提高，其软件所能承载的功能也不断完善，所以才会有了今天参数化设计的普及。

（二）拓扑优化

参数化设计所用到的建模软件则是拓扑优化的载体，拓扑优化是一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化的数学方法，是结构优化的一种。

先前就有国内实验团队使用拓扑优化方法对汽车座椅骨架设计，其目的是在满足力学上刚度与强度的要求下尽可能地减轻车身重量，便于实现低碳节能减排的作用。这样的计算机辅助办法大大缩短了产品的研发周期，并生成一个标准化、低错误的产品。

因此，本文将使用参数化建模的方式利用拓扑优化技术对一个零造型基础的类座椅模型进行结构造型优化，其中主要使用建模软件犀牛Rhino中的参数化建模Grasshopper插件与Ameba应用插件进行设计，并最终获得座椅产品。

二、模型建立

（一）原始造型建立

起始模型的建立是为了预期目标做好尺寸比例和椅面与椅背样式，在建模软件Rhino中建立尺寸上符合要求且符合预期座椅尺寸比例的座椅实体框架，要求为实体模型。初始模型建立中最重要的环节是椅面与椅背的设计，本文采用的是椅面与椅背均为椭圆内弧形，内弧为更好地贴合人体结构，框架结构的尺寸是长宽均500mm，座深450mm；座高430mm；椅背高度730mm；椅背倾斜角度β为100°，框架整体呈下宽上窄形态。以上所述数据则是此设计当中参数化建模的可变参数之一。

（二）网格划分

由于Ameba插件云端网格划分受限，以确保更精确的造型关系，将原始模型分为左右对称两部分，取出其中一部分进行接下来的网格化处理。使用插件中的Mesh工具，拾取原始模型进行有限单元模块化处理，生成布满蓝色网格的模型，Mesh工具顶部会显示一共划分了多少单元网格，在3D模型中这里一共划分了7361个单元格。

（三）座椅的静力分析

座椅的静力主要分为两大部分：一是人坐在椅子上对椅子的压力，这里的压力主要是人的体重对椅面的压力和背部对椅背的倚靠的压力；二是椅腿接触地面支点的一个反作用力。这些静力在插件中表现为荷载与支撑，首先荷载处理，找出并简化受力范围，可以是一个面受力，通常为表现不均匀受力，也可以是一条线段受力，还可以是几个点的受力，力的大小根据人的体重判定为多少MPa，力的方向则是与椅面成法线垂直，关于背部对椅背的作用力可以预估也可以实际测量，方向仍是与面垂直的法线方向。其次是支撑的选取，支撑的选取取决于预期座椅椅腿的样式，可以是四腿、三腿甚至是以线或者是面的形式与地面接触，这里选取的是四腿样式。通过插件中的Loads、Supports工具进行拾取，拾取区域均在原始模型表面或是内部，如图1所示为完成计算前准备工作。

图1 原始模型建立

三、造型优化

（一）双向渐进结构优化原理

利用Ameba插件的Solve工具即可引入下一步，计算阶段。其计算过程的算法原理是基于双向渐进结构优化法的拓扑优化原理，是利用APDL语言对ANSYS单元的删除和添加功能进行二次开发，通过删除和添加单元，得到满足目标体积的拓扑结构，在此基础上，按照应变能水平高低，在保证体积不变的前提下，进一步恢复和删除单元，得到最优的拓扑结构，如图2所示，计算正在删除多余网格。

（二）优化结果

通过向软件输入数据并借助软件计算获得了具有独特造型的类座椅模型。由于计算结果以单个有限元网格模块组合而成，为了更进一步体现优化结果的造型准确性还需要通过软件中MeshOpt等工具来进行完整修复与光滑步骤。遵循拓扑优化原理的插件，其基本函数公式基于结构力学原理，严格按照数学思维，在力学上满足安全、合理和节省材料的要求，如图3所示，结算结果完成后可进行有限元力学分析检验。

图2 双向渐进结构优化法云端求解

图3 有限元力学分析

（三）造型再设计

由于计算结果为粗模型，外观辨识度低，不能直接作为完成产品，所以需要对其造型上的再设计。然后进行人工对座椅模型进行改进，通过计算确定的尺寸数据，最终确定一个方案并建立模型，出渲染效果图，如图4所示。

图4 再设计后的座椅造型（设计：张之秋）

四、实际应用

当然，复杂的软件如何巧妙地应用到日常设计当中，接下来用第二个案例简要说明。如图5为一款办公座椅椅背的设计。

图5 办公座椅椅背（设计：张之秋）

第一，构思。

构思初期，将设计锁定在不脱离本文座椅内容前提下又贴近生活的办公座椅设计上，熟知办公座椅需要为人们提供舒适且健康的办公坐姿，那么座椅的人机工程学与力学要求就十分重要，这时就利用拓扑优化技术来解决力学与造型问题。

第二，产品思路。

本次设计是拿出办公座椅的椅背部分来进行展示。为了符合座椅靠背的功能将座椅靠背提供支撑的部分分为上、中、下三段。针对每一段受力情况不同对每一段单独分析计算，下面简单介绍施力过程：以上段为例，主要受力是颈部与肩部，根据人的实际坐姿颈部基于座椅斜向下的力、肩部给予座椅垂直于椅背的力。如图5左上角是软件对中段的计算过程，左下角是中段的最终形态。

第三，结果。

其最终产品是，椅背每一个分段都可以在有阻尼的前提下跟随使用者的背部活动进行旋转，使得使用者在座椅上也可以满足活动放松的功能。由此可见，参数化设计于拓扑优化技术的应用面之广，不仅可以做整体的造型设计，还可以将其应用于零部件上。

五、结论

第一，在造型上灵活的变化是参数化设计的特点。通过可变参数的改变，使得最终造型发生变化，从而可以满足人们对个性化的需求。本文座椅设计过程当中，可通过不同的体型不同的体重来输入不同的数据，最终可获得满足其个人条件的座椅造型。

第二，原本适用于建筑设计和结构设计的拓扑优化技术在座椅设计当中使用，其当然可以解决座椅在力学原理上受力问题。

第三，这种借助软件设计的座椅，并最终获得传力合理且仿生的形态，是一种极具艺术感与个性化的设计风格。有助创意灵感与加速产品设计。

第四，在艺术效果上，此设计方式有着两个特点：一是在造型的塑造上，独特优美的和变化多样的造型，最直观的就是产品造型对人感官的冲击；二是其具有丰富的创造性，首先它的设计方式与目前大数据时代接轨，其次在后期制造阶段可以与新兴的3D打印相结合。

第五，在可行性上，随着科技发展，人们对计算机软件的开发等，这种参数化设计和拓扑优化技术的适用面将不再局限在建筑设计或者是装置上，而更多的可能会用在产品造型、产品零部件和产品结构上。