易港 陈炜

YI GangCHEN Wei*

（广西师范大学设计学院，广西 桂林 541006）

(School of Design, Guangxi Normal University, Guilin, Guangxi, 541006)

1 参数化的基本概述

1.1 参数化的概况及其发展历程

1.1.1 参数化设计概况 随着智能时代的到来，新科技新技术推进各个行业的进步。参数化的兴起，使得许多设计师将其引入未来风格设计的研究。参数化设计提倡非流线形，打破原有单调，运用大自然中的元素，融入造型中，得到大量千变万化的形态。如著名女设计师扎哈·哈迪德将参数化设计运用在建筑上，她设计的北京银河SOHO 建筑群、盖达尔·阿利耶夫文化中心、广州大剧院、Dominion 办公大楼等建筑，打破传统的建筑构成，营造极其夸张的视觉效果，形成独有的设计风格；Daniel Widrig 建筑师与Iris van Herpen 设计师合作设计出一系列3D 打印服饰作品，将参数化设计与服饰领域结合，扩展3D 打印技术的极限，不仅产生经济效益，还使得服饰灵活、轻盈、穿起来更舒服；Julian Hakes 运用参数化设计出造型流畅、外型抽象而又舒适度高的独特高跟鞋，将抽象概念变化成真，形成自己独特的风格。参数化设计已经延伸到各个设计领域，不仅在建筑领域发展迅速，家居用品、服饰设计等领域也有许多新的探索和实践。文章梳理了参数化设计在未来风格产品的应用概况，基于参数化设计理论对未来风格产品进行深入探索，为未来风格产品在参数化设计中提供实际的参考价值。

1.1.2 参数化设计发展历程 参数化设计可追溯到19 世纪80 年代，圣家大教堂的建筑师高迪就采用参数化的设计思维，在那个非数字化年代，高迪通过可变模型来推敲设计，将转动的框架和弹性的绳索作为变量，在没有精确数据的条件下，通过在石膏模型上试验得出，这种设计手法与形体的创新开创了参数化设计的先河。参数化设计可以分为以下几个研究阶段：

20 世纪60 年代—70 年代初，这一阶段以Ivan Sutherland 为代表，他在麻省理工大学的毕业论文中创造了Sketchpad(1963)程序。在当时还算是穿孔卡机的末期，这个程序已有初步的图形接口和CAD 概念。他提出利用约束作为辅助手段进行零件生产的概念，但没有约束定义和修改几何模型，对模型的修改只是单向过程，一旦模型生成后约束不能反过来限制模型。

20 世纪70 年代中期—90 年代初的发展阶段，提出一些参数化设计的基本思想和理论，并逐渐形成不同的参数化方法。以Hillyqrd 提出变量几何和几何约束思想并由Gossard 及其研究小组进一步发展完善这一方法为标志。

20 世纪80 年代中期至今，这一时期的一个重要特征是将AI技术引入参数化设计中，人们分别将几何推理、神经网络等人工智能方法应用到设计中去，同时将参数化设计运用到实体造型形成特征造型技术，以Aldefeld、SuZuki、Verroust 提出的约束传播法为主要代表。

20 世纪90 年代中期至今，基于理论逐渐完善，参数化方法在实践中得到广泛应用，在航天工业、船舶制造等领域的发展尤为突出，促进了计算机辅助机械设计的发展。这一阶段以Jae Yeol Lee 提出的利用图表示的基于知识的几何推理法和XiaoShna Gao 提出的约束传播法为主要代表。随着计算机的发展、参数化理论的完善，这一被广泛应用在制造业的技术引起建筑与设计业的广泛关注，并开始应用到各种设计概念中去。

1.2 参数化设计应用软件分析

参数化设计中主要软件(表1) 分为Pro/Engineer、UG、Solid Works、CATIA、Grasshopper。在参数化设计中最常用的软件是Grasshopper（GH），几何功能与编程环境为Grasshopper 的两个特征，其特点一是可以通过输入命令，快速获取到不限于原来形状的模型，调整参数化图元，使图形以不同的形式呈现，并保持了数字建模的所有内容；二是修改命令，通过修改参数化命令直接得到修改结果，从而提高工作效率与质量。参数化软件中Grasshopper 操作简单、兼容性佳，对模型结构修改可以迅速做出调整，可添加丰富的表面肌理，迅速完成大量重复性的复杂运算，其应用范围广泛。软件的比较如表1 所示。

根据表1 参数化设计软件对比得出，在参数化软件中Grasshopper 更加适用，Grasshopper 的界面简单直观，像小电池式的工具来编写脚本程序，降低设计人员使用编程工具的难度，用一种直观方式将模块库呈现出来，易于调用，便于建筑及相关行业的设计师理解，降低学习成本。软件Grasshopper 也算是一种编程语言，数据之间的关系通过连线方式，能“顺藤摸瓜”找到数据继承和变化过程，而不像用语言编程时需要通过界面显示来找出变量出现的多个位置。GH 参数化插件可以添加丰富的表面肌理，迅速完成大量重复性的复杂运算，其广泛流行将成为必然趋势。

表1 参数化设计应用软件对比

1.3 参数化工具实践运用

在这个快速多变的信息时代，参数化突破传统设计风格形态，在设计参数化作品时，借助参数间的逻辑关系，链接点线面参数，运用到几何算法中，提高效率与质量。Grasshopper 基于Rhino平台运行，Grasshopper 自带的指令大多是基础图形和数学运算，需要通过组合各种指令才能实现复杂任务的最终效果。对于几乎不懂编程的设计师们想弄清楚GH 中的奥妙，还是非常有难度的。表2 是常用GH 插件及其作用。

表2 常用GH 的插件和作用

2 未来设计风格的主要特征概述

未来主义（表3）是20 世纪初出现于意大利，随后流行于俄、法、英、德等国的一个现代主义文学艺术流派。意大利的马里奈蒂是未来主义的创始人和理论家，其文献《未来主义宣言》的发表是这一流派诞生的标志。未来主义是西方流行的社会思潮，理论来源主要是未来学、科技决定论、趋同论和生态学，根据人类以往的发展和科学知识来预言、预测未来社会发展的前景，以便控制和规划进程，更好地适应未来。发起人马里奈蒂认为科技的发展能改变人的时空观念，倡导废除旧时间与空间对速度、运动等动态美的表达，惯用几何形体表现图形瞬间动态的连续性，追求色彩和线条的“动感”“力度”“速度”。强调科技和交通改变了人的生活方式，人的精神生活也必须改变。因此笔者将未来主义风格的设计归纳成主要的3 个特征在本章展开概述。

表3 未来主义

2.1 制造技术

2.1.1 减材制造 将原材料装夹固定于设备上，通过切削工具（刀具、磨具和磨料）把坯料或工件上多余的材料层切去成为切屑，使工件获得规定的几何形状、尺寸和表面质量，也可以叫做切削加工。切削加工是机械制造中最主要的加工方法，虽然毛坯制造精度不断提高，精铸、精锻、挤压、粉末冶金等加工工艺应用日益增加，但由于切削加工的适应范围广，且能达到很高的精度和很低的表面粗糙度，在机械制造工艺中仍占有重要地位。

2.1.2 增材制造 俗称3D 打印，是融合计算机辅助设计、材料加工与成型技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积、制造出实体物品的制造技术。3D 打印机的问世有效提高了工作效率，缩短产品工期。由于其具有快速、高效率、低成本、精确的特点，这给传统手工艺行业带来致命打击。3D 打印技术有快速成型的特点，以模型文件为基础，运用液态光敏树脂、FilaFlex、粉末状金属等可粘合材料（表4），通过3D 打印方式输出真实的立体物体，不必进行再次加工，可达到一个完整的原型，具有极强的、无缝的整体感，是未来制造业的核心代表。

表4 3D 打印材质分析

2.2 材料创新

材料创新是指开辟新的材料来源、开发和利用成本更低的替代性材料、提高材料的质量、改进材料的性能。在制造业中广泛采用各种新型、轻型材料，特别是碳纤维、航空特种材料，这是材料创新的趋势，能够使产品具有科技感与神秘感。随着产品更新迭代，材料是构成产品的物质基础，材料的运用影响着产品的质量，为保证企业扩大再生产的需要，开发和利用大量廉价普通材料，替代价昂量少的稀缺材料，降低产品生产成本，促进产品高质量发展。

工业4.0 不断发展，能源、汽车、物流、制造、建筑及其他工业领域正在发生变革，这些变化带来对新材料的需求。材料行业的趋势包括可持续性、轻量化、3D 打印和表面工程解决方案、智能材料的开发、纳米技术和具有增强特性的先进复合材料。此外，人工智能（AI），机器学习（ML）和数据管理实践的广泛采用使科学家们能够更快地探索和开发新型材料，从而将新材料技术市场化时间从几十年缩短到了几年。对新材料的介绍如表5 所示。

表5 新材料介绍

2.3 智能交互

在互联网时代的今天，人机交互技术发展愈加成熟，使用人机界面，进行图形化与数据化，注重虚拟与现实的有机结合，利用虚拟技术，对用户动作行为进行处理，并生成实时动态的三维立体图像，以多感知的方式反馈给用户。数据化的严谨性与科学性不再需要人工干预，直接通过机器分析计算，适应环境变化从而作出自我决策。虚拟与现实的结合使用户沉浸在科技感的时空里，对未来感产品产生深入认同。

从用户角度来说，智能交互是一种有效地让用户愉悦且易用的技术，它了解用户的期待值与行为，了解“人”本身的心理和行为特点，同时，还包括了解各种有效的交互方式，并对它们进行增强和扩充。智能交互通过对产品界面和行为进行交互设计，让产品和它的使用者之间建立一种有机关系，从而可以有效达到使用者的目标，这就是交互设计的目的[1]。

智能交互依然围绕手势交互的方式、触碰位置的变化与材质应用进行探讨，并且手势跟踪在未来的一段时间里依然被认为是最重要的展现形式之一，但这也并不妨碍人们对于新鲜交互方式的探索。在更远的未来，交互设计或许更偏向于“意念”交互，即完全摒弃手势追踪，通过意识、意志来操控设备，操控虚拟或现实的世界。通俗而言就是通过设备，在意念的控制下，我们的大脑怎么想，便会出现相应的行为或是变化。

3 Grasshopper 参数化在未来风格产品中的应用

3.1 参数化在未来风格行业中带来的变化

近年来，参数化设计不仅在建筑领域发展迅速，在家居用品、服饰设计等领域也有许多新的探索实践（表6），如家具类以戴欣伟为例，进行参数化设计应用研究，将参数化设计出的纹理应用到符合人机工程的椅子上，给家居产品设计在参数化的道路上理清思路[2]；灯具类以刘宗明等[3]为例，运用参数化软件进行灯具的设计研究，按照参数化的思路结合灯具设计流程，呈现出不一样的建模思路；服饰类以设计师李琳[4]为例，利用参数化建模以首饰作为载体进行设计，利用3D 打印技术将参数化设计出的载体进行打印实现；张婷婷[5]巧妙运用参数化设计，从3D 打印技术的角度，呈现参数化在服装领域设计的应用视角，为参数化在服装领域应用中提供了强有力理论支撑；产品类以设计师孙睿[6]为例，以“无器官身体”为理论支撑，利用3D 打印技术与参数化设计，将参数化的不同算法进行设计与应用，使穿戴产品让用户更加感受到生活乐趣。

表6 未来风格产品案例

随着3D 打印技术的普及，用户追求个性化的私人订制越来越多，在早期产品设计中，设计师需要花费大量时间与精力去修改、丰富细节，有很多产品都是比较概念化，所以用Grasshopper设计可以提高设计速度和形成清晰的造型框架。参数化通过提取几何元素、输入命令快速得到不限于原来形状的模型，调整参数就可得到无数种可能性，节约时间和人力，参数化设计为设计师提供高效的工作效率，加快模型生成，因此，未来设计服务会因参数化设计而发生很大的变化。

下面对两个案例进行分析，如图1 中第一组是南京艺术学院的双蕊亭团队设计的空间装置作品，这件空间装置作品的研究方向为“复杂性极小曲面的生形与数字化建造”，设计团队将两朵花的形态融合其中，并通过计算机最终生成“双蕊”虚拟形态，作品表皮使用Grasshopper 软件的网格分块算法细分展平，再利用数控雕刻设备，将分块形成的397 块镜面不锈钢板切割加工，最后通过铆钉连接的方式将2 200 个孔连接在一起，使作品依靠厚度仅为0.3 mm 的钢板，通过材料自承的方式建构成物化空间形态。

图1 参数化案例

第二组图是设计师奥雅设计的广州中海学仕里洛嘉儿童乐园，设计团队借助参数化将大脑里的想象变成理性而合乎逻辑的具象表达来打破设计界限，塑造出更多元、更有机的形态。运用参数化设计，计算乐园整体的结构和六边形的分布方式，团队利用补充参数化控制六边形开孔定位不规则圆弧激光切割打磨、3D打印根据现场进行各项调整等手段完成制作。将参数化表皮与儿童设施使用相结合，多功能的共享空间满足观看与被观看、玩耍与静坐、交流与沉思等居民活动的需要。

3.2 参数化未来风格产品设计案例

以花瓶作为设计案例，将花瓶以参数化形式来设计其造型，将Grasshopper 与Rhino 结合设计出参数化未来风格花瓶。启动Grasshopper 后，首先通过Construct Point 命令确定坐标进行分点，链接Circle CNR 命令进行圆切面分段，用Graph Mapper 命令调节花瓶形状大小，使用Merge 命令进行整合，整合后链接Construct Mesh 命令生成网格面，通过调节Number slider 命令控制参数大小。调整参数得到最终造型，在改变参数的同时，曲线也会跟着参数数值而发生相应的变化生成造型（图2）。

图2 参数化花瓶

在应用的过程中，通过搭建参数之间的逻辑，不断对模型进行修改和完善，生成用户满意的形态，用高效且快速的效率修改参数改变造型，不仅节约时间和成本，还给用户提供更多的选择。参数化虽能设计出概念新潮、视觉效果强的作品来，但它过于迷恋计算机带来的新形态，使得产品缺少点人情味。参数化设计必将成为未来设计领域一大趋势，数字世界与现实世界的碰撞是每个设计师必须面临的问题。在传统设计路径中，需先通过草图进行不断修改和完善，再进行模型可视化，这在过程中较为复杂，而参数化设计通过搭建参数间的逻辑关系，不断调节参数就可对模型进行修改和完善，这使得参数化在设计的过程中更具有科学性而非主观性，设计师在这个过程中要更加注重形体之下的内在逻辑，这样在一定程度下会促使新一代的设计师去反思设计的内涵，重视设计方法论[7]。

随着智能时代的到来，科技与生活的联系愈加紧密，未来风格产品对各个领域都有涉及。参数化未来风格产品的色彩表现为单一纯粹与流光异彩，单一纯粹塑造出神秘感元素，产生出纯净、神秘、摸不透的意向。流光异彩则为单一的主色调点缀局部，点缀部位常常是重点部位，多用科技蓝来点缀指示灯、交互界面、自由功能显示光等。在参数化未来风格产品的造型上，常用流线型与悬浮式造型，流线型在造型上展现了科技与未来生活，紧密地与成型工艺联系在一起。科技感与神秘感是磁悬浮式造型的标签，整个物体悬浮于空中，展现了高科技尖端技术，是未来风格产品设计重要方向。

4 结语

在科技发展的今天，基于Grasshopper 参数化未来风格的产品设计是顺应时代的产物，是拥有一种全新的造型设计理念与设计方法。参数化设计本质上是帮助设计师解放思维束缚，使得设计师在设计的过程中逐渐改变了思维方式与设计路径，使设计师在进行方案的过程中给客户提供多种选择性，通过参数化设计，感性与理性结合，创新模式，推动未来风格产品的跨界式发展。参数化设计的不断扩展，伴随着人工智能的崛起引导设计转向，它带来的不仅仅是一种新的设计风格与形态，还是一场前所未有的设计变革。