郭立才 吴珏

摘要：挖掘和分析参数化设计领域的研究趋势及前沿热点。本研究使用知识图谱工具CiteSpace，对2010-2019年期间Web of Science核心数据库发表的852篇参数化设计相关文献进行文献计量分析。经分析，得出参数化设计目前与人工智能、算法联系紧密，萁研究趋势主要在于建筑设计及产品设计领域，尤其是在建筑设计优化及日光利用、产品造型约束优化等方向。文章着重讨论分析了参数化设计领域的研究热点和研究趋势，为后续参数化设计及萁相关领域之研究提供参考。

关键词：参数化设计知识图谱可视化分析研究热点前沿趋势

中图分类号：J

文献标识码：A

文章编号：1003-0069（ 2021） 08-0102-04

Abstract： Mining and Analysis of Research Trends and Frontiers in ParameterizedDesign. This study used knowledge mapping tool CiteSpace to conduct bibliometricanalysis of 852 literatures related to parametric design published in the CoreDatabase of Web of Science from 2010 t0 2019. Based on the analysis， it is concludedthat the parametric design is closely related to artificial intelligence and algorithm，and its research trend mainly lies in the field of architectural design and productdesign， especially in the direction of architectural design optimization， daylightutilization， product modeling constraint optimization and so on.This paper mainlydiscusses and analyzes the research hotspot and research trend in the field ofparameterized design， and provides a reference for the subsequent research ofparameterized design and its related fields.

Keywords： Parametric design Knowledge graph Visualized analysis Reserachhotspots Frontier trends

引言

參数（Parametric）又叫作参变量，它定义了一个系统的运作特征和系统成员间的相互关系[1]。参数化设计（Parametric Design）即参变量化设计，也就是把设计的各个环节和要素参变量化，即设计是受参变量控制的，每个参变量控制及表达设计结果的某种重要性质，改变参变量的值会改变设计结果[2]。随着科学技术的不断发展，参数化设计因其自身的优势逐渐受到越来越多的学者关注，相比于传统的设计，参数化设计在造型设计中可以通过修改特定参数就可以得到新的结果，快速生成一系列风格多样的造型，设计师或用户可以根据设计要求或审美经验进行方案选择，这在一定程度上带来更为丰富、多变地体验，也使得参数化设计有着极大的发展前景成为当下的热门研究之一。

参数化设计最早在20世纪90年代出现并应用到建筑设计领域，一大批代表性的参数化建筑也应运而生，如毕尔巴鄂古根海姆美术馆、梦露大厦、北京银河SOHO等;之后在机械设计领域应用主要体现为参数化软件的运用，如Pro/Engineer等。随着人们对参数化设计领域的不断探索，其应用逐渐扩展到产品设计、汽车、服装等领域。伴随着参数化的不断应用发展，人们对参数化设计的学术研究也迅速增加。结合现有的国内外相关研究，我们发现：（1）虽然目前对参数化设计的关注度和文献研究一直在不断增加，但有关参数化设计的知识图谱可视化研究匮乏。（2）尽管目前参数化设计相关研究涉及到多个领域，但是关于其研究热点及其演化趋势的可视化研究处于空白。因此对目前参数化设计的研究进行脉络梳理将有利于掌握国内外学者在参数化设计方向上的研究前沿热点，还可以对后续的相关研究提供指导参考。为全面客观地对参数化设计进行分析，本文以知识图谱软件citespace为工具，对web of science核心数据库内的相关文献进行数据可视化分析。

一、研究方法和数据来源

（一）研究方法

本研究采用知识图谱方法，通过对数据挖掘，信息处理和图形绘制，揭示知识的发展过程与结构关系[3]。选取2010-2019年期间Webof Science核心合集数据库中与参数化设计相关的852篇文献，使用citespace工具对其进行了国家/地区共现网络分析、机构共现网络分析、关键词共被引分析和文献共被引分析，来了解当下参数化设计的研究热点与趋势。

（二）数据来源

本研究数据选自wos核心合集数据库，对参数化设计相关的文献进行检索，考虑到2020年数据还不完善，因此将检索时间的跨度定为2010年-2019年，数据截至时间为2020年4月。根据参数化设计的研究主题，检索关键词设置为Title= （parametric design） or（parametrization design）;文献类型=Article;语言=English;对其进行精炼得到有效文献852篇。

二、结果与分析

（一）发文量年度分布

通过观察阶段时间内论文发表数量的变化趋势，能够清楚直观地反映出该领域的研究发展状况，同时也有利于分析掌握该领域的发展趋势和前沿动态[4]。本文统计相关文献将参数化设计领域期刊文献的年度发表变化情况绘制成图l。据图l可知文献发表数量整体发展呈增长趋势，2010-2019年这十年间参数化设计研究可分为起步发展和稳定发展两个研究阶段：2010-2016年年发文量为百篇以下，处于起步缓慢发展阶段;2017年后呈现快速发展状态，发文量突破100篇以上。这也客观地揭示参数化设计研究从缓慢到快速地发展态势，从另一个方面反映中国逐渐开始重视参数化设计领域的研究和应用，可以预见该领域未来将会产生更多的科研成果。

（二）国家/地区合作网络分析

图2为2010-1019年间参数化设计研究的国家/地区合作共线图谱，图中圆圈的大小可以反映国家/地区的发文数量，圆圈越大表示发文量越大;圆圈的最外侧一圈表中心性，越宽则说明中心性越大，可以看出在十年间参数化设计领域的合作网络形成了以中国、美国、英国等国家为中心的合作网络。

將其数据转化为表l后可见，参与发表文献数量较多的大多数集中在中国、美国、英国、印度上，其中中国和美国参与发表的文献数量总计367篇次，中国更是遥遥领先共发表251篇（占36.3%），明显超过其他国家/地区，一定程度上占据参数化相关研究的国际主导地位。另外，从中心性来看，美国、德国的中间中心性最高，分别为0.36和0.33，体现出两国在参数化设计领域实力强劲，并且辐射带动作用突出，其次是韩国（0.23）和中国（0.22）。

（三）机构合作网络分析

在CiteSpace中选择“机构”作为节点类型，获取参数化设计的机构共现网络得出107个节点和41条连接线，852篇文献，如图3所示。表2整理了全球参数化设计创新领域的主要研究机构，分别为哈尔滨工业大学（Harbin Institute of Technology）、厦门大学（xiamen University）、上海交通大学（Shanghai Jiao TongU niversity），其次中国科学院（Chinese Acad Sci）也在2015年首次发表参数化设计的文献。不过从图中可以看出大部分研究机构都没有连线，合作关系分散，合作强度较弱。

（四）作者共被引分析

在作者共被引方面，从citespace聚类结果整理了被引量排名前5的作者及其代表文献，如表3。其中被引次数最多的作者是来自以色列理工学院的学者OXMAN R，一共被引31次，其代表文献[5]假设了数字设计概念框架和理论基础的要求，且定义了一种能够阐述数字设计案例规范的设计特征模式，对“数字设计思维”的形成产生了重要作用。其次密歇根州立大学学者DEB K、卡尔加里大学学者KOLAREVIC B、西蒙弗雷泽大学学者WOODBURY ROBERT被引次数都为26次，DEB K[6]提出了一种基于优势和基于分解的多目标优化方法的统一范式，利用基于支配和分解的方法的优点来平衡进化过程的收敛性和多样性;KOLAREVIC B[7]探索了在建筑尺寸定制中参数化约束设计，提出了尺寸定制系统的概念框架，维持了大规模生产效率的同时又提高了用户需求满意度;WOODBURY ROBERT[8]开发了表示穹顶定义点位置的几何约束，并提出了一种目标寻求算法来解决基于传播的参数建模系统中的约束。来自伦敦大学学院的学者AISHR被引次数为22次，AISH R[9]通过使用XML模型，生成结构设计系统eifForm和关联建模系统生成组件的初步集成，使设计师能够动态地探索设计场景的参数变化，并评估替代建筑、围护结构和结构形式的结构影响，产生空间新颖、高效和可构建的设计。

（五）关键词共被引分析

关键词是文章核心内容的浓缩及提炼，对文章关键词进行共现分析可以帮助研究者了解参数化设计领域的研究热点[10]。通过citespace最后得出264个节点和1195条连接线，如图4所示，每个十字型节点代表一个引用的关键词，节点越大，说明关键词的频率越高。

表4列出了前10个高频的关键词，除与检索相关的关键词parametric design外，文献中关键词出现频次较高且中心性较高的关键词有优化（optimization）、模拟（sim ulation），系统（system）、遗传算法（genetic algorithm）、有限元分析（finiteelement analysis）。其中优化（optimization）出现的频率最高为111次，然后依次是模型（model） 62次、设计（design） 627次、模拟（simu Iation） 45次。中间心性方面，模拟（simu Iation）和行为（behavior）最高为0.27，其次是性能（Performance）及模型（model）为0.22。

以上可以看出优化、模拟、遗传算法、有限元分析等高频关键词与参数化设计有着密切联系，在一定程度上这些词也反映了参数化设计当下的研究热点。遗传算法作为参数化设计的重要工具，通过遗传算法的相关理论，将产品或建筑当中的限制条件设置成参数，借助计算机程序快速地进行产品优化迭代，将不合适的答案自动排除，最终得出最优解。王健[11]等提出了一种飞行甲板的参数化设计优化模型，利用多目标遗传算法对飞行甲板的主尺度和外形进行设计优化，最终实现了对飞行甲板的改良。有限元分析常用软件ANSYS在机械产品、家具设计等领域应用较为广泛，软件可以对参数化设计生成的产品进行结构、产品强度、稳定性的测试，检测其在受到外力负载时所出现的反应并根据应力云图分析进而判断产品造型及结构是否符合设计要求，之后可以根据检测结果对受力部位大、易损坏的结构部位进行优化改良。何风梅[12]利用有限元理论并结合ANSYS分析软件对板式家具进行了结构强度的模拟测试，根据应力分析对其结构进行了改进优化。

（六）参考文献共被引分析

1.基于标志性文献的参数化设计的研究热点及其演化

通过citespace对数据进行文献共被引分析可以发现参数化设计研究领域的关键文献，便于研究者直观了解学科前沿的演化路径和基础文献。选择“reference”为节点，生成了416个节点，1291条节点间连线，如图5所示。

通过citespace里的LLR算法对共被引文献进行聚类，可以发现文献一共被聚成了五大族群，通过对每个族群集内的代表文献进行分析和归类，将被引文献中中心性排名前5的文献制成表5，从建筑优化（1#、12#）、设计探索（2#）、资源节省（5#、6#）共三部分对参数化设计领域研究热点进行解读。

（1）建筑优化：在建筑设计领域中参数化设计是将场地、建筑需求、功能要求、用户偏好等因素变量整合起来，通过一系列制约限制条件和算法不断优化得到最优解。Turrin M（2011）[13]发表的《建筑设计中性能驱动几何的参数化建模和遗传算法的设计探索》文献中心性最高的，该文献讨论了参数化建模和遗传算法相结合的好处，特别是建筑设计上，使用ParaGen根据结构性能探索穹顶的形态和增加大跨度屋顶的太阳能热增益、日光透过率。Turrin M（2012）[14]的另一篇文章研究了半室外空间大型屋顶结构的性能导向设计，目的是在设计过程的早期阶段整合性能评估，特别是通过探索减少对进口能源需求的被动式太阳能策略，可以改善大型结构下的日光和热舒适性。

（2）设计探索：设计探索主要是通过预先对参数、变量的约束，进行预处理后从而对产品的外形、性能、结构等方面进行合理的设计优化寻求最优解。Gerber DJ[15]（2014）研究提出了一种新的设计仿真方法，该方法基于一个原型工具（H.D.S.Beagle），该工具通过一个集成平台将参数建模与多目标优化相结合，从而在设计、能源使用强度和金融等领域实现快速迭代和权衡分析。

（3）资源节省：参数化设计能够最大程度上拓展方案设计思路，根据用户的需求偏好设计个性化制作，缩短修改的时间，提升了设计效率的同时一定程度上降低了资源的损耗。Loonen RCGM[16]（2013）对气候适应性建筑壳（CABS）领域的研究、设计和开发工作进行全面的综述，在结构化文献综述的基础上对44个CABS进行了分类，使各种概念相互联系并进行了并行发展，为节能和改善室内环境质量提供了潜在的机会。Eltaweel A[17]（2017）综述了建筑实践中参数化设计的文献，重点介绍了参数化设计在采光和太阳辐射方面的应用，这对提高日光利用率和节能有重要的影响。此外在产品设计领域，参数化设计在保证产品性能不受影响的前提下，通过软件和算法对产品造型和结构进行优化改进，能够最大程度上节约材料和制作工艺的成本。

2.基于突发文献的参数化设计的研究热点及其演化

引文突发是通过检测引文在某一段时间内引用频率的突发强度来找出该领域研究热点的新兴趋势[18]。在citespace软件中点击Burstness，在416个节点中有5篇文献出现引文突发现象，将引文突发的结果按照强度大小的降序从高到低排列，其中被引频次激增的年份通过较高的色块表现，如表6所示。

Mancuso A （2013）[19]在同年的突发文献中强度最高，该文献提出了一种从初始参数集出发，自动生成帆船船体形状的原始算法。YiYK （2013）[20]介绍了通过定义几何点之间的层次关系来控制建筑形式的新方法，允许用户探索建筑几何而不局限于一个盒子或简单的形式。Perez FL （2013）[21]介绍了一种简单参数化设计方法在帆船船壳、圆舭船壳等简单船体线型设计中的应用，所述的方法允许生成满足设计者施加的水动力系数的船体线，获得比母船体的正常仿射变换更大的灵活性。lo rdan ova I （2014）[22]针对某设计工作室的学生，提出了不同建模范式的参数化方法并采用定性方法研究了这些方法对创造力的影响。美国作家Woodbury Rober[23]发表的《参数化设计元素》突发时间最长（2017-2019），该书介绍了如何思考、构建模型和构思复杂的参数化设计，并通过设计模式和诸多实例展示出设计人员如何提升自己的知识和技能，超越CADI具箱进入更高层次的设计思考和行为。

结语

本文基于科学知识图谱理论，针对SCI数据库2010-2019年的研究文献，借助Citespace软件，通过发文量、国家/机构、关键词分析、被引文献以及突发文献分析探究了近10年来参数化设计领域的发展历程、研究主题、研究前沿以及新兴趋势。

研究结果发现：（1）参数化设计研究领域具有较强实力的国家主要有中国、美国、英国、印度、意大利等，其中中国是参发文量最高（251篇）的国家，这也体现了中国学者对参数化设计研究领域的重视程度。（2）发文量較多的机构主要有：哈尔滨工业大学、厦门大学、上海交通大学、中国科学院、印度国立理工学院等，不过团队之间合作交流并不广泛，不同的国家地区、机构和学者需要加强交流和合作，促进相关研究的进一步发展和深化。（3）通过关键词分析，可知多目标优化、遗传算法、性能模拟等是当下参数化设计领域的研究热点。（4）文献共被引分析表明，目前在研究内容上国内外对参数化设计的研究已取得一些成果，研究主要集中在建筑及复杂产品结构造型优化等领域上，将设计因素转变为参变量并对功能、结构和制造进行一定约束，在满足消费者审美要求的同时通过算法对产品的外观、性能进行最优化处理。（5）可以预见参数化设计将会是未来设计的一种热门趋势，而且未来将会与人工智能及各种算法的联系结合越发密切，原因也在于人工智能与参数化设计之间有着密不可分的联系.参数化的核心是将某些参数则通过编码转化为计算机可以识别的语言，并借助相关软件把设计的限制因素与形式输出之间建立参数关系，生成可以灵活调控的数字化模型，而人工智能及算法可以将这一系列操作更快更高效的实现，同时其所具备的巨大创造力可以为设计师提供更多的创造灵感，能够快速进行原型迭代和高效的可视化展示。

同时，本研究还存在一些不足之处。第一，本文对选用的主题词语表达可能不够全面，会导致一部分文献未被选取到本文的数据集中，影响了研究的准确度和全面性。第二，本文数据样本只选取了wos核心数据库中的数据，难免有遗漏其他重要研究成果的可能性。第三，本文从citespace软件聚类结果中只选取高频关键词进行解读分析，具有一定的主观性，频率较低的关键词在本文中并未展开说明，可能影响了分析结果的完整性。因此期待在后续的研究中进一步扩展数据集，克服数据量的不利影响，希望能从更全面、更系统的角度为参数化设计领域的后续研究带来更多启示。

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