基于產品表皮設計的Grasshoppr技術應用研究

劉立園 林佳梁

引言

產品設計從某種意義上說.是反復修正、走向完善的改進過程，能否高效、準確地達到設計目標，反映了設計開發的高水平和在多個設計方案中取得勝利的實力。數字化技術在設計界的運用普遍適用，相對于建筑設計的參數化表皮，工業設計可以用同樣的輔助技術手段來設計。設計師在運用計算機輔助設計軟件設計產品時，快捷地修改產品造型和主要部分的建模速度，表現出實時模型狀態和表面紋理，而且產生了全新的產品表皮設計風格，是整個產品設計開發的關鍵。Grasshoppr對產品表皮設計有轉折性的意義，影響設計師的工作和思考方式。在產品設計同質化的時代，可以減少重復化的工作，也更加精確，是產品的系列設計、改進設計以及無紙化設計的變革基礎，產品設計表皮逐漸成為表面質感藝術新的多元化表現趨勢。

一、產品表皮與數字技術

（一）產品表皮的聯系與內涵

產品表皮是與產品的造型有必然聯系的表面形式，具有一定的文化性、技術性和情感性。產品設計的表皮一方面通過表面的質感得以體現，另一方面也為產品外觀的表現加入新的制作方式。產品表皮不僅指產品表面的紋理，而且是一種表面邏輯化的構造，或者是提升產品設計美學的包裹層。產品表皮的設計理念反映了產品的感性與理性的表象。當今的產品表皮是指并不完全與產品形態相分離，而是具有裝飾性效果的造型存在，并目與產品使用環境和功能產生聯系的一部分。

（二）表皮設計的獨立和統一

產品表皮的設計過程和結果，優化了產品的個性表達和各個要素的有機聯系，促進了表皮的關聯和獨立。產品信息的主體是產品造型，表皮是信息載體，當主體與載體相分離的時候，表皮所傳遞的信息就脫離了產品整體所要表達的含義，而獨立于產品整體之外，成為抽象的存在和形式主義。如果所指和能指相統一，表皮的意義就會與產品整體發生審美邏輯和功能邏輯的關系，成為產品設計整體不可分割的一部氖并與周圍環境相關聯。周圍環境并不是單指產品的使用環境，而是作為一種文化環境和社會環境，產品表現自身的表皮即為設計的關注點，這是表皮獨立性轉移而促進關聯性的新結果。

（三）產品表皮的數字與邏輯

表皮的數字化設計是以參數化為基礎，對變量進行控制來改變產品的表皮建構。表皮建構表明了數字化設計的本質一一參數化。產品表皮的數字化設計是通過加算計編程技術，在軟件中生成產品模型，利用3D打印設備或一體化加工機床，對產品表皮設計進行生產并組裝。CAD及編程技術的運用是數字化設計的根本，而數字化設計的跨速發展為表皮的物化提供了技術支持。產品設計的重要目標

是創造吸引力的個性造型，在造型創造過程中須考慮產品的功能和技術的實現。在這一實現過程中，感性的形象思維與理性的邏輯思維緊密相連并交替出現，經過反復中和達到最佳和諧，展現出合情合理的個性造型。

二、Grasshopper的模式特征

（一）幾何化編程特征的立體表皮設計

Grasshoppe與其他Rhinoceros的建模插件不同，是一款完整的可視化模塊編程插件，具有編程和幾何功能兩個特征，也就是說，是被強化了幾何功能的編程技術軟件。在設計方案生成的初始階段，壬導設計的仍然是產品設計師的邏輯判斷和理性分析，在產品設計立體化成型的后期，Grasshoppr技術順應設計思維并起到輔助作用，用幾何化的編程方法整合立體平板化以及表皮曲面信息，同時結合腳本編寫的語言，使復雜立體表皮的實現成為可能。立體可控化與門何平板化是Grasshopper軟件運用的主要目的。通過輔助設計建立產品模型信息，進行程序編寫、優化表皮，建立構造等，便是幾何化模式的主要體現方式（如圖1）。

（二）數據差異性特征的規則表皮設計

Grasshopper的核心是數據處理，其數據計數方式是計算機語言的計數方式，數據結構特征呈關聯的線狀，分為主線狀數據和支線狀數據，在不同的表皮模式下呈現不同線狀的關聯方式。主線狀數據的末端是線性數據塊，支線與主線相連并要遵循線性數據的差異化處理規則。連續差異性的漸變表皮較為復雜，主要在主體建模平臺生成雛型，然后由單元模塊編程的方法實現。在關聯性的腳本單元中，每一個大小不同的單元按照一定的差異性規律，再通過數據的關聯重復語言形成一種數陣和邏輯，形成連續漸變的復雜產品表皮（如圖2）。

（三）數字化復雜關系的內在組織模式

數字化的復雜算法對于產品皮表以及表面構造，是當前設計參數化領域的研究熱點和難點。這種表皮通過如分生孢子式進行裂殖、分離、擴大等方式，不斷組合、迭代，生成無序、復雜的視覺形式。不同于幾何化編程特征的立體表皮設計和數據差異性特征的規則表皮設計，這種數字化的算法是將運算個體與個體之間的相互作用作為邏輯，整體形態是運算個體相互作用的規定狀態的表現結果，而不是從產品表皮的整體形態出發的運算方式。數字化的復雜算法注重復雜算法與算法個體的相互及內在關系，像蜂群式的運動，生成的結果是可能具有不可預料性（如圖3）。

三、產品表皮設計的Grasshopper實例應用分析

隨著計算機輔助技術的發展，參數化、變量化的應用，設計師對產品感性的判斷、理性的分析更加直觀，使設計師的表皮設計在計算機上以三維方式完美呈現，從而展示并解放了計師的創造性思維。

（一）參數體系的靈活可調性拓展產品設計思維

Grasshoppr擁有的可調節的參數體系，使設計師通過調節尺寸范圍，無須紿出特定的設計條件，通過對表皮構造的數字化探索分析，設計的高效性和準確性仍然能保證，超越了傳統建模和手繪設計效果圖不能表達的創新的設計形式。如Nest智能探測器（如圖4）采用的漸變多孔表皮，是通過數據腳本的連接，利用數據邏輯建立孔群，孔的尺寸及組織方式由數據鏈自動生成，使孔洞大小符合實際的產品表面質感。Grasshopper的輸出結果具有靈活的可調性，因此可產生區別于傳統模型的表皮造型。首先，從速度上來講，由于Grasshoppr能夠同時處理多組設計數據，計算速度遠快于人腦;其次.由于基于電腦數據計算和復雜模型快速轉化，實時展示方式優于手王;再次，對于多變的表皮模型，可編程的數字化特性具有極強的可調節性，拓展了設計的思維，使設計師深入到產品設計更靈活的造型領域。

（二）表皮設計的多元準街陸創新產品設計造型

Grasshopper技術為表皮設計的多元化提供了可能，提升了外觀設計的品質，同時解決了復雜的表面成型技術，達到一定預視效果，節省了復雜表面制作的成本，并驗證了表皮結構成型的準確性。在汽車制造行業中，隨著新材料、新工藝、新技術的不斷發展和提升，汽車外殼的結構承重不再是采用加強肋的方式，而是可以用優良的表皮設計來滿足結構技術的要求。汽車的造型設計不僅是美學上的考究，更多地會考慮到空氣動力學因素的影響。寶馬汽車公司作為汽車界的設計引領，其設計的創新性和前沿性令人驚嘆。寶馬設計師會采用各種技術方式表達前沿的設計思維，或者是利用Grasshopper來生成創新設計方案，漸變表皮紋理的概念寶馬車就是通過參數化的設計漸變表面化的質感，在單元紋理上進行理性思考與編輯，將個體單元細部連接，形成整個汽車造型的漸變表皮，由單個微觀模塊放射為汽車表皮的宏觀表現（如圖5）。在寶馬概念車表皮設計中，利用計算機的數字化運算速度的優勢，使復雜的漸變構造變得簡單和可控。由于Grasshopper簡約的界面和并不復雜的腳本模塊，降低了設計師的學習成本和精力，鍛煉了設計師的邏輯分析和邏輯應用能力，同時創新了產品造型的多種可能性。

（三）數字表現的技術文化性深化產品設計內涵

產品的表皮質感的設計效果已經成當今產品同質化現象下，突顯技術文化的重要方式。產品編織紋理（如圖6）運用參數化的方法表皮設計，直接影響產品整體概念造型。設計師按照設計特點及時對編織紋理表皮進行修改，直至達到合理的最能體現設計的核心概念。對于更加復雜的具有凹凸編織紋理表皮的產品設計（如圖7），二維軟件或手繪技法并不能反映設計者豐富的創造性思維，也無法把握在造型設計中的偶然性結果，而隨機的設計造型對設計師非常重要。在造型的過程中，首先要滿足設計的幾何造型，然后才逐漸完善產品尺寸及其細節。Grasshopper可以限據設計概念量化造型的技術特點，以數字化驅動造型，進一步完善編織紋理設計的品質效果，展示最終的三維表皮設計。

編織紋理的產品表皮設計表現出一定的情感化因素，是否按照用戶良好的心理體驗進行三維表皮設計，直接影響到用戶對產品的整體感官體驗。從文化角度出發，編織紋理的表皮設計是一種更深層次的文化體驗和文化內涵。Grasshopper技術的表現會反映出產品的文化特征風格特點。根據7秒鐘定律，編織紋理的表皮設計轉化為用戶選擇產品前7秒鐘的視覺焦點，并發展成為除形態、顏色、材質之外用戶選擇的重點。

（四）參數設計的復雜邏輯性突破產品設計原則

由于Grasshopper技術的應用推廣設計的參數化已經成為一種新的風格和設計手法，設計師可以從產品的構造屬性進行表皮的設計。3D打印技術的日益成熟和普及，讓鏤空的設計成為可能（如圖8）。這種鏤空造型無法用傳統的注塑方式形成，3D打印技術實現了復雜的表皮設計語言（如圖9）。與漸變紋理和編織紋理不同，鏤空表皮的本身就是設計的造型概念，并具有完整的設計結構。其中，Grasshopper的作用是利用邏輯算法形成隨機分布、并不刻意的鏤空設計，產生令人愉悅的韻律感。鏤空表皮不僅作為在產品設計中的結構而存在，并且更加直接地表達了設計結構的語義。基于復雜算法研究的設計則是在不斷探索腳本編寫與設計意圖的可能陸，最大程度上發揮了數字技術與設計原則的突破。在造型概念上，Grasshopper注重設計的表皮組織，通過表皮的變化使產品對環境與自身的功能產生回應，并具有一定的象征性。

結語

從產品設計的造型風格來看，表皮的構成和有機秩序是其得以獨立并成為產品外觀的重要表達。Grasshopper技術是產品質感表現的重要里程碑，為產品的數字化表現到實現帶來了革命性的技術，突顯了產品表面在設計中的獨立性。此外，數字化技術的表皮設計改變立產品的幾何冰冷感，提升了產品的設計美感。產品表皮在參數控制下的編程調節，成為具有數字邏輯和內在規律的系統。參數化技術的表皮設計系統，增添了產品設計豐富的造型，產生了具有一定技術規律的有機整體的產品外觀，使用戶感受到理性與感性的設計平衡。作為一種參數化工具，grasshopper創造了產品設計的新方法，一定程度上提升了設計表現的審美，但并沒有改變產品設計的功能本質，如設計師對產品使用問題和社會問題的解決。Grasshopper的參數化技術對于產品設計的意義在于給了設計師更加開放、更加獨特的表達工具。