基于參數化設計的數據邏輯思維研究

王妍　李卓

摘要：研究參數化設計中“數據邏輯思維”的含義、來源和影響，為參數化設計的發展與應用提供參考和啟發。調查研究相關成果案例，全面分析數據邏輯思維在參數化設計中的地位，分析其來源的有效途徑。結合其他學科理論背景對數據邏輯思維的具體應用進行深入研究。數據邏輯是參數化設計的本質，主要來源有個人經驗轉化和理論數據轉化兩條途徑。通過對其的研究可以使參數化設計更好地適用于不同需求背景下的設計實踐當中。

關鍵詞：參數化 數據邏輯 數據化轉化 Grasshopper

中圖分類號：TB47 文獻標識碼：J

文章編號：1003-0069（2019）08-0065-03

引言

近年來參數化設計作品引領創新科技新風尚，從建筑領域興起的參數化設計一經出現就引發設計熱潮。首飾、鞋品、服裝設計等時尚行業也逐漸向參數化獨有的科技感、未來感造型風格靠攏，進一步的，參數化設計在其他工業設計領域如一般工業產品和汽車產業等領域中逐漸得到了更加廣泛的研究和應用。隨著參數化設計的應用范圍廣泛鋪展開來，對于參數化設計的思維本質以及計算機數字化背景在其中影響的探討也顯得越來越有現實意義。參數化設計的計算機數字化背景作為其根源和主要應用形式，為其深入研究提供了一個很好的切入點。

一、參數化設計概述

（一）基本概念

參數化設計的本質是可控量化參數通過計算機軟件設定法則或者邏輯函數實現生成多元結果的過程，它以數字化的方式詮釋設計目的，構建設計邏輯，解決設計問題，進而尋求更新的形式和更多設計優化的解決方案。

（二）發展脈絡

現代參數化設計是伴隨著計算機數字技術的發展而逐漸應實際設計需求發展起來的一種新型設計方法，隨著其多領域應用、多形式表達得到了越來越廣泛的關注和發展。它通過邏輯建模調節參數，迅速得到相應變化的模型結構，從而可在短時間內生成大量結果，用以對比分析優選，有效地提高了設計效率。擁有著計算機的數據邏輯背景，參數化設計通過邏輯建模可為廣泛適用的工業化產品提供大量富有變化的形態結構樣式，對于形成全新的設計形態和格局做出了巨大貢獻。

參數化軟件繁多，本文主要基于Rhinoceros+Grasshopper軟件平臺進行簡要介紹。Grasshopper是一款在Rhinoceros環境下運行的三維模型插件，采用程序算法生成區別于傳統建模工具的操作方法，將數據邏輯轉化為可視化幾何模型。Grasshopper的最大特點是可以通過程序算法向計算機下達更加高級且復雜的邏輯建模命令，使計算機根據確定了的數據邏輯結構自動生成模型結果。通過編寫含有邏輯建模概念的運算器，機械性的重復操作可以交由計算機的自動循環運算來完成，如圖1所示。

Grasshopper將編程語言變成可見的集成塊，讓用戶自己拼裝并將這一過程鏈接起來使其成為一個整體。使得建模思路和完整過程以更加直觀的圖形化形式進行展現。圖2中每個運算器都可以對其中的參數進行調節，以生成動態的多元化的設計結果。在增強視覺感染力、表現力的同時也體現了科技化手段在豐富產品形態結構上的巨大優勢。另外，Grasshopper本身還具備兼容多種特點的次級運算器功能，設計師甚至可利用Grasshopper自帶的編程工具編寫特殊的個性化運算器，這也是Grasshopper成為最流行的參數化建模插件的原因之一。

（三）主要特點

1.以數據邏輯為質。參數化設計手段與其他計算機輔助設計方式兩者最大的差別在于參數化設計在計算機軟件技術的應用上更能夠顯示其核心是在于數據邏輯思維的巧妙特質，即“操作數據進而間接影響形態”，而不是廣泛意義上的單純數字化呈現。參數化設計最大的特點就是將設計中的邏輯關系外化，強調邏輯，邏輯是參數化設計的核心和本質。數據的邏輯結構反映了數據的組成元素之間的關系，數據通過邏輯結構在虛擬上的實現反映了客觀幾何元素的物理水平。

2.以設計思維為本。因為數據邏輯信息的復雜性和多元性的特點導致目前參數化設計的具體表達是依靠計算機龐大的計算能力來承載的，現代參數化設計更多地表現為一種計算機輔助設計實現的邏輯可視化過程。參數化設計的出現意味著形式的可能性將超過人能達到的最大極限，其中最為關鍵的就是設計的邏輯算法，它體現了設計師的本質意愿。這是人們在突破自身計算能力而追求更加多元化設計結果的大膽嘗試，這也是隨著科技的不斷進步人們體現自身價值的必然趨向。

二、數據邏輯來源的兩條途徑

數據邏輯是計算機用以安排數據進行運算的邏輯結構，它體現了整個設計過程的總體框架，是設計作品的骨骼。數據邏輯作為一種邏輯框架擁有一定的知識性和規律性，這種知識性和規律性與其他經驗法則有本質上的相似性，通過一定思維轉化方法，有機會將其他經驗法則轉化為計算機可以接受的邏輯結構即數據邏輯結構。這樣既拓寬了數據邏輯框架的來源，為后續數據的加載提供了多樣化的基礎條件，同時，還可以用一種全新的方式將已有的經驗法則進行合理化利用，并且反作用于科學的不斷進步。由此經驗法則的數據化轉化起到了一舉多得的作用。

目前參數化中的數據邏輯框架的來源主要有兩個：一是設計師通過日常觀察、經驗積累總結出的個人設計思維進行梳理和提煉，用數據的方式進行邏輯化表達，逐漸形成參數化設計中的數據邏輯框架。二是設計師對于其他自然學科總結出的規律和守則加以分別，以實際設計目標甄選出具有進一步發展潛力的科學理論進行數字化背景的數據邏輯轉化，以運用到后續的設計活動中去，如圖3。

（一）以設計師的個人思維轉化為來源

傳統設計模式下的設計過程大部分往往只存在于設計師自己的腦袋里，受傳統手段對于形體表達方式的局限性影響，設計師能夠表達出來供以交流分享的大多只是設計思維中一部分具有具體形態的結果，而在有限的表達過程中很多其他的設計想法因為這一部分具體表達的形態結果而被抹殺。這是很多設計師都面臨過或一直在面臨的問題，傳統設計方法在思維多樣性的保留和表達方面具有很大的局限性。

現在由于參數化設計的出現使得設計師們有了新的記錄設計思維的方式，打破了傳統設計方法取一舍三的困境。設計師通過將自己的想法轉化為計算機邏輯語言，將參數化軟件中的數據元素按照轉化好的邏輯語言進行連接，既保留了完整的思維過程，還可以隨時進行修改優化，這對于設計思維的保留具有很大的現實意義。另外，參數化軟件還可以根據設計師的想法時時生成虛擬三維模型，對邏輯參數進行調整的同時還可以實現形態變化的動態展現，這對于設計師尋求設計最優解也提供了強有力的技術支持。

（二）以其他自然學科理論轉化為來源

現代設計的發展在不斷向更深層次延伸，愈來愈呈現出與更多學科交叉、融合的趨勢。邏輯是自然的法則，也是美學的守則。幾何數學、計算機科學、物理學、信息學、生物學等繁雜的自然科學已經對自然中的很多形態、結構、現象都做了大量的科學研究，總結出了許多自然科學理論和美的法則，基于計算機技術長足發展所誕生的參數化設計為這些理論和法則提供了知識轉化的機會和手段。參數化設計的數據邏輯思維可以將學科理論數據化處理之后轉化為計算機可以依據、表達的思維結構，這也讓參數化設計的數據邏輯來源得到了極大的拓展，為參數化設計結果復雜性的表達提供了資源。

數據邏輯來源的多樣化讓不同設計目標在前期就打下了良好的學科背景和基礎，打破了原有學科之間的科學壁壘，為多學科的交互協調發展起到了重要的促進作用。通過對這些科學理論的數據化處理，使得它們可以作為設計活動的邏輯框架構建起人們學習自然的現實途經，將自然智慧付諸生活實際，也大大拓展了現有設計的形態來源，開辟了一條全新的設計形態良好可持續發展途徑。且參數化設計既帶有隨機性，同時又有可控性，這反過來也為探究大自然規律的奧秘和創新式生態設計提供了新的可能。

三、基于數據邏輯思維把握形與力的具體表達

形態與結構是數據邏輯的物理表達，數據邏輯是形態與結構的數字依據，不同的數據邏輯來源和背景適用于不同的設計前提之下。以數據邏輯思維為先導，因地制宜把握形與力在參數化設計中的表達既是參數化設計深入發展的理論需要，也是參數化設計更好地適應和匹配各行各業生產實際的客觀要求。

（一）數據邏輯與以形為主的設計形式

1.概念簡述?！耙孕螢橹鳌钡脑O計一般指優先注重產品形態的設計，對于產品力學方面的設計要求不是很高，比如首飾、一般家居產品和其他小產品等。這種產品的設計要求主要體現在對其外觀形態美的把控上，為了得到更美的設計結果，設計師往往要在項目前期給出大量的方案草案以供挑選，所以設計思維和形態結果的多元化發展是設計師所追求的主要目標。

2.促進作用。在“以形為主”的設計領域參數化設計方法顯得尤為適用。它突出了幾何形態乃至復雜形態的多樣性，而3D打印技術為復雜形體的可實現性提供了技術支持，在現代工業制造產品的原型設計上有著極大的發展潛能。參數化設計的數據邏輯本質讓其以可操控的形式保留了設計師思維發展的演變過程。它為設計師保留了最原始的各種數據的同時也讓最原始的各種可能被保留了下來，這為后續設計的演變、發展、優化提供了更加豐富的結果，促進了設計的進步與發展。

因為數據邏輯的建立，參數化設計生成結果的多樣性還滿足了用戶對于獨特形態的個性化需求。設計師在利用Grasshopper邏輯建模方法時可以通過調節運算器所包含的對應參數，使方案快速匹配定制要求。同時，編程化的建模方式還可通過干擾、編織、Voronoi、隨機生長、循環等計算機運算方式生成全新而奇妙的形態，給用戶帶來不同的視覺體驗，增強了感性視覺力的表現，如圖4。感性視覺力的形成多來自于現實中存在的事物，包括有機和無機的自然形態，以及各類人造物。應用在變化干擾方式上，不僅可通過點、線、圖面等基本幾何信息進行干擾，還可通過自然界中的自然現象進行干擾。例如在構建好基本曲面后加入頻率干擾，可根據頻率起伏、頻率的集中程度分布狀況而形成類聲波樣的視覺變化。將制作好的各種變化作為基本樣式映射在之前生成的曲面形態上，可以創造出豐富而靈動的美妙結構。

（二）數據邏輯與以力為主的設計形式

1.概念簡述。“以力為主”的設計一般指對設計結果的力學性能非常重視的設計過程，例如以建筑為代表的設計與工程相結合的領域。這類領域的設計目標在于保證設計產品工程質量前提下盡可能追求形態的美觀和多元，在項目后期還要就工程標準對設計結果進行驗證和迭代優化。所以如何能夠在設計前期就將工程標準納入設計考慮，設計出更具客觀現實的結構并在形態上盡量富有新意是設計師最為關心的問題。

2.以力找形應用模式。復雜形態與結構體系之間所存在的數學邏輯與力學法則之間的偏差，構成了當今國際建筑參數化設計深化研究與面向現實實施的困境與挑戰。隨著參數化設計的發展人們更加了解了參數化設計的運作原理，明白了數據邏輯作為其本質可以反映出設計結果的基本物理水平，從而開始根據目標在設計活動初期的邏輯建立階段就將所需要的跨學科理論知識作為邏輯框架的來源納入到考慮之中。因為建筑領域總是需要考慮實際建造過程中結構力學性能的問題，所以建筑參數化設計師通過將設計過程倒回至設計初期的數據邏輯建立上，試圖就其本質背景進行改善。

作為自然學科理論的一部分，現有的力學結構法則也有機會經過數據化處理后參與到參數化設計的邏輯框架中。如果在設計活動一開始的邏輯構建就從物理學的力學結構理論出發，使得它們作為設計活動的物理學邏輯背景，那么以此邏輯生成的結果在滿足形態目標的同時將在后續的設計檢驗中更可能較好符合最初力學性能的設計指標。著名建筑結構大師巴爾蒙德（Cecil Balmond）專注于創新結構建筑設計方向，提出了一系列與建筑結構相關的數學和物理定義，以及由此生成的建筑構成和空間組織形式，把“結構就是建筑”的理念貫徹到他多個設計作品中，為這一理論的實踐提供了經驗，如圖5。

在數據邏輯思維的指導下，參數化設計在具有實際空間意義的三維數據層面打破了“形體先于結構”的傳統設計思維桎梏，為結構設計方法的快速迭代和多樣化發展做出了巨大的貢獻，也為后續工程人員的檢測和重構提供了便利。在聯合其他計算機數字背景下的分析技術，可對參數化設計方案進行有效的線上虛擬評估，及時優化調整，做到設計與工程的有機結合，大大降低了產品實驗成本，提升了前期設計到實際生產全鏈路的可操控性。且參數化設計自身帶有的未來感、科技感風格也解放了之前在工程標準限制下的結構形態，使之朝著更加開放、自由的復雜形體趨勢不斷發展。

結語

數據邏輯是計算機背景下的參數化設計的靈魂，數據邏輯思維下的參數化設計方法的應用突破了傳統設計思維的局限性，將“新鮮血液”注入到了當今設計形態與格局之中。以往需要人工整理的設計過程通過數據邏輯的轉化被直觀地記錄下來，既保留了設計的多元化潛能，也減輕了設計師們的生理負擔，使得他們能將更多的精力投入到設計思維的本質理解和形式的表達之中。數據邏輯思維通過參數化設計表現手段將理論邏輯與視覺感知有機的結合起來，在思想、方法、技術、風格等各個層面都帶來了深刻的影響，具備很強的前瞻性與啟發性。數據邏輯來源的多樣性還促進了多學科交流融合以及設計結果的多元化發展，推動了設計到生產全鏈路的優化升級。基于數據邏輯思維的參數化設計突破了人生理上的有限，而將人的思想價值放大到無限，這是人類發展進步的過程中最寶貴的部分。