玩具產品造型參數化設計應用

鄧衛斌 宋仁慈 李珺

關鍵詞：參數化 參數化設計 造型 產品造型 玩具設計

引言

從世界上第一臺計算機誕生開始，數字化信息技術的優勢就日益凸顯，深入到各行各業，在建筑領域參數化設計的應用取得了實質性的突破，較為理性科學的數理邏輯編程讓流暢有機的復雜建筑造型得以展現在世人面前，在工業設計方面的開發及應用極大豐富了產品多樣性，物質需求的富足使社會背景下人們熱衷于更高層次的需求——精神追求。因此對產品的需求標準也更趨于完美，玩具作為產品設計的一大門類，逐漸以傳統滿足兒童娛樂的單一屬性向復合型社會屬性的角色過渡來融入社會，以滿足多元化社會需求。研究數據顯示，玩具產品造型所營造的視覺空間在很大程度上決定了消費者對產品第一印象的屬性定義及購買欲。玩具造型設計在玩具產品同質化的今天顯得十分重要，而參數化設計的動態數理邏輯所衍生出的隨機自然形態必然為玩具造型設計注入新鮮血液。因此，造型新奇且體驗良好的玩具造型尤為重要。參數化設計在建筑界的成功案例令參數化設計的獨特優勢被釋放出來并引起設計師們的高度關注，參數化設計將成為未來產品的一大趨勢，為產品形態注入更多理性的科學因子，將感性與理性、藝術與技術巧妙結合，解放設計師的思維束縛，為產品形態提供了更多可能性。

一、參數化設計概述

“參數化”顧名思義就是運用數字符號，以非線性科學為理論基礎，通過計算機邏輯運算編程在關鍵數字符號間建立起相應的參數關系，進而形成參變量，由參變量的變動引起其他參數的聯動變化生成一系列參數化造型，作為設計備選方案以滿足不同設計需求。

參數化設計（Parametric Design）最多運用在建筑領域，但其概念的緣起要早于建筑。作為一種計算機輔助設計手段在20世紀80年代占據主導地位。從字面意思來看，其所傳達的是一種數學上的運算形式，即運用數學符號的編碼、變換、運算、試錯、檢驗，進而得到較為合理的數字化模型的動態運算過程。

參數化設計是一種顛覆傳統的全新設計方式，可以理解為是一種基于程序算法的方式而進行自組織的一種過程，該過程是復雜、抽象、動態穩定、無唯一解的[1] 。形象地說，就是在一端輸入條件，另一端輸出形象，隨著輸入條件的改變，邏輯程序的內部結構則相應發生聯動變化，進而影響直觀的圖像變化，獲得參數模型[2] 。因此，參數化設計之于傳統造型設計更為嚴謹、科學、合理、人性化，它將傳統不可逆的設計過程變成一種隨時修改的動態可持續設計過程，符合當下產品設計趨勢。簡化設計步驟，優化設計流程，減少設計師在造型設計過程中因過度依靠經驗而反復修改模型參數的兩難現象，減少無用功，讓設計師們更多地致力于設計本身，回歸數據，以參數的方式實現多元化的造型結果，優化設計方案。

二、參數化設計優勢特點

Grasshopper作為時下熱度最高的參數化建模輔助技術，被應用的范圍越來越廣（建筑、汽車、工業產品、服飾、珠寶、家具、景觀、燈具等），與人們的生活越來越密切，它并不是一個獨立的個體而是作為一個插件（Grasshopper）依附于Rhino三維建模軟件的程序內，形成“Rhino+Grasshopper”模式。客觀上，Grasshopper工具本身相比Rhino具有靈活的設計方式及簡易的參數算法編程為設計生型提供更多選擇、減少設計周期、節約成本、方便修改、電池塊永久存儲等明顯優勢;主觀上就設計師而言不管是參數化設計這一技術本身還是參數化設計思維方法，都能有效改善設計師對產品造型問題的思考方式，打破思維慣性，解放思想束縛，提供更開闊的創作空間。

（一）更高效的設計方法

參數化設計的方法、思路有別于一般的產品設計方法，這也是參數化設計本身的魅力所在。簡言之，就是將所有設計因素用參數的方式表現并根據需要建立各參數間的多重對應關系，在動態效果中修改對應參數使之呈現理想的造型效果。在這一過程中，一切都由計算機參數控制，參數是隨機可變的，這也就意味著設計師也不確定最終輸出的產品形態，就像是“世界上沒有兩片完全相同的樹葉”一樣，模擬自然界有機形態、紋理，在參數化的世界里可以賦予產品這一特性。以產品設計為例，其基本方法可以分為以下內容：（1）通過前期的調查與研究將設計要求數據化，形成參變量;（2）設計參數關系的基本參數模型和算法;（3）軟件中基本模型的建立;（4）軟件中豐富模型的基本內容;（5）設計參數化的結構系統和解決在構造邏輯中的材料與工藝問題[3] 。

如今，個性化需求的消費訴求日益增多，每個人都想擁有與眾不同的產品和標簽，與之相對同質化產品充斥著市場，對設計師的造型能力提出了更高的要求，自然的形態是可貴的，它有著獨一無二的自然屬性，在參數化的世界里流暢自然的有機曲面可以清晰呈現，參數化設計的引入將為產品造型設計創造更多可能性。

（二）更客觀的設計過程：從理論上來講，“數據”是參數化設計的本質，一切設計活動都圍繞數據展開，是設計師借助計算機以主觀設計目的展開的客觀設計過程，設計師需要對影響造型的關鍵因素做出大致的方向把握。因此，參數化設計是一種較為理性、科學的計算機輔助設計手段，其設計過程就是建立特定關系，依托這種關系通過元素中某些數據中的變化帶來結果的變化[4] 。相比較傳統靜態的設計過程參數化設計是一直處于動態變化的穩定結構，在這一過程中隨著參變量的修改，因變量數據也會發生改變，而這一系列變化將客觀地反映在三維動態模型上，會產生“牽一發而動全身”造型效果。換句話來講，如果參變量一直變動，這一過程將會產生無數個相似但又存在細微差別的造型效果，直到設計師找到認為相對滿意、合理的造型效果。因此，設計結果只不過是處在設計過程中某個階段的合理化節點，是產品生命周期的前期雛形。設計師無需刻意在腦海中構思最終形態，而是在計算機生成的大量方案中選擇形態，設計的形態處理工作也由“構形”轉變為“找形”[5] 。

（三）多元化的設計結果：參數化設計的介入對于解決設計師“腦中無形”的問題無疑是雪中送炭，對于解決產品造型生產同質化市場現象與消費者日益高漲的個性化消費需求間的矛盾起到潤滑劑的作用。

具體來看，以往傳統造型設計方式大多以“結果”倒推找形的過程，都是根據前端大量競品分析和設計目標的確立來規劃既定的草圖形態，經過在設計師大腦的接收和內化形成理想化的預期結果，然后在三維建模軟件中根據大腦中的主觀映像通過一系列工具命令的轉換疊加進行展現，個人主觀色彩較嚴重，且對于某些復雜、流暢的造型以及精細表皮的生成存在短板，模型生成不可逆，輸出的結果多具有唯一性，數據的輸入完全依靠設計師的主觀經驗和視覺考量，如果要得到更多的選擇方案，后期修改工作量極大。參數化設計的可變“參數”控制，“牽一發而動全身”的動態效果為產品造型增添了無限可能性，設計師只需要在修改影響造型的關鍵參數所得到的結果中“找形”，便可在較短的時間內得出豐富的造型結果，產出設計方案，提高設計效率，減少設計浪費降低企業成本。

三、傳統產品造型設計與參數化產品造型設計

“造型”是一個比較寬泛的概念，產品造型是設計師將設計思維目標通過一定媒介轉化為可視化形象的結果，是產品構成要素綜合展示的載體。產品造型是產品風格的體現，在一定程度上映射出使用者的個性特征，從這個意義上講產品造型的變化也是人們高級需求的表達。所以，產品造型設計不是孤立的產品外觀表現，作為與消費者接觸的第一印象，造型和色彩要保持一致，但不能局限于產品本身的視覺形態表達，更多的是以功能和技術等相關要素的綜合性概念傳遞，主要包括產品內部結構、外部形態、材質、表皮肌理、色彩、人機尺寸、安全性等限制性因素。

產品造型所營造的視覺空間也會給人以心理暗示，如設計語意的獲取、產品動態趨勢、產品風格、色彩情感、材質肌理屬性等。運用傳統建模造型方式對于在較短時間內綜合考慮各項因素并完成多個設計方案的設計師來說，綜合造型能力表現無疑是極大的考驗，借助參數化設計的造型過程能有效緩解設計師在產品造型時間和質量上的同時兼顧的兩難境地，為產品造型設計提供了新的設計思路。

（一）傳統產品造型設計過程：就造型來講，傳統設計過程主要受設計師的個人主觀影響較多，長期思維慣性容易造成創新能力的不足。具體過程表現為：（1）設計師經過前期的產品調研和頭腦風暴;（2）將腦海中的形態方案通過大量二維草圖表現;（3）經過篩選確定最終理想化形態;（4）再通過三維建模軟件（如Rhi no）進行展示;（5）最后輸出最終產品形態，通過3D打印模型測試尺寸范圍;（6）模型形態反復修正;（7）確定最終產品形態。其中在“（6）模型形態反復修正”這一過程中，最終形態所涉及到的各項參數都不是一蹴而就得來的，需要設計師反復撤回步驟進行修改，不僅耗費時間也會產生大量廢棄模型，無形中增加了設計師的工作量，對于復雜曲面形態的修改考驗設計師的空間想象能力，對其耐心也是較大的考驗，增加設計成本、降低了設計效率，在短時間內呈現的設計方案十分有限。這種在腦海中先有既定形態的“倒推式”、“自下而上”的設計過程顯然不利于短時高效地產出多種選擇的造型設計方案，如圖1。

（二）參數化產品造型設計過程：與傳統由“結果”定形倒推方式不同的是參數化產品造型設計是“自上而下”式的邏輯推導過程，主要依靠非線性科學中的算法邏輯和幾何邏輯規則。一般分為三個過程：確定影響因素參數化、將參數之間建立關系、依據參數因素和設計參數之間的關系建立參數化模型，其中將參數之間建立關系是造型的核心[6] 。在了解過程要點后設計者要（1）規劃清晰的設計目標;（2）確定產品造型設計的限制性因素（3）明確限制性因素間的邏輯關系并通過幾何算法邏輯轉化為相應參數;（4）在Grasshopper中使用不同的算法命令構建模型框架;（5）對限制性因素的參變量修改以約束產品形態，期間得到一系列不同的形態效果，找到理想的產品形態;（6）在軟件中分析模型拔模角度等物理參數，如圖2。

參數間的關系集合通過電池塊相互連接的形式體現，因此，任何一環節中的參數變化都會引起相應參數的聯動變化效應，影響產品最終形態，每修改一次參數就會產生新的形態，并且這種參數關系一旦建立，便可以進行封裝與打包，從而拒絕了重復的機械勞動，具有極大的自定義性[7] 。這樣一來參數的修改過程就是設計師“找形”的過程，短時高效，令設計過程充滿無限可能。此外，軟件還能分析模型拔模角度作參考，節省重復打印模型檢驗的成本。

四、玩具造型設計的參數化應用

“玩”作為一種休閑娛樂活動，通過玩具使人們從精神心理層面得到放松舒適，玩具作為產品設計的一大門類，玩具造型相比其他產品要更加具有辨識度，不僅僅是簡單的功能概括，應是形、色、質以及功能結構的高度融合。工業批量化生產提高了社會勞動效率，但也導致了商品同質化問題頻發，中國是玩具生產出口大國卻在原創玩具造型自主創新方面有所欠缺，與之沖突的是人們追求新奇個性的熱度持續高漲，玩具造型設計的創新問題亟待解決，計算機技術的飛速發展與落后材料加工工藝也是導致我國玩具造型設計創新能力不足的重要原因。將參數化設計在產品生形方面的獨特優勢注入到玩具造型設計中，能夠在短時間內高效表達創意，提供更加科學合理的玩具參數，為設計師提供了更廣闊的創意思維空間，令設計過程更客觀，為玩具造型設計開辟了新路徑。

（一）兒童搖搖椅參數化應用：以兒童玩具搖搖椅為例，傳統搖搖椅主要通過簡單幾何造型表現憨態可掬卡通具象形態，加上高飽和度的配色來吸引兒童注意，如圖3～5。

1.兒童搖搖椅參數化流程規劃：參數化設計最明顯的特征是通過數理邏輯一步步擬合生形，所以在開始之前設計師就要明確接下來的生形邏輯，每一環節的電池塊都是一對一或者一對多的“串聯”關系，這與物理學中的電路串聯關系十分類似，一個開關限制多個分電路，這種自上而下式的生形邏輯貫穿始終，在得到初步形態后，設計師可以對整個電池鏈中的某些影響形態的關鍵環節進行參數調整以達到多元化設計結果的目的，如圖6。

2.兒童搖搖椅參數化流程實踐：在參數化的指導下，富有動感的有機形態相比較具象化的同類產品更能帶來新鮮感和視覺引導性。借助參數化設計的兒童搖搖椅實現一體化成型效果，首先要明確一體化邏輯構建方式，即由單一曲線或曲面得出的輪廓形態。

（1）生形邏輯分析。運用點線面的數學幾何邏輯和算法，將步驟進行拆分有序選擇對應電池塊完成簡單邏輯編程，實現生形結果，由于每個電池塊的輸出和輸入端都有多個接口，在進行邏輯分析時要充分考慮前后的邏輯關系，以此保證電池塊的邏輯鏈接科學合理。

（2）建立形態骨架線。如圖7，在Rhino中用點畫線工具勾勒并調整點的疏密排布得到平滑曲線鏈接到Grasshopper中，或者直接在Grasshopper中進行搭建，需要注意的是，點、線、面是所有空間形體的基本構成要素，就相當于人體的骨架軀干，所有的外在形態都依附于形態骨架線，比如流線型的極簡設計和仿生形態設計即使沒有華麗的裝飾辨識度也極高。這也是當前很多設計師忽略的細節，計算機繪圖的發展使設計師的手繪能力有所影響，“基礎既是關鍵”，因此基礎骨架線的搭建與調整很關鍵。

（3）基準曲面成形。如圖7，根據平滑曲線輪廓通過“Loft”放樣命令生成光滑曲面，預覽結構形態作為造型變化的基準曲面。這里的“Loft”一步生成的曲面可以直接達到Rhino中曲面的G2連續性效果，曲面質量較高不需要再進行曲面的平滑連續性編輯，這在傳統建模軟件中要得到高質量的G2曲面是無法直接實現的，一般要經過多次命令轉換才能實現，如圖8。

（4）泰森多邊形邏輯形態搭建。使用“Voronoi 3D”命令將不規則中心點陣錯落分布在曲面上，然后通過修改參數來調整曲面隨機點的數量及疏密分布，隨后泰森多邊形會以這些不規則點為中心點生成有連續性的不規則曲面形態，生成的曲面是依附于基準曲面的空間形態，有傾斜角度和方向之分，而這恰巧能夠形成曲面強度，達到力的分解，如圖9、10。

（5）關鍵參數范圍及形態擬合。在生成的泰森多邊形面中調整開口大小以滿足使用需求，“Output”調整泰森多邊形的擠出厚度以及銜接處的光滑過渡會一起發生變化，這個厚度又會影響整個曲面形態的物理強度，最終形成優于布爾倒角的曲面造型，在渲染預覽中調整效果顏色，這在一定程度上能夠提升并檢驗設計師對CMF的綜合認知能力，如圖11～13。

（6）微調參數生成系列化形態。若對最終形態不滿意，可返回修改對應尺寸參數，在渲染模式或極地模式下觀察并選擇合適尺寸來確定最終造型效果，如圖14～16。有效避免傳統生形中異形曲面建構和破面補面的繁瑣修改過程，實時動態顯示模型狀態，及時校對模型參數，科學高效完成造型過程。在傳統建模軟件中生成大面積曲面形態相當困難，模型多為網格面，在進行曲面圓滑倒角時對于計算機CPU運算量考驗極大，稍有不慎整個文件全部丟失。

目前參數化在產品形態中的應用并不廣泛，在兒童玩具造型中的探索也很少涉及，基于上文中對參數化設計與產品造型設計的對比探討，以及在玩具產品造型中的應用實踐，參數化設計的生形優勢可見一斑，不過參數化設計的優勢不止于此，“Attractor”和“Normals”的生形效果也同樣可觀，文中對Voronoi（泰森多邊形）的簡單運用也只是冰山一角，起到拋磚引玉的作用，參數化設計還可以參與精密復雜的產品造型探索，甚至是滲透到后期模型制作階段的拔模角度、和曲面連續性分析，都可以在Grasshopper中一體化呈現具體參數，最后將數據傳輸至模型加工設備中。信息化時代可視化數據的優勢顯而易見，可以預見，未來借助參數化設計不僅能實現產品造型一體化，還能滲透到整個產品的前端設計周期，使設計周期一體化。參數化設計與玩具產品造型的碰撞融合將讓玩具產品造型迸發出新的生機。

結論

充分發揮參數化設計的突出優勢，優化設計流程，未來參數化的世界里更多別致復雜的造型將與人們面對面，快速高效的造型效果讓設計師有更多精力展開天馬行空的造型創意想法，解放思想束縛，提高設計效率，節約企業成本，符合未來可持續發展理念，為我國產品造型設計注入新生動力。