基于參數化思維的產品創新設計方法

鄧衛斌，王彤彤，葉航

（湖北工業大學，武漢 430068）

計算機技術的迅速發展使參數化方法應用于產品設計領域成為可能，給設計帶來了更多可行性[1]。隨著生活水平的提高，消費者對產品的訴求更加趨向于多樣化與個性化[2]。消費時代的產品迭代速度要求設計師縮短設計周期，提高創新水平。傳統設計方式受設計師個人知識儲備和經驗的影響，難以實現跨越性創新與多樣性突破。參數化思維運用數學邏輯方法將造型美學與產品效能有機結合起來，使設計過程在滿足多樣化創新性的同時，也體現出設計師的本質意愿[3]。參數化思維是一種將設計師感性思維與技術工具理性表達相結合的設計思考方式，在進行概念設計的初級階段，能夠輔助設計師進行設計推導。

1 參數化概述

1.1 參數化概念

1.1.1 參數化設計

參數化設計是利用計算機技術，把設計相關的因素進行參數變量化，并在各因素之間建立一定的邏輯關系，通過對因素參數的不斷調整，最終確定產品設計方案的動態設計過程[4]。

1.1.2 參數化技術

參數化技術是輔助設計師進行設計活動的工具，也可以稱為參數化輔助技術，其設計結果具有精確性和確定性的特征。參數化設計工具可快速生成和修改可視化模型，相較于傳統設計，其設計效率大大提高，能輔助設計師更好地進行設計方案的創造和表現[5]。參數化技術使之前復雜的設計關系變得清晰，能更加快速、準確地表達設計師的想法，并輔助設計活動的推進[6]。

1.1.3 參數化思維

參數化思維把參數化應用于設計的全過程，指導設計師以參數化的思維處理設計問題，挖掘設計的多種可能性。設計師通過將個人思維進行梳理，再對設計相關數據進行參數化處理，使設計師在設計全過程中將重心放在產品的整體邏輯構建和創新推理上，跳脫繁瑣的設計操作和步驟[7]。參數化思維具有多樣性、無限性及精確性的特點，強調思維過程的創新性。

1.2 參數化的特點

參數化思維改變著設計過程和方法，參數化的特點主要體現在3 個階段。首先，在設計初始階段，基于參數化思維的設計依據主要是設計師建立設計參數之間的邏輯關系，依照算法邏輯規則，理性處理各參數之間的關系，相較于傳統設計，不再只取決于設計師的個人經驗和主觀判斷。其次，在設計推導階段，打破傳統設計過程中由設計師控制設計進程的模式，參數化思維進行的設計推導過程更具多元性、可控性，可以突破傳統的幾何造型和使用方式，不易受思維定勢的影響[8]。最后，在設計評估階段，參數化思維下進行的設計創作，可對設計流程的任意環節進行快速修改，這既減少了工作量，又提高了設計效率，避免了傳統設計“牽一發而動全身”的煩瑣模式。

2 產品設計方法

2.1 傳統產品設計方法

傳統產品設計方法首先需要確定設計需求，設計師根據要求結合自身設計經驗進行造型、結構的構思，并以草圖的形式表現設計想法，確定方案后進行三維建模，形成可視化模型，渲染出產品效果圖，最終完成方案。產品設計的傳統流程在設計依據、設計可更改性、設計效率和設計創新性等方面存在其優勢與劣勢，見表1。

表1 傳統設計流程優缺點Tab.1 Advantages and disadvantages of traditional design processes

2.2 基于參數化思維的產品創新設計方法

產品設計是解決問題的特殊求解過程，以用戶需求為出發點，并依據這些需求建立對應的設計關系，尋找滿足要求的解。基于參數化思維的產品創新設計方法，來指導設計師以參數化的思維處理設計問題，首先對設計需求進行功能特征描述、功能關鍵詞擬定與功能組件位置等的探索，接著在初步確定基本結構、尺寸等設計相關參數后，搭建參數化造型邏輯，在參數化軟件中選定算法并生成三維模型，最后進行方案的參數化分析、評估及調整，基于參數化思維的產品創新設計流程見圖1。

圖1 基于參數化思維的產品創新設計流程Fig.1 Product innovation design process based on parametric thinking

2.2.1 功能特征描述與分析

在設計初始階段，基于參數化思維確定影響因素并建立設計參數之間的邏輯關系。

通過對產品的功能特征進行描述，明確設計要求，從中提取功能關鍵詞，聚焦設計切入點。探索功能性組件的位置可能性，建立參數之間的邏輯關系。

2.2.2 基本結構、尺寸等參數的初步確定

在設計推導階段，設計師對搭建的邏輯進行參數調整，最終生成的設計方案不可預見但在掌握之中，提高了設計的創新力和效率。

改變設計相關的參數而不改變參數之間的邏輯關系，依據相關產品設計法則對產品基本結構、尺寸等參數進行初步確定，并建立三維模型。通過選擇合適的仿真軟件，對初步確定的功能結構及布局進行模擬仿真，檢驗并論證結構布局的合理性，最終選出最優結構方案。

2.2.3 參數化造型邏輯確定

造型設計是一個復雜的問題，需要根據功能結構、尺寸參數和產品語義學等對造型進行推敲。第一，依據設定的功能結構對造型進行拓展，基于設計需求所突出的不同單元的物理特性，對產品整體造型進行針對性的變化。在此基礎上，設計師可完成不同單元位置、比例、尺寸等造型邏輯推導，后續可根據設計需求對各功能性部件的位置、造型特征、尺寸等參數進行調整。第二，產品語義學理論要求產品具有良好的指示性、易用性、交互性、美觀性等特性，該部分著重要求產品象征特性對造型的突出表達[9]。參數化造型邏輯影響因素與優化條件見表2。

表2 參數化造型邏輯影響因素與優化條件Tab.2 Influencing factors and optimization conditions of parametric modeling logic

2.2.4 參數化造型算法選定及生形

設計參數之間的關系是建立可視化參數模型的主脈絡。根據參數化造型邏輯確定的影響因素是不同的，產品設計的優化條件具有多樣性，因此，參數化造型邏輯構建不是一成不變的。

采用工業設計領域應用最廣泛的Rhinoceros 與Grasshopper 組成的參數化設計平臺作為邏輯構建及表現的工具，Grasshopper 插件具有邏輯可視化的特點，可以將設計過程進行精簡與可視化顯示。Grasshopper 的運算器分為邏輯運算器和幾何運算器，邏輯運算器展現的是構建模型的思路，幾何運算器與Rhinoceros 軟件的幾何功能類似[10]，算法的選定及生成是根據造型邏輯并結合運算器特點來確定的。

依據確定的造型邏輯來構建基礎的參數化建模思路，在Rhinoceros 軟件中建立基礎的點、線、面、體，在Grasshopper 插件中選擇合適的運算器生成可調節模型，并與基礎模型進行優化整合，從而得到最終的模型方案。

2.2.5 方案參數化分析、評估及調整

在設計評估階段，設計師對整體方案的可行性進行驗證分析，并依據評估結果對設計流程進行高效地修改，大大節省了其時間成本。

3 基于參數化思維的產品創新設計方法應用

如今，圖形處理、視頻渲染、高強度計算等工作內容，以及高幀游戲、高保真影音等娛樂體驗成為越來越多用戶的實際需求[11]。日新月異的計算機技術給人們的工作和生活帶來便利的同時，也對硬件配置提出了更高的要求[12]，電腦機箱作為硬件的載體起著至關重要的作用。出色的電腦機箱設計不僅滿足了消費者對個性化的需求，同時也在現有技術的基礎上實現了對計算機性能的追求。

對市場上的風冷機箱進行調研，選擇某電商平臺銷量前5 的機箱，從結構布局、造型特征及散熱性能等方面進行分析，見表3。現階段的電腦機箱為了方便走線、節約成本，將造型規整、布局統一作為設計準則，同質化嚴重，產品之間差異性小，未能滿足消費者的個性化需求。現有機箱在對散熱問題的處理模式上較為單一，導致散熱效率較低，使消費者并未完全享受到硬件升級帶來的整機性能的提升。由此可見，傳統機箱散熱性能存在局限。

采用基于參數化思維的產品創新設計方法，以“散熱功能良好的電腦機箱創新設計”為例，將設計師感性思維與技術工具理性表達相結合，把看似無法兼顧的問題轉化為參數之間的邏輯關系，實現了機箱的創新設計，證實了參數化方法在電腦機箱設計中的成功應用，論證了基于參數化思維的產品創新設計方法的可行性和有效性。該方法同樣可以應用在其他產品的設計中，具有普遍意義。對設計師來講，使用該方法，可使其將更多的精力放在設計參數的邏輯推演上，專注把握設計進程，不因煩瑣的設計流程而耗費大量精力。對消費者來講，產品的參數化思維帶來的個性化成果，可以給其更多的選擇空間，滿足其不同的需求。對產品設計行業來講，能顯著提高其設計效率，為其提供更多的拓展、創新途徑。由此可見，可以依據實際情況，將參數化思維的產品創新設計方法應用于多行業、多領域。

3.1 電腦機箱功能特征描述與分析

3.1.1 功能特征描述

溫度是影響電腦機箱內部電子元器件正常工作的主要因素之一，在使用過程中電腦機箱需要散熱，以保證內部各部件處于正常的工作溫度[13]。設計一款散熱功能良好的電腦機箱，可有效避免元件溫度過高，從而保證其始終處于正常的工作狀態。

3.1.2 設計關鍵詞擬定

圍繞電腦機箱的設計需求進行關鍵詞提取，將“散熱”“個性化”作為設計關鍵詞。

1）散熱。保證電腦機箱內部元器件均處于正常工作的溫度區間。影響散熱的最主要因素是機箱內部的元件排布和風道的設計[14]。目前強迫風冷散熱以其低成本、易維護、效果好等特點被廣泛采用。

2）個性化。突出產品的差異性，體現不同用戶的個性特征[15]。在設計時，電腦機箱除了需要具有載物、防塵、輔助散熱等功能外，還要滿足消費者追求個性化的心理需求。

3.1.3 探索各配件組成位置的可能性

影響電腦機箱散熱的主要因素包括主體發熱源的布局、風扇位置，以及散熱孔的大小與排布，因此，在設計初始階段，設計師在基于參數化思維的指導下，需要考慮各功能參數之間的位置關系與邏輯關系。筆者在常規電腦機箱的布局基礎上進行設計探索。CPU、顯卡、電源等器件是主要的產熱模塊[16]，主要熱源的布局以分區散熱、互不干擾為前提。產熱最大的元件應放置在出風口位置，其產生的熱量可以直接排出，避免熱量擴散到機箱其他部位。可通過布置風扇形成散熱風道，并遵循進風和出風盡量在一條線上的布局原則，在機箱內部形成的氣壓負載可以將元件產生的熱量帶出。基于此，來探究相同風扇條件下最大散熱效率的排布。由于熱空氣的分子運動更劇烈，熱空氣向上擴散，所以考慮采用下部進風、斜向出風的方式。

3.2 電腦機箱相關參數的初步確定

確定機箱的基本結構和尺寸等參數。機箱尺寸要求符合元件及散熱所需的空間，同時整體尺寸需要符合常規機箱的擺放空間。以下研究的是結構排布對散熱的影響，因此，外殼采用簡化后的幾何機箱造型，用側視圖描述出各模塊具體位置并初步確定尺寸，見圖2。機箱外殼是厚度為0.8 mm 的ABS 塑料，總熱功耗為 213W，設備熱功耗及具體尺寸見表4。

使用Solidworks Flow Simulation 熱仿真軟件，對上述機箱結構方案進行散熱仿真實驗與分析。為了提高計算精度和模擬仿真的準確性，需要對模型進行合理地簡化，將對結果影響不明顯的裝配體零件和零件特征進行簡化。采用常規仿真思路，即不考慮熱輻射，只考慮固體內熱傳導，流動類型為層流和湍流，默認固體為5052 鋁合金，默認壁面熱條件的熱交換系數為155 W/m2/K ，初始條件的壓力為101 325 Pa，溫度為293.2 K，不以瞬態模擬的時間變化為基準[17]。收斂條件為固體溫度、流體溫度和總溫度，即當三者數值趨于平穩時得出仿真結果。

在配置相同、收斂條件相同的情況下，CPU 周圍流體溫度為375 K，顯卡為370 K，電源為364 K，散熱性能不佳，常規機箱熱仿真結果見圖3。電腦機箱熱仿真結果見圖5。通過觀察表5 所示的流體溫度等高線云圖和流動跡線圖，并與常規機箱對比發現，方案1 中CPU 周圍的流體溫度為370 K 左右，顯卡為365 K 左右，適合元器件工作的流體溫度區域占比大，但CPU 周圍溫度較高。方案2 中CPU 周圍的流體溫度為372 K 左右，顯卡為341 K 左右，電源為360 K 左右，局部流體溫度浮動小，機箱整體冷卻性較優，且顯卡散熱優勢明顯。方案3 中CPU 周圍的流體溫度為355 K 左右，顯卡溫度為358 K 左右，機箱內部整體溫度較低，溫差過渡平緩，滿足主要元器件的散熱需求，且布局更具創新性。綜合考慮，方案3 優勢明顯。

3.3 電腦機箱參數化造型邏輯推演

從功能結構角度出發，圍繞機箱的散熱性能來確定造型，機箱各功能部件排布為斜向布局，整體造型將貼合此結構外形進行延伸。進出風口兩側同向傾斜，可以體現出運動的趨勢與張力，該造型與“斗牛”的狀態相似，因此確定采用此形態作為機箱設計意向圖，見圖4。

圖4 電腦機箱意向圖“斗牛”Fig.4 Computer case intention map "the bull"

機箱前部為進風口位置，結合防塵與快速進風功能，將前機箱板設計成部分傾斜的造型，并根據主要熱源位置將機箱對應區域比例加大，以滿足快速散熱需求。機箱散熱孔的排布是影響機箱散熱的因素之一，除了在前部和后部設置散熱孔外，結合表5 方案2 的流體溫度等高線云圖，在機箱側板增加散熱孔，其位置與云圖所示高溫區域相吻合時效果最佳。

從產品語意設計方向出發，圍繞使用者使用的易操作性、交互性等特性，進行按鍵等指示信息的排布，以準確傳達產品的使用信息[18]。

3.4 參數化設計平臺構建電腦機箱造型

參數化造型邏輯構建完成后，在Rhinoceros 與Grasshopper 的參數化設計平臺上進行模型的建立和參數的調整。創建“斗牛”特征輪廓線，并依據內部元器件的排布對輪廓線進行局部調整，擠出封閉的平面曲線，并拉伸成體。在所得形體上建立“斗牛”特征曲線，根據散熱性能對模型進行參數調整，將機箱后部出風處的比例放大，這不僅滿足了散熱性能，還可以使機箱更加穩固。“斗牛”機箱建模過程展示見圖5。

圖5 “斗牛”機箱建模過程展示Fig.5 The "bull"chassis modeling process display

參數化散熱孔見圖6。根據表5 方案3 的電腦機箱熱仿真結果來繪制曲線，曲線經過了機箱溫度較高的區域，依次為CPU、顯卡及電源，結合造型的美觀性對曲線做出調整，如圖6 中的①。在Grasshopper插件上選定算法，構建參數化散熱孔。在XY平面上，通過Rectangular Array 運算器創建一個矩形數組來表征散熱孔的排布，數組基本元素為半徑1 mm 的圓，X軸方向圓形數量為30，Y軸方向為20。提取圓的中心點，通過Point In Curve 運算器選擇處于造型輪廓線內的點。點的大小與抽離出的曲線①有關，距離曲線①越近圓越大，反之越小，由Curve Closest Point 運算器控制，如圖6 中的②所示區域。側面開孔大小受到加工工藝與機箱防塵能力的限制，孔的直徑范圍在2～6 mm為宜。參數化散熱孔的建立過程見圖7，并采用同樣的方式建立機箱外殼其余散熱孔。

圖6 參數化散熱孔Fig.6 Parametric heat dissipation holes

圖7 參數化散熱孔的建立Fig.7 Establishment of parameterized heat dissipation holes

電腦機箱開關、USB 接口等部件分布在機箱的前中部面板，視覺中心集中在“斗牛”前突處。后側面板排布參數化散熱孔，考慮到既要滿足散熱需要又要起到防塵作用，因此，對機箱采用水平打孔方式，外接線路統一排布在后部，作為“斗牛的尾巴”。

3.5 電腦機箱方案參數化分析、評估及調整

將構建好的機箱外殼導入Solidworks Flow Simulation 中，與內部元件共同進行仿真模擬，并調整散熱孔的參數，優化創新結構，見圖8。顯然，機箱造型經過參數化思維設計后，散熱性能有了進一步提高，機箱內的散熱效果好，整體趨于較高水平。同時，可根據不同設計需求進行方案調整。“散熱功能良好的電腦機箱創新設計”最終方案，見圖9。

圖8 優化設計的仿真結果Fig.8 Simulation results of optimized design

圖9 最終設計方案Fig.9 Final design

4 結語

“散熱功能良好的電腦機箱創新設計”的初步應用論證了基于參數化思維的產品創新設計方法的有效性，實現了造型設計與結構優化的有機統一。受現有條件的影響，該應用案例與實際情況相比還存在局限性。文中僅探究了“機箱散熱設計”，參數化思維的創新設計方法應用于多維度、多途徑的設計方向，還有待進一步探究。