基于Grasshopper 參數化的未來風格設計

易港 陳煒

YI GangCHEN Wei*

（廣西師范大學設計學院，廣西 桂林 541006）

(School of Design, Guangxi Normal University, Guilin, Guangxi, 541006)

1 參數化的基本概述

1.1 參數化的概況及其發展歷程

1.1.1 參數化設計概況 隨著智能時代的到來，新科技新技術推進各個行業的進步。參數化的興起，使得許多設計師將其引入未來風格設計的研究。參數化設計提倡非流線形，打破原有單調，運用大自然中的元素，融入造型中，得到大量千變萬化的形態。如著名女設計師扎哈·哈迪德將參數化設計運用在建筑上，她設計的北京銀河SOHO 建筑群、蓋達爾·阿利耶夫文化中心、廣州大劇院、Dominion 辦公大樓等建筑，打破傳統的建筑構成，營造極其夸張的視覺效果，形成獨有的設計風格；Daniel Widrig 建筑師與Iris van Herpen 設計師合作設計出一系列3D 打印服飾作品，將參數化設計與服飾領域結合，擴展3D 打印技術的極限，不僅產生經濟效益，還使得服飾靈活、輕盈、穿起來更舒服；Julian Hakes 運用參數化設計出造型流暢、外型抽象而又舒適度高的獨特高跟鞋，將抽象概念變化成真，形成自己獨特的風格。參數化設計已經延伸到各個設計領域，不僅在建筑領域發展迅速，家居用品、服飾設計等領域也有許多新的探索和實踐。文章梳理了參數化設計在未來風格產品的應用概況，基于參數化設計理論對未來風格產品進行深入探索，為未來風格產品在參數化設計中提供實際的參考價值。

1.1.2 參數化設計發展歷程 參數化設計可追溯到19 世紀80 年代，圣家大教堂的建筑師高迪就采用參數化的設計思維，在那個非數字化年代，高迪通過可變模型來推敲設計，將轉動的框架和彈性的繩索作為變量，在沒有精確數據的條件下，通過在石膏模型上試驗得出，這種設計手法與形體的創新開創了參數化設計的先河。參數化設計可以分為以下幾個研究階段：

20 世紀60 年代—70 年代初，這一階段以Ivan Sutherland 為代表，他在麻省理工大學的畢業論文中創造了Sketchpad(1963)程序。在當時還算是穿孔卡機的末期，這個程序已有初步的圖形接口和CAD 概念。他提出利用約束作為輔助手段進行零件生產的概念，但沒有約束定義和修改幾何模型，對模型的修改只是單向過程，一旦模型生成后約束不能反過來限制模型。

20 世紀70 年代中期—90 年代初的發展階段，提出一些參數化設計的基本思想和理論，并逐漸形成不同的參數化方法。以Hillyqrd 提出變量幾何和幾何約束思想并由Gossard 及其研究小組進一步發展完善這一方法為標志。

20 世紀80 年代中期至今，這一時期的一個重要特征是將AI技術引入參數化設計中，人們分別將幾何推理、神經網絡等人工智能方法應用到設計中去，同時將參數化設計運用到實體造型形成特征造型技術，以Aldefeld、SuZuki、Verroust 提出的約束傳播法為主要代表。

20 世紀90 年代中期至今，基于理論逐漸完善，參數化方法在實踐中得到廣泛應用，在航天工業、船舶制造等領域的發展尤為突出，促進了計算機輔助機械設計的發展。這一階段以Jae Yeol Lee 提出的利用圖表示的基于知識的幾何推理法和XiaoShna Gao 提出的約束傳播法為主要代表。隨著計算機的發展、參數化理論的完善，這一被廣泛應用在制造業的技術引起建筑與設計業的廣泛關注，并開始應用到各種設計概念中去。

1.2 參數化設計應用軟件分析

參數化設計中主要軟件(表1) 分為Pro/Engineer、UG、Solid Works、CATIA、Grasshopper。在參數化設計中最常用的軟件是Grasshopper（GH），幾何功能與編程環境為Grasshopper 的兩個特征，其特點一是可以通過輸入命令，快速獲取到不限于原來形狀的模型，調整參數化圖元，使圖形以不同的形式呈現，并保持了數字建模的所有內容；二是修改命令，通過修改參數化命令直接得到修改結果，從而提高工作效率與質量。參數化軟件中Grasshopper 操作簡單、兼容性佳，對模型結構修改可以迅速做出調整，可添加豐富的表面肌理，迅速完成大量重復性的復雜運算，其應用范圍廣泛。軟件的比較如表1 所示。

根據表1 參數化設計軟件對比得出，在參數化軟件中Grasshopper 更加適用，Grasshopper 的界面簡單直觀，像小電池式的工具來編寫腳本程序，降低設計人員使用編程工具的難度，用一種直觀方式將模塊庫呈現出來，易于調用，便于建筑及相關行業的設計師理解，降低學習成本。軟件Grasshopper 也算是一種編程語言，數據之間的關系通過連線方式，能“順藤摸瓜”找到數據繼承和變化過程，而不像用語言編程時需要通過界面顯示來找出變量出現的多個位置。GH 參數化插件可以添加豐富的表面肌理，迅速完成大量重復性的復雜運算，其廣泛流行將成為必然趨勢。

表1 參數化設計應用軟件對比

1.3 參數化工具實踐運用

在這個快速多變的信息時代，參數化突破傳統設計風格形態，在設計參數化作品時，借助參數間的邏輯關系，鏈接點線面參數，運用到幾何算法中，提高效率與質量。Grasshopper 基于Rhino平臺運行，Grasshopper 自帶的指令大多是基礎圖形和數學運算，需要通過組合各種指令才能實現復雜任務的最終效果。對于幾乎不懂編程的設計師們想弄清楚GH 中的奧妙，還是非常有難度的。表2 是常用GH 插件及其作用。

表2 常用GH 的插件和作用

2 未來設計風格的主要特征概述

未來主義（表3）是20 世紀初出現于意大利，隨后流行于俄、法、英、德等國的一個現代主義文學藝術流派。意大利的馬里奈蒂是未來主義的創始人和理論家，其文獻《未來主義宣言》的發表是這一流派誕生的標志。未來主義是西方流行的社會思潮，理論來源主要是未來學、科技決定論、趨同論和生態學，根據人類以往的發展和科學知識來預言、預測未來社會發展的前景，以便控制和規劃進程，更好地適應未來。發起人馬里奈蒂認為科技的發展能改變人的時空觀念，倡導廢除舊時間與空間對速度、運動等動態美的表達，慣用幾何形體表現圖形瞬間動態的連續性，追求色彩和線條的“動感”“力度”“速度”。強調科技和交通改變了人的生活方式，人的精神生活也必須改變。因此筆者將未來主義風格的設計歸納成主要的3 個特征在本章展開概述。

表3 未來主義

2.1 制造技術

2.1.1 減材制造 將原材料裝夾固定于設備上，通過切削工具（刀具、磨具和磨料）把坯料或工件上多余的材料層切去成為切屑，使工件獲得規定的幾何形狀、尺寸和表面質量，也可以叫做切削加工。切削加工是機械制造中最主要的加工方法，雖然毛坯制造精度不斷提高，精鑄、精鍛、擠壓、粉末冶金等加工工藝應用日益增加，但由于切削加工的適應范圍廣，且能達到很高的精度和很低的表面粗糙度，在機械制造工藝中仍占有重要地位。

2.1.2 增材制造 俗稱3D 打印，是融合計算機輔助設計、材料加工與成型技術、以數字模型文件為基礎，通過軟件與數控系統將專用的金屬材料、非金屬材料以及醫用生物材料，按照擠壓、燒結、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積、制造出實體物品的制造技術。3D 打印機的問世有效提高了工作效率，縮短產品工期。由于其具有快速、高效率、低成本、精確的特點，這給傳統手工藝行業帶來致命打擊。3D 打印技術有快速成型的特點，以模型文件為基礎，運用液態光敏樹脂、FilaFlex、粉末狀金屬等可粘合材料（表4），通過3D 打印方式輸出真實的立體物體，不必進行再次加工，可達到一個完整的原型，具有極強的、無縫的整體感，是未來制造業的核心代表。

表4 3D 打印材質分析

2.2 材料創新

材料創新是指開辟新的材料來源、開發和利用成本更低的替代性材料、提高材料的質量、改進材料的性能。在制造業中廣泛采用各種新型、輕型材料，特別是碳纖維、航空特種材料，這是材料創新的趨勢，能夠使產品具有科技感與神秘感。隨著產品更新迭代，材料是構成產品的物質基礎，材料的運用影響著產品的質量，為保證企業擴大再生產的需要，開發和利用大量廉價普通材料，替代價昂量少的稀缺材料，降低產品生產成本，促進產品高質量發展。

工業4.0 不斷發展，能源、汽車、物流、制造、建筑及其他工業領域正在發生變革，這些變化帶來對新材料的需求。材料行業的趨勢包括可持續性、輕量化、3D 打印和表面工程解決方案、智能材料的開發、納米技術和具有增強特性的先進復合材料。此外，人工智能（AI），機器學習（ML）和數據管理實踐的廣泛采用使科學家們能夠更快地探索和開發新型材料，從而將新材料技術市場化時間從幾十年縮短到了幾年。對新材料的介紹如表5 所示。

表5 新材料介紹

2.3 智能交互

在互聯網時代的今天，人機交互技術發展愈加成熟，使用人機界面，進行圖形化與數據化，注重虛擬與現實的有機結合，利用虛擬技術，對用戶動作行為進行處理，并生成實時動態的三維立體圖像，以多感知的方式反饋給用戶。數據化的嚴謹性與科學性不再需要人工干預，直接通過機器分析計算，適應環境變化從而作出自我決策。虛擬與現實的結合使用戶沉浸在科技感的時空里，對未來感產品產生深入認同。

從用戶角度來說，智能交互是一種有效地讓用戶愉悅且易用的技術，它了解用戶的期待值與行為，了解“人”本身的心理和行為特點，同時，還包括了解各種有效的交互方式，并對它們進行增強和擴充。智能交互通過對產品界面和行為進行交互設計，讓產品和它的使用者之間建立一種有機關系，從而可以有效達到使用者的目標，這就是交互設計的目的[1]。

智能交互依然圍繞手勢交互的方式、觸碰位置的變化與材質應用進行探討，并且手勢跟蹤在未來的一段時間里依然被認為是最重要的展現形式之一，但這也并不妨礙人們對于新鮮交互方式的探索。在更遠的未來，交互設計或許更偏向于“意念”交互，即完全摒棄手勢追蹤，通過意識、意志來操控設備，操控虛擬或現實的世界。通俗而言就是通過設備，在意念的控制下，我們的大腦怎么想，便會出現相應的行為或是變化。

3 Grasshopper 參數化在未來風格產品中的應用

3.1 參數化在未來風格行業中帶來的變化

近年來，參數化設計不僅在建筑領域發展迅速，在家居用品、服飾設計等領域也有許多新的探索實踐（表6），如家具類以戴欣偉為例，進行參數化設計應用研究，將參數化設計出的紋理應用到符合人機工程的椅子上，給家居產品設計在參數化的道路上理清思路[2]；燈具類以劉宗明等[3]為例，運用參數化軟件進行燈具的設計研究，按照參數化的思路結合燈具設計流程，呈現出不一樣的建模思路；服飾類以設計師李琳[4]為例，利用參數化建模以首飾作為載體進行設計，利用3D 打印技術將參數化設計出的載體進行打印實現；張婷婷[5]巧妙運用參數化設計，從3D 打印技術的角度，呈現參數化在服裝領域設計的應用視角，為參數化在服裝領域應用中提供了強有力理論支撐；產品類以設計師孫睿[6]為例，以“無器官身體”為理論支撐，利用3D 打印技術與參數化設計，將參數化的不同算法進行設計與應用，使穿戴產品讓用戶更加感受到生活樂趣。

表6 未來風格產品案例

隨著3D 打印技術的普及，用戶追求個性化的私人訂制越來越多，在早期產品設計中，設計師需要花費大量時間與精力去修改、豐富細節，有很多產品都是比較概念化，所以用Grasshopper設計可以提高設計速度和形成清晰的造型框架。參數化通過提取幾何元素、輸入命令快速得到不限于原來形狀的模型，調整參數就可得到無數種可能性，節約時間和人力，參數化設計為設計師提供高效的工作效率，加快模型生成，因此，未來設計服務會因參數化設計而發生很大的變化。

下面對兩個案例進行分析，如圖1 中第一組是南京藝術學院的雙蕊亭團隊設計的空間裝置作品，這件空間裝置作品的研究方向為“復雜性極小曲面的生形與數字化建造”，設計團隊將兩朵花的形態融合其中，并通過計算機最終生成“雙蕊”虛擬形態，作品表皮使用Grasshopper 軟件的網格分塊算法細分展平，再利用數控雕刻設備，將分塊形成的397 塊鏡面不銹鋼板切割加工，最后通過鉚釘連接的方式將2 200 個孔連接在一起，使作品依靠厚度僅為0.3 mm 的鋼板，通過材料自承的方式建構成物化空間形態。

圖1 參數化案例

第二組圖是設計師奧雅設計的廣州中海學仕里洛嘉兒童樂園，設計團隊借助參數化將大腦里的想象變成理性而合乎邏輯的具象表達來打破設計界限，塑造出更多元、更有機的形態。運用參數化設計，計算樂園整體的結構和六邊形的分布方式，團隊利用補充參數化控制六邊形開孔定位不規則圓弧激光切割打磨、3D打印根據現場進行各項調整等手段完成制作。將參數化表皮與兒童設施使用相結合，多功能的共享空間滿足觀看與被觀看、玩耍與靜坐、交流與沉思等居民活動的需要。

3.2 參數化未來風格產品設計案例

以花瓶作為設計案例，將花瓶以參數化形式來設計其造型，將Grasshopper 與Rhino 結合設計出參數化未來風格花瓶。啟動Grasshopper 后，首先通過Construct Point 命令確定坐標進行分點，鏈接Circle CNR 命令進行圓切面分段，用Graph Mapper 命令調節花瓶形狀大小，使用Merge 命令進行整合，整合后鏈接Construct Mesh 命令生成網格面，通過調節Number slider 命令控制參數大小。調整參數得到最終造型，在改變參數的同時，曲線也會跟著參數數值而發生相應的變化生成造型（圖2）。

圖2 參數化花瓶

在應用的過程中，通過搭建參數之間的邏輯，不斷對模型進行修改和完善，生成用戶滿意的形態，用高效且快速的效率修改參數改變造型，不僅節約時間和成本，還給用戶提供更多的選擇。參數化雖能設計出概念新潮、視覺效果強的作品來，但它過于迷戀計算機帶來的新形態，使得產品缺少點人情味。參數化設計必將成為未來設計領域一大趨勢，數字世界與現實世界的碰撞是每個設計師必須面臨的問題。在傳統設計路徑中，需先通過草圖進行不斷修改和完善，再進行模型可視化，這在過程中較為復雜，而參數化設計通過搭建參數間的邏輯關系，不斷調節參數就可對模型進行修改和完善，這使得參數化在設計的過程中更具有科學性而非主觀性，設計師在這個過程中要更加注重形體之下的內在邏輯，這樣在一定程度下會促使新一代的設計師去反思設計的內涵，重視設計方法論[7]。

隨著智能時代的到來，科技與生活的聯系愈加緊密，未來風格產品對各個領域都有涉及。參數化未來風格產品的色彩表現為單一純粹與流光異彩，單一純粹塑造出神秘感元素，產生出純凈、神秘、摸不透的意向。流光異彩則為單一的主色調點綴局部，點綴部位常常是重點部位，多用科技藍來點綴指示燈、交互界面、自由功能顯示光等。在參數化未來風格產品的造型上，常用流線型與懸浮式造型，流線型在造型上展現了科技與未來生活，緊密地與成型工藝聯系在一起。科技感與神秘感是磁懸浮式造型的標簽，整個物體懸浮于空中，展現了高科技尖端技術，是未來風格產品設計重要方向。

4 結語

在科技發展的今天，基于Grasshopper 參數化未來風格的產品設計是順應時代的產物，是擁有一種全新的造型設計理念與設計方法。參數化設計本質上是幫助設計師解放思維束縛，使得設計師在設計的過程中逐漸改變了思維方式與設計路徑，使設計師在進行方案的過程中給客戶提供多種選擇性，通過參數化設計，感性與理性結合，創新模式，推動未來風格產品的跨界式發展。參數化設計的不斷擴展，伴隨著人工智能的崛起引導設計轉向，它帶來的不僅僅是一種新的設計風格與形態，還是一場前所未有的設計變革。