參數化技術在日用陶瓷產品設計的應用研究

摘要：針對目前在日用陶瓷產品設計過程中出現的設計過程僵化、成果轉化率低等問題進行探究。提出了采用參數化技術驅動日用陶瓷產品的設計應用方法，并針對提出的策略進行探索性驗證。初步論證了參數化設計在日用陶瓷產品設計領域的可行性。通過產品關鍵尺寸變量的數據約束和參數化平臺的模數指令運算實現產品模型重塑，提高設計過程的規范性和多變性，滿足客戶實用性與個性化需求。將參數化設計合理運用于日用陶瓷產品設計全過程，對此類產品的高效生成具有很強的參考意義。

關鍵詞：參數化設計 日用陶瓷 個性定制 Grasshopper 數字模型

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2023）22-0144-04

Abstract：To explore the problems of rigid design process and low conversion rate of achievements in the design process of daily ceramic products. Methods A design and application method of using parametric technology to drive household ceramic products was proposed，and an exploratory verification was carried out for the proposed strategy. The feasibility of parametric design in the field of daily ceramic product design was preliminarily demonstrated. The product model remodeling can be realized through the data constraints of the key dimension variables of the product and the modulo-digital instruction operation of the parameterization platform，which can improve the standardization and variability of the design process，and meet the practical and individual needs of customers. The rational application of parametric design to the whole design process of daily-use ceramic products has a strong reference significance for the efficient generation of such products.

Keywords：Parametric design Daily ceramic products Personalized customization Grasshopper Digital model

引言

隨著社會經濟的發展，大眾審美的日漸多元化，人們更加追求個性化、有觀賞性的產品，日用陶瓷市場的需求也隨之發生改變。如今市場上的日用陶瓷產品多是批量化生產的產物，缺乏兼顧設計感和實用性的陶瓷用品，而要設計出具備兩種特性的陶瓷產品，必然需要改變思路，引入新的設計方法豐富設計語言，探索新的設計技術與路徑，擴展設計的多樣性。參數化設計作為近年來新興的設計方法，其具備對復雜形體進行準確、高效設計的能力[1]，可作為創新日用陶瓷產品設計的突破口，推動日用陶瓷產業發展。

一、參數化技術

（一）參數化技術概念

參數化技術是指將設計工程本身通過計算機語言編寫為函數，通過修改初始條件并經計算機運算得到工程結果的設計過程[2]。參數化技術使整個模型變化工程都是直觀的，多次在軟件中有目的地改變參數來模擬設計模型，在符合設計要求和審美要求基礎上，參數化技術讓設計迭代成本變小、設計模型豐富，并且給予設計者和客戶更大的選擇空間。該計算機技術打破了傳統手工繪畫設計對已知事物進行描繪、設計、修改的固有模式。

（二）參數化技術在日用陶瓷領域的應用現狀

參數化設計最早應用于建筑設計領域，國內的許多地標性建筑都應用了參數化設計的理念和方法[3]。參數化設計因其提高設計與生產效率、節約成本、提高容錯率等優勢在多個行業被逐漸采用，相關的研究也在穩步發展。例如，參數化技術在家具設計[4]、服裝設計[5]、燈具設計[6]、醫療器械設計[7][8]、輪轂設計[9]等領域的探索，許多學者已積累了豐富的研究成果。

在傳統陶瓷的傳承與創新上，有相關研究提取北宋汝、官窯器型的產品特征與相關情感進行分析并將其參數化，在此基礎上融入現代審美元素進行陶瓷產品創新設計[10]。在現代陶瓷裝飾設計方面，早期有針對陶瓷裝飾圖案的研究[11]，該研究通過分形圖形的相關研究方法得出影響陶瓷裝飾圖案表現形態的關鍵參數，借助VBA開發工具在AutoCAD2004平臺上實現了分形圖形參數化繪圖系統的設計，將分形藝術融入陶瓷裝飾圖案，通過創新陶瓷裝飾設計與提高設計效率推動陶瓷行業發展。在陶瓷產品造型設計方面，周敏建[12]針對日用陶瓷產品造型過程中所涉及的復雜曲面建模問題，結合參數化設計提出了一種改進的能量優化光順方法。趙世棟等[13]借助計算機三維模型生成技術（AutoCAD + C#）將草圖尺寸、結構信息參數化進而繪制產品3D模型，通過參數調整及交互設計實現產品變型。現有研究已經開始關注參數化設計對于陶瓷產品設計的推動作用，本文將從對陶瓷產品關鍵約束曲線進行參數化的設計角度進行研究，結合Grasshopper探索日用陶瓷設計新思路。

二、參數化技術在日用陶瓷設計的應用優勢

（一）個性化定制

隨著社會工業化水平的不斷提高，產品種類愈加豐富，傳統制造業大批量生產的行業模式導致日用陶瓷市場產品同質化嚴重，以人為本的市場環境促使滿足用戶個性化需求的私人定制風成為消費主流。參數化技術在私人定制領域優勢十分明顯，主要是在數據輸入與結果產出之間的快速調整與呈現，在生成參數化日用陶瓷產品模型后，設計師可根據消費者的喜好，對其中的參數變量進行修改，甚至消費者也可自主參與到設計中來，產出符合消費者心理預期的定制化產品。

（二）豐富設計語言

新時代的到來讓年輕群體逐漸成為日用陶瓷產品的消費主力軍，隨著消費審美層次的提高，青年消費者追求新奇、熱愛多元的消費理念使其更加喜愛新穎別致的日用陶瓷產品，其偏愛風格趨于簡約化、時尚化[14]。目前日用陶瓷設計受到傳統觀念、市場環境、設計師主觀因素的影響導致產品缺乏創新性[15]。參數化技術提供了一種基于數學邏輯的具有理性美的設計語言，經過計算機軟件嚴謹的數據計算，使基礎形態發生有效數據范圍內的扭曲變形、漸變演化，而經過復雜變化下的形態卻表現出一種既豐富又不雜亂的秩序美感，給用戶帶來了不一樣的視覺刺激，這一種區別于傳統日用陶瓷設計的數字化途徑，將為日用陶瓷設計帶來嶄新的設計風格。

（三）產品系列生成

參數化技術為日用陶瓷產品系列化設計提供了重要的技術支持，參數化設計的核心就是根據產品類型特點轉化為參數模型，在進行同一類型的日用陶瓷產品設計的過程中，例如，陶瓷茶具與餐具的設計，設計師只需修改參數就會得到具有相同邏輯關系與變化規律的產品，這些產品造型不完全相同，但是有相似的造型元素，形成統一風格的系列化產品。既保留品牌特征，又能在此基礎上運用技術推陳出新，大幅提升了設計師的設計效率，有效避免傳統設計完全依靠設計師自主設計出現靈感匱乏、缺乏創新的問題。

三、參數化技術助力日用陶瓷造型創新

日用陶瓷造型參數化設計運用關鍵約束法[16]為算法邏輯基礎，經過對陶瓷產品進行結構分析后明晰產品造型特征，依據3D建模思路篩選出影響產品造型的關鍵約束條件，采用從點到線，由線成面，最后形成體的方式，將其在參數化建模輔助軟件中用算法進行表達，建構出參數化模型并生成基礎形態，然后通過增加其他變量實現產品造型復雜變形。

（一）陶瓷器型去對稱化

市面上傳統陶瓷器型大多主體呈中心對稱，關鍵部件呈軸對稱造型，整體為規則幾何造型，使得陶瓷器型千篇一律，易引起消費者的審美疲勞。合理利用參數化技術中的隨機算法可做到去對稱化，生成隨機的有機器型，創新陶瓷器型設計。曲面生成的一般建模邏輯是由點成線，由線成面，其中點作為影響造型的基礎元素，其空間分布可利用軟件中隨機算法進行隨機性排列，點的連接方式由算法控制，從而影響線的形態，線的形態及空間位置決定曲面的造型走向。各個參數節點都影響著最終的生成形態，其運算結果是基于參數調整與建模邏輯的隨機產物，因此生成的陶瓷器型也充滿著隨機性，但又在可控范圍之內，改變陶瓷產品器型單調的現象。

（二）陶瓷裝飾多元化

陶瓷產品裝飾并不只局限于表面化的修飾，而是通過紋樣、肌理、色彩等多方便創新豐富和美化造型，大多企業的創新著力點在裝飾紋樣方面，忽略了表皮肌理。參數化設計中紋理生成常用的組織方式為均勻分布式、干擾算法、隨機組織、迭代分型等[17]，將其引入到陶瓷裝飾創新中，可增添新的肌理設計語言，形成特殊的具有規律美的表皮紋理。參數化的介入使陶瓷裝飾跳脫出傳統的裝飾設計意象，其設計方式與設計語言都不拘泥于傳統，符合現代審美觀念。最后利用曲面網格化的方法將紋理賦予到基礎形態上，在此過程中可以添加參數控制網格的劃分、紋理單元形態以及其中的邏輯關系，達到創新陶瓷裝飾風格、豐富陶瓷造型設計的目的。

（三）實施流程

首先，調研并搜集市面上的日用陶瓷產品造型樣本，根據陶瓷產品類型分別進行典型樣本的篩選，其造型特征必須能反映市面上此類型產品的大多數形態，分析并篩選出構成其造型的關鍵變量，然后在軟件中構建該類型產品的基礎參數化模型，這一過程是依據實物反求出參數化模型。設計師在此基礎上利用計算機語言搭建各參數變量之間的邏輯關系，軟件快速運算后得到形態結果的實時反饋，經過調整初始參數獲得大量的設計結果，從中選取符合設計要求的造型結果，不斷進行細節的調整與修改生成3D數據模型。目前，陶瓷3D打印技術已發展得十分成熟，其無須原坯和模具，直接根據計算機生成的模型數據，通過增加材料的方法打印為實物，簡化了從模型設計到實物產物的流程。實施流程如圖1所示。

四、參數化技術在日用陶瓷設計中的應用實踐

（一）樣本收集與分析

生活中常見的日用陶瓷產品種類大概分為餐具、茶具、缸、壇、盆、罐、盤、碟、瓶等。通過網絡、雜志、書籍等多種途徑對日用陶瓷各類型產品進行收集、整理。為了更好地觀察產品造型并進行結構分析，僅收集圖像為側立面的日用陶瓷產品圖片，初步收集過后進行樣本篩選，去掉造型高度重復與過于特異的產品樣本，最終共收集到150個底層樣本，將篩選過后的樣本圖導入到photoshop中去除有干擾性的背景，最終得到日用陶瓷產品案例庫，部分樣本如圖2所示。

將處理過的圖片進行分類整理，并篩選出能代表該類型產品的典型樣本圖，對產品造型進行分析，分析產品造型有助于理解產品內部功能結構及特征并提取產品結構要素，將產品分解為由若干個約束條件構成的形體，隨后描繪典型樣本的產品結構，如表1所示。

（二）提取造型約束條件

通過對圖片樣本的整合與歸類可以看出，日用陶瓷產品大多作為容器使用，其特征形態比較統一，約束條件也非常相似。經過對典型樣本的結構分析后，用參數化建模的思路進行解構，其形態可看作由兩個曲面組成，分別是側面和底面，側面至少通過兩條封閉曲線進行放樣獲得，而底面則由其中一條平面封閉曲線決定形狀，由此可得組成一個陶瓷產品形態的基本參數，如圖3所示。

基本參數條件說明：

（1）封閉曲線L1與封閉曲線L2：作為參數化建模進行放樣曲面的基本條件，控制日用陶瓷產品的基礎形態。其曲線形狀與大小不定，可根據設計要求模擬不同曲線。

（2）其他封閉曲線：產品側面輪廓形狀有斜線、弧線、曲線等，可通過增加其他封閉曲線作為產品造型參數進行產品造型的變化，其數量與形狀可根據設計需求調整。

（3）相鄰封閉曲線之間的垂直距離：相鄰封閉曲線的垂直距離決定產品造型中各造型部分的縱向比例。

（三）參數化模型建構

日用陶瓷造型參數化設計采用Grasshopper作為參數化編輯軟件，Grasshopper是一款在Rhino平臺上運行的參數化設計軟件，其三大特點是：即時可見、邏輯建模、動態建模。與傳統的建模軟件有所不同是以往需要設計師手動去完成各個建模操作，Grasshopper則可以通過一系列的模數化指令運算器形成一個系統的邏輯，自動進行模型表達。Grasshopper通過Rhino的操作界面觀察生成的結果，方便在建模中及時對模型進行修改，建模的實時性以及修整模型的便捷性使其被引用到多類設計行業 [18]。

（1）構建器型曲面

首先隨意構建初始封閉曲線，從初始曲線上取順序排列的隨機點，對比直接給出隨機點，從曲線上生成可以保證重構曲線時點與點可以順序連接不發生交叉，然后使點在隨機方向進行隨機距離的平移，最后連接點重構曲線，按此算法邏輯生成多段封閉曲線作為造型約束曲線，最后放樣生成造型曲面。參數化建模步驟如下，構建過程如圖4-8所示。

（a）可從Rhino中繪制任意封閉曲線并用curve運算器導入到grasshopper中作為初始曲線，或者在grasshopper中直接運用相關運算器生成初始曲線。假設初始曲線為圓形，使用Circle運算器生成圓形曲線，然后用Divide curve運算器將其分段，獲得初始曲線上平均分布的隨機點，隨機點的數量可用Number Slider運算器進行調節。

（b）連接Vector display運算器預覽曲線上隨機點的切線方向，可以觀察到每個點的向量方向都標記了可視化箭頭，引入Rotate（vector）運算器使點的向量方向以Z軸為旋轉軸進行旋轉，使用Constract domain運算器來定義旋轉角度數據區間，由Random運算器在此區間中隨機選取與點數量一致的數據列，轉化為旋轉角度賦值給各個點，通過改變seed值更改選取的數值列。

（c）各個點的向量方向隨機旋轉對應角度之后，連接Amplitude運算器賦予每個向量長度值，同樣也是建立數據區間，并隨機選取數據列進行賦值，這時Amplitude運算器右端輸出的vector（向量）都有其方向及長度。

（d）使用Move運算器根據獲得的向量使各個點進行平移，然后連接Nubs Curve運算器使平移后的點連接為封閉曲線，完成約束曲線的重構。

（e）其他約束曲線算法同理，根據設計需求增添初始曲線，然后進行曲線重構，調整數據改變曲線形狀、改變空間位置。最后使用Loft運算器對生成的多段曲線放樣，形成一系列陶瓷花瓶造型曲面。

運用算法隨機生成造型曲面后，即獲得陶瓷花瓶基礎形態，不同于大多數用彩繪圖案裝飾陶瓷的傳統方法，同樣可以利用參數化建模方法構建其表皮紋理，進而豐富陶瓷造型設計。

（2）賦予表皮紋理

文中將采用干擾算法邏輯進行陶瓷造型表皮紋理設計實踐，達到豐富陶瓷造型裝飾元素的目的。點干擾即求出干擾點與目標點之間的距離，再將得到的距離大小映射為目標物體的變化數值，最后通過Graph Mapper運算器來控制其數據變化程度。曲線干擾與點干擾邏輯相似，即求出干擾曲線與目標點之間的距離，然后映射為目標物體的變化數值，通過調整數據生成不同變體。圖像干擾則是通過基礎圖片得到其灰度值，再將得到的灰度數值映射為目標物體的變化數據。

如圖9所示，在Grasshopper中用Square運算器創造矩形點陣，在Rhino中隨機放置一個干擾點拾取到GH中，將點陣和干擾點連接到Pull Point運算器中計算干擾點到點陣每一個點的距離，然后通過Bounds和Remap Numbers運算器將距離數據集映射為0到1的數據區間，接著用Graph Mapper運算器中的函數來調整數據，以Sine函數為例，得到具有函數變化性質的數據集后再次進行映射，最終的映射數據區間關系到點的波動范圍，可以自行設置，將獲得的數據集作為點陣中點沿Z軸方向移動的距離，移動后的點陣用Suface From Points運算器連接成曲面，其波動規律符合Sine函數的性質，經數據調整后生成若干點干擾表皮紋理，如圖10。

將點干擾算法得到的紋理賦予到造型曲面上生成完整的產品造型，這里主要是Morph命令的應用，首先用將造型曲面轉化的U、V（U代表徑向曲面數量，V 代表緯向曲面數量）值為1的網格面，然后使用Suface Morph運算器將生成的點干擾表皮紋理曲面流動到造型曲面上，調整數據提高紋理與曲面的融合度與美觀度，用Weavebird運算器平滑曲面完善造型，最終將生成的造型烘焙到Rhino上進行最后的修復與調整，如圖11。

（3）結果輸出與調試

完成編程的電池組分為兩個部分，一是基礎曲面造型，這部分的模塊較容易控制，主要是調節各部分變量的數值來影響曲線變化，從而生成多種曲面。一部分是干擾紋理，這一模塊的干擾元素需要自行繪制，例如干擾點的位置、干擾曲線的形狀，然后將干擾元素接入算法即可在曲面生成紋理。將主要參數調節電池提取并整理為電池組，通過電池組來調節參數高效生成陶瓷產品造型樣式設計方案，圖12為部分設計方案。

結語

目前，參數化技術在日用陶瓷產品造型設計這一領域的應用正處在探索階段，本研究通過分析參數化技術在各個領域的應用研究發現其在日用陶瓷造型設計領域的應用潛力，經過查閱文獻資料與市場調研后，明確日用陶瓷產品市場存在諸多問題，通過對市面陶瓷產品造型進行歸納分析后，引入參數化建模思路提取造型關鍵約束條件，運用grasshopper中的相關算法生成陶瓷器型曲面、賦予表皮紋理，完成參數化模型建構，實現調整參數即可產出不同設計方案。此外，在一定程度上激發設計師的想象力，促進設計師發散思維，打破傳統設計框架，催生出更多創新方案。

利用參數化技術對日用陶瓷產品的設計、建模、生產漸漸成為行業的發展趨勢，這一設計方法提高了造型設計方案的產出效率，并且節約了后期修改方案的時間成本。其意義也不僅僅是效率方面，普通的陶瓷產品已經引起人們的視覺疲勞，獨特有趣的美學造型更能吸引消費者的注意，定制化個性化的服務越來越受關注與重視，參數化設計的實時動態建模提供了設計者和消費者共同創造的可能，更大程度滿足了消費者的需求，推進了日用陶瓷設計向智能化、人性化發展。

參考文獻

[1]王珂，劉揚.參數化設計與3D打印的協同發展研究[J].包裝工程，2017，38（16）：147-151.

[2]孟祥旭，徐延寧. 參數化設計研究[J]. 計算機輔助設計與圖形學學報，2002（11）：1086-1090.

[3]徐衛國，羅丹，葉揚. 數字滲透與參數化主義——關于數字技術與建筑設計的訪談與對話錄[J]. 世界建筑，2013，34（9）：17-35.

[4]周鄭雅，張仲鳳. 參數化技術在家具設計中的應用研究[J]. 林產工業，2020，57（04）：33-37.

[5]王迪，柯瑩，王宏付.Voronoi圖形在參數化服裝造型構建中的應用[J].紡織學報，2021，42（12）：131-137.

[6]劉宗明，李羿璇. 基于Grasshopper插件的燈具參數化設計研究[J]. 包裝工程，2018，39（18）：209-213.

[7]李明宇，叢海宸，成思源等. 基于逆向建模元素的個體化醫療器械設計[J]. 現代制造工程，2018，4（10）：130-135.

[8]王坤，張振江，趙衛國. 3D打印外固定支具參數化反求建模方法[J]. 機械設計，2021，38（05）：121-126.

[9]成振波，任薪蓉，柯善軍等.基于感性意象的轎車輪轂參數化設計[J].機械設計，2022，39（04）：135-141.

[10]喬現玲，樊佳爽，胡志剛等.北宋汝官窯器型情感研究[J]. 中國陶瓷，2015，51（04）：38-44.

[11]湯國興，方長福，張柏清.基于分形理論的陶瓷裝飾圖案CAD系統研究[J]. 中國陶瓷，2006（01）：39-41+35.

[12]周敏建，董楓，汪大海，陳文鑫. 基于參數化的日用陶瓷幾何建模方法[J]. 陶瓷學報，2021，42（01）：150-154.

[13]趙世棟，彭永康.基于草圖拓撲約束的陶瓷產品造型參數化設計[J].計算機應用與軟件，2021，38（12）：223-228+273.

[14]沈杰. 基于青年消費者審美需求的日用陶瓷設計研究[J]. 中國陶瓷，2017，53（09）：88-92.

[15]容州. 中國陶瓷市場發展現狀與趨勢[J]. 中國民族博覽，2017（06）：50-51.

[16]SUTONO S B，ABDUL-RASHID S H，AOYAMA H，et al. Fuzzy-based Taguchi method for multi response optimization of product form design in Kansei engineering：A case study on car form design [J]. Journal of Advanced Mechanical Design，Systems，and Manufacturing，2016，10（9）：1-16.

[17]崔麗. 基于Grasshopper的參數化表皮的生成研究[D].天津大學，2014.

[18]戴欣偉. 基于Grasshopper的參數化設計在產品設計中的應用探索[J]. 設計，2016（11）：122-123.