基于參數化設計的批量可定制家具設計研究

關鍵詞：家具設計；參數化設計；批量可定制；Grasshopper；個性化需求

引言

近年來，隨著消費者對個性化和定制化需求的不斷增長，批量可定制家具的市場需求也在顯著增加。這種趨勢在Mario Carpo的著作《Beyond Digital：Design and Automation at the End ofModernity》中得到了詳細闡述。Carpo 指出，數字化大規模定制生產通過結合工業生產和工匠定制的優點，能夠以相同的單位成本生產出大批量且個性化的產品。這一技術不僅提高了生產效率，還使得產品更具靈活性，從而能夠更好地滿足現代消費者多樣化的需求。這一趨勢標志著一個新經濟時代的到來，在這個時代中，規模經濟不再是生產的決定性因素，數字化大規模定制生產成為主導。參數化設計作為一種新興方法，具有高度靈活性和高效性，能夠應對多樣化需求。我們希望通過參數化設計方法，建立家具數字化設計與生產系統，實現高效、精準的設計過程，以便應對快速迭代和定制化生產的家具發展需求。

一、家具行業的發展現狀與趨勢

木制家具制作行業是一個歷史悠久且與人們的生活息息相關的產業。經過多年的發展，傳統的手工制作家具逐漸被大規模機械生產所取代，這不僅提高了生產效率，降低了成本，也使家具產品的標準化和一致性得到了保證。經過多年的演變，中國家具行業逐漸邁入了以工業化、規模化為主要的發展軌道[1]。進入21 世紀以來，中國家具行業發展一直保持良好態勢，近兩年來規模以上家具行業營業收入稍有回落。根據工信部公布的規模以上家具行業營業收入來看，2018 ～ 2022 年中國規模以上家具行業營業收入呈現波動態勢，2022 年中國規模以上家具行業營業收入為7624.1 億元，2018 ～ 2022 年整體為上升趨勢，詳細見圖1。

近年來，伴隨著數字化和智能化技術的進步，使得家具設計和生產進入了一個新的階段。根據前瞻產業研究院表示，從未來我國家具制造行業產品發展趨勢來看，如圖2 所示，中國家具制造行業在產品發展方面將逐漸呈現圍繞新生代消費者設計、家具環保逐漸受到重視、定制家具逐步流行、以功能為導向的智能化產品受資本追捧、家具由大眾化消費轉向個性化消費等趨勢。同時，中國板式家具業要走新型工業化道路，在制造技術上面要實現高度機械化、自動化與數控加工、大規模定制生產與柔性制造[2]。

（一）智能化設計

在1984 年，美國首次提出“智能家居”的概念，在后來隨著“智能型建筑（intelligent building）”的推出，以其集成化形態面世，掀開全球智能家居建設的熱潮。從此，國內外對智能家居的研究熱度迅速攀升，研究焦點也進行了轉變，即逐漸從單一的智能家居產品轉向智能家居環境系統的設計與實現，推動了智能家居領域的進一步發展[3]。智能家具利用物聯網（IoT）、人工智能（AI）等技術，通過自動化控制、遠程管理、數據監測與分析、語音交互及自學習和自適應功能，實現家具的智能化和互動性。與傳統家具相比，智能家具不僅具備基本的使用功能，還能夠通過科技手段提高用戶生活的便利性和舒適度。傳統家具通常只是靜態的物品，其功能有限，而智能家具則通過技術手段實現了家具與用戶之間的互動，使家具能夠主動提供個性化服務。例如意大利設計公司Carlo RattiAssociati 設計的模塊化智能家具Lift-Bit 。Lift-Bit 是一種模塊化、可數字重新配置的家具系統，可將沙發無縫地變成椅子、躺椅、床、休息室和無數其他配置。該系統由一系列獨立的軟墊凳子組成。每個元件都使用線性執行器進行電動化，使其能夠升高或降低。除此之外，家具的智能化還體現在生產過程和設計過程中。智能化家具在生產和設計上的智能化主要體現在參數化設計、自動化生產、物聯網集成和數據驅動的優化。參數化設計通過調整設計參數，快速生成不同的家具模型，滿足個性化需求；自動化生產利用數控機床和工業機器人提高生產效率和精度；物聯網技術使家具具備智能控制和遠程監控功能，提升用戶體驗；數據驅動則通過分析用戶需求和生產過程，優化設計和生產流程，預測市場趨勢。

（二）個性化定制

隨著社會經濟的發展和人們生活水平的提高，消費者對家具的需求不僅限于基本的功能性，更加注重個性化、美觀性和高品質。傳統的大規模機械生產雖然成本低、效率高，但難以滿足消費者日益增長的個性化需求。而完全手工定制的家具雖然能夠提供高度的個性化服務，但生產周期長、成本高，難以實現規模化。根據圖3 的數據顯示，人們對定制家居的關注度呈現出逐年上升的趨勢，定制家具已逐步成為家居行業的重要發展方向。中國定制家居市場正處于快速發展階段，“定制”已經成為家居行業的核心關鍵詞[4]-[5]，各行業紛紛進入定制領域，跨界合作成為普遍現象。除此之外，圖3 還進一步表明，定制家居和環保材料的關注度雖然有高有低，但整體不斷提升，綠色設計與制造將引領未來定制家居行業的發展潮流。

（三）新材料

在工業革命前，家具主要依賴天然材料。隨著工業革命的推動，各類新材料技術和應用產品迅速在中國蓬勃發展，帶來了家具材料領域的巨大革新。更節約用量、成本更低的現代材料逐漸替代了傳統的家具材料，如刨花板、碳纖維、亞克力等。近年來，隨著技術的成熟，新材料在家具市場上占據了重要地位，并在量產效率和環保性能等方面超越了傳統材料。性能更為優越的新材料逐漸成為家具企業在市場中脫穎而出的關鍵亮點，同時也為現代家具設計帶來了新的突破口[6]，具體見表1。

（四）綠色環保

家具的綠色環保主要體現在兩個方面，一是材料的環保、二是家具在生產和使用過程中的環保。除了上述提到的新材料外，現代家具中將食物殘渣、海洋垃圾等資源制成的環保材料，以及新型人造板、改性木復合材料、軟木等材料，都正成為新型環保家具材料中極具潛力的創新方向。這些材料因其環保特性和可持續發展優勢，在家具行業中展現了廣闊的應用前景，推動了綠色設計的進一步發展[7-8]。例如Emeco 公司與可口可樂合作設計的111 Navy Chair，是經典Navy Chair 的環保版本。該家具由111 個回收的PET 塑料瓶制成，不僅減少了廢棄塑料的環境影響，還保持了原設計的堅固耐用性和經典外觀。如表，另外在家具生產過程中家具的材料的損耗是否能夠合理利用到最大化以及家具在使用過程中的耐久度能否更持久也是考慮家具綠色環保的重要因素，具體見表2。

二、參數化設計概述和設計工具

（一）參數化設計概述

參數化設計，又稱為參變量化設計，是一種通過將設計中的關鍵因素視作參變量，并通過調整這些參變量的值來控制設計結果的設計方法。換句話說，設計過程是由參變量所驅動，每個參變量的變化都會直接影響或決定最終的設計結果[9]。參數化設計最初作為一種設計方法，為設計師提供了一種探索形態生成的新方法。然而，許多設計師也對此產生了疑問，認為這些過于夸張的造型與實際建造之間存在距離，脫離了設計的物質性。隨著時間的推移，參數化設計逐漸開始關注建造過程，從最初的基于算法的形態生成，逐步轉向性能驅動的設計方法。這種轉變使得參數化設計不僅關注幾何形態，還考慮了結構性能、材料性能和環境性能等多方面的因素。本次設計以用戶的身體數據為主要參數，借此生成的家具形態，使之能夠滿足多樣化的用戶需求，從而實現更實用、更人性化的設計。這種方法不僅保留了參數化設計在形態生成上的優勢，還進一步增強了設計的可建造性和結構性能，能夠快速響應個性化的市場需求[10]，使得參數化設計在現代家具設計中具有更廣泛的應用前景。

（二）Grasshopper 介紹

Grasshopper（GH）是一種可視化編程語言，基于Rhino 平臺運行，是參數化設計領域的主流工具之一，并且在某些方面與交互設計有相互交集。與傳統設計方法相比，GH 具有兩個主要優勢：首先，通過圖形化編程軟件界面，設計師可以利用圖形化的算法構建出獨特的設計程序，讓計算機自動生成結果，其次，算法編寫能夠取代以往傳統設計過程中重復的操作和大量邏輯演化的過程，循環運算使得方案調整可以通過直接修改參數直接實現，顯著提升了設計效率。此外，GH 的參數化特性和多樣性正好滿足了個性化需求，進一步拓展了其在設計中的應用[11-12]。

（三）Grasshopper 在板式家具設計中的優勢

Grasshopper 其實是一種運算法則，可以根據設計師所設定的因變量和自變量來生成運算結果，當其作為一種設計方法時，使用特定的算法，其生成結果是非主觀的但是是可以預測的。設計師可以結合現實生活中的各種因素，對部分參數進行合理限制，加入設計師一定的主觀判斷，以尋求設計的最佳平衡點。通過Grasshopper 中的優化設計工具，能夠有效應對這些需求，實現參數化設計中的精確調整和優化，確保設計更符合實際應用場景的要求[13-14]。

當前家具市場的智能化設計與生產、個性化定制、新材料的應用和綠色環保等發展趨勢，數字化技術和大規模定制生產的結合，不僅提高了生產效率和靈活性，還能以相同的成本生產出不同的個性化產品，從而滿足現代消費者的多樣化需求。這種生產模式還通過精準控制新材料的使用，推動了新材料在家具生產中的廣泛應用，同時優化了材料利用，減少了資源浪費和環境影響。通過數字化大規模定制生產，家具制造業能夠更高效、更環保地實現智能化和個性化，推動行業向更加智能、個性化和環保的方向發展。

三、基于參數化設計的榫卯結構板式家具實例

在我們的本次設計中，我們選擇椅子作為設計對象，主要是因為椅子是現代家具產品中較為基礎且重要的類別，與人們的生活息息相關[15] 同時能體現本次設計的理念，并展示在美學、功能性和創新性方面的綜合能力。設計椅子的過程包括以下幾個步驟：首先，設計師通過手繪確定椅子的基本造型；接著，根據人體工程學提取關鍵人體參數，以確保椅子的舒適性和實用性；然后，利用提取的參數構建椅子的參數化模型，并確定合適的材料，這一步對于節點的深化設計至關重要；隨后，對參數化模型進行優化和調整；最后，按照優化后的模型進行加工和組裝，確保椅子的質量和設計符合預期，具體的程序圖見圖4。

（一）家具的造型概念設計

本次的家具造型的概念是從折紙中汲取靈感，并將其運用于家具的造型概念設計中。通過對折紙的形態進行提取、旋轉和調整進而得到最終的家具形態。首先，我們可以從經典的折紙形態中提取基本的幾何輪廓。然后，我們通過對輪廓旋轉得到一個概念的形態。最后，我們對這個形態進行調整和細節的補充，進而得到基本的家具輪廓線條。

（二）家具參數提取

參數提取是設計過程中至關重要的一步，確定了家具的基本特征和形態，并為后續的設計優化和定制提供了依據。參數提取的目標是識別和描述影響家具形態和功能的關鍵因素，以便通過調整這些參數來實現家具設計的靈活性和多樣性。

首先，我們將家具的原型設計完成后，再提取幾個主要參數作為影響原型的自變量，構建參數化模型。這些參數包括家具的尺寸、形狀、比例和布局等，它們直接影響家具的外觀和空間利用效率。例如，家具的長度、寬度和高度決定了其整體尺寸，而各個部件之間的比例和布局決定了家具的整體形態和視覺效果。通過提取這些參數，我們可以在不同尺寸和形態之間進行靈活組合和調整，實現多樣化的設計需求。本次設計共提取了4 個可調節的長度即線段A、線段B、線段C、線段D，兩個可調節的角度即角度α、角度β。他們分別代表了椅子的座高（線段A）、座面（線段B）、靠背（線段C）、靠背調節長度（線段D），椅腳與座面的夾角（∠ α）、座面與靠背的夾角（∠ β）如圖6。之所以選擇這6 個參數是為了綜合滿足用戶需求和優化生產流程。這些參數直接關系到椅子的舒適性、功能性和可制造性。例如，座高和座面尺寸依據人體工程學標準，確保用戶的腿部自然放松和坐姿穩定，同時通過模塊化設計適應不同體型用戶并簡化生產。靠背高度和調節長度提供個性化支撐，緩解久坐疲勞；椅腳與座面的夾角提升椅子的穩定性，確保安全；而座面與靠背的夾角則在工作和放松狀態間取得平衡，提升多場景適用性。通過標準化、模塊化和力學優化設計，這些參數不僅滿足了用戶對舒適性與實用性的需求，也在材料使用和制造工藝上實現了高效與成本控制的統一。本次設計的基本參數是參照的人體工程學的椅子如圖7，這些參數是可以根據購買者的具體身形進行調整來達到最適合購買者的躺椅以實現可定制化的家具。

其次，我們需要提取與榫卯結構相關的參數。榫卯結構是板式家具的核心連接方式，它直接影響家具的穩定性和可拆裝性。在參數提取時，我們需要考慮榫卯的形狀、尺寸、位置和連接方式等因素。例如，榫頭和卯眼的尺寸決定了它們的連接緊密度，榫卯的位置和數量決定了家具的結構穩定性，而榫卯的連接方式則決定了家具的拆裝便利性。通過提取這些參數，我們可以根據不同的設計需求和制造工藝選擇合適的榫卯結構，從而實現家具設計的靈活性和可定制性。

除了整體結構和榫卯結構，還需要提取與家具功能和美學相關的參數。這些參數包括家具的功能配置、矩形圓角等，它們直接影響家具的使用性能和審美效果。例如，家具的功能配置包括各種功能模塊和附加功能，如書架的隔板高度可調、抽屜的數量和尺寸可選等，矩形圓角可以避開尖銳的角，這樣既起到了美學作用，也起到了安全作用。通過提取這些參數，我們可以根據不同的使用場景和審美要求定制家具的功能配置和外觀風格，滿足消費者的個性化需求。

（三）參數化原型的建立

作為定制家具產品，應更加注重客戶的個性化需求，因此按需修改尺寸已經成為許多現有產品的趨勢和必然選擇[16]。在這一過程中，提取關鍵設計參數并基于這些參數構建靈活的參數化模型至關重要。通過將參數與家具的設計要求和標準相結合，形成一個可調節的設計系統，可以滿足多樣化需求。在此系統中，設計者能夠通過調整參數數值或優化參數間的關聯關系，快速生成符合不同用戶需求的家具設計方案。例如，對于兒童（4 ～ 12 歲）來說座高可能150cm 比較合適，而對于青少年（13 ～ 18 歲）來說350cm 或許更合適，從針對不同年齡段用戶對椅子高度、深度、扶手角度等設計細節的差異化需求，該系統能夠通過精準調整，生成適宜的設計方案，從而提升了產品的適配性和用戶體驗。具體數據和模型見表3 和圖8。

（四）模型優化與調整

模型優化與調整是確保家具在功能、美觀和制造可行性方面達到最佳狀態的關鍵步驟。本設計選擇榫卯結構，不僅體現了傳統工藝的美學價值，還結合了現代數控加工技術（CNC）的優勢，顯著提升了制造精度和裝配效率。CNC 技術能夠實現高精度的加工，確保榫頭與卯眼的精準匹配，提高生產效率和連接的牢固性。然而，由于CNC 技術在三維加工上的局限性，本次設計選擇了直榫形式。此外，CNC 加工時鉆頭的圓形特性會導致切割的孔口邊緣出現微小弧形，影響組件的緊密結合。為解決這一問題，設計中對孔口形狀進行了參數化調整，通過在切割位置進行圓弧優化處理，如圖9，最大限度減少鉆頭形狀對孔口的破壞。參數化技術的引入不僅提升了設計靈活性，還為不同應用場景下的孔口形狀優化提供了便利性。通過這一設計細節的強化與改進，既克服了CNC 技術的局限性，也突出了榫卯結構在現代制造中的創新應用價值。

（五）構件排版

在板式定制家具的規模化生產中，榫卯結構家具的設計與生產涉及多個關鍵環節，其中構件排版與編號是尤為重要的環節。構件排版不僅關乎材料利用率和生產效率，還直接影響后續安裝過程中的準確性和效率。通過參數化設計工具Grasshopper（GH）及其插件OpenNest 的應用，構件排版和編號的自動化與優化可以顯著提升生產效率、降低材料損耗，同時減少人工干預導致的誤差，為大規模生產提供智能化解決方案。在排版環節，首先需要將設計完成的家具模型分解為獨立構件，并通過GH 建立精確的幾何模型。這一過程需要設置各部件的尺寸參數以及排版規則，如部件的間距限制、方向約束及優化目標等。GH 的參數化設計能力允許設計師動態調整部件的幾何形態及空間位置，為后續優化奠定基礎。在完成構件分解后，OpenNest 通過智能化算法實現排版優化，它能夠根據部件的幾何形狀和尺寸，動態調整布局，最大程度減少了材料浪費和加工時間。具體而言，OpenNest 的優化算法會計算構件之間的最優排列方式，以保證切割路徑最短、材料利用率最高，同時提供實時預覽功能，便于設計師對排版結果進行直觀檢查和微調。例如，在生產榫卯結構家具時，不同的榫卯部件通常存在復雜的幾何形狀和加工需求，利用OpenNest 可以有效避免傳統手動排版中可能出現的材料浪費、部件重疊或間距不足等問題，從而大幅提高排版精度與效率。如圖10，是用OpenNest 初次排版的過程。

在優化排版的過程中，OpenNest 結合自動化算法與手動微調方法進一步提升了排版效果。具體來說，自動排版算法能夠迅速生成初步布局方案，為材料利用率和切割效率提供基礎優化；而手動微調則可以根據特定生產需求，對部件的排列順序或方向進行細化調整，以確保最終布局既滿足生產條件，又貼合設計師的個性化需求。

面對定制化需求時，參數化排版展現出獨特優勢。不同客戶需求可能導致家具設計參數的變化，如尺寸、結構形式或裝飾風格的調整，每次排版的材料損耗因此可能有所不同。參數化排版通過靈活調整模型參數，能夠動態優化排版方案，從而減少材料浪費并實現精確控制。例如，在生產多批次家具時，設計師可以通過GH 預先設置排版規則，讓OpenNest 根據不同批次的設計差異自動生成優化的排版方案。這不僅提高了生產效率，還顯著降低了材料損耗和人工成本，與傳統手工排版相比優勢更加明顯。如圖11 是OpenNest 排版以及編號示意圖。

（六）材料選擇

結合國家標準以及部分制造商的數據整合了表，經過篩選本次設計案例選用的材料是海洋板。海洋板材是一種由多層薄木片交錯疊壓而成的復合材料，其優異的性能使其在家具制造領域備受青睞，詳細見圖12。

首先，海洋板材具有優異的耐濕性能。榫卯結構板式家具往往需要在不同的環境中使用，例如客廳、臥室甚至浴室。然而，傳統的木材在潮濕環境中容易膨脹、變形甚至霉變，影響家具的使用壽命和美觀度。相比之下，海洋板材具有卓越的耐潮濕性能，不易受潮變形，能夠有效應對潮濕環境的挑戰，保持家具的穩定性和外觀。其次，海洋板材具有較高的強度和穩定性。榫卯結構板式家具的穩固性和耐用性對材料的強度要求較高。海洋板材由多層木片交叉疊壓而成，結構穩定，不易變形，能夠承受較大的荷載和壓力，保證家具的穩固性和耐用性。無論是承載書籍的書架還是放置物品的柜子，海洋板材都能夠提供足夠的強度和穩定性，確保家具的長時間使用。此外，海洋板材具有良好的加工性能。且海洋板的規格能兼容市面上常用的板材加工設備。榫卯結構板式家具的制作過程需要對材料進行切割、雕刻、鉆孔等加工操作。海洋板材由于結構均勻，硬度適中，加工性能良好，容易進行精細加工，并且不易產生裂紋和碎屑，保證了家具制作過程的高效性和精準度。

（七）CNC 數控加工及組裝

CNC 數控加工技術在基于參數化設計的批量可定制家具設計中起著關鍵作用。通過精確的數字化控制，CNC 可以高效地加工復雜的幾何形狀和非標準尺寸的材料，提高生產精度和材料利用率，特別是在優化綠色可持續設計時效果顯著。此外，CNC 加工能夠預制出精確的連接點，簡化組裝過程，使消費者無需專業工具即可完成家具的安裝和調整，提升了家具的模塊化和靈活性。在通過前文的排版后，我們通過CNC 技術進行加工并且組裝，由于受設備阻礙，我們最終得出如圖13 的簡易實體模型圖。

結語

本研究通過應用參數化設計方法，實現了批量可定制家具的設計與生產，驗證了該方法在現代家具設計中的可行性與應用價值。基于用戶需求輸入的數據，利用Grasshopper 平臺開發的參數化設計系統，能夠靈活生成多種家具形態，滿足了定制化和批量生產的需求。研究表明，參數化設計不僅提升了設計效率，還增強了設計的適應性，具有廣泛的實踐潛力，為板式家具的創新與發展提供了有益的參考和指導。