基于BID思维的3D打印家具设计创新研究

【摘 要】生物灵感设计 （BID）是以仿生学机制为灵感研究设计，并支持发展创意设计系统的新型领域。以BID为思维中心，将生物智慧作为灵感运用在家具设计领域，借助3D打印的工业制造手段，以全新的设计视角效仿生物揭示生命体的美感与结构，创造独特的家具设计创新架构，实现与技术高度融合的设计策略。

【关键词】3D打印;家具设计;BID;仿生学

乔布斯曾说“21世纪最大的创新将会是生物与技术的交叉点，一个新的时代即将开始”。目前，在物联网、数据网以及服务网的快速发展的社会背景下，中国工业发展的阶段处于换挡减速期，工信部正着手编制“十三五”和“十四五”相关规划，规划的关键词为“向工业强国转型”“工业4.0战略”。工业4.0战略起源于德国，主要内容包括大规模生产高度个性化产品、顾客对价值创造与制造过程广泛互动参与等。依托政府持续性的关注与扶持，3D打印作为工业革命3.0的代表正在新业态与新技术的融合下向更为广阔的4.0迈进，将改变制造业的原有传统格局，也会对人类的思维方式、消费方式、生产方式产生革命性变化，未来亦会成为家具设计行业的趋势与潮流，对生活产生巨大变革与深远影响。

一、BID与3D打印概述

生物灵感设计（Biologically inspired design），以下简称BID，是以仿生学机制为灵感研究设计，并支持发展创意设计系统的新型领域。生物灵感的设计是进行设计创新的一种很有前途的模式，在国外被普遍视作可持续发展设计的一部分。BID被广泛应用于建筑设计，从建筑复杂思维的非线性生成法则到结合数字化设计的生命生长规律的遗传算法建筑，都体现了对生物形态、生命机能、生长特性等深层次的模仿，发掘生物世界特性为设计创作提供了无穷无尽的思想启迪。

3D 打印技术（Three-Dimensional Printing Technology）是快速成型技术的一种，是增材制造的主要实现形式，制造过程不需要原坯和模具，直接依托计算机图形数据，通过一系列的横截面切片进行材料叠加以生成任何形状的物体。最为主流的三种技术类型为用热塑性塑料熔融沉积快速成型技术的熔融堆积（FDM）技术，使用激光在材质盆中硬化液态树脂的光固化（SLA）技术，以及利用激光对粉末状金属、塑料、陶瓷材料进行高温熔融并层层堆积的激光烧结（SLS）技术。激光烧结3D打印技术可以打印金属等特殊材料，极大地开拓了设计塑造空间。作为全新概念的工业制造手段与传统的机械加工与模具加工方式相比，3D打印技术具备材料损耗小、简化制造程序、实现复杂设计、缩短研发周期、降低研发成本及风险、提升创新效率、降低生产成本、提升产品丰富度等优势，这些都成为推动设计创新的重要因素，为设计的可行性提供技术保障。

二、BID思维下的3D打印家具设计塑造

在可持续、数字化等意识形态的影响下，对于设计决策者在设计过程中要更多地从公众利益及人类学角度出发，探寻设计伦理与设计哲学，而大自然的生物策略将是一个最质朴、最合理的可借鉴启示，探索生物体的构造技能以及优化适应等自然界的运行机制，从大自然生物中提取可持续、高效、有序、永续的设计原则。后工业社会的哲学思想从传统、线性向多元、非线性的价值观变迁，审美体验也随之向动态与多方位拓展。德国仿生设计鼻祖克拉尼曾说过“仿生设计，是一个揭示自然界生命体的内部规律，一项翻译自然的事业” ，他要求自己的每一个设计作品都要最大限度地结合自然，每次设计前都会研究分析与自身设计要求相符合的自然形态，在实验室测试并完成模型，这样的思维方式下成就了克拉尼坚信自然界法则的设计理念与Bio-form的代表性生态设计风格语言。基于BID思维，以生物灵感设计作为独特的设计模式，镜像重构生命构建复杂形式，家具设计亦可以揭示生命体不同寻常的美感与结构，开启未知的形式美学标准。3D打印技术使以往不可能创造的设计方案变为可能，极大地拓展了形式自由度，体现时代进步的同时使设计更加经济、生态、机智。伴随着技术的逐渐进步，3D打印为BID设计思维的进一步发展提供强力的技术支撑与保障，成为推动BID的生命力。

（一）形式肌理的生物拟态化

BID视角下研究自然现象，借助3D打印技术探求生命中最精简、轻巧、多功能的形式，实现极小曲面与数理形态的表现，形成新的设计原则与完全新颖的方式，完成有序的多层面的复杂自组织体系的建构，体现与技术完美结合的极致的生命力与视觉张力。设计师Bitonti设计的3D打印家具（如图1），通过软件算法与3D打印技术，将自然形式与肌理融合在设计作品中，体现错综复杂的生物形态与3D打印技术制作镂空肌理的高度表现力，从个体到群体进行形式簇化建构，浮动的点按照云重建进行计算，视觉层面上彰显技术美感。

伴随着对生物体的探索与3D打印技术的成熟，除宏观形态能被肉眼可见外，具有优美形态的微观世界的组织形态、流线特征、生理机能也将逐渐对BID产生直接或间接的借鉴意义。尊重思考生物界的智慧，探索全新面貌的生物世界，通过设计创作体现生物高度细致与复杂的形式和肌理，从而获得作品的视觉生命性，此种设计思路亦是体现可持续发展与生态设计思路的主流价值观念。微观视野中的生命现象呈现出非同一般的审美视觉语言，往往包涵丰富、秩序、优雅、韵律等语义要素，将视觉符号进行提取并提炼优化，借助有机的造型语汇使其再生，产品的生命力感与生命体验价值随之应运而生。设计师Lilian van Daal设计的家具《Biomimicry》（如图2），设计灵感来源于植物细胞的内部形态，细胞作为构成生物的基本单元，其组织形式精密且高度有序，细胞形态下的整体形态体现着生物学角度的静态平衡逻辑。

（二）结构机能的拟真聚构

生物在遗传与进化过程中结构与骨架单元呈现出优异的数学秩序，并在演进过程中越发生态、精巧与机智，3D打印家具设计已不局限在自然界形态上的模仿，其内部的结构功能及运行机制也逐渐成为设计策略。BID中的仿生学体现了自然界结构与功能的完美结合，反映了生物进化的规律与功能组织形式。在BID基础上可以优化产品结构与功能以提高性能实现最佳的解决方案。设计创作过程依托自然功能组织的合理建造规律，对生物结构进行真实模拟，通过理性、逻辑的方式反映复杂生物形态的力学特性，促使设计以最优化的结构形式与高效布局进行塑造。

从2004年第一把用绸缎进行3D打印的椅子《Solid C2》开始（如图3），家具设计领域重视充分发挥材料强度与结构优化，摒弃常规连接方式进行了BID思维下的颠覆性设计重构。

Fractal.MGX设计的分形咖啡桌（如图4），借鉴树木的分形生长模式，利用环氧树脂材料一次成型，整体造型没有任何接缝，树茎由底部向上生长过渡到顶部浓密的细小枝干，传统工艺难以制造，通过精确的结构计算创造出可以施加足够力的高度灵活轻便结构，运用3D打印成型，质轻节约材料的同时精准地发挥材料效能与结构内在力学稳定性特性，整体设计形态也充分体现植物的非线性特征，充满前卫雕塑般的炫目视觉冲击。著名建筑师Zaha Hadid的家具设计（如图5），设计出发点为借鉴自然生物的内部结构并进行优化，通过最少材料的消耗进行结构塑造，充分利用内部的中空结构与巧妙的配筋制作质轻的高力学性能椅子，此种结构整体不仅具备良好的张应力，而且能承受较强的压力并有优秀的耐冲击性能，整体造型充满未来主义设计的神秘气质。基于BID思维对生物体的整体或局部结构进行研究，建构结构与设计间的内在联系，完成复杂数学模型并借助3D打印手段加工完成，此种技术手段下产生的造型形态与结构是传统加工方式中的几何语言难以完成的，具有良好的延展力与应用前景。

（三）材料的可持续置换

随着3D打印处理能力与材料适应性不断提升，材料的可持续置换将有效弥合3D打印与大规模生产之间的间隙。洛杉矶的设计师Alvin Huang利用多材料与多种质地的塑料材料混合，有效弥补了单一材料特性局限的缺点，制作了集合多塑料材料属性优势的《Durotaxis》 椅子。多种材料的任意分布与同时打印技术已逐渐成熟，木粉材料的产生使得经济实惠的个性化木质家具变为可能，与此同时，以废弃的小麦、水稻、玉米等秸秆经过粉碎与添加化学材料的分子与功能改进制成的3D打印材料，价格低廉，绿色环保，改善了秸秆焚烧对环境的污染，同时节约了能源，这些新材料新技术极大地开拓了设计者的设计塑造空间。美国加州大学伯克利分校等研究机构，正在探索利用废木屑、鸡毛以及海产品加工废料制作3D打印材料。材料不仅作为产品审美的重要组成部分，更是能源消耗的重要组成部分，在家具设计的形态创新表现材料的创造性拓展过程中，废旧及废弃材料的资源化再利用更有助于体现家具的生态与美学价值，作为传统常规材料的替换应在设计创造中给予高度重视。

结 语

基于BID思维的3D打印家具设计探索已逐渐走到了家具设计领域的最前沿，伴随着3D打印、云计算、大数据等技术的出现与逐步成熟和推广，家具设计的模式将发生重大改变甚至创新颠覆，届时全新的生产、商业与经济形式将引发空前的消费模式与新的视觉层次结构，对于家具设计师而言，3D打印意味着技术上的革命性进步。以美国的Shapeways、荷兰FOC和比利时的iMaterialise为典型代表的3D打印服务商，其3D打印技术产业化发展已成绩斐然，与此同时，如Daniel Widring Studio、Nervous System Studio等3D先锋工作室的涌现，未来将会催生越来越多探索3D打印模式与物化设计的新形式，更多的设计师将为大众提供体验式与参与式的生产，以满足个性化与差异化的消费。3D 打印技术的发展不仅会改变未来资本和工作的分配模式，更使得设计业与制造业的成功不再取决于生产规模，而是取决于创意。在BID思维的引导下，探索设计的发展方向与设计潮流，探求生命永恒的奥秘、多样的形态、复杂的机能、神奇的结构，启发设计智慧并将为家具设计提供宝贵的生命性原则，实现想象力与技术的高度融合和拓展延伸，以满足多元化的需求与时代变革，引导家具设计的新时代潮流。

参考文献：

[1][美]胡迪·利普森，梅尔芭·库曼.3D打印：从想象到现实[M]，北京：中信出版社，2013.

[2]刘玉寒.从形态仿生设计谈产品创新[J].广西轻工业，2010，1： 59-60.

[3]邵宇.3D打印技术的发展与产品设计民主化[J].工业设计，2013（3）.

[4]周莉，莘月，张龙琳.基于3D打印技术的服装设计探析[J].装饰，2014.5：90-91.

【李文嘉，上海理工大学出版印刷与艺术设计学院】