基于参数化设计的数据逻辑思维研究

王妍　李卓

摘要：研究参数化设计中“数据逻辑思维”的含义、来源和影响，为参数化设计的发展与应用提供参考和启发。调查研究相关成果案例，全面分析数据逻辑思维在参数化设计中的地位，分析其来源的有效途径。结合其他学科理论背景对数据逻辑思维的具体应用进行深入研究。数据逻辑是参数化设计的本质，主要来源有个人经验转化和理论数据转化两条途径。通过对其的研究可以使参数化设计更好地适用于不同需求背景下的设计实践当中。

关键词：参数化 数据逻辑 数据化转化 Grasshopper

中图分类号：TB47 文献标识码：J

文章编号：1003-0069（2019）08-0065-03

引言

近年来参数化设计作品引领创新科技新风尚，从建筑领域兴起的参数化设计一经出现就引发设计热潮。首饰、鞋品、服装设计等时尚行业也逐渐向参数化独有的科技感、未来感造型风格靠拢，进一步的，参数化设计在其他工业设计领域如一般工业产品和汽车产业等领域中逐渐得到了更加广泛的研究和应用。随着参数化设计的应用范围广泛铺展开来，对于参数化设计的思维本质以及计算机数字化背景在其中影响的探讨也显得越来越有现实意义。参数化设计的计算机数字化背景作为其根源和主要应用形式，为其深入研究提供了一个很好的切入点。

一、参数化设计概述

（一）基本概念

参数化设计的本质是可控量化参数通过计算机软件设定法则或者逻辑函数实现生成多元结果的过程，它以数字化的方式诠释设计目的，构建设计逻辑，解决设计问题，进而寻求更新的形式和更多设计优化的解决方案。

（二）发展脉络

现代参数化设计是伴随着计算机数字技术的发展而逐渐应实际设计需求发展起来的一种新型设计方法，随着其多领域应用、多形式表达得到了越来越广泛的关注和发展。它通过逻辑建模调节参数，迅速得到相应变化的模型结构，从而可在短时间内生成大量结果，用以对比分析优选，有效地提高了设计效率。拥有着计算机的数据逻辑背景，参数化设计通过逻辑建模可为广泛适用的工业化产品提供大量富有变化的形态结构样式，对于形成全新的设计形态和格局做出了巨大贡献。

参数化软件繁多，本文主要基于Rhinoceros+Grasshopper軟件平台进行简要介绍。Grasshopper是一款在Rhinoceros环境下运行的三维模型插件，采用程序算法生成区别于传统建模工具的操作方法，将数据逻辑转化为可视化几何模型。Grasshopper的最大特点是可以通过程序算法向计算机下达更加高级且复杂的逻辑建模命令，使计算机根据确定了的数据逻辑结构自动生成模型结果。通过编写含有逻辑建模概念的运算器，机械性的重复操作可以交由计算机的自动循环运算来完成，如图1所示。

Grasshopper将编程语言变成可见的集成块，让用户自己拼装并将这一过程链接起来使其成为一个整体。使得建模思路和完整过程以更加直观的图形化形式进行展现。图2中每个运算器都可以对其中的参数进行调节，以生成动态的多元化的设计结果。在增强视觉感染力、表现力的同时也体现了科技化手段在丰富产品形态结构上的巨大优势。另外，Grasshopper本身还具备兼容多种特点的次级运算器功能，设计师甚至可利用Grasshopper自带的编程工具编写特殊的个性化运算器，这也是Grasshopper成为最流行的参数化建模插件的原因之一。

（三）主要特点

1.以数据逻辑为质。参数化设计手段与其他计算机辅助设计方式两者最大的差别在于参数化设计在计算机软件技术的应用上更能够显示其核心是在于数据逻辑思维的巧妙特质，即“操作数据进而间接影响形态”，而不是广泛意义上的单纯数字化呈现。参数化设计最大的特点就是将设计中的逻辑关系外化，强调逻辑，逻辑是参数化设计的核心和本质。数据的逻辑结构反映了数据的组成元素之间的关系，数据通过逻辑结构在虚拟上的实现反映了客观几何元素的物理水平。

2.以设计思维为本。因为数据逻辑信息的复杂性和多元性的特点导致目前参数化设计的具体表达是依靠计算机庞大的计算能力来承载的，现代参数化设计更多地表现为一种计算机辅助设计实现的逻辑可视化过程。参数化设计的出现意味着形式的可能性将超过人能达到的最大极限，其中最为关键的就是设计的逻辑算法，它体现了设计师的本质意愿。这是人们在突破自身计算能力而追求更加多元化设计结果的大胆尝试，这也是随着科技的不断进步人们体现自身价值的必然趋向。

二、数据逻辑来源的两条途径

数据逻辑是计算机用以安排数据进行运算的逻辑结构，它体现了整个设计过程的总体框架，是设计作品的骨骼。数据逻辑作为一种逻辑框架拥有一定的知识性和规律性，这种知识性和规律性与其他经验法则有本质上的相似性，通过一定思维转化方法，有机会将其他经验法则转化为计算机可以接受的逻辑结构即数据逻辑结构。这样既拓宽了数据逻辑框架的来源，为后续数据的加载提供了多样化的基础条件，同时，还可以用一种全新的方式将已有的经验法则进行合理化利用，并且反作用于科学的不断进步。由此经验法则的数据化转化起到了一举多得的作用。

目前参数化中的数据逻辑框架的来源主要有两个：一是设计师通过日常观察、经验积累总结出的个人设计思维进行梳理和提炼，用数据的方式进行逻辑化表达，逐渐形成参数化设计中的数据逻辑框架。二是设计师对于其他自然学科总结出的规律和守则加以分别，以实际设计目标甄选出具有进一步发展潜力的科学理论进行数字化背景的数据逻辑转化，以运用到后续的设计活动中去，如图3。

（一）以设计师的个人思维转化为来源

传统设计模式下的设计过程大部分往往只存在于设计师自己的脑袋里，受传统手段对于形体表达方式的局限性影响，设计师能够表达出来供以交流分享的大多只是设计思维中一部分具有具体形态的结果，而在有限的表达过程中很多其他的设计想法因为这一部分具体表达的形态结果而被抹杀。这是很多设计师都面临过或一直在面临的问题，传统设计方法在思维多样性的保留和表达方面具有很大的局限性。

现在由于参数化设计的出现使得设计师们有了新的记录设计思维的方式，打破了传统设计方法取一舍三的困境。設计师通过将自己的想法转化为计算机逻辑语言，将参数化软件中的数据元素按照转化好的逻辑语言进行连接，既保留了完整的思维过程，还可以随时进行修改优化，这对于设计思维的保留具有很大的现实意义。另外，参数化软件还可以根据设计师的想法时时生成虚拟三维模型，对逻辑参数进行调整的同时还可以实现形态变化的动态展现，这对于设计师寻求设计最优解也提供了强有力的技术支持。

（二）以其他自然学科理论转化为来源

现代设计的发展在不断向更深层次延伸，愈来愈呈现出与更多学科交叉、融合的趋势。逻辑是自然的法则，也是美学的守则。几何数学、计算机科学、物理学、信息学、生物学等繁杂的自然科学已经对自然中的很多形态、结构、现象都做了大量的科学研究，总结出了许多自然科学理论和美的法则，基于计算机技术长足发展所诞生的参数化设计为这些理论和法则提供了知识转化的机会和手段。参数化设计的数据逻辑思维可以将学科理论数据化处理之后转化为计算机可以依据、表达的思维结构，这也让参数化设计的数据逻辑来源得到了极大的拓展，为参数化设计结果复杂性的表达提供了资源。

数据逻辑来源的多样化让不同设计目标在前期就打下了良好的学科背景和基础，打破了原有学科之间的科学壁垒，为多学科的交互协调发展起到了重要的促进作用。通过对这些科学理论的数据化处理，使得它们可以作为设计活动的逻辑框架构建起人们学习自然的现实途经，将自然智慧付诸生活实际，也大大拓展了现有设计的形态来源，开辟了一条全新的设计形态良好可持续发展途径。且参数化设计既带有随机性，同时又有可控性，这反过来也为探究大自然规律的奥秘和创新式生态设计提供了新的可能。

三、基于数据逻辑思维把握形与力的具体表达

形态与结构是数据逻辑的物理表达，数据逻辑是形态与结构的数字依据，不同的数据逻辑来源和背景适用于不同的设计前提之下。以数据逻辑思维为先导，因地制宜把握形与力在参数化设计中的表达既是参数化设计深入发展的理论需要，也是参数化设计更好地适应和匹配各行各业生产实际的客观要求。

（一）数据逻辑与以形为主的设计形式

1.概念简述。“以形为主”的设计一般指优先注重产品形态的设计，对于产品力学方面的设计要求不是很高，比如首饰、一般家居产品和其他小产品等。这种产品的设计要求主要体现在对其外观形态美的把控上，为了得到更美的设计结果，设计师往往要在项目前期给出大量的方案草案以供挑选，所以设计思维和形态结果的多元化发展是设计师所追求的主要目标。

2.促进作用。在“以形为主”的设计领域参数化设计方法显得尤为适用。它突出了几何形态乃至复杂形态的多样性，而3D打印技术为复杂形体的可实现性提供了技术支持，在现代工业制造产品的原型设计上有着极大的发展潜能。参数化设计的数据逻辑本质让其以可操控的形式保留了设计师思维发展的演变过程。它为设计师保留了最原始的各种数据的同时也让最原始的各种可能被保留了下来，这为后续设计的演变、发展、优化提供了更加丰富的结果，促进了设计的进步与发展。

因为数据逻辑的建立，参数化设计生成结果的多样性还满足了用户对于独特形态的个性化需求。设计师在利用Grasshopper逻辑建模方法时可以通过调节运算器所包含的对应参数，使方案快速匹配定制要求。同时，编程化的建模方式还可通过干扰、编织、Voronoi、随机生长、循环等计算机运算方式生成全新而奇妙的形态，给用户带来不同的视觉体验，增强了感性视觉力的表现，如图4。感性视觉力的形成多来自于现实中存在的事物，包括有机和无机的自然形态，以及各类人造物。应用在变化干扰方式上，不仅可通过点、线、图面等基本几何信息进行干扰，还可通过自然界中的自然现象进行干扰。例如在构建好基本曲面后加入频率干扰，可根据频率起伏、频率的集中程度分布状况而形成类声波样的视觉变化。将制作好的各种变化作为基本样式映射在之前生成的曲面形态上，可以创造出丰富而灵动的美妙结构。

（二）数据逻辑与以力为主的设计形式

1.概念简述。“以力为主”的设计一般指对设计结果的力学性能非常重视的设计过程，例如以建筑为代表的设计与工程相结合的领域。这类领域的设计目标在于保证设计产品工程质量前提下尽可能追求形态的美观和多元，在项目后期还要就工程标准对设计结果进行验证和迭代优化。所以如何能够在设计前期就将工程标准纳入设计考虑，设计出更具客观现实的结构并在形态上尽量富有新意是设计师最为关心的问题。

2.以力找形应用模式。复杂形态与结构体系之间所存在的数学逻辑与力学法则之间的偏差，构成了当今国际建筑参数化设计深化研究与面向现实实施的困境与挑战。随着参数化设计的发展人们更加了解了参数化设计的运作原理，明白了数据逻辑作为其本质可以反映出设计结果的基本物理水平，从而开始根据目标在设计活动初期的逻辑建立阶段就将所需要的跨学科理论知识作为逻辑框架的来源纳入到考虑之中。因为建筑领域总是需要考虑实际建造过程中结构力学性能的问题，所以建筑参数化设计师通过将设计过程倒回至设计初期的数据逻辑建立上，试图就其本质背景进行改善。

作为自然学科理论的一部分，现有的力学结构法则也有机会经过数据化处理后参与到参数化设计的逻辑框架中。如果在设计活动一开始的逻辑构建就从物理学的力学结构理论出发，使得它们作为设计活动的物理学逻辑背景，那么以此逻辑生成的结果在满足形态目标的同时将在后续的设计检验中更可能较好符合最初力学性能的设计指标。著名建筑结构大师巴尔蒙德（Cecil Balmond）专注于创新结构建筑设计方向，提出了一系列与建筑结构相关的数学和物理定义，以及由此生成的建筑构成和空间组织形式，把“结构就是建筑”的理念贯彻到他多个设计作品中，为这一理论的实践提供了经验，如图5。

在数据逻辑思维的指导下，参数化设计在具有实际空间意义的三维数据层面打破了“形体先于结构”的传统设计思维桎梏，为结构设计方法的快速迭代和多样化发展做出了巨大的贡献，也为后续工程人员的检测和重构提供了便利。在联合其他计算机数字背景下的分析技术，可对参数化设计方案进行有效的线上虚拟评估，及时优化调整，做到设计与工程的有机结合，大大降低了产品实验成本，提升了前期设计到实际生产全链路的可操控性。且参数化设计自身带有的未来感、科技感风格也解放了之前在工程标准限制下的结构形态，使之朝着更加开放、自由的复杂形体趋势不断发展。

结语

数据逻辑是计算机背景下的参数化设计的灵魂，数据逻辑思维下的参数化设计方法的应用突破了传统设计思维的局限性，将“新鲜血液”注入到了当今设计形态与格局之中。以往需要人工整理的设计过程通过数据逻辑的转化被直观地记录下来，既保留了设计的多元化潜能，也减轻了设计师们的生理负担，使得他们能将更多的精力投入到设计思维的本质理解和形式的表达之中。数据逻辑思维通过参数化设计表现手段将理论逻辑与视觉感知有机的结合起来，在思想、方法、技术、风格等各个层面都带来了深刻的影响，具备很强的前瞻性与启发性。数据逻辑来源的多样性还促进了多学科交流融合以及设计结果的多元化发展，推动了设计到生产全链路的优化升级。基于数据逻辑思维的参数化设计突破了人生理上的有限，而将人的思想价值放大到无限，这是人类发展进步的过程中最宝贵的部分。