基于grasshopper 的陶瓷造型参数化设计研究

吴俊卿

(无锡工艺职业技术学院，江苏 宜兴 214221)

0 引言

以工业产品为主要对象的产品造型设计影响因素大致分为物质功能、造型艺术和物质技术条件三要素[1]。长期以来，为迎合生产工艺的需要，在造型方面，传统的以机械压坯成型和石膏模注浆成型为主的生产方式更多是生产一种规矩、稳重、几何化、简洁化特征的日用陶瓷产品，缺乏个性和人情味，已经无法适应人们的现实需求[2]。为了满足当下多样化的需求，迫切需要新的设计方法。在满足生产的前提下，能够增加造型的趣味性和观赏性。Grasshopper 参数化设计方法作为一种约束型设计，改变传统设计发散性的设计方法，通过建立逻辑关系制定特定算法规则来实现设计目的。并且其“动态”找形过程，有助于设计师兼顾审美和生产的需求，为陶瓷造型的创新开拓新的途径。

1 参数化设计概述

参数化设计（parametric design）是一种基于算法思维模式的处理方法，可以将各方面条件因子有效地组织起来，通过定义规则、组合排列及编码等方式来实现可视化的设计意图[3]。参数化设计最大的特点不是直接通过曲面建模来产生造型，而是通过可视化编程，建立逻辑规则和改变参变量来进行造型的修改与调整。在规则建立完成后，设计师通过调整参数数值，得到一系列的结果，海量的生成形态又便于设计师探索观念与形式的创新表达[4]。陶瓷造型在设计过程中非常注重“成套”“系列”的设计结果，通过在陶瓷造型设计中引入参数化的设计方法，在一定程度上能够提高设计效率，增加产品的多样性以及推进设计的衍生。

2 grasshopper 参数化设计平台

Grasshopper 是在Rhino 平台下运行的一款可视化编程插件[5]，主要分为参数运算器、逻辑运算器和几何运算器三个部分，每个运算器相当于一个集成的运算代码。图1 为Grasshopper 插件运算器分类。逻辑的可视化特点体现在它把编程的基础代码转化成运算器之间的逻辑关系，将设计过程可视化、精简化[6]。图2 为程序示例。设计师能够按照设计意图，通过运算器的组合，改变参数运算器的数值来动态地调整造型形态。

图1 grasshopper 插件运算器分类Fig.1 Classification of grasshopper plug-in calculator

图2 程序示例Fig.2 Procedure demonstration

2.1 参数化设计逻辑建构过程

形态是陶瓷造型最显著的视觉特征。在参数化逻辑建构过程当中，设计师首先确定设计目标，分析设计目标的几何特征，找出几何运算器中对应的几何运算器，即特征参量。然后根据形态的变化特征和grasshopper 的算法规则，建立参量和逻辑运算器之间的联系，生成形态的原型。最后通过调整参数运算器，得到在约束范围内变化的动态形态。设计师通过筛选，得到最优形态。整个设计流程可以概括为：设计目标→参量设定→算法构件→参数调整→评价→确定[7]。

2.2 grasshopper 参数化设计优势分析

2.2.1 动态调整设计过程

在传统设计软件中，以Rhino 为例。形态的产生需要设计师按照“点—线—面—体”自下而上的生成规则来逐步构建，每一次形态的调整，需要从最底层开始修改。在方案的优化阶段，对形态的分析和筛选是必不可少的过程。为了得到最优形态，需要设计师反复按照这样自下而上的规则来进行建模。其中，包括了很多重复性的命令选取与执行工作，十分耗费设计师的时间和精力。而在grasshopper 插件当中，设计师按照设计目标将一个参数化程序编译完成后，只需改变逻辑输入端的设计参数，整个生成结果会沿着某种形态趋势发生线性变化，通过对模型的观察，找寻最佳结果（见图3）[8]。与人工操作的设计过程相比，计算机参数化设计实际上提供了一个抽象的造型机器。它可以让设计过程反反复复不断反馈，输入不同条件得到多个结果，并对设计结果进行多次修正，这是人工操作做不到的[9]。

图3 不同参数值下的形态Fig.3 States with different parameters

2.2.2 系列化作品生成

基于grasshopper 的参数化设计逻辑建构过程，可以看作是以设计结果为导向。根据影响设计结果的因素，选择几何运算器和逻辑运算器，再将各个运算器之间建立逻辑关系，最后通过调整参数运算器的数值来得到一系列的设计结果。和传统设计流程相比，在参数化设计中自上而下的设计思路，直接设计的不是某一个形态，而是满足逻辑规则下，参数范围内所有的形态。在一个程序当中，设计师只要改变参数的数值，而不需要改动程序，就能够产生海量的类似形。通过设计师的筛选，形成系列化设计。参数化设计方法带来设计的多解性，对个性化需求的解决，产品族的设计都具有重要的意义[10]。

3 作品“观云”设计实例

3.1 概念生成

本次的设计项目是陶瓷花瓶，在大量搜集和对比国内外的资料之后发现，目前陶瓷花瓶的设计方法大多是车削成型，通过改变外轮廓线的形状来产生新的造型。在表面装饰上，大多是平面图案或颜色釉。基于以上两点，本次设计将摆脱传统设计方法，利用参数化设计的优势，增加作品的个性。通过分析，本次设计目标主要由形态和肌理两部分组成。以下为具体建构过程。

3.2 模型形态建构

（1）在rhino 界面中以原点为中心，创建一个圆角矩形。（2）引入等差数列和移动运算器，让圆角矩形沿着z 轴方向多次移动，形成阵列。等差数列的数量和步数分别控制圆角矩形的移动次数和移动距离，从而控制造型的高度。（3）引入缩放和graph mapper 运算器。通过函数映射的方式，控制每个圆角矩形的缩放量，从而实现控制造型形态的目的。（4）通过放样得到造型形态。

图4 模型形态建构程序Fig.4 Construction procedure of model pattern

3.3 模型肌理建构

在表皮肌理的选择上，本次设计将采用曲纹扭转来仿生云的流动。具体过程如下：（1）将放样后的曲面进行“重新参数化”，即定义曲面的uv区间为0 到1，并利用区间等分，找出V 方向的等值曲线。（2）通过graph mapper 运算器，调整每个等值曲线接缝线的位置。（3）在等值曲线上进行等分线段，并得到等分点。通过翻转数据列表，把原来每个圆角矩形上相同列表位置的点重新放入新的路径结构内，并连接成曲线，作为放样轨迹。（4）提取每根曲线的起始点，相邻两点连接成线，并提取中点。（5）将提取的起始点连接成闭合的多段线，提取多段线的形心。（6）建立每个中点到闭合多段线形心的向量，并沿着向量进行移动。（7）将移动后的中点和相邻的两个曲线起始点进行三点连线，作为断面线。（8）利用断面线和放样轨迹，通过双规扫略的方式得到曲纹扭转的肌理造型（见图5）。

图5 模型肌理建构程序Fig.5 Construction procedure of model layout

3.4 分析优化

优化是设计的最后调整阶段。在grasshopper中体现为：在确定整个设计的逻辑建构过程后，设计师通过调整参数、改变图形映射器形态等方式来动态地调整造型形态。即通过“找形”的方式，得到最优解，或产生近似的造型和肌理形态，达到系列化产品的目的。在“观云”设计算法中共有6 个调节参数输入端和2 个图形映射器，分别控制基本形体和肌理形态。为了方便研究，本次设计，主要将通过改变表皮肌理的方式来实现系列化产品的目的（见图6）。因此，将变量分为两个部分：一部分是在造型形态确定合适后的固定参数；另一部分是影响肌理造型变化的可调节参数。以下用图表的方式对这些参数进行分类（见表1）。

表1 “观云”主要控制参数Tab.1 Major controlled parameters

图6 不同graph mapper 形态下的肌理造型Fig.6 Modeling under different graph mapper states

在生产前的验证阶段，通过分析软件观察得知：当调节纹理深浅的参数值过小时，纹理效果不明显；当参数值过大时，在生产制造时有一定坍塌的风险。坍塌区域为造型扭转较大部位。通过分析，降低坍塌风险的主要办法为降低扭转较大部位处的纹理深浅。具体做法如下：在3.3 模型肌理建构中，增加结束位置断面线，并且控制断面线凹凸的数值和起始位置成负相关，使纹理深浅呈由凸到凹的变化。经过优化的肌理效果增加了表皮肌理凹凸的对比感，并且能够规避生产时坍塌的风险，兼顾视觉和实际生产的需要。模型和程序的前后对比效果见图7、8。

图7 优化前后程序比较Fig.7 Procedures comparison before and after optimization

图8 优化前后效果比较Fig.8 Effect comparison before and after optimizations

图9 参数化模型建构和优化过程流程图Fig.9 Flow chart of optimizing process of parameterized modeling construction

4 结 论

伴随着生活方式的改变，大众对陶瓷造型的需求越来越多样化。参数化设计方法，在陶瓷造型设计领域具有重要的现实意义。一方面，为设计师提供了一种全新的设计思维方法，根据设计目的，引入约束条件和变量参数；另一方面，独特的“动态找形”设计方法，能够更直观、快速地进行形态调整，有助于设计师和客户之间的沟通，并且丰富产品的形式，促进系列化产品的生成。