汽车内饰参数化设计方法研究

梅涛 孙颖莹 夏芒

关键词：参数化设计 内饰设计 算法生形 grasshopper 自动驾驶

引言

体验经济时代的到来，用户对待产品的需求不再局限于功能的改良优化，多样化的产品形态，独特的CMF设计等应用研究都随着用户审美的提升而迅速发展。汽车内饰作为多类产品的高度整合，也在新能源、自动驾驶等时代背景下迎来全新的设计变更。随着出行工具的重新定义，休息娱乐、学习办公等传统的固有场景开始移动化，汽车的内饰开始承载更多的功能需求，这也将驱动汽车内饰向轻量化、定制化等方向快速发展。

参数化设计凭借其极具辨识度的造型风格和以计算机计算生成结果的设计模式，突破了人们对形态的想象和认知，也赋予了设计师新的思维方式。目前参数化设计在汽车内饰中的应用研究主要集中在表皮纹理等CMF设计方面，但是通过参数化在建筑和产品设计领域中的案例分析可以发现，运用参数化及算法生形的方式得到的设计结果具有轻量化、多样性等特点，为造型带来更多可能性，这与内饰的发展趋势相契合。

因此，将参数化设计模式和算法生形技术与内饰进行系统性的整合，找到合适的应用切入点，能够有助于设计师以全新的视角和设计思路来看待内饰造型，同时也能够拓展参数化及算法生形在工业制造领域的应用场景。

一 、参数化设计概述

（一）参数化设计

参数化设计是基于数字设计与制造背景下衍生出的一种设计方法。它强调设计工程的逻辑性和关联性。传统的设计方法通常是线性思维，自上而下式的推导，一旦方案发生变化就需要回溯到前几个层级进行修改，而参数化的设计模式，要求设计师去寻找数据之间的拓扑关系，进行逻辑层面的归纳和梳理，借助计算机语言来描述形态生成过程，如此一来整个设计过程都可以维持逻辑的统一，产出的设计模型也是联动的，灵活性较高[1]。

（二）参数化设计思维

在建筑制造和产品设计中，参数化的运用秉承两种设计思路：一种是参数化实现设计，即按照传统的设计思路，由设计师主导，提前构思建筑形态，随后利用参数化的方式进行数字模型构建，并对结构、模块分组方式进行优化，辅助设计制造;第二种是参数化主导设计，设计师的工作重心不再是通过经验和判断力去构思设计，而是根据数据之间的拓扑关系，构建参数化系统，建立完整运算规则体系，从而直接由计算机生成设计结果[2]。

在产品的CMF设计中，设计师对局部表面运用参数化的方式设计纹理来提升外观的层次感，只要满足模具制造的基本要求，这样的纹理都能够被大规模生产。在一些个性定制化产品设计中，设计师利用相关工具建立参数化系统和生形规则，再利用约束条件去控制形态的生成[3]。约束条件即参数的提取可以分为感性意向参数和理性特征参数。感性意向参数是指运用感性工学的实验方法将用户对产品的意向表达情绪进行量化，通过指标筛选参数。理性特征参数是指提取符合用户人机工程标准的参数，例如鞋类、服饰、座椅等产品定制化设计过程中首先需要对用户的局部人体数据进行采集，之后在计算机内构建基本数字模型，在此基础上用参数化的设计方式做生形计算，之后再用有限元等力学分析方法判断产品的功能性、结构性，再做进一步的形态优化。

（三）基于grasshopper的参数化算法生形

Grasshopper是一款基于Rhino软件平台的参数化插件，凭借其强大的数据处理能力和可视化的编程方式，成为目前运用最广泛的参数化设计工具。 grasshopper中内置了许多算法的核心模块，设计师只需要通过可视化的编程方式搭建算法逻辑便能控制算法生形。

1.干扰算法：干扰算法在表皮纹理的设计中最为常见，是一种在单位元素阵列群化的此基础之上，通过干扰源来有规律的对肌理整体的节奏进行干扰控制的一种算法，例如可以通过干扰源和受干扰物件之间的距离来控制单元模块的大小、间距、深度等，让其呈现一定规律的变化。

2. Voronoi算法：在Grasshopper中集成了Voronoi 2D和Voronoi 3D两个模块，与生成随机数指令结合运用，可以在三维空间之内随机生成细胞模块，再結合Weavebird等细分工具可以生成复杂的有机形态。Voronoi是目前在工业设计中运用较为广泛的一种算法，运用此算法生成的形态一般不具备规律性且多样化，需要通过3D打印技术实现增材制造，所以多在定制类产品设计中使用，比如珠宝首饰、家居装饰品等。

3.极小曲面算法：极小曲面在数学上的定义是在满足一定约束条件之下表面积最小的曲面。这一特殊的几何性质，使得极小曲面拥有优秀的结构性能，同时其本身优美的造形曲线与虚实结合的空间关系也使许多设计师为之着迷。几百年的研究历史，数学家们成功将极小曲面的构成关系数理化，并运用了函数进行逻辑表达，在Grasshopper中，Millipede（千足虫）插件就集成了极小曲面的生成模块，通过输入不同的极小曲面表达式来得到不同的极小曲面造型[4]。

二、面向未来汽车内饰的参数化设计方法

（一）未来汽车内饰设计趋势

21世纪初，由于三大技术（高密度锂电池、电池管理、信息通讯）的成熟，电动汽车成为了新能源汽车的市场主力军。而与传统燃油车相比，电动车的续航能力一直是无法取代燃油车的一大原因，因此通过降低整车重量来提升续航能力的轻量化设计思路成为了目前改良此问题的研究对象。对内饰进行轻量化设计，主要从材料、制造和设计三方面着手。合理的采用质量较轻的金属非金属材料;采用先进的轻量化制造技术，如液压膨胀、激光拼焊、3D打印等先进制造工艺轻量化结构;使用结构优化设计方法可以对原有结构进行优化改进，常用的优化方法有拓扑优化、尺寸优化以及形态优化等。通过对应算法，可以使基本形态按照约束条件（承重、对称等）生成最优的结构尺寸和最省料的形态。在参数化软件Grasshopper中也有对应的插件可以完成结构拓扑优化，如Millipede（千足虫）、Ameba（阿米巴）等。

从产品定位层面分析，无人驾驶技术的成熟会加速汽车从传统的出行工具到移动空间的角色转化，同时在互联网的推动之下，这类移动空间在未来会根据不同的用户场景呈现出多种功能细分，比如商务、休憩、运动等。从人机交互层面分析，在智能网联技术的布局下，汽车硬件也在不断更新升级，可以识别用户状态并进行反馈，逐渐为用户提供更加智能方便的车生活[5]。

个性化定制，其本质通过多品种、小批量的生产模式，满足用户的多样化需求，这与传统的大批量生产模式相矛盾，而随着5G、互联网等信息技术的发展，智能制造逐渐在两种模式之间找到了平衡点，即在保持大批量生产的成本和效率优势的基础上，满足了消费者的个性化需求。目前汽车内饰的定制主要集中在局部内饰件的定制，例如汽车座椅的表皮材质、纹理，内饰整体的涂装风格等。

（二）面向汽车内饰的参数化设计原则

1.轻量化原则基于新能源背景下汽车的发展趋势及电池续航能力的瓶颈，整个汽车框架（车身、内饰、车架）都需要轻量化设计和制造。在运用参数化的方式设计内饰模块的时候需要遵循轻量化的原则，运用拓扑优化、网格细分、Voronoi生成骨架等算法设计出用料少、骨架轻、结构稳定、形式优美的内饰产品。

2.多样化设计原则基于智能互联网背景下的汽车将被重新定义，作为出行工具可以附加工作学习、娱乐休闲、运动健身等场景标签，场景需求的多样化促使内饰设计的多样化适配。通过参数化算法生形的形态可以突破传统的思维局限，复杂的生形算法只需要调节相关参数，便可以产生不同的形态，给设计带来更多可能性。

3.定制化设计原则汽车制造产业不同于一些小体量穿戴产品的制造模式，汽车企业要对每一位客户准备不同设计、达到量身定制的服务是不切实际的，因此车企在实施大规模定制生产时遵循的原则是在一定的资源范围内尽可能的满足用户的多样化选择需求。而参数化设计天然的计算优势，可以利用算法在一定的约束条件之下生成结构和外观的优化方案，同时根据不同参数的输入呈现设计方案多样化，可以为内饰定制的多样化需求提供设计层面的支持参数化算法由设计师通过基本元素之间的拓扑关构建，由外部约束条件控制，在定制化的模式之中，设计师应当关注用户的需求，将用户个人的人体参数、审美意象作为约束条件去干扰算法生形，实现真正意义上的个性定制。

4.功能干扰原则是指将内饰空间按照功能划分为不同模块，例如满足乘坐的功能区域、操控的功能区域、储物的功能区域等，之后根据每个不同的功能模块所需要的空间尺寸、形态轮廓来建立基本的干扰物件，作为形态母体输入到算法之中。

5.人机约束原则以人为本的设计出发点要求设计师在进行产品设计时必须严格按照相关人机工程标准执行。在以计算机主导的参数化设计模式中，人机工程数据的约束能够使算法得到的设计结果更加精准和有效，在内饰空间、座椅等形态生成的过程中，人机关系约束对最终形态的导向将起决定性的作用。而且不同人的人机数据会对算法结果产生差别化影响，满足用户个性化的定制需求。

6.简化输入原则是指算法的最初干扰形态从简设计，算法生形的一大优势就是能通过简易的母体衍生出不同类型的形态方案。简化输入既可以解放设计师部分生产力（传统模式中设计师在前期就需要不断构思推导方案），也能够降低用户参与设计的门槛，用户能够以一种更加积极和主导的姿态参与到方案前期的讨论中，设计师也能更高效准确地去捕捉用户的真实需求，提高设计的沟通效率。

7.形式优化原则计算机主导的参数化设计模式并不是指计算机生成的形态便是最佳方案，设计师只是把造型推演、空间拓扑关系建立等工作交由计算机执行，而设计师自身需要扮演架构师的角色去构建算法程序，由于相关算法所生成形态的随机性与多样性，设计师需要根据形式美的法则不断去调整算法的约束条件从而去控制计算机的生形方向和趋势，在形式美和功能完善的基础之上去筛选最优方案。面向汽车内饰的参数化设计原则，如图1所示。

三 、汽车内饰参数化设计

（一）参数化设计在乘用车中的应用

1.参数化设计在汽车外饰中的应用通过参数化设计方式生成的产品纹理依附于外观设计，拓展了产品表面肌理的多样性，逐渐成为近几年常用的纹理设计手段。参数化纹理在汽车外饰表皮中的运用提高外形創新的同时，增加了品牌辨识度，同时以一种新的视觉感受来平衡因车身结构（电动化、模块化）改变带来的外观影响。按部件分类，目前参数化设计较为广泛应用的是格栅、尾灯以及车身的外表皮部分。例如2016年发布的宝马Vision Next100概念车的设计中，格栅部件、轮包表皮都采用了有规律可循的参数化纹理，尤其是轮包的处理，参数化纹理不仅仅作为外观装饰，还与汽车转向时的灯光效果相结合，呈现一种自然的呼吸感，这种将纹理与功能相结合的方式，也为参数化设计在产品表皮中的应用提供了新的思路，如图2所示。

2.参数化设计在车身设计中的应用利用算法生成的形态可以突破传统金属外观的限制，作为设计师灵感和想象力的补充。在一些车身设计过程中，设计师会利用算法生成有机的网状车架，之后再根据车架结构和形式美法则设计表皮铁皮造型。对于复杂车架的制造一般会采用3D打印组装的方式，相比传统的车架制造工艺更加省料环保。通过算法生成的车身具有轻量化等优势，在设置最初约束条件时可以按照空气动力学标准来设计，这样的约束算法可以用在未来赛车的车身设计上，提供全新外观设计的同时优化其性能。如图3所示。

3.参数化设计在内饰CMF设计中的应用目前参数化在内饰件中的运用主要还是在CMF层面，但是内饰件多种多样，功能不一，其表面材质、肌理的设计也有很大差异。针对不同的内饰件，往往也会采用不同的参数化算法进行设计。例如针对车载音响的扬声孔设计。利用算法图解去模拟自然界的叶序规律[6]，以黄金角137.5度为核心参数（互生叶序中相邻长出的叶片理想夹角均为137.5度），基于斐波那契数列构建相邻项便可以生成叶序规律。与汽车外表皮参数化设计相似，在内饰件的CMF设计中，使用干扰算法来生成纹理成为了提升内饰整体品质感的有效手段。许多品牌的汽车内部仪表板、方向盘、汽车座椅等产品表面的纹理都运用了干扰算法进行设计。如图4所示。

（二）汽车内饰参数化设计流程

参数化在内饰设计中的应用不同于单个产品的设计，需要考虑产品之间、人与产品之间、人与空间的关系。因此在选择相关算法生形之前，需要解构整个内饰布局，区分不同的功能模块（乘坐、休息、娱乐等），获悉基本的功能形态参数（产品的基本框架、外轮廓等信息）以及人机工程参数（座椅高度、屏幕高度等），以此作为后续算法的约束条件。之后，针对不同的内饰模块选择算法，大件产品例如座椅、办公桌等运用拓扑优化、极小曲面等算法进行轻量化生形处理，外表皮CMF设计运用干扰算法生成非线性纹理，提升产品品质感等。通过算法生形得到的形态具有一定随机性（调节参数形态就会产生较大差异），此时设计师应当介入凭借美学素养和用户意向对算法进行有效变形，把控生形方向，进行形态优化。

（三）基于参数化的内饰设计实例

现代汽车内饰系统可以划分为以下几个子系统：侧围饰件系统、座椅系统、座舱系统、乘员约束系统、声学饰件和顶饰件系统。相比外饰，内饰包含零部件众多，结构复杂，设计师需要将各部件整合为满足人机工程、功能性和体验舒适感的空间同时，提供优越的审美体验。汽车作为承载用户的出行工具，其乘坐系统是核心功能之一，笔者以内饰乘坐系统为例，提取相关坐姿数据构建基本功能形态，并构建参数化算法进行生形计算。常用的坐姿人机数据可以参考国家标准或者用逆向扫描的技术直接获取人体数据，笔者采用的提取方法是第三代Kinect和Unity环境下的实时人体模型建立。

1.人體工程参数提取与预处理以可调节的座椅作为承载来模拟内饰乘坐系统，邀请被试采用三种姿势分别模拟平躺休息、普通乘坐、端坐办公三种场景，每一种姿势都通过被试自身的最佳感受调节，之后用Kinect进行记录并用Unity生成三种场景下的坐姿模型。提取人体坐姿数据之后，将坐姿数据导入Rhino中，并完善人体模型，提取关键人机曲线。

2.生形算法构建将上一步得到的人机曲线作为算法干扰源，以极小曲面作为算法原型，并运用几何包裹的变形方式进行生形干扰。GeometryWrapper（几何包裹）运算器来提供构建等值面的体数据，再搭配Iso surface运算器生成基于体数据的极小曲面，Geometry Wrapper运算器的输入端为Geometry，即几何形体，因此可以用曲线、曲面、有机体快等物件去生成体数据，从而对极小曲面产生干扰。以普通乘坐姿势为例，将得到的座椅框架曲线拾取进Grasshopper中，首先用divide curve指令将曲线进行等分，得到可以人为控制的等分点，之后将这些等分点作为干扰物件接入到Geometry Wrapper的接收端，围绕这些点生成力场，通过衰减度、立场强度、型面分辨率等参数控制极小曲面之间的融合度，从而生成座椅骨架形态。

3.优化算法结果构建完生形算法之后，将人机曲线拾取到算法输入端，调节相关参数值，便可以得到一系列基于人机关系的产品形态。除了通过调节参数的方式调整计算结果之外，设计师还可以手动的在Rhino界面中去调节初始曲线的控制点、走势等去影响最终的算法形态，这种方式使得设计师可以更加直观可控地去影响算法的生成结果，在设计师的主观判断和计算机的逻辑生成之间找到可控的平衡点。笔者通过对三种不同坐姿提炼出来的座椅功能曲线分别输入到算法中进行生形计算，调节参数和曲线形式改变计算结果，并将其汇总对比，如图5所示。

4.设计方案评价运用Geometry Wrapper（几何包裹）运算器来干扰生产极小曲面的方式较为灵活，设计师可以在Rhino中根据功能参数或者人体工程学参数限定产品基本外轮廓，之后运用这个基本轮廓去干扰生成等值面，这样计算得到的等值面既具备良好的轻量化造型属性，同时符合真实场景相关参数的约束条件（功能制约和人机关系制约）。但是在此生形模拟实验中，仅仅是以座椅为例进行研究，而真实的内饰环境更为复杂，是多个功能系统的集合，所以需要将多个功能模块进行拆解，去提取每一个子系统的人机功能参数，并且人为的去优化这些参数构建基本功能形态，作为算法的约束条件输入。

结语

面向未来汽车内饰的参数化设计方法研究，探讨的是在新能源、自动驾驶等技术背景下，参数化的设计模式和算法生形技术与内饰设计的兼容形式。其重点在于研究参数化的设计模式在内饰中的具体运用场景和使用原则，构建完整的方法论体系，并通过这种方法去指导内饰设计。随着生产技术的迅速进步，利用参数化的设计方式生成的复杂形态也逐渐具备大规模生产的可能性，这也将从技术层面推动汽车内饰的参数化设计运用，将算法生形的优势更好地展现。