基于层次分析和形状法的桌面取暖器造型设计研究

2022-05-30蔡林燕

美与时代·上 2022年6期

摘要：为满足现有桌面取暖器市场快速迭代的需求，解决造型同质化等问题，可以用一种差异化的造型设计创新方法，提升与目标用户感性需求的匹配程度。首先对桌面取暖器整体造型层次要素进行梳理，通过感性工学获取目标用户偏好的意象词汇，确定造型设计风格;其次提取符合用户意象的产品形态曲线，借助形状文法进行创新设计，得到初步造型设计方案;最终利用层次评估模型进行筛选，确定最终设计方案。通过科学的设计方法，建立层次分析评估矩阵模型，并对相关指标进行量化处理，提升产品造型设计的创新程度，来获取最佳设计方案，增加产品的市场成功率。

关键词：层次分析法;形状文法;感性工学;桌面取暖器;外观造型设计

一、引言

现有桌面取暖器外观造型存在较多问题，难以精准满足特定消费群体特殊的审美需求。造型集中体现着产品外观风格，是产品的重要组成部分和设计开发决策的关键环节，造型设计的根本是为了满足用户的感性需求。然而，现有造型设计评价标准，受设计师个人主观偏好影响较大，充满不确定性。因此，本文以层次分析法为基础，结合感性工学确定产品目标造型意象，借助形状文法对桌面取暖器进行造型设计创新，弥补以往设计人员凭借自身感性判断主导造型设计的不足，进而引导更加理性和科学的产品造型设计创新。

二、相关理论研究现状

美国萨蒂教授在19世纪70年代提出层次分析法，该方法为统计类权重分析实验方法，用于针对定性问题来进行定量分析。其将设计对象拆分，形成多层次、多准则、多要素的模型，运用数据公式计算权重，为设计提供科学合理的参考[1]。

近年来层次分析法应用较为广泛，周祺等利用该方法对皮影游戏产品的用户需求与设计要素进行提取与分析，为创意设计指明方向[2]。侯建军等建立了智能婴儿手推车的功能需求层次体系，为婴儿手推车的设计提供指导[3]。赵艳晓等运用模糊层次分析法探究影响肿瘤儿童医疗玩具设计的要素，并建立评价层级指标模型，明确设计优化方向[4]。

形状文法（Shape Grammar，SG）是美国设计学家George Stiny等人在基于对符号语言理论的研究上，提出的一种以形状运算为主的设计方法，可用于品牌识别与产品设计领域[5]。形状文法通过明确的文法推演规则，使得形状曲线在规则的作用下衍生出不同的造型形态曲线，在保证风格延续的基础上，对造型进行创新。在国内，形状文法在多个领域内都有研究，李阳等通过风格意象及物理尺寸等约束，依据形状文法内在推演机制，提出文法化和物理约束相结合的推演规则，以提高造型推演的科学性和高效性;卢兆麟等研究了产品造型意象与品牌基因之间的联系，并以摩托罗拉手机为例，应用形状文法进行造型推演，实现品牌特性的传承[6];王伟伟等以电动踏板车为例，运用形状文法分析现有产品造型形态特征，提取满足用户感性需求的设计要素，对形状进行推演[7]。

通过对现有研究的分析可知，层次分析法可以更精准地定位设计方向，而形状文法可用于产品造型设计创新。因此，本文基于层次分析法对桌面取暖器造型设计要素进行分析，通过形状文法进行造型设计实践，力求提升造型设计的合理性与科学性。

三、基于层次分析法和形状文法的造型设计研究思路

首先，为了解桌面取暖器造型设计评价重点，通过层次分析法对目标产品的造型设计要素进行分析，建立层次评估模型，并通过公式计算，了解各设计要素权重;其次，针对权重值较高的造型要素进行感性意象研究，借助形状文法进行造型推演;最后，基于层次分析模型进行造型设计综合评估，获取最佳造型设计方案。

（一）构建产品造型层级模型。首先，根据层次分析法规则，将产品的最终设计目标定义为层次分析模型中的一级目标层;其次，将一级目标层进行拆解，划分出多个准则层，进而细化到方案层，最终构建出完整的层次分析模型，通过调研数据形成评价层级矩阵，运算得出矩阵中各层次要素的权重值，针对权重值较高的要素进行接下来的设计研究。

（二）确定产品造型设计重点方向，为下一步的设计实践奠定基础。具体可通过问卷、访谈等方式，运用感性工学，确定造型风格与设计方向，筛选符合风格意象的产品，建立相应的造型曲线集。

（三）进行形状文法造型设计实践。根据产品意象造型风格，从造型曲线集中随机选取合适的形态曲线，，根据形状文法推演规则对其进行推理演变，构建新的桌面取暖器造型形态曲线集，形成创新方案群。

（四）以第一步构建的造型层次评价模型进行综合评估，获得最佳造型设计方案，并输出模型。

整体研究思路如图1所示：

图1 研究思路

四、以桌面取暖器造型为例的实践案例

（一）造型评价层次模型的构建

在确定设计对象为桌面取暖器造型设计后，通过调研及查阅资料，发现目前桌面取暖器的主要用户是學生及年轻群体，其次为中老年家庭用户，女性用户在其中占多数。由于年轻群体的消费潜力巨大，因此，将本研究的目标用户定为18-30岁的女性群体。

为更好地满足这部分用户对于桌面取暖器的外观造型需求，需要首先了解取暖器造型设计的评价体系，确定设计重点。运用层次分析法的优势在于，能够将原本评估流程中无序的指标数据转化为有序的递阶层次模型，从而量化原本复杂的定性过程。

通过对桌面取暖器进行用户调研及竞品分析，了解其在造型制造工艺、美观及经济成本等方面的影响要素，建立评价层级模型。根据层次分析法将评价指标分为目标层、准则层和方案层[8]，其中以最佳桌面取暖器造型设计方案定义为目标层，将目标层划分出经济性、审美性、工艺性和安全性[9]，这四个构成了模型中的准则层，继续进行拆分，得出如图2所示的层次评估模型。

其中经济性主要指的是产品在生产过程中所花费的总成本，包括材料成本和加工成本两部分。审美性则是由形态风格、色彩、材质、表面纹理和社会因素这五部分组成，其中社会因素用以衡量造型设计是否符合当前设计潮流及受众的审美认知，形态风格则表示产品整体风格统一，确保产品形态比例协调，在视觉上均衡稳定。色彩的赋予也需符合当前产品审美趋势和色彩搭配原则，材质及表面纹理两个要素与产品整体协调能够让造型更为精致。工艺性表示产品结构是否符合制造工艺，另外作为加热装置，安全性也是需要纳入考虑的要素，这其中包含了来自材料及结构两方面的指标。

为了解各个要素在评价体系中的权重，以九级度数的方式，进行评价指标定量分析（具体标度方式如表1所示），得出各指标之间的权重关系，构建层次分析判断矩阵。采用矩阵法将评价指标以两两对比的方式，计算层级之间的权重值。

为保证实践精准性，邀请设计师及受众用户共20人进行打分并取平均值，调研结果以两两相比的方式，得到判断矩阵，如表2、表3、表4、表5、表6。

对判断矩阵进行一致性检验，再以几何平均法得出判断矩阵的权重向量，其大致算法过程是将n个变量值乘积的n次方根，然后进行归一化处理即可得到权重向量[8]。具体计算流程如下：

1.计算矩阵中每一行数据和其他数据的对比结果乘积Mi：其中aij是第i行第j列中的元素，m是数据数量：

①

2.通过乘机计算几何平均值ai：

②

3.计算数据权重wi：

③

通过上述步骤，得出各要素的权重，权重越高意味着在整体造型设计中的重要性和影响力越大，越符合设计要求，计算结果如表7所示。

由表7可知，审美性要素对桌面取暖器造型设计影响最大，在其他因素相差不大情况下，是决定用户购买与否的关键性因素。而审美性中形态风格、色彩及社会要素等影响权重依次递减，因此接下来的设计将兼顾其他要素进行造型设计，在保证产品经济性、工艺性和安全性处于正常水平下，着重对审美性进行设计，确保产品的形态风格、色彩和社会因素符合用户的需求。接下来就通过感性工学，了解目标用户的审美倾向，明确产品造型设计风格后，借助形状文法规则进行造型推演。

（二）形状文法设计实践

目前桌面取暖器的造型设计在满足用户多样化的感性需求方面，有待进一步提升。形状文法通过推演规则，衍生出新的造型形状，且能保持产品原先的风格意象。在之前的研究中可以发现，形状文法在产品设计的应用，主要集中在从现存的设计风格中，分析并归纳出初步造型形态曲线，然后依据形状文法规则，衍生出全新的造型形态曲线。

形状文法具体实践过程分为三个阶段[10]，具体如图3所示。

第一个阶段：目标风格形态分析

通过感性工学推导出目标用户的风格意象偏好，明确主要造型要素，根据用户意象筛选并建立桌面取暖器造型集，提取与意象风格一致的形态曲线，作为造型推演参考。

第二个阶段：形状文法推演

通过第一阶段得到的初始造型形态曲线，将其按照形状文法推演规则，在规则约束下，对造型曲线进行发散与创新，形成创新方案群。

第三个阶段：方案评估与细化

由设计师及用户对第二阶段生成的设计方案群进行评估筛选，评估模型以上述的层次分析评估矩阵为依据，来确定最终产品造型形态设计方案，并进行三维建模输出。

1.目标风格意象分析

意象词汇是用户用于对产品进行描述的词汇，带有一定的主观色彩，体现了用户对产品外形、材质、色彩等方面的感受。用户通过这种方式，可以表述内心对于产品的需求，对于设计师而言，只有了解用户的感性偏好，从用户角度进行设计，才能设计出令用户满意的产品，使产品销量处于较好状态[11]。

通过宣传手册、问卷、访谈等方式，了解目前桌面取暖器的设计趋势，并收集到风格形态、色彩、材质和表面纹理下共54个感性形容词，且保证符合当前产品造型设计的趋势。借助KJ法，结合桌面取暖器本身的外观特性，将意思相近及表意不明确的词进行剔除，筛选出最具代表性的意象词汇，建立典型意象词库。通过问卷了解目标用户倾向，最后得出用以描述风格形态的意象词组为现代—复古，描述色彩的为多彩—素雅，材质的意象词组为硬朗—柔软，表面纹理的为光滑—粗糙，社会要素为潮流—传统。为获得较为客观的评价结果，邀请设计师、目标用户、潜在用户共20人进行评价，均为年龄在18-30岁之间的女性群体。

通过调研得出，这部分用户对于桌面取暖器的感性需求为：充满现代风格的造型，素雅干净的色彩，硬朗的材质和光滑的纹理，且需要符合社会潮流趋势。此外，用户表示硬朗的材质能够带来安全感和信任感，最主要的仍是造型和色彩方面的要素会影响他们决定是否购买产品。

2.产品形态分析

为确定桌面取暖器的造型设计主要要素，利用形态分析[12]和层次分析对其进行造型拆解，将桌面取暖器造型分为正面轮廓、侧面轮廓、出风口、控制按键及底部支架这五个部分。为确定设计方向，通过上述提及的九级量表法，以问卷的方式进行调研，借助两两相比的方式，了解各个部分对风格形态意象的贡献值，最终调研结果如表8所示。

由表可知，多數用户表示正面轮廓线更能体现产品的风格意象特征，也是影响他们购买产品的主要因素，它集中体现了产品的形态特性;其次为侧面轮廓线和吹风口。因此本文以产品正面轮廓线为主要要素，侧面轮廓线为次要要素，进行形状文法推演。轮廓线是形态文法提取及演变的关键，为降低其他要素带来的影响，通过产品二维贝塞尔曲线进行实践。

不同类型的产品承载着相同或类似的风格，将产品族群按照使用功能分为两种，一种是由相同或相似特征属性产品组成的同族群，如桌面小型取暖器、立式取暖器、壁挂取暖器;另一种是由不同特征属性产品构成的异族群，为加湿器、桌面蓝牙音响、空气净化器、电子闹钟[10]。通过对目前市面上销售量较高的产品进行收集整理，建立现代风格的初步产品造型集，内有共8个造型曲线。为保证形态曲线与意象风格之后偏差不大，最终由目标用户选取筛选，得出较为符合风格意象的最终产品造型集（如表9）。

3.形状文法推演

（1）形状文法规则

在产品形状推理过程中，初始线条为现有造型的形态曲线，结合风格意象定位，对其部分或全部形态曲线进行推理。根据形状文法定义，其可以表示为：SG=（S，L，R，I）[13]。其中，SG是经比例、旋转等操作衍生出的形状集，S是形状的有限集合，S={S1，S2，…，Sm}，L是符号的有限集合，L={L1，L2，…，Ln}，R是形状规则的有限集合，I是初始形状。

形状文法的推演规则（R）包括的内容如表10所示[14]。

由表10可知，相同或不同的形态曲线都可通过不同的推演规则得到可能相同或不同的新曲线，通过规则组合可生成多样性的造型集，满足创新需求。

（2）形状文法设计实践

在设计过程中，约束来自于两方面：

1）风格意象约束

通过用户语意调研，了解用户对于桌面取暖器各个形态要素与风格之间的意象相关度，确定设计权重。对于权重较大的要素在执行形状文法的过程中应尽可能进行与风格语意相一致的变动，从而能够保证产品整体风格的延续。

2）物理尺寸约束

一方面吹风口本身小于整体造型尺寸，另一方面，由于是桌面小型取暖器，因此在整体的体积尺寸需要设定最大值，通过电商渠道了解现有桌面取暖器的普遍尺寸，最终设定目标产品的体积在125*125*200cm之内。

同时，结合之前用户的调研反馈，在产品造型方面，提出以下需求：第一通过造型设计使得产品出风面积增加，提高产品利用率，第二满足产品多样化的使用场景，提高产品使用率。

形状文法通过对现有产品造型的分析研究，提取符合设计风格定位的形态符号，并在其风格基础上探寻全新的造型设计方向。从桌面取暖器造型库中随机抽取任意两条差异较大的造型曲线，作为初始线条，分别进行形状文法推演，产出多种方案。

正面形态曲线推演方案：从正面造型线条形态库中选取与风格较为接近的形态I2、I6两个曲线作为形状推演的初始形态曲线，其推演过程如图4所示，其中置换R1、增删R2、缩放R3、旋转R4、平移R6、复制R7和拉伸R8，形态曲线I2、I6经过以上规则，衍生出各三种方案。

侧面形态曲线推演方案：从侧面造型线条形态库中选取形态P1、P5两个曲线作为形状推演的初始形态曲线，其推演过程如图5所示，形态曲线P1、P5形态方案经过以上规则，衍生出各三种方案。

通过运用形状文法的造型设计方法，输出桌面取暖器正面形态和侧面形态曲线各6个，将这几组形态曲线进行组合搭配，形成桌面取暖器完整的设计方案，将美感不足或有冲突的方案剔除掉，筛选得到如图6所示的三种方案。其中方案一和二在材料方面整体都使用塑料材质，出风口为金属，加热方式为PTC陶瓷发热，方案三整体及出风口都是用塑料材质，加热方式保持一致，内部三个方案统一使用金属，保证产品的安全性，色彩上选取与趋势一致的素雅色（如图7）。

4.评估优化输出方案

根据评价指标权重值，以5级量表法对上述三种方案进行模糊综合评价，依次赋值β=（90 80 70 60 50）T进行量化处理[15]，评价等级与赋值关联如表11所示。

从最初的计算结果中可知，评价体系中各层级的评价指标权重向量WX、WA、WB、WC的值。邀请设计师、潜在用户共10人对上述三种设计方案依据赋值表对各个要素进行评价打分。通过评价指标所得到的评价等级次数累计计算，如若指标A1收到非常好的评价5次则记为0.5，依次得到方案的综合模糊评估矩阵Rn（n=1，2，3，4），R1、R2、R3、R4分别为准则层A、B、C、D的模糊评价结果矩阵，计算得出方案的评级结果权重，具体过程为：

（1）通过上述计算，已知：

（2）邀请参与调研的用户及设计师进行打分，得到评价矩阵R1、R2、R3、R4，通过一下公式得出方案A的评估权重值：

（3）得到方案在准则层的权重后，通过二级综合矩阵得出每个方案的最终得分P。

（4）通过公式转化为百分制W：

通过上述步骤计算得出，方案一的最终得分为73.48;方案二的最终得分为79.69;方案三的最终得分为74.78。可以发现方案二的得分最高，因此方案二最为符合目标用户对于桌面取暖器的造型意象偏好。

在基于方案二的造型基础上，对其进行功能性设计以满足用户多样化需求，并通过建模的方式进行输出，如图8所示，在产品上方增加香薰及加湿器喷雾口，用户可以对其进行注水，上方的指示灯方便用户了解水位情况，及时加水，缓解了取暖器普遍存在的干燥问题;把手的设计方便用户切换不同的使用场景。

五、结语

现代产品趋于精细化，迭代速度增加，对于设计师的产出要求严格，如何设计出让用户满意的产品需要设计师们的不断探索。本文提出基于形状文法的造型设计方法，对桌面取暖器的造型层次进行细化分析，将目标用户的感性需求转化为设计数据，提炼设计思路与规范，有效地保证了在产品创新过程中，目标用户的需求能够得到满足，帮助设计师们探索多样化的设计造型方案，为产品造型设计提供新的思路，大大减少了设计的主观要素，形成了客观理性的设计方法，提升了产品的市場竞争力。

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