玩具產(chǎn)品造型參數(shù)化設計應用分析

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摘要：優(yōu)化玩具產(chǎn)品造型設計流程、為玩具造型設計提供新思路。以參數(shù)化設計為研究對象，分析參數(shù)化設計自身優(yōu)勢，總結其在產(chǎn)品造型設計應用中獨特的建模思維方式，設計流程及優(yōu)勢，遵循玩具造型設計原則方法，發(fā)掘其與玩具造型設計的契合點，創(chuàng)新玩具產(chǎn)品造型。獲取自然隨機的參數(shù)化玩具造型。參數(shù)化設計方法為玩具產(chǎn)品造型提供無限可能性，打破慣性思維，給設計師創(chuàng)作提供新思路和想象空間。

關鍵詞：參數(shù)化；參數(shù)化設計；造型；產(chǎn)品造型；玩具設計

引言

從世界上第一臺計算機誕生開始，數(shù)字化信息技術的優(yōu)勢就日益凸顯，深入到各行各業(yè)，在建筑領域參數(shù)化設計的應用取得了實質(zhì)性的突破，較為理性科學的數(shù)理邏輯編程讓流暢有機的復雜建筑造型得以展現(xiàn)在世人面前，在工業(yè)設計方面的開發(fā)及應用極大豐富了產(chǎn)品多樣性，物質(zhì)需求的富足使社會背景下人們熱衷于更高層次的需求——精神追求。因此對產(chǎn)品的需求標準也更趨于完美，玩具作為產(chǎn)品設計的一大門類，逐漸以傳統(tǒng)滿足兒童娛樂的單一屬性向復合型社會屬性的角色過渡來融入社會，以滿足多元化社會需求。研究數(shù)據(jù)顯示，玩具產(chǎn)品造型所營造的視覺空間在很大程度上決定了消費者對產(chǎn)品第一印象的屬性定義及購買欲。玩具造型設計在玩具產(chǎn)品同質(zhì)化的今天顯得十分重要，而參數(shù)化設計的動態(tài)數(shù)理邏輯所衍生出的隨機自然形態(tài)必然為玩具造型設計注入新鮮血液。因此，造型新奇且體驗良好的玩具造型尤為重要。參數(shù)化設計在建筑界的成功案例令參數(shù)化設計的獨特優(yōu)勢被釋放出來并引起設計師們的高度關注，參數(shù)化設計將成為未來產(chǎn)品的一大趨勢，為產(chǎn)品形態(tài)注入更多理性的科學因子，將感性與理性、藝術與技術巧妙結合，解放設計師的思維束縛，為產(chǎn)品形態(tài)提供了更多可能性。

一、參數(shù)化設計概述

“參數(shù)化”顧名思義就是運用數(shù)字符號，以非線性科學為理論基礎，通過計算機邏輯運算編程在關鍵數(shù)字符號間建立起相應的參數(shù)關系，進而形成參變量，由參變量的變動引起其他參數(shù)的聯(lián)動變化生成一系列參數(shù)化造型，作為設計備選方案以滿足不同設計需求。參數(shù)化設計（ParametricDesign）最多運用在建筑領域，但其概念的緣起要早于建筑。作為一種計算機輔助設計手段在20世紀80年代占據(jù)主導地位。從字面意思來看，其所傳達的是一種數(shù)學上的運算形式，即運用數(shù)學符號的編碼、變換、運算、試錯、檢驗，進而得到較為合理的數(shù)字化模型的動態(tài)運算過程。參數(shù)化設計是一種顛覆傳統(tǒng)的全新設計方式，可以理解為是一種基于程序算法的方式而進行自組織的一種過程，該過程是復雜、抽象、動態(tài)穩(wěn)定、無唯一解的[1]。形象地說，就是在一端輸入條件，另一端輸出形象，隨著輸入條件的改變，邏輯程序的內(nèi)部結構則相應發(fā)生聯(lián)動變化，進而影響直觀的圖像變化，獲得參數(shù)模型[2]。因此，參數(shù)化設計之于傳統(tǒng)造型設計更為嚴謹、科學、合理、人性化，它將傳統(tǒng)不可逆的設計過程變成一種隨時修改的動態(tài)可持續(xù)設計過程，符合當下產(chǎn)品設計趨勢。簡化設計步驟，優(yōu)化設計流程，減少設計師在造型設計過程中因過度依靠經(jīng)驗而反復修改模型參數(shù)的兩難現(xiàn)象，減少無用功，讓設計師們更多地致力于設計本身，回歸數(shù)據(jù)，以參數(shù)的方式實現(xiàn)多元化的造型結果，優(yōu)化設計方案。

二、參數(shù)化設計優(yōu)勢特點

Grasshopper作為時下熱度最高的參數(shù)化建模輔助技術，被應用的范圍越來越廣（建筑、汽車、工業(yè)產(chǎn)品、服飾、珠寶、家具、景觀、燈具等），與人們的生活越來越密切，它并不是一個獨立的個體而是作為一個插件（Grasshopper）依附于Rhino三維建模軟件的程序內(nèi)，形成“Rhino+Grasshopper”模式?？陀^上，Grasshopper工具本身相比Rhino具有靈活的設計方式及簡易的參數(shù)算法編程為設計生型提供更多選擇、減少設計周期、節(jié)約成本、方便修改、電池塊永久存儲等明顯優(yōu)勢；主觀上就設計師而言不管是參數(shù)化設計這一技術本身還是參數(shù)化設計思維方法，都能有效改善設計師對產(chǎn)品造型問題的思考方式，打破思維慣性，解放思想束縛，提供更開闊的創(chuàng)作空間。

（一）更高效的設計方法參數(shù)化設計的方法、思路有別于一般的產(chǎn)品設計方法，這也是參數(shù)化設計本身的魅力所在。簡言之，就是將所有設計因素用參數(shù)的方式表現(xiàn)并根據(jù)需要建立各參數(shù)間的多重對應關系，在動態(tài)效果中修改對應參數(shù)使之呈現(xiàn)理想的造型效果。在這一過程中，一切都由計算機參數(shù)控制，參數(shù)是隨機可變的，這也就意味著設計師也不確定最終輸出的產(chǎn)品形態(tài)，就像是“世界上沒有兩片完全相同的樹葉”一樣，模擬自然界有機形態(tài)、紋理，在參數(shù)化的世界里可以賦予產(chǎn)品這一特性。以產(chǎn)品設計為例，其基本方法可以分為以下內(nèi)容：（1）通過前期的調(diào)查與研究將設計要求數(shù)據(jù)化，形成參變量；（2）設計參數(shù)關系的基本參數(shù)模型和算法；（3）軟件中基本模型的建立；（4）軟件中豐富模型的基本內(nèi)容；（5）設計參數(shù)化的結構系統(tǒng)和解決在構造邏輯中的材料與工藝問題[3]。如今，個性化需求的消費訴求日益增多，每個人都想擁有與眾不同的產(chǎn)品和標簽，與之相對同質(zhì)化產(chǎn)品充斥著市場，對設計師的造型能力提出了更高的要求，自然的形態(tài)是可貴的，它有著獨一無二的自然屬性，在參數(shù)化的世界里流暢自然的有機曲面可以清晰呈現(xiàn)，參數(shù)化設計的引入將為產(chǎn)品造型設計創(chuàng)造更多可能性。

（二）更客觀的設計過程：從理論上來講，“數(shù)據(jù)”是參數(shù)化設計的本質(zhì)，一切設計活動都圍繞數(shù)據(jù)展開，是設計師借助計算機以主觀設計目的展開的客觀設計過程，設計師需要對影響造型的關鍵因素做出大致的方向把握。因此，參數(shù)化設計是一種較為理性、科學的計算機輔助設計手段，其設計過程就是建立特定關系，依托這種關系通過元素中某些數(shù)據(jù)中的變化帶來結果的變化[4]。相比較傳統(tǒng)靜態(tài)的設計過程參數(shù)化設計是一直處于動態(tài)變化的穩(wěn)定結構，在這一過程中隨著參變量的修改，因變量數(shù)據(jù)也會發(fā)生改變，而這一系列變化將客觀地反映在三維動態(tài)模型上，會產(chǎn)生“牽一發(fā)而動全身”造型效果。換句話來講，如果參變量一直變動，這一過程將會產(chǎn)生無數(shù)個相似但又存在細微差別的造型效果，直到設計師找到認為相對滿意、合理的造型效果。因此，設計結果只不過是處在設計過程中某個階段的合理化節(jié)點，是產(chǎn)品生命周期的前期雛形。設計師無需刻意在腦海中構思最終形態(tài)，而是在計算機生成的大量方案中選擇形態(tài)，設計的形態(tài)處理工作也由“構形”轉(zhuǎn)變?yōu)椤罢倚巍盵5]。

（三）多元化的設計結果：參數(shù)化設計的介入對于解決設計師“腦中無形”的問題無疑是雪中送炭，對于解決產(chǎn)品造型生產(chǎn)同質(zhì)化市場現(xiàn)象與消費者日益高漲的個性化消費需求間的矛盾起到潤滑劑的作用。具體來看，以往傳統(tǒng)造型設計方式大多以“結果”倒推找形的過程，都是根據(jù)前端大量競品分析和設計目標的確立來規(guī)劃既定的草圖形態(tài)，經(jīng)過在設計師大腦的接收和內(nèi)化形成理想化的預期結果，然后在三維建模軟件中根據(jù)大腦中的主觀映像通過一系列工具命令的轉(zhuǎn)換疊加進行展現(xiàn)，個人主觀色彩較嚴重，且對于某些復雜、流暢的造型以及精細表皮的生成存在短板，模型生成不可逆，輸出的結果多具有唯一性，數(shù)據(jù)的輸入完全依靠設計師的主觀經(jīng)驗和視覺考量，如果要得到更多的選擇方案，后期修改工作量極大。參數(shù)化設計的可變“參數(shù)”控制，“牽一發(fā)而動全身”的動態(tài)效果為產(chǎn)品造型增添了無限可能性，設計師只需要在修改影響造型的關鍵參數(shù)所得到的結果中“找形”，便可在較短的時間內(nèi)得出豐富的造型結果，產(chǎn)出設計方案，提高設計效率，減少設計浪費降低企業(yè)成本。

三、傳統(tǒng)產(chǎn)品造型設計與參數(shù)化產(chǎn)品造型設計

“造型”是一個比較寬泛的概念，產(chǎn)品造型是設計師將設計思維目標通過一定媒介轉(zhuǎn)化為可視化形象的結果，是產(chǎn)品構成要素綜合展示的載體。產(chǎn)品造型是產(chǎn)品風格的體現(xiàn)，在一定程度上映射出使用者的個性特征，從這個意義上講產(chǎn)品造型的變化也是人們高級需求的表達。所以，產(chǎn)品造型設計不是孤立的產(chǎn)品外觀表現(xiàn)，作為與消費者接觸的第一印象，造型和色彩要保持一致，但不能局限于產(chǎn)品本身的視覺形態(tài)表達，更多的是以功能和技術等相關要素的綜合性概念傳遞，主要包括產(chǎn)品內(nèi)部結構、外部形態(tài)、材質(zhì)、表皮肌理、色彩、人機尺寸、安全性等限制性因素。產(chǎn)品造型所營造的視覺空間也會給人以心理暗示，如設計語意的獲取、產(chǎn)品動態(tài)趨勢、產(chǎn)品風格、色彩情感、材質(zhì)肌理屬性等。運用傳統(tǒng)建模造型方式對于在較短時間內(nèi)綜合考慮各項因素并完成多個設計方案的設計師來說，綜合造型能力表現(xiàn)無疑是極大的考驗，借助參數(shù)化設計的造型過程能有效緩解設計師在產(chǎn)品造型時間和質(zhì)量上的同時兼顧的兩難境地，為產(chǎn)品造型設計提供了新的設計思路。

（一）傳統(tǒng)產(chǎn)品造型設計過程：就造型來講，傳統(tǒng)設計過程主要受設計師的個人主觀影響較多，長期思維慣性容易造成創(chuàng)新能力的不足。具體過程表現(xiàn)為：（1）設計師經(jīng)過前期的產(chǎn)品調(diào)研和頭腦風暴；（2）將腦海中的形態(tài)方案通過大量二維草圖表現(xiàn)；（3）經(jīng)過篩選確定最終理想化形態(tài)；（4）再通過三維建模軟件（如Rhino）進行展示；（5）最后輸出最終產(chǎn)品形態(tài)，通過3D打印模型測試尺寸范圍；（6）模型形態(tài)反復修正；（7）確定最終產(chǎn)品形態(tài)。其中在“（6）模型形態(tài)反復修正”這一過程中，最終形態(tài)所涉及到的各項參數(shù)都不是一蹴而就得來的，需要設計師反復撤回步驟進行修改，不僅耗費時間也會產(chǎn)生大量廢棄模型，無形中增加了設計師的工作量，對于復雜曲面形態(tài)的修改考驗設計師的空間想象能力，對其耐心也是較大的考驗，增加設計成本、降低了設計效率，在短時間內(nèi)呈現(xiàn)的設計方案十分有限。這種在腦海中先有既定形態(tài)的“倒推式”、“自下而上”的設計過程顯然不利于短時高效地產(chǎn)出多種選擇的造型設計方案，如圖1。

（二）參數(shù)化產(chǎn)品造型設計過程：與傳統(tǒng)由“結果”定形倒推方式不同的是參數(shù)化產(chǎn)品造型設計是“自上而下”式的邏輯推導過程，主要依靠非線性科學中的算法邏輯和幾何邏輯規(guī)則。一般分為三個過程：確定影響因素參數(shù)化、將參數(shù)之間建立關系、依據(jù)參數(shù)因素和設計參數(shù)之間的關系建立參數(shù)化模型，其中將參數(shù)之間建立關系是造型的核心[6]。在了解過程要點后設計者要（1）規(guī)劃清晰的設計目標；（2）確定產(chǎn)品造型設計的限制性因素（3）明確限制性因素間的邏輯關系并通過幾何算法邏輯轉(zhuǎn)化為相應參數(shù)；（4）在Grasshopper中使用不同的算法命令構建模型框架；（5）對限制性因素的參變量修改以約束產(chǎn)品形態(tài)，期間得到一系列不同的形態(tài)效果，找到理想的產(chǎn)品形態(tài)；（6）在軟件中分析模型拔模角度等物理參數(shù)，如圖2。參數(shù)間的關系集合通過電池塊相互連接的形式體現(xiàn)，因此，任何一環(huán)節(jié)中的參數(shù)變化都會引起相應參數(shù)的聯(lián)動變化效應，影響產(chǎn)品最終形態(tài)，每修改一次參數(shù)就會產(chǎn)生新的形態(tài)，并且這種參數(shù)關系一旦建立，便可以進行封裝與打包，從而拒絕了重復的機械勞動，具有極大的自定義性[7]。這樣一來參數(shù)的修改過程就是設計師“找形”的過程，短時高效，令設計過程充滿無限可能。此外，軟件還能分析模型拔模角度作參考，節(jié)省重復打印模型檢驗的成本。

四、玩具造型設計的參數(shù)化應用

“玩”作為一種休閑娛樂活動，通過玩具使人們從精神心理層面得到放松舒適，玩具作為產(chǎn)品設計的一大門類，玩具造型相比其他產(chǎn)品要更加具有辨識度，不僅僅是簡單的功能概括，應是形、色、質(zhì)以及功能結構的高度融合。工業(yè)批量化生產(chǎn)提高了社會勞動效率，但也導致了商品同質(zhì)化問題頻發(fā)，中國是玩具生產(chǎn)出口大國卻在原創(chuàng)玩具造型自主創(chuàng)新方面有所欠缺，與之沖突的是人們追求新奇?zhèn)€性的熱度持續(xù)高漲，玩具造型設計的創(chuàng)新問題亟待解決，計算機技術的飛速發(fā)展與落后材料加工工藝也是導致我國玩具造型設計創(chuàng)新能力不足的重要原因。將參數(shù)化設計在產(chǎn)品生形方面的獨特優(yōu)勢注入到玩具造型設計中，能夠在短時間內(nèi)高效表達創(chuàng)意，提供更加科學合理的玩具參數(shù)，為設計師提供了更廣闊的創(chuàng)意思維空間，令設計過程更客觀，為玩具造型設計開辟了新路徑。

（一）兒童搖搖椅參數(shù)化應用：

以兒童玩具搖搖椅為例，傳統(tǒng)搖搖椅主要通過簡單幾何造型表現(xiàn)憨態(tài)可掬卡通具象形態(tài)，加上高飽和度的配色來吸引兒童注意，如圖3～5。1.兒童搖搖椅參數(shù)化流程規(guī)劃：參數(shù)化設計最明顯的特征是通過數(shù)理邏輯一步步擬合生形，所以在開始之前設計師就要明確接下來的生形邏輯，每一環(huán)節(jié)的電池塊都是一對一或者一對多的“串聯(lián)”關系，這與物理學中的電路串聯(lián)關系十分類似，一個開關限制多個分電路，這種自上而下式的生形邏輯貫穿始終，在得到初步形態(tài)后，設計師可以對整個電池鏈中的某些影響形態(tài)的關鍵環(huán)節(jié)進行參數(shù)調(diào)整以達到多元化設計結果的目的，如圖6。2.兒童搖搖椅參數(shù)化流程實踐：在參數(shù)化的指導下，富有動感的有機形態(tài)相比較具象化的同類產(chǎn)品更能帶來新鮮感和視覺引導性。借助參數(shù)化設計的兒童搖搖椅實現(xiàn)一體化成型效果，首先要明確一體化邏輯構建方式，即由單一曲線或曲面得出的輪廓形態(tài)。

（1）生形邏輯分析。運用點線面的數(shù)學幾何邏輯和算法，將步驟進行拆分有序選擇對應電池塊完成簡單邏輯編程，實現(xiàn)生形結果，由于每個電池塊的輸出和輸入端都有多個接口，在進行邏輯分析時要充分考慮前后的邏輯關系，以此保證電池塊的邏輯鏈接科學合理。

（2）建立形態(tài)骨架線。如圖7，在Rhino中用點畫線工具勾勒并調(diào)整點的疏密排布得到平滑曲線鏈接到Grasshopper中，或者直接在Grasshopper中進行搭建，需要注意的是，點、線、面是所有空間形體的基本構成要素，就相當于人體的骨架軀干，所有的外在形態(tài)都依附于形態(tài)骨架線，比如流線型的極簡設計和仿生形態(tài)設計即使沒有華麗的裝飾辨識度也極高。這也是當前很多設計師忽略的細節(jié)，計算機繪圖的發(fā)展使設計師的手繪能力有所影響，“基礎既是關鍵”，因此基礎骨架線的搭建與調(diào)整很關鍵。

（3）基準曲面成形。如圖7，根據(jù)平滑曲線輪廓通過“Loft”放樣命令生成光滑曲面，預覽結構形態(tài)作為造型變化的基準曲面。這里的“Loft”一步生成的曲面可以直接達到Rhino中曲面的G2連續(xù)性效果，曲面質(zhì)量較高不需要再進行曲面的平滑連續(xù)性編輯，這在傳統(tǒng)建模軟件中要得到高質(zhì)量的G2曲面是無法直接實現(xiàn)的，一般要經(jīng)過多次命令轉(zhuǎn)換才能實現(xiàn)，如圖8。

（4）泰森多邊形邏輯形態(tài)搭建。使用“Voronoi3D”命令將不規(guī)則中心點陣錯落分布在曲面上，然后通過修改參數(shù)來調(diào)整曲面隨機點的數(shù)量及疏密分布，隨后泰森多邊形會以這些不規(guī)則點為中心點生成有連續(xù)性的不規(guī)則曲面形態(tài)，生成的曲面是依附于基準曲面的空間形態(tài)，有傾斜角度和方向之分，而這恰巧能夠形成曲面強度，達到力的分解，如圖9、10。

（5）關鍵參數(shù)范圍及形態(tài)擬合。在生成的泰森多邊形面中調(diào)整開口大小以滿足使用需求，“Output”調(diào)整泰森多邊形的擠出厚度以及銜接處的光滑過渡會一起發(fā)生變化，這個厚度又會影響整個曲面形態(tài)的物理強度，最終形成優(yōu)于布爾倒角的曲面造型，在渲染預覽中調(diào)整效果顏色，這在一定程度上能夠提升并檢驗設計師對CMF的綜合認知能力，如圖11～13。

（6）微調(diào)參數(shù)生成系列化形態(tài)。若對最終形態(tài)不滿意，可返回修改對應尺寸參數(shù)，在渲染模式或極地模式下觀察并選擇合適尺寸來確定最終造型效果，如圖14～16。有效避免傳統(tǒng)生形中異形曲面建構和破面補面的繁瑣修改過程，實時動態(tài)顯示模型狀態(tài)，及時校對模型參數(shù)，科學高效完成造型過程。在傳統(tǒng)建模軟件中生成大面積曲面形態(tài)相當困難，模型多為網(wǎng)格面，在進行曲面圓滑倒角時對于計算機CPU運算量考驗極大，稍有不慎整個文件全部丟失。目前參數(shù)化在產(chǎn)品形態(tài)中的應用并不廣泛，在兒童玩具造型中的探索也很少涉及，基于上文中對參數(shù)化設計與產(chǎn)品造型設計的對比探討，以及在玩具產(chǎn)品造型中的應用實踐，參數(shù)化設計的生形優(yōu)勢可見一斑，不過參數(shù)化設計的優(yōu)勢不止于此，“Attractor”和“Normals”的生形效果也同樣可觀，文中對Voronoi（泰森多邊形）的簡單運用也只是冰山一角，起到拋磚引玉的作用，參數(shù)化設計還可以參與精密復雜的產(chǎn)品造型探索，甚至是滲透到后期模型制作階段的拔模角度、和曲面連續(xù)性分析，都可以在Grasshopper中一體化呈現(xiàn)具體參數(shù)，最后將數(shù)據(jù)傳輸至模型加工設備中。信息化時代可視化數(shù)據(jù)的優(yōu)勢顯而易見，可以預見，未來借助參數(shù)化設計不僅能實現(xiàn)產(chǎn)品造型一體化，還能滲透到整個產(chǎn)品的前端設計周期，使設計周期一體化。參數(shù)化設計與玩具產(chǎn)品造型的碰撞融合將讓玩具產(chǎn)品造型迸發(fā)出新的生機。

結論

充分發(fā)揮參數(shù)化設計的突出優(yōu)勢，優(yōu)化設計流程，未來參數(shù)化的世界里更多別致復雜的造型將與人們面對面，快速高效的造型效果讓設計師有更多精力展開天馬行空的造型創(chuàng)意想法，解放思想束縛，提高設計效率，節(jié)約企業(yè)成本，符合未來可持續(xù)發(fā)展理念，為我國產(chǎn)品造型設計注入新生動力。

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作者：鄧衛(wèi)斌 宋仁慈 李珺 單位：湖北工業(yè)大學工業(yè)設計學院