公共空间参数化雕塑设计与施工方法研究

梁 楠 大连艺术学院

屈晓松 大连艺术学院

参数化设计是指参数化模型的尺寸用对应的关系表示，可以用一个变量数值确定大致比例关系而不用前期确定准确数值，变化一个参数数值后（可变参数）会根据搭建的“约束条件”（不变参数或模型特征）的架构而随即做出其当下可变数值的数字模型，无需重复搭建数字模型的成型特征指令，以一种协同的方式相互关联和共同改变[1]。

1 数字化发展背景

1.1 技术发展现状

随着计算机辅助设计（Computer—Aided Design，CAD）、计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）、计算机辅助生产（Computer Aided Manufacturing，CAM）以及计算机辅助工艺规划（Computer Aided Process Planning，CAPP）等技术在工程建造领域得到应用发展，设计和施工技术也不断进步，如计算设计方法（Computational Design）、 数 字 加 工 技 术（Digital Fabrication）、数字构建（DigitalTectonics）、数字工匠（Digital Crafting）等[2]。

1.2 技术概述分析

参数化雕塑设计和施工方法是将计算机技术与工程施工技术相融合的新方法，无论在设计还是生产加工方面都以数字化工具为侧重。使用计算机技术来帮助解决设计问题，以更科学和灵活高效的方式支持设计人员更好地完成方案。建立出数字模型后根据实际的施工方案结合有限元分析，优化形体结构制定施工方法流程，利用数字加工技术即数控机械、激光切割装置、增材制造以及建造机器人等设备，来实现CAD与CAM集成下的构件制造与装配。

2 数字软件适配分析

参数化的发展多数在机械领域，而常用的参数化设计CAD 软件中，主流的应用软 件 有Pro/Engineer、UGNX、CATIA 以及Solidworks，4 大软件各有特点，并在不同的领域分别占据一定的市场份额[3]。Pro/Engineer 是参数化设计的鼻祖，参数化设计的实现最先就是由它实现。

2.1 数字化软件选用分析

因为在空间雕塑领域需要构建大量的数字模型作为现实环境的模拟仿真模型，而CAD 软件相对建模对象数量较低，所以在参数化雕塑领域可以选用美国Robert McNeel& Assoc 开发的PC 上强大的专业3D 造型软件Rhinoceros。它的应用程序架构和开放的SDK 使其模块化，用户能够自定义界面并创建自定义命令和菜单。Rhino 可以创建、编辑、分析和转换NURBS 曲线、曲面和实体，并且在复杂度、角度和尺寸方面没有任何限制。对要求精细、弹性与复杂的3D NURBS 模型，有更好、更精准的控制与输出，能输出obj、DXF、IGES、STL、3dm 等不同格式，并适用于几乎所有3D 软件，兼容度优秀。

2.2 软件优势分析

McNeel 和其他软件公司提供了数十种插件，可以补充和扩展Rhinoceros 在特定领域的能力，如渲染动画、建筑、海洋、珠宝、工程、原型制作、工业制造、科学研究以及机械设计等领域。而其中名为Grasshopper的插件（Rhino6 之后版本为内置）是在Rhinoceros 3D CAD 应用程序中运行的可视化编程语言和环境。Grasshopper 主要用于构建生成算法，如生成艺术等，它的许多组件都可以创建3D 几何体。程序还可能包含其他类型的算法，包括数字、文本、视听和触觉应用程序。Grasshopper 的高级用途包括结构工程的参数化建模、建筑和制造的参数化建模、环保建筑的照明性能分析和建筑能耗等领域。其强大的逻辑建模功能可以在短时间内产生大量结果，并且可以实时生成可视化数据和数字模型，方便进行对比分析，优化设计结果[4]。

3 参数化设计

接下来以空间雕塑中常见的多面（切面）艺术造型为案例，进行参数化设计与数字加工等项目梳理，实际造型材料为金属。因本文具体研究参数化在艺术造型设计和施工领域中的应用，故对其中的三角化网格处理、参数化迭代算法、逆向扫面原理、数据分析归纳算法以及排版算法等分支领域不做深入研究与说明。

3.1 初期设计

通过手绘、常温可塑材质等进行艺术设计，通过方案推演确定大致造型。利用三视图造型法或三维逆向扫描法等输入数字造型软件，建立初步数字模型。结合CAA 软件进行计算机辅助分析，优化造型结构使其满足实际生产加工时以及后续装配等环节在力学、材料学、光学等方面的客观条件要求。也可通过插件在Rhino 环境下采用数据量化的形式设定参数量化范围，利用Grasshopper 模拟退火法（Simulated Annealing，SA）或遗传算法快速分析得出满足要求的最优解法的数值，并运用到数字模型上得到实例化模型，二次设计出满足条件的数字艺术造型，如图1 所示。

图1 软件操作界面示意图

3.2 分析检查优化

在得到符合结构等要求的实例化数字模型后，在Rhino 中行进模型减面操作。减面操作达到所需符合美观的模型后，三角化其中的面（Triangulate Mesh）以满足在空间中切面曲率平直的要求，根据具体要求检查艺术形体是否为水密封闭的多面体。如不满足以上条件，请检查物件是否是以数个三角形构成，可以在Grasshopper 中分析每个面是否为三边，因为三角形的几何定义，不在一条直线上的三个点可确定一个平面。利用Rhino中Show Edges 命令可检查物体是否是封闭物体。

3.3 流程搭建分析

数字模型无误后，通过Grasshopper 拾取工具把模型输入到插件环境中，方便进行下一步分析。List Length 工具分析拾取后，检查模型面数数量对比之前是否有遗漏，也可通过默认显示通过鼠标悬停查看具体信息的方式查看物件信息。Area 运算得出每个面元素的重心点，把得到的点进行拆分得到所在的空间绝对坐标数据（x、y、z 坐标系），定义排序规则使每个元素按照规则重新排序（方便后续查找）得到新排序模型。通过角度运算器分析每两个面之间的空间角度关系数值，并且利用计算机二进制特性通过布尔算法计算这两个物件是否相邻。相邻输出为1（即True），不相邻则输出为0（即False）。之后运用Repeat Data 和Stack Data 运算器创建在重新排序后的面单元的序号组，如1—1、1—2、1—3、……8—7、8—8，至此得到了面元素序号数据组、对应的角度数据组以及数组是否相邻或有用这3组数据。

4 数据分析处理及导出

因为对数据处理来说excel 更加方便直观，受众群体也更广，因此选用office excel 作为数据处理软件，也可以利用插件在Rhino 环境下处理数据。建立好文件后通过Grasshopper 的Panel 工具把数据导出分csv、txt 等文字格式。

4.1 数据处理

图3 数字化全流程导视图

导入excel 后得到4 列数据，依据False和True 标记，利用条件语句把False 所在行执行删除操作。因为Rhino 计算精度可调所以角度数据基本无重复，除非是两两重复的单元面，所以在角度数据所在列执行条件语句，即数据去重并删除所在行内的所有数据。至此，已经得到优化简洁的数据组，但每个角度仍然对应两组数据，可根据具体要求对单元面序号组进行去重操作，从而得到无重复数据表格。

4.2 数字模型后续加工处理

在Rhino 和Grasshopper 的环境下，利用Unroll 工具，通过算法可以把面平展到一个平面上，得到所有面的二维平面图面，提取出边框加入序号组的序号数据，了解数字加工要求后进行排版操作，之后导出为数字加工设备所需的一般为dwg格式的文件输出到工厂。

4.3 输出图纸

打印图纸，最终得到了装配所需的带有编号的拼装模块单元、模块单元在空间中位置的数字模型文件以及每个相邻单元之间的空间角度对照表[5]。

以上内容为参数化设计与施工方法全流程搭建及数据处理的全部过程研究内容，具体如图2 所示。

图2 参考建模示意图

5 结语

参数化设计的核心是将影响造型的因素转变为数字化变量系统，对于公共艺术的造型设计而言，参数化设计是一种全新的创作方法，设计师和雕塑家可以创造一些因素以调整雕塑的结构或形态。不同于传统的数字造型，参数设计制作流程所提供的造型方法可以很大程度上提升作品精度，并开拓艺术家设计思维形式。用特殊情况找寻原理和解释技术，为设计者提供尺寸驱动能力。变量化技术和参数化技术还都在不断地丰富和完善自身，其中变量参数化技术是一种设计方法，从技术的理论深度上来说要比参数化技术高一个档次。