参数化模型设计软件

——开发一项生成设计平台促进设计到生产的全过程

Hao-Hsiu Chiu1, Kung-da Tseng2

1,2台湾，东海大学，建筑学院

1hchiu@thu.edu.tw, 2dagoolasoul@hotmail.com

摘要：这项研究旨在开发一套（可以实现）从基本设计，结构评估，定制，生产到装配的建造体系的参数化模型设计软件，这样的调整可以迎合使用者的需求来设计和建造他们自己的参数化设计。最初的分析分为四个阶段。首先，我们编译和组织实物模型，同时，建立了一套运算法则来模拟这个模型。第二，我们从几何设计概念到实际建造的过程中确立了技术问题和可能解决问题的方法。第三，我们再进一步地完成了基础部件之间的连接以便建造最终的产品。最后，我们设计了一项软件应用程序，包括用户使用手册、网上数据库和其他的技术辅助手册。最终的结果是在开放的设计软件和编程的处理上有助于实现从概念到生产的3D参数化设计模式。

关键词：实物模型；定制；数字编程；参数化设计；生成设计

1．大规模定制的生成设计

在今天从制造到消费的商业模式下，大规模的定制代替大规模的生产，已经成为一种新的模式。在当代的参数化设计和数字编程方法的帮助下，我们研究的问题是通过简单的设计到生产过程，可以使建筑更容易定制吗？一般用户不是设计者，通过直观的界面和建造步骤，可以设计和建造他们自己的项目。工业设计的案例已经证明了这种可能性。“乐高数字”由玩具公司乐高系统和“放射虫应用”珠宝设计公司的神经系统是两个在线设计应用程序，允许用户通过预先设定的参数化形成法则和代码创建他们自己的定制设计（见图1、图2）。

在建筑中，设计师今天使用参数化设计工具通过运算法则来生成有机的形式。但是因为建模软件和生产硬件协议之间的不一致，从数字数据到编程信息这个过程的控制是乏味的。这种设计到建造的知识是足够复杂的，只属于有经验的数字设计师。如果我们设计一个更直观的设计到生产的过程使它可以让非设计师使用呢？如果每个人都可以生成他们喜欢的建筑元素并且像宜家的书架一样可以用自己的双手组装起来呢？我们开发了一种叫做“参数化模型设计软件”的在线生成设计工具来满足这个目的。一种有效的大量定制的设计过程通过使用“PPD”被论证了。接下来的内容包括我们的研究和从概念到实现的设计程序。

2．概念和使用PPD的过程

参数化模型设计软件（PPD）是一种在直观的图形用户界面上，支持一个精简的数字化设计和生产的过程的软件环境。交叉的平台应用程序开发建立在过程上（基于Java的脚本语言）。用户可以通过它的生成设计功能创建一个三维的图形墙。它集成了传统的单独的步骤，从最初的单元/个体设计，性能/成本评价，订购，制造到装配，允许在不同的工具平台之间实现最少努力的切换，同时对大规模的定制具有最大的设计可能性。下面是使用PPD的几个主要步骤（见图4）。

（1）下载

用户可以首先从官网免费下载PPD到电脑上。(http://ppd.dozencreation.com).

（2）模型设计

PPD的用户界面（见图3）包含在中心的主要模型设计区域和在屏幕上的其他一些子菜单，其中有“代码编辑器”“单元编辑器”和“工具”，可以通过修改其基本单元的形状来帮助设计一个重复模式。

在单元编辑器窗口的右侧，用户可以通过拖动控制点，旋转，改变它的偏移距离、厚度、深度，吸引和排斥点和调节窗孔尺寸来素描基础的单元。3D表现可以通过打开在右上角的“表面”菜单来显示。

（3）性能成本评价

由于表面模型是由几何形状的数字数据来定义的，一些建筑性能可以根据其几何特性来估计。性能评估的相关因素有5个：建造、成本、结构、渗透和伸缩性。有了这些参考数据，用户可以决定最后的形式使得在美学、成本和结构以及环境性能之间得以平衡。

（4）分享模型数据

最终的模型设计可以上传到在线数据库，分享给其他人。其他的用户可以现在和修改这些模型数据来创建新的结果。

（5）生产制造信息

PPD将3D模型的表面变平展开成编号的2D的零件以便稍后的制造。准备好激光切割的CAD图纸部分将自动生成和传递到一个协作制造的工厂车间。

（6）装配

所有的部件将会在工厂车间内制造，再运回给用户来装配。PPD界面通过展示各部分的相对位置和特定序列号也提供装配方法。

3．生成模型的模型代码

实物模型证明了一种多样的有机和复杂形式，反映了它们应对特别环境内容时出现和生存的策略。为了模拟生成模式，我们通过定义算法的模型代码，提出了一个几何机制。模型代码是一组描述常见的自然结构的数学函数。在PPD中有12个可操作的语法为模型代码。这些语法中的5个用来确定基本的几何形状，包括“单位、比例、旋转、厚度和平整度”（见表1）。其他7个语法用来定义基本单元到全部模型的构成之间的几何关系。这些操作包括“水平、抵消、侵蚀、吸引、挤压、深度和绑定”，这些有助于生成一种多样的模型算法。每组模型代码代表一种特定种类的模型。表1显示了这些模型代码的语法和定义。

4．基本单元的几何运算

每个模型代码的语法背后是一个几何算法的运算。例如，在极坐标系中定义一个有三个参数的多边形的基本单元“unit{(angle, radius, controller)}”。“角度”和“半径”包含方位角和半径坐标的数据。在极地周长之间的所有顶点连接通过三次贝塞尔曲线创建不同的边缘形成多边形。每个边缘的曲率可以通过“控制器”控制边缘的中点和多边形的中心之间的距离来进一步地修改。图5(d)～(f)展示了我们为了得到各种模型是如何翻译（缩放、旋转和移位）基本单元的。

5．模型的几何运算

在基本单元的运算之后，我们可以通过镜像递归复制这个单元来扩展成模型。镜像的递归操作是一个嵌套循环的“增长算法”。在这种模式下，所得到的最终模型的密度可以是最高的，而且没有任何的重叠单元。表2的7种语法帮助定义了这些重复单元之间的多种几何关系。例如，这些代码“erode{}, attract{}, and extrude{}”控制了模型的梯度变化的穿孔大小、集聚或分散，以及曲率分别转化距离表面之间的单位和控制分为递增或递减序列。

“模型码”的概念来自于“标记语言”，如html、css。它表示视觉元素与“符号”之间的关系，这种关系将复杂的几何形状规范化为简单的．xml或文本格式文件。因此，这样的数据就小到可以在互联网上交换或共享。而且这样的标记语言因为它的语法特点，在快速修改、分析、评估和关键字搜索时具有极大的优势。

根据模型码的句法，下列的自然模型可以很容易地以直观的方式定义算法。用户可以通过简单地直接在参数化模型设计软件的图形界面中改变数值，产生出复杂的有机组成部分（见图6）。

6．自动化数字制造

纵观参数化模型设计软件中所有三维模式的生成方式，都在工作流程的构建中全面考虑和仔细整合如材料特性、制造方式、装配过程等构造因素。在不同的数字化制造技术中，如激光切割、数控铣床、3D打印，我们选择二维切削方法组装，因为在建筑的生产过程，对成本和结构有效性控制较常见。我们将制造数据的自动准备进程植入到参数化设计接口。用户完成他们在参数化模型设计软件中的设计后，将模式编码发送给制造器，制造器将同样在三维图形平面化进程中使用参数化模型设计软件，展开切削部分，生成连接端口（插销），序列化各部，以优化切削部分的高效装配。自动化的步骤大大提高了根据切割产生的所有组装件来检索精确制造数据的效率。

7．扁平化与展开

扁平化是应用数学方法将三维曲面和图案化表面转化为适宜的二维组件的技术。在参数化模型设计软件中，扁平化组件会被展开成两种独立的部分：基础单元平面和侧面，以防止万一出现因某一部件未展开而导致整体重叠或偏转的可能（见图7）。展开算法（见图8）为了获得必要的连续切削件，也意味着在不同的轴线旋转和翻转。在算法中也考虑了由材料厚度和混合引起的测量偏差的公差。

8．序列化与优化

由于三维模式是由独立的电池或参数化模型设计软件的单元组成的，为方便以后组合，必须将每个单元按构造顺序编号。序列号从左下角起，由对比各单元的边界相对位置来确定。各单元的序列号通过遵循从左至右，从下至上的方式，用户可以很容易地识别出单元的相对位置和结构的序列（见图9）。

在展开和序列化单元的任务后，参数化模型设计软件的最后步骤是将材料上附上扁平化图片。用户应该首先确定最大截面的面积大小。该应用程序会自动在最短距离内分所有的切削部分。这个优化过程将确保最低限度的材料使用。在此步骤中，参数化模型设计软件也同时会在单独的层中产生出切割路径、折叠线以及标线。作为制作工具，如激光切割器或数控铣床，所有的图纸将保存为DXF格式（见图10）。制作器可能基于输出附图产生所有组件。

9．组装/装配

我们利用自己实验室的激光切割机进行了几轮模型比例试验，以优化参数化模型设计软件的功能。我们的最终产品是要制作一个270cm(宽)×180cm(高)×90cm(厚)的全尺寸弧形墙。因其重量轻、成本低和可回收的品质，我们选择3mm的高密度瓦楞纸板。我们合作过的经验丰富的某纸箱生产企业拥有大尺寸纸板切割机。在早期的设计过程中，只需要15min即可完成图形文件到．dxf文件输出。在55张纸板（135cm×105cm）中有303个多边形单元。机器切割耗费了36个小时，四人一组进行装配耗费了64个小时。很明显，在此建设中，人工耗时比机器加工和软件的几何运算耗时更多。这符合大多数情况下数字化制作过程的结果。

10．问题与潜在应用

研究过程中我们遇到了许多问题。首先，输出的．dxf格式的图片中，曲线都由许多线段组成。这并不是我们的激光切割器和非接触式切割的主要问题。纸板切割器振动切割每段组件，时间消耗了预估时间的五倍左右。其次，最终的弧形墙有一些变形，从而改变了整个中心，甚至改变整个结构的稳固。设计过程应该应用更精确的结构评估。生成设计的最后建设阶段（见图11）仍然是劳动密集型，因此比传统设计更加昂贵。机器人技术在建筑学上的最近发展，可能是提高组装/装配效率的解决方案。

参数化模式设计软件的潜在应用是多方面的（见图12）。生成的三维模式在不同情况下、不同用途中，有不同的几何性质（如密度、开放性）。具有很强的稳定性和平整表面的模式可以被用作显示容器。同时用重量轻的和高穿透性的可以是顶棚或照明滤波器。直观的参数化模式设计软件界面和设计-构造过程使它成为任何困难的用途里，理想的、耐人寻味的大规模定制模式。

参考文献

[1] 布里J，布里M．新的数学模型建筑[M]．纽约：泰晤士与哈德逊出版商，2010.

[2] 岩本L．数字化构建——建筑和材料技术[M]．纽约：普林斯顿建筑出版社，2009.

[3] 扎比W．建筑参数化设计[M]．劳伦斯金出版有限公司，2013.

[4] 韦德D．李．自然界的动态形态[M]．纽约：沃克&公司，2003.

[5] Automation for Digital Fabrication[EB/OL]. https://processing.org.