生态化设计理念与技术分析

 论文栏目:设计理念论文     更新时间:2018/4/12 16:05:01   

[内容摘要]自由形态塑造的生态化设计,其概念源于生态建模,关键理念是“顺其自然”和追求简洁的拓扑结构(形态)。作为数字构建技术,与传统CAD相比,生态化设计具有塑造形态的自由性、完美性和能动性,而且交互性良好,效率甚高。随着新世代计算机技术和先进制造技术的发展,从生态化设计到成品制造全流程中已不复存在难以逾越的技术障碍。

[关键词自由形态塑造;生态化设计;CADSubD

一、自由形态塑造的生态化设计之概念和适用范畴

笔者于CAD和CG领域工作二十余年,经历了计算机技术为产业带来的变革,深刻体会到新世代(NextGeneration)计算机技术已经为“新艺术”追求的自由形态塑造带来了前所未有的效能。本文之“自由形态塑造的生态化设计”(以下简称“生态化设计”),基本概念来源于仿生形态设计和动画领域生态建模(OrganicModeling),在技术上以多边形网格体细分(SubD)为基础,是区别于传统CAD的一种设计概念和技术,现阶段可理解为“计算机辅助自由形态设计”,其属性有如下三项指标。第一,塑造形态的自由,指设计非受限于传统的制造工艺。曾经由于传统的切削加工和模具成型工艺限制,复杂结构和自由曲面的形体通常难以进入正式机械生产环节。然而随着积层制造(LayeredManufacturing)技术的出现和演进,自由曲面形体的制造已经越来越实效化了。第二,塑造形态的完美,指获得表面流畅滑顺的形体。从技术上衡量即形体表面相互衔接的不同部分曲面之间的高阶曲率连续,即G2连续。第三,设计的能动性,指设计者以概念模型为中心,保持形体设计处于主导地位,同时与功能结构设计进行有机结合。如遇冲突,要求功能结构设计从属于全局形体设计。生态化设计特别适合仿生形态,涉及的产品类型以外形和人体工学为主,涵盖范畴包括:第一,手工具、家居及饰品类,如家具、摆件及餐具、厨具等;第二,运动健身器材、人力设备和游乐设施类,如器械、玩具、滑板和自行车等,第三,交通工具的外观及内饰;第四,佩戴饰品类,如鞋帽、首饰、钟表及眼镜等;第五,生活用品之盒类、瓶类、包装等。

北京pk10开奖软件直播 www.wbfit.com 二、生态化设计的意义和技术优势

以生态建模(主要采用SubD)为基础的生态化设计,相对传统CAD(采用NURBS)从技术上看有三个优势,即交互性、形态自由性和效率。1.交互性交互性作为前沿CAD技术(如“直接建?!保┧非蟮哪勘?,恰好是以SubD技术为基础的生态建模最基本的行为方式。对于SubD模型(图1)启动细分前的多边形基底(图2)最基础和最直接的操作就是点、线、面的变换。这种操作是最简单的计算机运算(只需计算点的坐标变换),其反馈和响应瞬间即成。相比之下,构建NURBS曲面的交互式响应就相当滞后了。仅此而言,生态化建模已经远胜传统的CAD曲面建模。2.形态自由性传统的NURBS建模技术难以生成任意自由形态,这是由其构建曲面的方式决定的。一个NURBS模型闭合体往往需要由若干基础曲面构成,因为单一NURBS曲面一般是开放式的。这样的形体要么需要在不搭界的相邻基础曲面之间添加过渡曲面,要么需要处理基础曲面相交产生的相贯线。为了形体光滑,相贯线区域需要进行倒角等操作,得到的总体形态本质上是“拼接”式的。由于倒角面和过渡面的存在,与原初概念设计的理想自由形体难以完美吻合。而SubD模型却完全不存在拼接问题,使用SubD建模技术时除非有意删除某些网格,否则无论怎样操作基底多边形,其细分曲面总是自动趋向光滑闭合,就像生物体的皮肤,正常状态下是“水密”(全方位闭合)的,因而总体形态始终是自由完美的。而且如果是应用了P-SubD的曲面,则处处是G2连续的。3.效率NURBS技术构建形体的基本操作是绘制曲线—构建曲面—曲面相贯—修剪—建立过渡曲面(或倒角),影响效率之处有三。第一,为确保相互贯穿可靠以备修剪,初始曲面有时需要调整相对位置。而修剪操作的成功与否还取决于曲线建立的合适与否,如果无效,必须再返回修改某些曲线。这个过程可能需要多次反复。第二,初始NURBS曲面本身的确是参数式的,可以通过改变原始曲线来改变曲面形态,效率也是高的。问题是经过修剪,再倒角后的圆弧面参数性可能会受影响。第三,过渡曲面与初始曲面之间能否获得高阶连续(如G2)取决于CAD系统的能力。反观SubD技术,其建模操作极为简捷、直观,设计和修改完全处于同一过程,效率极高。此外它的优势还体现在技术工具的易学易用上,而且大多数具有SubD功能的设计软件都能提供简明易用的成套工具,让使用者的学习时间和成本都相对大幅减少。由此,尽管NURBS在定义曲面上十分精确和稳定,但构建简单曲面的技术操作效率已经不尽如人意,更何况复杂的曲面。正是以NURBS为基础的CAD的势弱为技术上以SubD为主的生态化设计提供了机会。

三、生态化设计对简洁的诉求和技术路线

“简洁”的含义是指模型的轻量(数据量)和形态的逼真完美。生态化设计采用生态建模方式,而生态建模重在构建SubD的基底多边形网格体。与CAD的基本几何体操作和NURBS曲面操作不同,构建多边形网格体主要着眼于形体表面的拓扑结构(Topology)?;竦锰卣髑逦?、拓扑结构简洁的纯四边形网格体,是SubD建模的最高追求。以SubD建模为基础,结合T-Splines一类转换技术,能够生产出适于计算机辅助制造(CAM)的NURBS模型。这是生态化设计面向生产制造的工作流程。笔者探索总结目前行之有效的构建多边形网格体操作技术大概有四种类型,形成生态化设计相应的技术路线。第一,立方体方式“BoxModeling”。从基本几何体(包括立方体)出发,逐渐添加拓扑线以丰富细部结构,直至完成概念形态的主体拓扑结构。随后运用多种多边形选定和操作工具,设计并调整分支结构在主形体上交汇部位的拓扑结构,理顺局部与整体的配合,逐渐完成模型。这是最典型的生态建模形式。第二,条带方式。一般以两三个正投影概念设计图作为参考,从布设一个四边形面开始,依对象(概念设计)形体特征拓扑结构的走势逐渐挤出多边形脉络条带。然后在条带之间补齐空间过渡区域,添加细部结构,直至完成模型。这是需要较少推敲和修改的工作流程,因而效率也较高。第三,面片方式。此类对于有清晰轮廓和结构特征的形体特别有效。首先像NURBS建模那样根据形体特征构建状态曲线(参考曲线)。这些空间曲线并不融入网格体,只是作为搭建面片时的依据。面片就是多边形,其相应的顶点(vertex)都咬合(snap)到状态曲线上。因为SubD运算启动时其曲面会离开基底网格,所以主体面片完成后,原来与状态曲线咬合的拓扑线有时还需进行偏移调整,或是加大拓扑线的权重(weight),以保证SubD曲面特征维持在原状态曲线位置。第四,雕塑结合重拓扑方式。适用于细节多而复杂的形体。过程是先使用雕塑工具完成模型构建,然后重新制作简洁的网格体替代之(因雕塑模型的数据量过大)。这一依据雕塑模型重构拓扑以获得简洁网格体的工艺即重拓扑(Re-Topology)。这种技术路线简捷实用,发展趋势良好。

四、生态化设计对功能结构的处理

与包豪斯的“形式追随功能”理念一致,传统CAD的做法是功能结构先导,形体为之妥协,即视形态为各部分功能结构的衔接过渡。大部分机械设计的确如此,其外形设计只是为碍眼的内部结构和机械装置披上一件较为顺眼的外衣而已。常规CAD对待主形体上分支结构的节点部位(凸起或凹陷处的边缘)一般都采取“硬剪切”。长久以来,甚至形成了以剪切形态为美的“工程美学”(有包豪斯的某些影响),比如过去30年来的汽车外观设计中就普遍存在这种情况(图3)。近些年来CG行业里流行的所谓“硬表面建模(HardSurfaceModeling)”也反映了这种理念。电子产品外观和生活用具的设计也常常如此,设计师们为了此类嗜好而往往臆造与功能结构无关的装饰性剪切特征。而正如仿生学的意义在于学习生物唯美的形体与优良功能的天作之合,生态化设计追求主体形态与功能结构的统一,就如鲨鱼的尾巴既是主体形态又是功能结构一样。笔者认为生态化设计不应提倡“硬剪切”,应该从概念开始就充分考虑功能结构与主形体的配合和定位。在对待主体形态与功能结构的关系上,本文为生态化设计提出一个关键理念——顺其自然,即在设计实践上努力保持拓扑结构的渐次均匀,反对即兴地在主形体的任意位置做剪切和挤出结构?!敖ゴ尉取钡奶岱ɡ嗨剖跤镒允视Γˋdaptive),含义是在细小结构与主体表面交汇时,由狭小的交汇部位向宽阔表面均匀且逐渐递减式布设过渡网格?!熬取笔钦攵曰废颍ɑ騏向)网格分布,而“递减”针对径向(或V向)网格分布。实践上只需不超过三层的过渡即可获得交汇处连接张弛有度、舒缓、主体形态光滑流畅的效果(图4)。如果碰到需要特征边缘和交汇部位较为硬朗的场合,P-SubD是目前最好的技术选择。它的算法追求自适应细分,而非均匀细分,所需的基底网格体模型与其他算法相比最为精简。其优势表现在不需要像常规细分操作那样在需要硬化的局部增加基底网格的拓扑线(图5),而只是通过调整原有拓扑线的权重来达到目的(图6)。自适应细分虽然目前尚未做到十分完美,其算法仍有待改进,但这是SubD技术持续努力的一个方向。

五、与传统CAD的结合

生态化建模虽然有诸多优点,但当遇到主形体和功能结构中所存在的无法回避的矛盾时,仍需要实践中积累的技巧来合理设计拓扑结构,以便综合平衡主体形态和功能结构的关系,使其达到最优化。另一方面,如非原创设计而只是改良,或者存在客户坚持采用“硬切割”形态的场合,SubD与传统CAD的协调工作便必不可少了。目前实用的前沿技术有T-Splines和nPowerSoftware旗下的几款面向Modo、SolidWorks和3dsMax的插件等。值得一提的是T-Splines,曾经作为Rhino和SW的插件发挥作用,现在已经完全被吸收进Autodesk的Fusion360等软件中,而且不再向前二者提供。它既能对导入的基础网格进行修改,也能自行构建基础网格,更重要的是能够将基础网格无缝转换为NURBS模型。转换后的模型可以根据需要做任意精确的“硬剪切”,为添加机械结构设计服务。如果不离开基础模型构建系统又需要硬剪切操作,融入Modo的MeshFusion技术是目前一个良好的选项。

结语

综上所述,本文支持生态化设计的制造技术和工艺日臻完善,主张“顺其自然”之理念,追求形态简洁之拓扑的生态化设计,并认为这些理念当成为设计界的通识。

参考文献:

1.刘大申.新艺术的追求.装饰,2005.1

2.曾称作“快速原型制造”,也俗称“3D打印”

3.低阶的有G0—位置连续,G1—相切连续

4.Novikov.S.P.TopologyI,Springer,1996

5.T-Splines是专利技术,也以同名注册有公司。此技术现已被Autodesk公司收购

6.AdaptiveComputing,是相对蛮力(BruteForce)算法的聪明计算方式

作者:刘大申 单位:深圳职业技术学院

学术网收录7500余种,种类遍及
时政、文学、生活、娱乐、教育、学术等
诸多门类等进行了详细的介绍。

设计理念论文
@2008-2012 北京pk10开奖软件直播
出版物经营许可证 音像制品经营许可证
主机备案:200812150017
值班电话
0825-6697555
0825-6698000

夜间值班
400-888-7501

投诉中心
13378216660
咨询电话
唐老师:13982502101
涂老师:18782589406
文老师:15882538696
孙老师:15982560046
何老师:15828985996
江老师:15228695391
易老师:15228695316
其它老师...
业务
综合介绍
在线投稿
支付方式
常见问题
会员评价
官网授权
经营许可
142| 190| 400| 552| 630| 479| 828| 634| 262| 540|