（浙江農(nóng)林大學(xué) 藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，浙江 杭州 311300）

1 grasshopper 的運(yùn)用與研究現(xiàn)狀

1.1 grasshopper 的運(yùn)用

Rhino 由美國Robert Mcneel&Assoc 于1998 年正式開發(fā)，是基于nurbs 圖形技術(shù)的專業(yè)3D 造型軟件，最早主要用于輔助工業(yè)產(chǎn)品造型與生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)（CAID）軟件，能夠幫助設(shè)計(jì)師完成工業(yè)產(chǎn)品的構(gòu)想、造型以及提供與計(jì)算機(jī)輔助制造軟件的接口，用于產(chǎn)品最后的整套生產(chǎn)流程。

grasshopper 作為rhino 的一個(gè)內(nèi)置插件，是一種基于Rhino 平臺運(yùn)行的可視化程序語言，具有兩個(gè)最大的特點(diǎn)：其一，只需通過指令輸入，計(jì)算機(jī)就會按照擬定的算法自動生成結(jié)果，其算法結(jié)果不局限于模型、視頻流媒體以及可視化方案；其二，將程序經(jīng)過算法編寫后，計(jì)算機(jī)的循環(huán)運(yùn)算就會取代機(jī)械性的重復(fù)操作以及大量具有邏輯的演化過程，其結(jié)果也可以直接通過參數(shù)修改來調(diào)整，這些操作方式可以極大地提高設(shè)計(jì)人員的工作效率。

Mesh+以及weaverbird 是grasshopper 中已經(jīng)被編寫好的運(yùn)算插件，Mesh+能在grasshopper 中自由地進(jìn)行網(wǎng)格編輯、創(chuàng)建、交互和拓?fù)湫薷摹eaverbird 是款可以針對網(wǎng)格進(jìn)行快速編輯的軟件，其中文名字叫做織巢鳥，插件中包括了網(wǎng)格細(xì)分、模型轉(zhuǎn)換工具，支持對網(wǎng)格體進(jìn)行快速編輯，省去了許多重復(fù)步驟，讓網(wǎng)格設(shè)計(jì)變得更加輕松。本研究主要通過該兩個(gè)運(yùn)算插件來進(jìn)行編織紋樣的花瓶模擬和設(shè)計(jì)。

1.2 研究現(xiàn)狀

國內(nèi)有關(guān)rhino 和grasshopper 的文獻(xiàn)有很多，其中較有價(jià)值的文獻(xiàn)也有相當(dāng)一部分。通過在rhino 的基礎(chǔ)上，結(jié)合grasshopper 插件，運(yùn)用mesh+和weaverbird 來參數(shù)化建模的方式可以使設(shè)計(jì)更加智能化，讓建模更高效且更具有科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。

參數(shù)化編織文獻(xiàn)更多呈現(xiàn)在建筑領(lǐng)域，如同悅、許蓁的《編織形態(tài)的數(shù)字化策略》，任曉霏的《基于參數(shù)化建模的建筑“編織”主題研究——以萊州草編博物館概念設(shè)計(jì)方案為例》等優(yōu)秀文獻(xiàn)資料。雖然該類文獻(xiàn)研究grasshopper 的編織結(jié)構(gòu)運(yùn)用在建筑上，但其與產(chǎn)品的參數(shù)化編織也有許多共通之處，因此對本研究也有極大的參考價(jià)值。而grasshopper 在產(chǎn)品上的運(yùn)用也有戴欣偉的《基于Grasshopper 參數(shù)化設(shè)計(jì)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探索》，李森然、耿曉杰的《基于分形理論的家具形態(tài)創(chuàng)構(gòu)研究》 等優(yōu)秀文獻(xiàn)。因此對于運(yùn)用Grasshopper 來進(jìn)行參數(shù)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)有著可觀的研究前景。

國外與grasshopper 相關(guān)聯(lián)的文獻(xiàn)也有相當(dāng)一部分，但依舊主要運(yùn)用于建筑方面，產(chǎn)品方面較少，因此主要從國內(nèi)有關(guān)grasshopper 的優(yōu)秀期刊、專利、會議、學(xué)位論文進(jìn)行研讀與參考。

2 竹編織花盆

2.1 竹編

編織在中國有悠久的發(fā)展歷史，對于編織工藝品而言，如果按照原料劃分，則主要有竹編、藤編、草編、棕編、柳編和麻編等六大類。編織的工藝品種主要有日用品、欣賞品、家具、玩具和鞋帽等五類。如下主要從竹編工藝進(jìn)行研究。

中國傳統(tǒng)竹編工藝分為細(xì)絲竹編工藝和粗絲竹編工藝。細(xì)絲竹編工藝又被人們稱為瓷胎竹編工藝，是四川特有的手工工藝，以精細(xì)見長，制作而成的瓷胎竹編工藝品，其竹絲厚薄均勻，緊貼瓷面，接頭藏而不露，渾然天成。常見的細(xì)絲竹編工藝品有瓷胎竹編花瓶、竹編茶具等。

我國南方地區(qū)主要是粗絲竹編工藝：東陽竹編、閩西竹編、三穗竹編等。南方地區(qū)擁有淡竹、慈竹、毛竹等兩百多種竹子，不同地區(qū)的人們創(chuàng)造了各種藝術(shù)特色的編織工藝，僅東陽竹編就擁有260 多種編織技藝。常見的粗絲竹編工藝品有竹編涼席、涼枕、筐、籃和搖籃等，使用性較強(qiáng)，常作為各種生活用品。

如果按照竹編工藝編法來分類，則有平編底、四角孔編底、米字型編底（俗稱菊編底）、斜紋編法圖解、圓口編制法、六角孔編法、雙重三角形編法、三角孔編法、梯形編法、回字形編法、一挑一編法等。竹編的紋樣則主要有方格紋、回紋、米字紋、波紋等。

竹編在花盆的運(yùn)用上也較為常見，其在具有觀賞價(jià)值的同時(shí)又保證了功能價(jià)值。同樣的編織工藝、紋路可以運(yùn)用在形態(tài)各異的花盆上，會產(chǎn)生不同的觀賞效果和功能價(jià)值。

竹編花盆因?yàn)槠洳牧虾椭谱鞴に嚨奶匦?，竹條與竹條之間往往會存在間隙，當(dāng)水分含量過多時(shí)容易滲出或是易導(dǎo)致竹花盆腐爛。因此，竹花盆雖然有著低碳、環(huán)保、成本低廉和美觀等優(yōu)勢，但也有易腐爛、不密封等劣勢。

2.2 陶瓷3D 打印

為了保留編織獨(dú)特的審美價(jià)值，通過參數(shù)化建模來設(shè)計(jì)編織紋樣的花盆，并且通過建模得到的花盆可以采用3D 打印的方式來進(jìn)行實(shí)物制作?，F(xiàn)已有部分通過參數(shù)化設(shè)計(jì)花盆的案例，運(yùn)用的插件也各有不同，所得到的產(chǎn)品也形態(tài)風(fēng)格各異。

先利用參數(shù)化來進(jìn)行花盆外形以及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，再通過3D 打印陶瓷材料來得到陶瓷花盆?，F(xiàn)有的陶瓷3D 打印技術(shù)所運(yùn)用的材料是由陶瓷粉末和粘結(jié)劑混合而成，激光作用在打印材料上會引發(fā)內(nèi)部的交聯(lián)作用固化成型，然后逐層打印成型陶瓷零部件。形成相對密度接近100%的高強(qiáng)度產(chǎn)品，所制備的陶瓷產(chǎn)品的物理化學(xué)性能已經(jīng)能媲美常規(guī)的注射成型或干壓成型產(chǎn)品。參數(shù)化建模得到的產(chǎn)品可以為常規(guī)的手工制作陶瓷帶來極大的便捷，能做出一些手工無法做出的結(jié)構(gòu)或形態(tài)，且陶瓷3D 打印的市場在以較快的速度擴(kuò)大，有著較好的市場潛力和經(jīng)濟(jì)效益。

3 設(shè)計(jì)的展開

采用grasshopper 中的mesh+以及weaverbird 兩個(gè)插件來進(jìn)行編織模擬和設(shè)計(jì)。在運(yùn)用grasshopper 之前，首先需要在犀牛中畫好陶瓷花盆的整體造型結(jié)構(gòu)。為了保證展示的簡潔明了，先在rhino 界面中使用橢圓工具畫了4 個(gè)圓并用放樣工具畫出了陶瓷花盆外形的nurb 曲面，如圖1 所示。

圖1 花盆的曲線和曲面

當(dāng)有了外形nurb 曲面之后，才能進(jìn)行下一步的參數(shù)化建模。在犀牛中運(yùn)行g(shù)rasshopper 后，將在犀牛中畫的nurb 曲面設(shè)定到grasshopper 的surface 電池中，因?yàn)閙esh+的thatch 插件需要用mesh 面才能連接，因此必須先將nurb 面轉(zhuǎn)化為mesh 面。通過將surface 電池連接mesh surface 電池，可以重構(gòu)所需要圖形的UV坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)。為了確保運(yùn)行的流暢度,所設(shè)置的UV 點(diǎn)數(shù)不能過大，需控制在100 以內(nèi)，否則后續(xù)的電池連接會因電腦運(yùn)算超負(fù)荷而導(dǎo)致軟件無響應(yīng)。當(dāng)轉(zhuǎn)化好mesh面之后連接mesh+插件中的thatch 電池。在thatch 中可以調(diào)節(jié)和設(shè)置合適的寬度和距離。在調(diào)節(jié)T0 列邊寬度時(shí)，要控制好大小，數(shù)值不能超過1，否則會導(dǎo)致網(wǎng)格生成失敗。在調(diào)節(jié)D 距離之時(shí)，同樣也要控制好數(shù)值的大小，如圖2 所示，過大的數(shù)值會導(dǎo)致編織網(wǎng)過于凹凸，顯得很不真實(shí)。圖3 為Thatch 完整運(yùn)算圖。

圖2 Thatch 運(yùn)算

圖3 Thatch 完整運(yùn)算圖

經(jīng)過thatch 插件可以直接得到編織狀的結(jié)構(gòu)，但不夠精細(xì)，需要通過weaverbird’s catmul-dark subdivision 這一插件來細(xì)分所得到的mesh 面，該電池可以調(diào)節(jié)細(xì)分的階數(shù)，有一、二、三階，三階也是最為精細(xì)的。再將細(xì)分過的mesh 面連接到織物網(wǎng)變厚工具讓編織網(wǎng)有一個(gè)厚度?？梢栽诰嚯x處設(shè)置合適的數(shù)值，同樣該數(shù)值不能過大，通常編織竹片的厚度較薄，為了還原較真實(shí)的竹編織的效果，厚度設(shè)置同樣需要調(diào)節(jié)到位。而后將會得到一個(gè)完整的編織結(jié)構(gòu)由mesh rbird面組成的模型，如圖4 模型①所示。

圖4 四個(gè)編織模型

Mesh+中還有其余5 個(gè)插件能直接用來編織，不同的電池能產(chǎn)生不同的作用和效果，例如net 電池，在輸入多個(gè)可調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)之后，能根據(jù)所需要的尺寸達(dá)到預(yù)期的效果。分別在T0、T1、T2、T3、D 中輸入數(shù)據(jù)之后，將得到如圖4 模型②所示的編織結(jié)構(gòu)。

而在使用criss cross 電池后，在T0、T1、T2、D、C、F中輸入數(shù)值之后，又將得到不同的編織效果，如圖4 模型③所示。

也有別的方式可以進(jìn)行參數(shù)化建模來模擬編織結(jié)構(gòu)，但沒有這兩個(gè)電池便捷和快速，如圖5 所示。不運(yùn)用mesh+和weaverbird 也是可以進(jìn)行參數(shù)化編織設(shè)計(jì)的，通過圓條狀結(jié)構(gòu)和竹片狀結(jié)構(gòu)的分別計(jì)算和建模，能得到所需要的編織結(jié)構(gòu)，如圖4 模型④所示。但這較為費(fèi)時(shí)費(fèi)力，但其結(jié)構(gòu)mesh+中的weaverbird 插件無法直接生成，因此各有利弊。

圖5 運(yùn)算圖

通過mesh+和weaverbird 插件繪制的花盆經(jīng)過渲染得到的效果，可以經(jīng)過陶瓷3D 打印技術(shù)來進(jìn)行實(shí)物的打印制作。

在keyshot 渲染中，可以根據(jù)所想要的產(chǎn)品預(yù)期效果給模型添加材質(zhì)，例如陶瓷花盆應(yīng)添加陶瓷材質(zhì)來達(dá)到預(yù)期效果。將竹編織的結(jié)構(gòu)紋樣和陶瓷材質(zhì)的結(jié)合，既保留了竹編的結(jié)構(gòu)和造型特色，又能讓花盆更加結(jié)實(shí)耐用，極大地減少了手工編織制作的時(shí)間，又能根據(jù)自己所需要的造型和形態(tài)來進(jìn)行數(shù)值改變和替換，也能做出許多普通竹編織無法做出的造型和紋樣，有著巨大的潛力和市場價(jià)值。渲染效果如圖6 所示。

圖6 渲染效果圖

4 結(jié)語

運(yùn)用grasshopper 來進(jìn)行參數(shù)化建模不同于直接在rhino 中建模，參數(shù)化的方式能更快捷地進(jìn)行一些智能化的數(shù)值調(diào)節(jié)，而其插件內(nèi)原本帶有的電池則能方便快捷地通過一系列自帶的運(yùn)算來建模，這是常規(guī)的建模手段無法快速做到的。

本研究展示的參數(shù)化編織花盆設(shè)計(jì)通過還原部分傳統(tǒng)的竹編花盆紋樣，在保留編織的特有結(jié)構(gòu)和紋理的同時(shí)，融入一些傳統(tǒng)竹編無法制作的編織紋樣，能為編織花盆提供更大的設(shè)計(jì)空間，再通過3D 陶瓷打印的技術(shù)將所設(shè)計(jì)的模型快速制作出來，大大節(jié)省了時(shí)間成本。陶瓷材料有其本身的優(yōu)勢，而竹編織則有易腐爛、不密封等缺點(diǎn)，因此通過3D 打印的模型相比較傳統(tǒng)的制作方式會有其優(yōu)勢之處。這種通過參數(shù)化來進(jìn)行設(shè)計(jì)的方式是現(xiàn)在以及未來產(chǎn)品設(shè)計(jì)不可或缺的，并在設(shè)計(jì)界越來越被認(rèn)可。