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創成式設計綜述(一)之起源與概念

放大字體  縮小字體 發布日期:2019-11-25 09:32:22   瀏覽次數:1814  
核心提示:創成式設計綜述(一)之起源與概念
     “創成式設計”是由“Generative Design(GD)”翻譯過來的一種對設計系統和方法的表達,早期通常翻譯為“生成式設計”或“衍生式設計”,有些文獻和書籍上稱這種方法為“算法輔助設計(AAD——Algorithms-Aided Design)”或“計算性設計(Computational Design)”,建筑領域的人們習慣稱之為“參數化設計”。這種方法起源于建筑領域,最近的十年中在建筑設計和視覺藝術領域得到廣泛應用,但制造業領域的人還對其一無所知。
 
     近幾年,隨著增材制造技術的成熟,人們發現“設計”成了制約增材制造大量應用的瓶頸。于是GD方法開始引入產品設計領域,并率先在工業設計、珠寶設計等領域開始應用。
 
     近兩年,各大CAD廠商都相繼推出自己的相關產品,代表制造業產品設計已經邁進GD的時代。同時國內出現了“創成式設計”的翻譯表達。這并不僅僅是噱頭,而是包含了對這種方法的更深層次的理解,更明確了計算機及算法在設計過程中幫助設計師創新、探索更廣泛的解決方案的能力。
 
     增材專欄近日將分三期為大家分享創成式設計的起源概念、軟件實現及創成式設計的典型案例。本期,通過創成式設計綜述(一)之起源與概念來與大家一起了解創成式設計的起源與概念,以及創成式設計的方法流程。
 
起源與發展
     早在文藝復興時期,受維特魯威(Vitruvius)(古羅馬建筑師)的著作(被稱為《建筑十書》)對建筑師的影響,建筑學中的計算逐漸成為人們關注的焦點。
 
     最初的計算主要關注各種元素間的幾何關系,并開發了一些方法(或稱算法),在指南針和直線的幫助下,可以推演和計算幾何關系。更多的因素與形狀的關系(如力與形狀的關系)在當時還是難題。比如,現在我們已經了解的“懸鏈線問題”就曾經是達芬奇苦苦思索而始終不得其解的難題,荷蘭物理學家惠更斯也僅僅是用物理方法證明了這條曲線不是拋物線,但沒有找到最終答案,直到幾十年后(與達芬奇的時代時隔170年),雅各布•伯努利再次提出這個問題,并被他的弟弟約翰•伯努利找到了正確答案(引自百度百科)。
 
     19世紀末的建筑領域出現的一種新方法——找形(form-finding),可以解決類似懸鏈線的問題。一些先驅建筑設計師試圖通過研究材料、形狀和結構之間復雜而關聯的關系,發現新穎和優化的結構。在當時缺乏物理數學模型理論基礎的條件下,“找形”是依賴于物理模擬裝置來實現的,例如:通過肥皂泡發現最小表面;通過懸垂織物,發現只受壓力的拱頂和分支結構等,見圖1。
 
 
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     隨后的幾十年中,“找形”成為確定優化結構的形狀和形式的重要策略[1]。但是,這種物理實驗方法模擬的結構優化往往是單參數的(比如基于重力)情況,對于更復雜的情況,這種方法并不能滿足結構優化的需求。就像新月沙丘的形狀是由風力和重力共同作用形成的一樣,實際的優化結構形狀也受多參數的影響,它是目標與各種各樣的參數交互作用的結果,見圖2。
 
 
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     1939年,意大利建筑師路易吉•莫雷蒂(Luigi Moretti)首先提出了“參數化建筑”的定義。他認為建筑中的形式是由光影、建造肌理、體量、內部空間結構、材料的密度和品質、表面的幾何關系以及諸如色彩等更為細小的參數形成的。形式的差異是由這些不同的參數差異造成的?;诖死斫?,加上他扎實的數學基礎以及和數學家Bruno De Finetti的合作,讓他得以在1940-42年就著手發展建筑參數化研究,并延續到戰后。
 
     1960年威尼斯雙年展上,Moretti展出了一系列通過參數化計算得出的運動場館原型。他還成立了城市應用數學演算研究院(IRMOU),推演城市中交通流量的變化以利控制 [豆瓣日記] 。參數化設計在20世紀80年代被倡導,如今許多CAD應用程序都提供了建立關系和使用變量的能力。
 
 
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     從建筑設計的發展歷史來看,從古代基于幾何規則和關系的演算方法,到基于物理模擬和數學計算的找形方法,再到參數化方法,其中都蘊涵了計算方法,我們可稱之為“算法”。算法(Algorithm)是指解題方案的準確而完整的描述,是一系列解決問題的清晰指令,算法代表著用系統的方法描述解決問題的策略機制 [百度百科] 。算法的計算不一定需要由計算機執行,實際上,很多算法的出現遠遠早于計算機的發明。不過,計算機的計算能力和編程技術的發展,確實為工程設計過程的算法操作和自動化提供了條件。
 
     從20世紀80年代后期開始,學術研究和前衛實踐者試圖擺脫繪圖軟件的簡單編輯限制,他們探索了“從內部”操縱軟件的新方法,旨在通過編程找到未探索過的解決方案和形態。借助于計算機和算法輔助設計的建筑已經發生徹底的改變,圖4 —— 圖8是其中的例子,用這種方法設計的各式新奇的建筑還有很多,它們不僅僅是外觀炫酷,其空間、結構力學、風載、采光、以及其他功能性也都在設計中考慮和計算。
 
 
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     在運用算法方面,視覺藝術領域晚于建筑領域,但是,在利用計算機程序“生成”藝術方面還要更早。上世紀 60 年代,就有人嘗試用機器自發地進行藝術創作。因為藝術創作沒有約束,探索的空間更大,因此生成藝術(Generative art)發展的非??臁,F在我們看到各種神奇的視覺效果、影視的各種特效、圖片處理軟件、魔術等等,都與生成藝術相關。特別是在人與計算機的交互方面,生成藝術已經發展到很高的水平。例如,圖9 就是我在Silk–Interactive Generative Art 網站隨手幾筆畫出的一幅畫。
 
 
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     設計師和藝術家們的這些探索也反過來推動了設計方法和工具的發展,并正在使它們發生革命性進步。一些建筑設計軟件也從支持簡單參數化的CAD繪圖軟件,發展出了滿足設計師通過編程方法探索設計方案的生成式設計系統,最著名的有:Rhino/GH,Revit/Dynamo,Bentley/GC;生成藝術相關軟件也有Processing、Sverchok for Blender等。許多設計師和藝術家很快意識到,更復雜的程序算法,特別是與先進的計算機技術結合,將可以處理超出人類能力的復雜性,使計算機成為工程師們的智能助手。
 
     現在生成式設計已經成為一個新的交叉學科。與計算機技術的深度結合,使得很多先進的算法和技術應用到設計中來。得到廣泛應用的創成式算法包括:參數化系統、形狀語法(Shape Grammars (SG))、L-系統(L-systems)、元胞自動機(Cellular Automata (CA))、拓撲優化算法、進化系統和遺傳算法等。
 
     還有很多受生物和自然系統啟發而開發的算法,例如遺傳進化和后天免疫系統的適應能力以及鳥類、蜜蜂、螞蟻和細菌的覓食行為等等,也被移植過來用作仿生生成設計或優化的算法,有的已經在首飾裝飾品設計、家居用品設計等方面實際應用。
 
     圖10 是模擬菌絲生長算法在實際中應用的實例(引自Nervous system)。此外,生成的數字化模型也為VR模型的創建奠定了基礎,各種VR應用,如VR方案展示、VR電子沙盤、VR建筑館等都得以實現。
 
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前幾年生成式設計和藝術在上述各個領域已經應用的如火如荼,可是在制造業產品設計領域卻幾乎見不到應用。也許是因為制造工藝(特別是減材工藝)的約束限制了產品的復雜度,缺乏這方面的需求吧。但近年來隨著3D打印技術的飛速發展,原來無法制造的復雜形狀可以制造了。于是,設計師們想解除束縛進行創新,但卻發現自己缺乏想象力。
 
     隨之,各大CAD廠商紛紛推出自己的“創成式設計”軟件,并且告訴工程師:你只需要輸入需求和約束,計算機就會給你成千上萬個方案。很多人相信了,但也有些人心存疑問:難道設計軟件已經發展到如此智能程度了?難道已經不需要工程師去設計了嗎?我就是有疑惑的人之一。進一步了解后發現原來大家是把早已經有的拓撲優化算法拿來開發成了創成式設計軟件,所以各家的宣傳資料上顯示的創成式設計的零件幾乎都是同一風格的,如圖11 所示。 
 
 
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     直到現在,工業領域的很多專業人士依然認為:建筑領域所用的生成式設計方法只能做一些外觀設計,只有基于力學仿真的方法才是設計的正路。其實,這未免太有失偏頗了。如果這種認識占據主導,將會影響創成式設計方法在工業領域的發展速度。 
 
概念
     什么是創成式設計?要全面回答這個問題,我想還是取它起源并已成熟應用的建筑領域的理解更恰當。創成式設計方法完全不同于傳統CAD的手工建模方法,創成式設計是通過編寫算法和程序來設計的過程,可見的模型是執行算法和程序的結果。為了編寫設計程序,設計者必須知道如何分解設計邏輯,并且必須選擇適當的編程元素來表示基本部分以及這些部分之間的關系。這些程序跟其他的計算機程序一樣,是按照一定的規則邏輯編寫的,其中有一些基礎算法或特別專業的算法可能是別人編好的,在設計師編制自己的模型生成算法時調用即可。
 
     我們可以用黑箱、白箱、灰箱來幫助理解創成式設計的程序。黑箱算法系統對于設計師來說,內部是未知的,它通過設計師給的輸入直接給出輸出結果,拓撲優化算法就是比較典型的一種黑箱。白箱算法是建立在對系統的組分構成及其相互聯系有透徹了解的基礎上,通過揭示系統內部的結構和功能來認識包括系統輸入與輸出在內的整體特性,這種算法通常都是由設計師自己編寫?;蚁渌惴▽υO計師來說部分已知,而其余部分則是未知的,在有些情況下,設計師可以部分地采用現有算法,而不必深入了解這種算法是怎么編寫的,這時候采用灰箱設計思路往往能收到事半功倍的效果。顯然,白箱方法是設計師完全掌控的設計過程,而黑箱法相反,設計師看不到也不能修改算法,只能看到結果。
 
 
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     我們可以用一個公式——創成式設計=基于規則的編碼過程+結構生長過程——來表達什么是創成式設計。因為創成式設計是通過編程進行設計,程序是按照一定的規則邏輯編寫的,所以程序生成的模型是所有符合所編的規則邏輯的結果,它們很多,可能是成千上萬個模型。這本質地區別于CAD手工建模的方法,手工建模的結果是一個具體的模型,而程序建模包含了所有符合規則的模型,我喜歡用“物種”這種描述來比喻所有這些生成的模型。用我們非生物專業的淺顯理解:一個物種會有多種表現形式,但是我們一眼能夠看出他們是同類。
 
     那么,什么決定了一個物種是這種而不是那種?我們可以理解為是基因組編碼的規則、邏輯順序、以及內部變量取值的范圍。什么決定一個物種中個體的表現形式呢?我們可以理解為是外部環境條件等環境變量?;蚪M編碼創成式設計程序,確定環境變量很像我們的優選過程。
 
 
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     創成式設計是通過編程進行的,設計師們的設計思維模式和工作過程也更像是一個程序員。他們不再需要在腦子里想出具體的形象,而是需要圍繞任務、設計目標、功能、約束、幾何關系、變形規則等等,厘清它們的關系,并且可以用規則來描述它們,這一描述規則的過程我們可以稱為基于模型的系統工程(MBSE),但這比現在各家所推的MBSE方法所分解的顆粒度更細。有了這些規則模型后,就可以著手進行編程了。
 
     對于產品設計工程師來說,寫代碼可能是不擅長的,可以選擇可視化編程的軟件。創成式設計的流程如圖14所示:設計師選擇生成模型的策略、編寫算法;算法自動地生成模型;模型的選擇依需求分為主觀選擇和客觀選擇,美學判斷是通過人機交互修改參數改變模型,觀察選擇,客觀選擇是根據客觀的設計目標,結合仿真、優化方法,由計算機自動完成的。仿真、優化過程本身也是通過算法實現的,因此,“最佳”是和創成式的建模程序一體化的。
 
 
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     隨后的增材專欄,我們將為大家分享創成式設計實現方法之軟件實現以及應用案例,敬請關注。 
 
參考文獻
[1]  AAD_Algorithms-Aided Design  2014 by le penseur, Printed in Italy {September 2014)
 
—作者—
張效軍
     機械電子工程專業工學碩士,中國機械工程學會 注冊機械設計工程師,高級工程師?,F任安世亞太公司先進設計與制造高級技術專家、創新咨詢專家。
     具有14年教師工作經歷,10年企業產品研發經驗,9年創新咨詢、設計方法研究經歷。多項專利的第一發明人,所獲得的多項專利均已成功應用在產品上;其中CN102141507A使產品的關鍵指標的合格率從原來的不足10%提高到95%以上,并且實現了全自動調校,并且沒有增加成本。
多年設計領域的經驗積累,量變到質變,轉化為對于設計方法的洞察力,提出了基于系統工程的創成式設計方法論。
來源:安世亞太
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