江曉斌,傅桂濤
(浙江農(nóng)林大學 藝術(shù)設(shè)計學院,浙江 杭州311300)
作為中國優(yōu)秀傳統(tǒng)民間手工藝代表之一的竹編有著悠久的歷史,是珍貴且具有重要價值的文化資源。保護、弘揚與發(fā)展中國的竹編文化,是順應(yīng)時代潮流的必然之路[1-2]。
各式巧妙的結(jié)構(gòu)是竹編的精髓,在數(shù)千年歷史文化的傳承之下,竹編結(jié)構(gòu)符合了歷代人民對于部分生活用品和審美情趣的需求[3]。例如挑一壓一的編織手法則是竹編中最為基本的,其簡單而又巧妙的結(jié)構(gòu)是科學的,富有彈性且又能承載較大的質(zhì)量。因此竹編結(jié)構(gòu)的特性讓其在部分生活用品中發(fā)揮著作用[4]。但傳統(tǒng)竹編也因其結(jié)構(gòu)的局限性和材料的制約導(dǎo)致其逐漸和現(xiàn)代產(chǎn)品脫節(jié),如何將傳統(tǒng)竹編結(jié)構(gòu)更好地運用在現(xiàn)代產(chǎn)品上是一個有待深入研究的問題。
隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展,竹編結(jié)構(gòu)可以不通過竹蔑的手工編織來實現(xiàn),例如3D打印的方式就可以用各類不同的材料來實現(xiàn)竹編結(jié)構(gòu)[5],通過結(jié)構(gòu)的再設(shè)計和材料的替換將賦予產(chǎn)品更優(yōu)良的品質(zhì)。具體可通過提取傳統(tǒng)竹編結(jié)構(gòu)的經(jīng)典元素,運用Grasshopper參數(shù)化設(shè)計的方式,將傳統(tǒng)竹編賦予多層復(fù)合式的立體空間結(jié)構(gòu),使其有更豐富且現(xiàn)代化的功能價值。傳統(tǒng)元素與現(xiàn)代參數(shù)化設(shè)計結(jié)合的方式在保留和弘揚傳統(tǒng)文化的同時更能滿足現(xiàn)代產(chǎn)品的功能需求,使竹編結(jié)構(gòu)應(yīng)用在更為廣泛的領(lǐng)域。
傳統(tǒng)竹編是指采用竹絲篾片來進行挑壓交織,被挑壓的蔑一般被稱為經(jīng)線,緯線則為編織的蔑。通過經(jīng)緯線的相互交織作用可以編出各類豐富結(jié)構(gòu)。挑一壓一作為竹編中最基本的工藝手法,由其衍生而來的挑一壓二、挑二壓二、挑三壓三也十分常用,由挑壓編法形成的四角孔紋樣、六角孔紋樣、回形紋樣等被運用在了各類傳統(tǒng)產(chǎn)品上[6-7],此外還有各類裝飾性編織手法,本文暫不進行研究。雖然從竹編的工藝出發(fā)可以分為平面竹編和立體竹編,但兩者的本質(zhì)都是通過竹篾絲的挑壓形成,因此傳統(tǒng)竹編結(jié)構(gòu)更多地趨向于平面上的編織,而立體編織則可以理解為由平面竹編作為立體化產(chǎn)品表皮的過程。
由此可見傳統(tǒng)的編織結(jié)構(gòu)更多地以竹篾絲挑壓編織成面的方式來制作成各類日常生活用品,如藝術(shù)觀賞品、承載物、收納品、家具等[8],平面的結(jié)構(gòu)讓傳統(tǒng)竹編只能作為上述產(chǎn)品形體的表皮面,因此傳統(tǒng)的手工竹編結(jié)構(gòu)逐漸和現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)產(chǎn)物脫節(jié)?,F(xiàn)代的產(chǎn)品往往因功能需求的多樣化產(chǎn)生了各類復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu),傳統(tǒng)的挑壓編織不能滿足該類產(chǎn)品的需求。
中國的竹類資源豐富,栽培歷史悠久,在數(shù)千年歷史文化長河中,正是依托著豐富的竹資源,才能造就一代又一代的傳統(tǒng)竹編匠人,他們制成的竹編日用品,工藝品等融入了百姓的日常生活中。
竹材有其獨特的優(yōu)勢,相比較木材而言,竹的生長周期更短,只需3-5 a即可成材,而木材有些則需數(shù)十年甚至上百年。且竹有產(chǎn)量高、韌性好、重量輕、強度高等特點使得竹材在許多領(lǐng)域發(fā)揮著作用。
但竹編類產(chǎn)品卻又會因竹材而受到種種制約,例如許多竹編產(chǎn)品存在較易發(fā)霉、生蟲、開裂的問題[9],導(dǎo)致這類產(chǎn)品的使用壽命往往較為短暫。此外,竹編的材料往往不能滿足現(xiàn)代產(chǎn)品的功能需求,且相比較同類現(xiàn)代化流水線產(chǎn)品的制造成本往往較高、生產(chǎn)效率低下。對于許多需要較高科技水平或是功能價值的產(chǎn)品而言,竹材往往不能發(fā)揮作用。
因竹編類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的局限性和材料的制約性,導(dǎo)致傳統(tǒng)竹編產(chǎn)品相對于現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的適用性較低。傳統(tǒng)竹編產(chǎn)品常為生活日用品和觀賞品等,例如瓷胎竹編的壇罐瓶類產(chǎn)品,竹包類的竹包手袋和挎包,竹編燈具,竹編茶具、咖啡具、酒具、文具、竹編平面畫等[10-11]。
這些產(chǎn)品往往以傳統(tǒng)手工藝的方式制作,體現(xiàn)的是中國傳統(tǒng)竹編文化的源遠流長與匠人的精湛技藝,但其制作過程費時費力,所涉及的產(chǎn)品制作工藝也相對落后,與高速發(fā)展的科技水平存在一定的脫節(jié),因此很大程度上限制了竹編結(jié)構(gòu)輕薄透氣、支撐牢固以及彈性在現(xiàn)代化產(chǎn)品上的發(fā)揮和利用空間。
參數(shù)化設(shè)計可以通過算法模擬傳統(tǒng)竹編的復(fù)雜結(jié)構(gòu),進一步與3D打印技術(shù)結(jié)合,可將竹編結(jié)構(gòu)類產(chǎn)品以光敏樹脂復(fù)合材料、陶瓷粉末材料、金屬粉末材料、塑料粉末材料等材料制作出,能突破傳統(tǒng)竹編工藝的材料和生產(chǎn)效率等限制。根據(jù)特定產(chǎn)品的功能要求,經(jīng)參數(shù)化結(jié)構(gòu)再設(shè)計,可將平面化的竹編結(jié)構(gòu)通過復(fù)合重組形成空間立體化的形態(tài),提高編織結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品適應(yīng)性。解決對策見圖1。
圖1 傳統(tǒng)竹編結(jié)構(gòu)應(yīng)用的參數(shù)化解決對策Fig.1 Parameterized solutions for the application of traditional bamboo braiding structures
更進一步的,參數(shù)化設(shè)計模式具有較高的互動性,能通過調(diào)整數(shù)個關(guān)鍵參數(shù)來生成多種方案,這大大提高了設(shè)計的反應(yīng)速度和靈活性,對于實現(xiàn)用戶定制和個性化生產(chǎn)有極大的促進作用,甚至可以實現(xiàn)生產(chǎn)部門對銷售端的實時反饋。這對于產(chǎn)業(yè)、商業(yè)模式的創(chuàng)新具有革命性的意義。
傳統(tǒng)竹編的文化內(nèi)涵豐富,歷史底蘊悠久,其結(jié)構(gòu)巧妙而又富有各自獨特的功能價值,以下從常規(guī)的竹編結(jié)構(gòu)出發(fā),提取可利用的竹編元素,再結(jié)合參數(shù)化的方式來進行設(shè)計。
挑一壓一的編法是所有竹編結(jié)構(gòu)中最為基本也是最為常用的,從該竹編結(jié)構(gòu)中提取的經(jīng)緯交叉線在很多現(xiàn)代化產(chǎn)品中都能看到其影子,這種交錯式的結(jié)構(gòu)滿足和符合物品承重的原理。竹編結(jié)構(gòu)中的米字紋由最基本的經(jīng)緯交織衍生而來,通過45度的斜向交錯可以讓編織結(jié)構(gòu)更具穩(wěn)固性。相應(yīng)的,又選取了斜紋編法和六角孔編法這兩種較為經(jīng)典的竹編結(jié)構(gòu),從傳統(tǒng)竹編中提取部分經(jīng)典可用結(jié)構(gòu)的衍生變化過程見圖2。
圖2 傳統(tǒng)竹編結(jié)構(gòu)的提取與衍生變化圖Fig.2 Extraction and derivation of traditional bamboo braiding structure
通過Grasshopper參數(shù)化設(shè)計,可將平面化,單層化的竹編結(jié)構(gòu)通過一系列的邏輯運算達到多層復(fù)合式效果,讓現(xiàn)代化的技術(shù)手段突破原本所選取的傳統(tǒng)竹編結(jié)構(gòu)束縛,讓所設(shè)計的產(chǎn)品不僅僅只是表皮的純粹手工挑壓編織結(jié)構(gòu)。
從功能角度分析:挑一壓一的結(jié)構(gòu)適用于產(chǎn)品受力面,且具有良好的透氣效果,可作為復(fù)合結(jié)構(gòu)的上層面;斜紋結(jié)構(gòu)的排列方式呈90度斜向交錯狀,因此該結(jié)構(gòu)具有良好的防滑性能,可作為防滑紋路進行設(shè)計;六角孔紋、米字紋等結(jié)構(gòu)因其良好的承重性能,可在重構(gòu)形成立體空間結(jié)構(gòu)后作為復(fù)合結(jié)構(gòu)的緩震支撐層。
Grasshopper是一種基于Rhino平臺運行的可視化程序語言,用這種參數(shù)化設(shè)計的方式來對傳統(tǒng)竹編結(jié)構(gòu)進行重構(gòu)設(shè)計是科學的,符合了時代的潮流發(fā)展[12-13]。
先將所選取的3類傳統(tǒng)編織結(jié)構(gòu)進行了邏輯化的算法構(gòu)建。以挑一壓一法為例,在Grasshopper中有許多種編織結(jié)構(gòu)的運算方法,常規(guī)的為選取曲面并構(gòu)建UV點,通過經(jīng)緯方向的間隔點各自以上下移動一段距離的方式形成波紋效果的曲線,再按曲線的法線等方向構(gòu)建矩形來形成長條形狀的竹篾編織效果。此外還有Mesh+插件中的Thatch電池結(jié)合Weaverbird中的圓滑邊緣與增加厚度電池來構(gòu)建竹編結(jié)構(gòu),但該類方式需將Nurbs曲面轉(zhuǎn)化為Mesh面,最后所得到的產(chǎn)品模型為網(wǎng)格面,不利于后期的修改。圖3展示了通過Parakeet中的Knit電池來進行挑一壓一結(jié)構(gòu)制作。先選取所需要的曲面,再通過Knit電池設(shè)定所需編織線的UV方向數(shù)量,以此控制竹編結(jié)構(gòu)的疏密即可得到經(jīng)緯交錯的編織線,之后將編織線通過輸入所需要竹編篾條的厚度與寬度以及方向等一系列參數(shù)即可獲得所需模型,最終運算出的結(jié)果為Nurbs曲面,也更易進行后期操作。這類通過Grasshopper參數(shù)化設(shè)計的方式可以按照需求輸入各個量值,再按照邏輯運算過程即可生成結(jié)果,相比較常規(guī)建模方式更利于數(shù)值修改以獲得多方案,更快捷智能,也更具科學性[14]。將經(jīng)過Grasshopper運算所生成的模型經(jīng)過渲染后得到的立體效果見圖3。
圖3 挑一壓一結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計過程圖Fig.3 Parameterized design process diagram of the picking-pressing structures
同樣的通過構(gòu)建UV點,控制經(jīng)緯線交錯順序、UV點起伏幅度、疏密、蔑條的寬度與厚度等數(shù)據(jù)可以得到斜紋編法[15],因過程較為繁復(fù),具體的運算方式就不做說明,只展示結(jié)果模型。六角孔結(jié)構(gòu)由3個方向的線編織而成,呈60度交錯狀,起伏原理與挑一壓一的四角孔編法相同。斜紋編法與六角孔編法的參數(shù)化模型渲染效果見圖4。
圖4 斜紋編織和六角孔編織結(jié)構(gòu)渲染效果圖Fig.4 Rendering effect of twill braiding and hexagonal braiding structure
在實際應(yīng)用中,可通過將平面的編織結(jié)構(gòu)空間立體化,來獲得較優(yōu)的緩震支撐性能,結(jié)合透氣結(jié)構(gòu)與防滑結(jié)構(gòu)能形成一體式的多功能多層復(fù)合編織結(jié)構(gòu)。鞋底作為一類典型產(chǎn)品結(jié)構(gòu),需同時具有較優(yōu)的透氣性能、緩震支撐性能、防滑性能等,多層復(fù)合編織結(jié)構(gòu)則能很好地滿足這類要求。
以下,從鞋底結(jié)構(gòu)的多個維度出發(fā)進行探究設(shè)計。針對鞋底所需的透氣結(jié)構(gòu)、防滑結(jié)構(gòu)以及緩震支撐結(jié)構(gòu)進行了參數(shù)化多層復(fù)合編織結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)。
2.3.1 摩擦紋路的設(shè)計 首先選取斜紋元素來進行鞋底的防滑結(jié)構(gòu)設(shè)計。為了能更好地符合人體工程學的防滑效果,先對鞋底的受力情況進行了資料收集與分析,因每個人的足部形態(tài)各異,案例中選取44碼鞋底的尺寸比例做運算設(shè)計,并繪制了相應(yīng)的鞋底受力分布灰度圖[16],在足部受力多的部位,會有更深的色塊。案例中的運算方式主要通過Image Sampler電池,該電池能將圖案信息轉(zhuǎn)化為每個灰度點上的信息,根據(jù)灰度值的深淺度變化會反應(yīng)不同的結(jié)果,因此該運算方式得出的結(jié)果可以作為紋路的大小以及疏密信息進行繪制。
在繪制完鞋底受力分布圖后,運用Nurbs曲線在Rhino中繪制單個斜紋元素作為鞋底紋路的經(jīng)緯列陣,可以得到所需數(shù)量的列陣效果,再按照斜紋的橫豎比例關(guān)系來調(diào)節(jié)經(jīng)緯方向的數(shù)量比例,以此來確保所繪制的模型與鞋底受力分布圖的比例一致。由于所導(dǎo)入的圖片范圍在0到1之間,因此也同樣需要運用Scale NU電池將由斜紋元素列陣得到的區(qū)域縮小至0到1之間來滿足兩者點元素的相互對應(yīng),再將輸出的各個點的信息作為斜紋元素的縮放因子,以此來得到大小與疏密滿足鞋底受力的排列效果,最終所獲得的紋路效果在鞋底受力較多的地方會排列更緊密,滿足鞋底的防滑需求。該案例將傳統(tǒng)的斜紋竹編元素融入到鞋底紋路設(shè)計中,運用參數(shù)化的方式讓鞋底的防滑性達到更優(yōu)的效果,具體運算步驟與渲染效果見圖5。
圖5 防滑鞋底紋路的參數(shù)化設(shè)計過程圖Fig.5 Parameterized design process diagram of anti-skid sole pattern
2.3.2 緩震與支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計 對于產(chǎn)品的緩震來說,不僅有利用特殊材料來增加產(chǎn)品緩震性能的方式,同時也有通過結(jié)構(gòu)的變形來吸收沖擊能量的機械緩震。例如弓形、波浪形硬質(zhì)材料,氣墊等,均屬于機械緩震。
隨著3D打印技術(shù)的逐漸成熟,越來越多的材料可以被運用在3D打印中,而復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制作原本就是3D打印的優(yōu)勢所在。以光固化打印為例,結(jié)合新型緩震材料,可以同時滿足材料緩震與機械緩震[17],且能兼?zhèn)淞己玫闹涡阅?。而傳統(tǒng)竹編中的多類編織結(jié)構(gòu)就有很好的緩震與支撐效果,因而選取該類傳統(tǒng)竹編結(jié)構(gòu)元素運用Grasshopper參數(shù)化的方式對產(chǎn)品緩震與支撐進行思考與設(shè)計。
以空間化米字紋緩震支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計為例,先選定所需設(shè)計的曲面,再運用Quad Panles電池對所選定的曲面按照所需經(jīng)緯數(shù)目來進行切割,該電池能將曲面劃分為若干獨立矩形格,而后再運用這些獨立的矩形格進行邏輯化的數(shù)組對應(yīng)與連接。從每個小方格的中間獲取中心點并將其按Z軸方向移動一定距離,再將移動后的點在移動后的平面中進行經(jīng)緯方向連接和向初始面的矩形四角點進行連接可獲得斜向支撐結(jié)構(gòu)線。下層的平面再按照數(shù)列的排布方式依次進行連接,由于所選定曲面的最外側(cè)兩條曲線會重復(fù)運算,因此需要將其獨立出來單獨獲取其邊線,最終可獲得米字型的緩震支撐結(jié)構(gòu),再在各個支點處增加球體來進行加固設(shè)計。該運算方式多次運用數(shù)據(jù)羅列電池與按照所需結(jié)構(gòu)進行數(shù)據(jù)匹配連接的電池,這種從傳統(tǒng)米字紋結(jié)構(gòu)中提取的米字雙層參數(shù)化結(jié)構(gòu),可以很好地將上層受力分解到下層,以此來起到緩震與支撐的作用,具體的運算步驟與效果圖見圖6。
圖6 米字紋緩震支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計過程圖Fig.6 Parameterized design process diagram of米-shaped seismic moderating support structure
通過Grasshopper參數(shù)化的方式設(shè)計的多層米字紋編織結(jié)構(gòu)擁有良好的緩震與支撐性能,結(jié)合前文所設(shè)計的挑一壓一竹編結(jié)構(gòu)與斜紋鞋底摩擦結(jié)構(gòu),能設(shè)計出兼?zhèn)鋬?yōu)異的透氣性能、防滑效果、緩震支撐功能的鞋底,見圖7。該款鞋底依舊以44碼男鞋為例,進行參數(shù)化設(shè)計時,先選擇所要設(shè)計的鞋底面作為邏輯運算的起始面,再連接編寫好的米字紋緩震支撐結(jié)構(gòu)運算程序,即可快速高效地獲得模型。所設(shè)計的緩震與支撐結(jié)構(gòu)由四層空間米字紋組成,足部對于鞋底的壓力能被數(shù)百條斜向結(jié)構(gòu)分解,并且能提供良好的支撐與回彈效果,鞋面的挑一壓一竹編結(jié)構(gòu)在具有良好透氣性能的同時對中間層的米字紋緩震支撐結(jié)構(gòu)起到穩(wěn)固的作用。鞋底的斜紋摩擦結(jié)構(gòu)、多層米字紋緩震支撐結(jié)構(gòu)、挑一壓一透氣結(jié)構(gòu)三者復(fù)合形成一體式的多功能多層復(fù)合編織結(jié)構(gòu),能為運動鞋帶來更優(yōu)異的性能表現(xiàn)。
除了米字紋結(jié)構(gòu)外,對方格紋與六角紋的元素都進行了參數(shù)化的雙層空間結(jié)構(gòu)設(shè)計,見圖8。其原理都是通過數(shù)據(jù)的拆分與重新匹配,具體的運算過程不做展示。所設(shè)計的上下支撐結(jié)構(gòu)結(jié)合現(xiàn)代的3D打印材料都可以起到較好的緩震與支撐作用,這類結(jié)構(gòu)均可以通過Grasshopper參數(shù)化設(shè)計的方式運用到各類現(xiàn)代產(chǎn)品上。
圖8 方格紋與六角紋的緩震支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計效果圖Fig.8 Design effect drawing of lattice and hexagonal lattice cushioning support structure
所設(shè)計的多層復(fù)合編織鞋底在實際生產(chǎn)過程中,依托參數(shù)化設(shè)計的快速可修改性,可通過數(shù)值調(diào)整來根據(jù)不同的鞋碼設(shè)計各異的尺寸規(guī)格,或調(diào)整透氣結(jié)構(gòu)、緩震支撐結(jié)構(gòu)以及摩擦結(jié)構(gòu)的排布方式以及疏密,增加或降低鞋底厚度,賦予外層新的結(jié)構(gòu)等方式來快速、高效地獲得各類鞋底的方案效果,以此來滿足不同種類、不同功能用途鞋底的實際需求。
以上給出了多層復(fù)合編織結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計實現(xiàn)過程?,F(xiàn)實中還有許多產(chǎn)品都存在類似鞋底這樣對防滑、支撐和緩震的結(jié)構(gòu)性能需求,也可用類似的思路給出解決方案。例如將多層方格紋結(jié)構(gòu)運用在椅子上,首先在靠背和凳面表面層采用挑一壓一的結(jié)構(gòu),具有一定的防滑透氣性,下層采用空間米字紋的多層緩震支撐結(jié)構(gòu),并在外圍采用光滑包邊結(jié)構(gòu)進行加固,形成一體的復(fù)合結(jié)構(gòu),結(jié)合高分子材料3D打印技術(shù),可以高效地獲得一款透氣且柔軟舒適的椅子,模型效果見圖9。
圖9 多層復(fù)合編織椅模型圖Fig.9 Model diagram of multilayer composite woven chair
多層復(fù)合編織結(jié)構(gòu)在自行車輪中也可以有不錯的應(yīng)用,見圖10,傳統(tǒng)的車輪需要通過在內(nèi)胎打氣來讓車輪起到緩震作用,而參數(shù)化多層復(fù)合編織結(jié)構(gòu)則在具有良好緩震效果的同時,省去了需要打氣的麻煩,也不會有爆胎的危險。通過運用方格紋緩震支撐結(jié)構(gòu)的邏輯運算,結(jié)合自行車輪轂來進行設(shè)計,該車輪由數(shù)百根獨立支撐結(jié)構(gòu)組成,各自承擔并分解所受的力,外側(cè)的防滑紋路由斜紋重構(gòu)設(shè)計而來。將緩震支撐與防滑一體化,形成了具有多功能的多層復(fù)合編織結(jié)構(gòu),讓產(chǎn)品的適用性更優(yōu)。
圖10 多層復(fù)合編織自行車輪模型圖Fig.10 Model diagram of multilayer composite braided bicycle wheel
上述所設(shè)計的多層復(fù)合編織結(jié)構(gòu)產(chǎn)品,相比較傳統(tǒng)竹編產(chǎn)品而言,多層復(fù)合編織的結(jié)構(gòu)更具功能性,生產(chǎn)也更為高效,對于用戶群體來說能帶來更好的使用體驗。
通過提取傳統(tǒng)竹編結(jié)構(gòu)的典型結(jié)構(gòu)元素進行了Grasshopper參數(shù)化建構(gòu),并以鞋底等產(chǎn)品為主要研究對象進行了參數(shù)化多層復(fù)合編織結(jié)構(gòu)設(shè)計。文中所設(shè)計的結(jié)構(gòu)可運用在各類需要摩擦或緩震支撐功能的產(chǎn)品外表皮、內(nèi)部結(jié)構(gòu)上。這是對傳統(tǒng)竹編結(jié)構(gòu)的一種全新改造方式,突破了傳統(tǒng)竹編產(chǎn)品的局限性,為更好地在現(xiàn)代產(chǎn)品上發(fā)揮其作用提供了全新的設(shè)計思路。多層復(fù)合編織結(jié)構(gòu)結(jié)合現(xiàn)代逐漸成熟的3D打印技術(shù),為相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)和個性化定制等產(chǎn)業(yè)鏈條提供了一種解決方案。
由于實驗條件的限制,文中從透氣、防滑、緩震支撐角度出發(fā)設(shè)計的多層復(fù)合編織在運用于鞋底、椅子、自行車輪設(shè)計時,可根據(jù)實際的試驗數(shù)據(jù)來調(diào)整各類參數(shù),如排布方式、疏密、厚度等,因此還存在較大的優(yōu)化空間,可作為進一步研究的方向。