生成设计(Generative Design)与我的毕业设计

本文关键词解释:CAD=Computer Aided Design,即 计算机辅助设计。

Figure 1: LP Gene Prototype1 实体模型

关于我

大家好,我是2020年毕业校友陈科,我对于生成设计和社会议题很感兴趣,而我认为我的毕业设计是整个大学时期最具挑战性的项目,是一个很好的结束,也是我对工业设计产生新的见解的开始,而现在我正在Innovation Design Engineering学习,也会时常会使用这个工具,不管是作为对于产品结构的分析,还是应用到类似于人和Ai的co-design,都是具有启示意义的。

Figure 2: LP Gene Prototype1 局部渲染效果图

什么是生成设计(Generative Design)?

生成设计常常被认为是优化设计(optimization),或是有机的参数化设计,但是这样的定义并不准确。我个人对它的定义更像是以目的为导向的,借助数据模型为参考的设计。

也许我们能够从Sivam Krish的问题中有所思考:

A Way of Translating Computational Energy into Creative Energy

Sivam Krish

或许在不同应用的场景对其的定义会不同,而我在毕业设计所需要的是结构的优化和造型生成,所以我对其的定义是:

“ Generative design is the designer’s pre-setting goals, finding contacts (reserving modules) and setting obstacles, and then subject to manufacturing methods, materials, forces and other constraints, and finally a series of results can be obtained.

当然这只是当时我对生成设计最初浅的印象,是我对这种设计工具的初次尝试。

我在这里不想一味的吹嘘生成设计的神奇或者其万用性,但通过我的实践,发现了其相较于传统的设计方法的独特性,例如一个常规的过程:多人一起头脑风暴产生想法,然后进行草图建模,最后得出一个明确的设计方案,在每一个关节中都会有相应的障碍,比如草图的技巧,电脑CAD的技巧就会成为一种限制,还有是人脑的思维惯性,表达能力以至于计算能力都会成为重重障碍,这些在而不知不觉中压低了合理设计选择的数量,此时的电脑或者是软件实际上是拖累设计师的才能,反客为主成为了执行者。那如果设计师和电脑成为合作者呢?或是假设我们的计算机拥有更加强大的A.I.算法和无限的计算能力时,会发生什么呢?

在我的生成式设计实践中,我首先要先告知电脑哪些是不能做的,也就是给电脑制定一套障碍。但是通过这种“退让”,却可以换得更多可能性,而且同时还可以获得无限接近性能极限的结果。

Figure 3: La Pavoni Europiccola Vintage coffee machine

为什么选择生成设计?

因为当时我选择了金属3D打印为毕业设计的主题,而且对于其在工业生产中应用抱有期待,在调研中找到了生成设计这一匹配的设计方法,也刚好有Autodesk Fusion这一免费的平台可以使用。而选择将咖啡机作为载体或者说是实验对象,不仅是因为我喜欢咖啡(浓缩咖啡制作过程对于各种参数都有严格的要求,而尝试去校正每个参数的过程充满了乐趣),而且是因为传统的压杆咖啡机(Figure 3)具有明显的机械结构,而且这样力是直接传导到咖啡冲煮腔的,尝试把这样一台十分传统,半个世纪都没有什么变化的机器让其“基因突变”,我感觉是一件十分刺激的事。

所以我希望通过生成设计能够带来结构优化、美学享受和现代的用户体验 这3方面的变化。

Figure 4: La Pavoni 的受力分析

实验过程(EXP)

设计是从分析咖啡机每个组件的受力和活动范围开始的(Figure 4),然后尝试建立受力分析和工作原理模型(Figure 5)。

将触点(Retain Geometry)设置为两个部分,一个与手接触,另一个与Pin的接触,还需要考虑它们之间的角度和距离。下一步是根据工作原理设置障碍物的几何形状,还要考虑活动结构(如杠杆)的运动轨迹。有一种从3D到4D思维转换的感觉,于是围绕Pin轴出现了一圈障碍几何。

Figure 5: 建立障碍(红色)和保留部分(绿色)的区域,以及第一次尝试
Figure 6: Lever生成的受力和渲染图


一开始得到的结果并不满意,但是经过不断的参数调整,造型逐渐不断优化。本项目旨在研究设计过程,因此没有生产数量或规定的生产设备参数要求。 三种加工限制——无限制、addictive和五轴切割,安全系数设置为2和3,最后发展到第13代(Figure 6),几乎是一个令人满意的结果。

与之前的拉杆和手柄不同,旋钮(Figure 6)更注重打造独特的有机造型,我设想将其设计为中心对称的轮毂形状。受到汽车轮毂设计方法的启发,将圆环分切为三等份,取其中一份进行受力分析,这样就可以控制幅的数量,结构也看起来更加有力。

Figure 7: 旋钮的设计过程

紧接着就是把实验得出的设计经验应用于整台咖啡机,进行迭代设计(figure 8 和 9)。

Figure 8: 旋钮和压杆的完整迭代过程和数据

Figure 9: 底座的迭代过程

模型制作

其实模型的大部分制作是在毕业之后完成的(包括最大的底座),采用了钛合金(TC4)而且因为其尺寸也超过了打印限制,所以其实是分成了3块,然后进行焊接。(Figure 10)

Figure 10: 底座的制作

其余的制作没有太多的困难,主要采用的是CNC加工铝,采用螺栓和卡接的方式固定。(Figure 11 和 12)

Figure 11: 控制
Figure 12: 结构解释

设计与达成

这是纯粹的探索,所以几乎没有商业和成本的考量,而是对设计方法探索(美学,结构优化和用户体验提升)(Figure 13),在可预见的未来,生成设计将更多地作为辅助参考,不同于现在的CAD,它将是一个有思维能力的共同创造者。当然,与科幻电影不同,它不会仅凭一个想法就创造出我们想要的形象。相反,它将更像一个处理器,获取和匹配外部信息。只有你不断地向它“喂”信息,它才能准确地理解你的意图,并在设计过程中发挥积极的作用。

Figure 13: 提升高度,更容易通过观察无底把手提取浓缩咖啡的情况。

后续和发展

直到现在,生成设计依旧是我在做设计时选择的工具之一,而且也进一步发展了其在定制化方面的潜能,例如我在最近RCA的Grand Challenge项目中使用生成设计生成根据海底地貌,物种和个性的人工珊瑚坟墓,有效的使用同等的材料(骨灰混合物)制作更大的结构,可以组成家庭树和造型更加贴合海床等。

所以这次毕业设计对我来说是一次很好的技术尝试,我也不认为当时的设计是完美的,所以这就是把它称作prototype 1的原因,我想在未来还会有prototype 2,3。

当然作为一篇毕业设计分享和回顾,很感谢FREEZhao的指导和时间(有大半年的时间来探索一个之前自己都不了解的领域),还有就是关于软件Autodesk Fusion,个人认为不管是特殊功能(如Generative Design),还是模拟,都是结合设计和工程很平衡的一款软件,而且学生可以免费使用,相比于*版的犀牛(都应该有所体验吧)要好太多。

最后,很感谢大家可以看完我的分享,祝大家好运!

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1 Comment

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陈科的探索,是一个非常棒的尝试。多年来计算机辅助设计一直探索的是如何能够呈现设计师的脑中幻想,但是只有生成设计产生了一个“我帮你想”的可能性。在这个领域的探索,常常受到设计师的抗拒,因为这个领域的探索成就,其实代表了设计师人工生产力的失败。而我一直觉得这个态度是狭隘的,因为任何两个个体合作,都需要大量的沟通协调,甚至需要充分的测试才能够真正达成“合作”概念。
而计算机的生成设计更是如此。如果作为一个设计师,如果你很难将自己的想法建模出来,那我认为大概率将你也不可能和计算机合作,建立一个由“计算”而生成的设计。人机之间的互动,一直是由人主动进行的,今天这个过程还在继续,并还将持续很久。
生成式设计给了我们一个可能性,就是在充分的人机互动下,我们可以表达清楚我们的需求,也可以放手让计算机一探究竟。而针对大量的可能性结果,我们需要做出更加综合的判断。这就是未来人机合作的一种常态。
很欣赏陈科同学的探索,而且它能够讲这种探索延伸到自己的下一段学习中,本人很期待他的更多设计成果。也希望有更多的小伙伴投入这个研究中来。

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