世界著名丹麦设计师的椅子设计（一把炫酷的3D打印椅子是如何设计出来的）
世界著名丹麦设计师的椅子设计（一把炫酷的3D打印椅子是如何设计出来的）初始形态设计二设计原型 —— 爵爵是中国青铜器时代的一种用于盛放、加热和斟倒酒的器皿，它常用于祭祖仪式、庆功及宴会中。如图1所示，爵有着两个优美的曲形开口，一侧为圆口称为“流”，另一侧为尖口呈叶形称为“尾”，顶部有两柱，下部由三足外撇用于支撑和加热。爵身熔铸有精致的饕餮纹。爵是地位的象征，体现了使用者尊贵的地位。图1. 爵的结构示意
简介
爵椅是一把结合了中国传统文化与现代先进科技的椅子。在设计过程中，我们汲取并抽象化了中国古代青铜器爵的特征及其高贵的符号象征，使用现代化的设计手法，结合人体工程学与谢亿民院士团体首创的BESO拓扑优化技术完成了具有未来感的座椅设计。它具有精致、光滑的表面，有机、仿生的形态，安全、合理的支撑结构，能够彰显出使用者的品味与气质。
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一 |
对初始设计的考虑 |
设计原型 —— 爵
爵是中国青铜器时代的一种用于盛放、加热和斟倒酒的器皿，它常用于祭祖仪式、庆功及宴会中。如图1所示，爵有着两个优美的曲形开口，一侧为圆口称为“流”，另一侧为尖口呈叶形称为“尾”，顶部有两柱，下部由三足外撇用于支撑和加热。爵身熔铸有精致的饕餮纹。爵是地位的象征，体现了使用者尊贵的地位。
图1. 爵的结构示意
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二 |
初始形态设计 |
在设计的初始阶段，我们不想拘泥于爵的形象模拟，而是希望通过中国传统艺术的“意象”手法捕捉构型方式，并用现代的设计语言来创造出一种能够继承爵的意境的产品。因此，我们对爵的形态特征进行了抽象和重构处理（见图2）。爵的“流”、“尾”、“柱”三个结构之间形成了一种优美的流线和曲面关系，作为爵的主要特征之一，“流”与“尾”之间的曲线为爵营造出一种高雅的感觉。我们以此为主要元素来对椅子的初始形态进行设计。接着，我们对这一关系进行主观地抽象化处理以找到其构造逻辑。然后，由于座椅设计的特点，以及包裹感和大尺度的特征有利于营造“尊贵”的氛围，我们对抽象后的图形进行变形，最后借助设计软件对其重构来重新创造出一个椅子造型。叶形曲面形成了座椅的靠背，自上而下流动至支撑部位，随着座椅前部曲面的辗转变化，与靠背处形成一种呼应关系，犹如爵的流与尾，并有机地形成了就坐的部位，最后与靠背交融在一起，形成了一个流畅的有机整体。
除此之外，为了保证座椅的安全性和舒适性，我们参考了相关的人体工程学文献，在设计过程中严格控制各部位的尺寸。例如，靠背倾斜角度被设计为110度，这一细节可以减少腰椎压力，并且避免了就坐时的下滑感。
图2. 初始形态的设计过程
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三 |
拓扑优化设计 |
接着，我们采用了人工与算法相互启发的交互式设计方法，使用我们团队自主研发的拓扑优化软件Ameba对初始形态进行深化设计。它能够根据座椅的受力及支撑条件，自动地生成结构合理、形态有机的轻量化设计。在边界条件设置方面，一方面我们根据80公斤成年男性对座椅应力分布的相关实验、文献及模拟仿真结果来定义各部位之间的荷载比例，通过多工况的荷载工况设置以模拟各种可能的座椅使用方式，另一方面我们定义了非设计区域、对称等条件以确保初始设计中的关键特征（见图3）。
经过迭代优化，我们得到了体积仅为原体积27%的优化结果。然后，我们利用Ameba的网格光顺与重构功能，对该结果进行二次设计，一方面优化了杆状结构的交汇处，提高了曲面的品质，使表面变得更加光滑、美观，另一方面适当加厚可能造成应力集中的部位，保证了椅子的结构性能。这样，根据算法计算得到的优化结果，设计师只需要在结果上从美学和舒适度等角度加以修饰，通过反复地算法优化与人工微调，我们完成了成熟的产品设计过程。总的来说，在算法的启发下，我们的设计流程变得更加便捷、可控，其成果也更加完善、可靠。
图3. 爵椅的BESO拓扑优化设计过程
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四 |
有限元分析与增材制造 |
为了进一步验证拓扑优化带来的结构性能优越性，我们使用了有限元方法来分析其应力分布和位移，如图4所示，除了我们设计的非设计区域部分，座椅各部位的应力分布十分均匀，变形也非常小。
图4. 爵椅的有限元分析结果
最后，在制造阶段，我们采用了强度较高且比较经济的材料——PLA Plus，成型技术选择了大尺度的熔融堆积成型方法（FDM），经过严格的制造工序，我们得到了与渲染图高度相似的成品效果（见图5，6，7）。
图5. 爵椅实物照片（1）
图6. 爵椅实物照片（2）
图7. 爵椅实物照片（3）
个人感想
爵椅的设计过程是十分严谨的，我们严格参考了座椅设计的相关文献，包括座椅的应力分布测试、人体工程学、制造技术及材料性能相关的文献。设计过程经过了34轮方案修改，多达近50次的有限元分析，并实际打印了多个小模型（见图8）以进行对比和改进。在设计过程中，主要设计是由算法完成的，算法对我而言是起到启发作用，例如在拓扑优化迭代的过程中，座椅底部形成了类似拱桥的结构对我非常有启发性，一方面在后续的微调中我就可以去迎合算法，另一方面，我可以通过微调初始设计来给算法更多的设计空间以产生更多意想不到的结果。在算法确定完大致形态后，我仅仅需要做审美把控和造型微调，这样的设计过程不仅没有让我感到疲惫，反而是一段非常享受的经历。
图8. 爵椅设计过程中的3D打印小比例模型
关于设计的思考，我一直认为一个设计师拿出手的东西必须能够代表他自己，想用心做一个好的设计，就需要不断地、反复地打磨，把每一个设计逻辑搞清楚，把每一个设计细节做到自己满意。要做好一个让自己满意的作品是非常不容易的，但只要做好了，多年以后再回头看的时候就不会感到后悔。一个设计师一辈子不需要有太多设计作品，因为只有无悔的作品才值得拿得出手。
最后，感谢谢亿民院士的悉心指导，感谢马嘉明师兄给予的指导与帮助，感谢南京阿米巴工程结构优化研究院有限公司的大力支持，感谢皇家墨尔本理工大学的师兄们的鼓励与照顾。多亏大家，我的设计想法能够被完美地实现，这是一次没有丝毫可以后悔的设计。
作者简介
李至 Albert
澳大利亚皇家墨尔本理工大学创新结构与材料中心博士研究生，研究方向包括数字几何处理算法、拓扑优化结构找形及机器人建造技术。2018年毕业于天津大学建筑学院环境设计系取得艺术学学士学位。Ameba拓扑优化软件的开发者之一。
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