混合数字化设计系统对设计师创造力的影响

可在ScienceDirect上获得目录列表计算设计与工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/jcde计算设计与工程学报6（2019）675混合数字化工具对设计师早期设计马尔戈扎塔河兹博因斯卡瑞典哥德堡市Sven Hultins gata 6，SE-412 96，查尔姆斯理工大学建筑与土木工程系阿提奇莱因福奥文章历史记录：2018年6月29日收到2018年12月11日收到修订版，2018年2018年12月30日在线提供保留字：前期设计数字化设计计算设计建筑设计混合数字化设计系统智能人机一体化A B S T R A C T本研究旨在探讨数位设计技术的多样化如何基于实践的试点实验的主要结果表明三个关键属性的混合数字化工具策略。该策略的特点是智能人机集成，促进设计师和数字媒体之间的三种不同类型这种策略还通过触发发散性、变革性和收敛性的设计活动，并允许在各种抽象层次上工作此外，该策略通过鼓励生产和与广泛的设计表示，包括物理和数字，动态和静态对象的互动，刺激设计师的探索行为。因此，使用更广泛的数字建模技术可以在早期概念阶段积极影响设计师的创造力©2018计算设计与工程学会Elsevier的出版服务这是一个开放在CC BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）下访问文章1. 背景和动机在创造过程中应用技术的背景下，对人与计算机如何交互的研究提供了设计学科知识发展的相关基础（Carroll，1997）。关于这个主题的许多研究表明，计算机对设计师的创造性事业产生了积极影响（Candy Hori，2003; Chang，Chien，Lin，Chen，Hsieh，2016;Edmonds，1994;Greene，2002;Mitchell，2003;Robertson&Radcliffe，2009; Shneiderman，2002）。然而，可用的工具被认为是不令人满意的帮助创建过程的初始阶段（霍瓦特，2004年;劳森，2005年）。研究人员已经注意到阻碍成功的早期设计支持的几个特征。首先是数字化工具普遍关注概念设计的自动化，而设计师通常更喜欢在这些阶段直观地工作。虽然自动化在早期可能是有用的，特别是对于人类设计师来说繁琐的任务，但它消除了创作者与设计媒介进行更深入互动的可能性，这带来了限制人类创造力的巨大风险（Liu，Li，Li，&Pan，2011;Oxman，2000; Yin等人， 2015年）。由计算设计与工程学会负责进行同行评审。电子邮件地址：malgorzata. chalmers.se数字系统在早期设计中表现不佳的另一个原因是它们无法完全维持 人 类 设 计 思 维 的 复 杂 性 （ Lee ， 2016; Liu ， Chakrabarti ，Bligh，2003）。设计过程是非线性的，在发散和收敛的多个循环中迭代，设计概念被多次修改，设计师经常来回工作以发展他们的想法（Lawson，2005）。相比之下，目前大多数数字设计支持系统提供基于线性或瀑布模型的标准化工作流程（Horváth，2004）。如果迭代发生，它通常是一个计算机执行的过程，其中人类干预的可能性最小。最后，早期计算机支持设计的批评者认为，一个单一的系统是无法帮助思想发展的不同认知阶段。早期的设计过程有几个这样的阶段，包括抽象概念创建，想法体现和详细设计。数字化工具通常针对其中一个阶段，通常是详细设计（Islamoglu Deger，2015）。在这种情况下，计算机的作用是一个绘图工具，用于表示完成的设计，而不是旨在激发创造力的媒介（Séquin，2005）。目前的研究建议，旨在挑战上述缺点之一是不同的数字系统集成到混合设计环境。其中包括计算机辅助设计（CAD）系统与计算机辅助工程（CAE）系统、CAD与计算机辅助制造（CAM）系统以及CAD与虚拟现实（VR）的协同作用，https://doi.org/10.1016/j.jcde.2018.12.0022288-4300/©2018计算设计与工程学会Elsevier的出版服务这是一个在CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。676人 Zboinska/计算设计与工程杂志6（2019）675-692增强现实（AR）系统。该领域的一些研究报告了这种合并对设计师创意行为的积极影响&&除了上面提到的不同系统的集成之外，还建议在设计过程中可以使用CAD系统中的各种3D建模方法（Kolarevic，2003; Oxman，2006）。然而，对这种类型的整合的研究很少尽管Oxman（2006）为这样的系统引入了理论模型，但仅提供了集成的概要。进一步的研究是必要的，以了解更多关于这种融合如何影响人机关系和设计师的创造性行为。这种尚未探索的数字设计集成模型激发了本文的研究。它作为一个出发点，构建和研究一个混合数字化工具平台，它可以弥补上述早期阶段的数字化设计支持系统的缺陷。文章组织如下。在第2节中，我们提出了我们的研究的理论基础，并提出了一套设计师的行为，我们认为创造性的和相关的这项研究，以及构建混合数字工具集的概念框架和描述其组成部分。在第3节中，我们讨论了我们的调查方法，并提出了设计实验进行。第4节介绍了与第2节中提出的创造性行为相关的实验结果，讨论了混合工具集支持的设计过程与主流数字建筑实践典型的类比过程的不同之处。我们以第5节结束文章，并对研究提出更广泛的展望2. 理论2.1. 激发创造力的为了研究混合数字设计工具集是否以及如何影响设计师在早期创作阶段的行为，我们必须描述感兴趣的行为。在这项研究中，我们专注于活动，可以潜在地弥补三个缺点的数字设计支持系统中概述的介绍。我们研究了三种类型的行为：设计师与数字媒体之间的互动，设计思维，以及设计理念表达和探索的方式。2.1.1. 设计师与数字媒体之间的互动以前的研究认为，成功的数字设计系统必须具有智能人机集成的特征（Yin等人，2015年）。设计师应该能够与计算机无缝合作，两者都应该填补对方的不足。在这种交互环境中，计算机执行定量的计算任务，而设计师则参与与直觉和认知有关的定性活动。这被认为可以提高人类的创造力，并减轻设计师使用计算机的传统负担（Lu Chen，1994）。研究人员还建议，成功的智能人机集成应该至少在三种配置中发生 ： 人 类 主 导 ， 机 器 主 导 和 平 衡 的 人 机 合 作 （ Yong Chen ，2000）。研究表明，这三重字符的相互作用，使集成更加强大，因为不同的交互类型可以互换的过程中的设计过程中，使每一个应用程序来处理它是最适合的设计任务。总之，一个成功的数字设计支持系统必须允许设计师自由地与数字媒体进行各种交互，并有效地交替使用人类直觉和计算的力量。2.1.2. 设计思维研究表明，在创造性设计中，通常会发生三种类型的设计思维活动：发散、转换和收敛（Jones，1970）。发散是多种设计方案的创造，转换是对这些方案的提炼，而收敛是最终设计的选择。这些阶段的存在及其渐进驱动导致了创造性设计概念的产生（Cross，1994;Pugh，1991）。在计算机辅助创意设计的背景下，最近的研究表明，非线性设计工作流程可以提高设计创造力（Grobman，Yezioro，Capeluto，2010）。发散、转换和收敛应在几个迭代周期中进行，以保证设计探索足够广泛，以产生有意义的最终概念（Liu等人，2003年）。成功的创意数字设计，通过上述阶段的进展，也应该能够在概念发展的各个层面上创建设计抽象：全球，本地和详细（SarkarChakrabarti，2007）。设计师必须能够在所有这些层面上产生想法;在实践中，这涉及到包含多种设计方案的设计空间的创建和探索因此，一个成功的数字化设计支持系统应该让设计师按照典型的创造性思维周期进行行为，并拥抱发散、转换和收敛，以最大限度地发挥其创造性思维行为的调色板。它还必须允许在各个层面探索设计解决方案空间抽象的概念2.1.3. 与探索和表达想法有关的行为实验心理学家认为，人们在认知活动中使用图像，而不是描述（Dreyfus Dreyfus，1986）。因此，创造性设计可以在认知心理学家称为基于图像的思维（Kellogg，2002）的条件下进行。也就是说，一个人必须能够生成，分析和互动的视觉表示是创造性的。设计中的认知研究进一步声称，设计师与视觉表征之间的视觉和认知互动推动了创意的发展，并引发了创新设计解决方案的出现（Oxman，2002）。此外，有人认为，表征必须多样化，以激发创造性思维。因此，它们应该涉及数字和物理设计工件，设计师可以在视觉上和有形地与之交互（Lee，2016）。此外，研究表明，动态的3D表示可以增加人们&因此，一个成功的数字设计支持系统必须促进生产的数字和物理形式的多个和多样化的设计表示，最好包括动态的，并允许与他们的多感官互动。2.2. 数字化设计Oxman（2006）数字设计的复合集成模型的几个特征首先，该模型假设设计师与五种不同的3D建模方法交互：形成，动画，参数化设计，生成建模和表演设计。我们将这种设计媒介的差异化视为一个机会，以满足设计师在早期概念阶段多样化的创作需求。该模型的第二个重要特征是设计师仍然处于设计过程的中心。我们相信，这保证了对创建过程的一定程度的控制此外，该模型的这一特征允许设计师引导与数字媒体的交互如何发生，并且这些交互可以在谁主导方面具有不同的M.A. Zboinska/Journal of Computational Design and Engineering 6（2019）675-692677或两者最后，该模型支持设计师、数字媒体和设计表现之间的各种互动是至关重要的这增加了在设计过程中产生创造力的机会，因为设计师有机会利用这些相互作用进行设计探索。2.2.1. 框架组件基于上述假设，我们构建了一个探索性设计的混合数字化框架该框架结构基于支持四种不同3D建模方法的软件：自由形式建模、基于动画的建模、参数化设计和算法建模。我们在这个结构中添加了第五个元素：包括快速原型工具的CAM系统这一增加的动机是最近对集成CAD/CAM系统的研究结果，认为这样的合并可以通过支持与通过数字过程获得的物理设计表示的强大交互来拓宽设计师的创造性行为范围（Lee，2016）。下文概述了我们的混合平台中数字技术的设计支持能力自由形式建模技术涉及在3D建模环境中工作，以促进复杂曲面和非标准几何形状的创建（Kolarevic，2003）。设计工作流程主要是手动的.设计师直接在数字空间中从头开始构建对象。该技术提供了一种独特的可能性，通过在3D空间中自由操纵它们来探索几何复杂的形式（Kolarevic，2003）。在我们的平台中支持这项技术的软件包括Rhinoceros®，3Ds Max®或Maya®。基于动画的建模技术采用3D动画软件，该软件可以模拟几何对象在外力影响它包括使用基于时间的动态系统，例如具有应用力的粒子系统。设计过程并不专注于直接手动构建3D对象。相反，设计者为计算转换准备输入几何，并确定哪些类型的动态系统将导致这些转换（Lynn，1999）。这项技术提供的独特创造机会是处理物体及其变形力之间关系的可能性，这有助于项目背后概念思想的发展（Rahim，2006）。由于其部分自动化的特点，它允许确定不可预测的空间效应，这往往是由设计师赞赏（Kolarevic，2003年）。我们平台的软件示例包括3Ds Max®，Maya®、Kangaroo Physics和FlexHopper。参数化设计技术的特点是使用参数化建模工具。与动画类似，它不专注于直接手工建模对象，而是强调计算机生成对象的几何和数学过程（Woodbury，2010）。在这些程序中使用的定性和定量参数这种技术提供的独特设计机会允许使用参数生成指令自下而上控制复杂的几何形状，并通过改变影响物体形状的参数轻松生成设计方案（Aish，2003）。在我们的平台中，我们建议使用Grasshopper®软件来促进这项技术。算法建模技术是一种基于使用在3D建模环境中应用的数学算法来创建和改变几何形状的3D建模方法。可以使用各种算法，包括网格细分算法和高度复杂的进化系统，例如遗传算法（Piacentino，2013; Singh Gu，2012）。设计者值得注意的是，在这种技术中使用算法并不局限于取决于它们的执行。它还具有与称为算法思维的数字设计范式相关的强大概念含义（Terzavern，2006）。它涉及关注设计人工因素和导致其创建的计算过程（Runberger，2012）。这种技术提供的独特机会包括概念 化和计算管理复杂数字 3D 结构的改变的 可能性（Peters，2013）。在我们的实验中，我们在Grasshopper®插件Weaverbird的帮助下采用网格建模算法，但也可以使用其他插件，包括Kangaroo Physics（具有动态松弛算法）、Octopus（支持遗传算法）或Rabbit（支持使用元胞自动机和L系统算法）。快速成型技术是一种CAM技术。在本文中，我们将重点介绍由3D打印机实现的增材制造设计者以物体的数字模型的形式提供输入这种设计媒介提供的独特创造机会使设计原型的快速生产成为可能，允许在真实空间中进行心理和感官检查，并有可能生产难以手工制作的复杂和详细的建筑物体原型（Sass&Oxman，2006）。本研究中涉及的快速原型系统采用熔融沉积成型（FDM）和彩色喷墨3D打印（CJP）。通过改变印刷工艺的参数，特别是涉及FDM机器的参数，设计者可以显著地影响所生产的物体的美学外观这可以使用专用3D 打印机软件来完成， 该软件可以访问打印配置文件， 例如MakerBot®的MakerWareTM。打印机或Grasshopper®的专用插件，如Silkworm。2.2.2. 骨架结构在图1中，我们给出了框架结构的详细示意图，以及支持上述数字建模和物化方法的现有软件的示例，以及它们应该理想地具有的用户界面图 2、我们Fig. 1. 详细的混合框架结构示意图，附有软件实例和GUI类型。678年硕士学位 Zboinska/计算设计与工程杂志6（2019）675-692说明了平台中工具之间的多方向转换。这些都是基于这样的想法，即设计师可以在创作过程中根据当前的探索需求随时从一种技术自动切换到另一种技术。在图3中，我们展示了设计师和平台中的技术对于如何将我们的框架实例化为综合软件环境，有两种基本的选择第一种选择是从各种现成的3D建模环境构建平台，这些环境支持自由形式建模、基于动画的建模、参数化设计、算法建模和快速原型。然而，该选项可能会给用户带来一些技术挑战。建筑设计中使用的流行3D建模器基于不同的几何内核，因此在设计过程中使用它们时可能存在互操作性问题。我们在另一篇文章中概述了构建这样一个平台的问题（Zboinska，2015a）。在第二种选择中，可以通过使用公共几何内核来消除各种环境之间的几何传输所带来的互操作性问题在实践中，这可能意味着一个核心3D建模器与一个插件池一起提供不同3D建模方法的功能（自由形式建模，基于动画的建模，参数化设计，算法建模，快速原型）。在该选项中，用户通过围绕公共几何内核构建的分层GUI访问不同的技术（图4）。这种界面的核心由一个经典的GUI组成，在大多数3D建模器中都可以找到，具有一组用于各个命令的图标，用于输入和脚本的命令行以及几何视图窗口。该GUI包括一个可视化的显示界面，从建议的混合工具集的所有五种建模方法，允许在任何时候从所有接口的几何预览浮动在该接口之上的是可视化编程接口（VPI），以窗口的形式，其中基于流的编程可以实现基于动画的参数和算法建模。还应该有第三个接口，即，一个文本编程接口（TPI），面向更先进的，自下而上的算法设计。应当图二. 平台工具之间的多向转换（研究实验的阶段和转换用标签和粗箭头表示）。图三. 混合平台中的人机交互模式（HD =人类主导模式; MD =机器主导模式; BHM =平衡人机模式）。见图4。混合工具环境的分层图形用户界面框架。可以从核心3D GUI或VPI的级别调用它。一个几何内核连接所有的三个接口，使所有的建模工作，ING方便地在同一个核心环境中完成。这种系统的现有实际实现的示例是Rhinoceros® 3D建模器，其具 有 作 为 VPI 的 Grasshopper® 插 件 和 用 于 以 特 定 语 言 （ 诸 如PythonTM或VB.NET）编程的TPI接口为了实现各种3D建模方法，使 用 Grasshopper®Kangaroo Physics 用 于 基 于 动 画 的 建 模 ，Weaverbird用于算法建模，Silkworm用于快速原型控制。M.A. Zboinska/Journal of Computational Design and Engineering 6（2019）675-6926793. 调查方法和实施我们选择以实践为基础的研究作为本研究最合适的这种方法植根于Schön遵循这一思路，基于实践的研究方法专注于观察设计师如何思考和创造，并利用这些见解来开发新的设计知识（Candy ，2011;Dunin-Woyseth Nilsson，2013）。它通常涉及探索性设计实验的阶段，设计师在其中执行某些创作任务（Billger Dyrssén，2005 ）。在实验中，设计过程被仔细观察和记录（Pedgley ，2007）。这使得我们能够了解设计师在特定条件下的设计行为实验产品包括设计协议，捕捉设计师的反思和设计工件，代表设计概念的图纸和模型。这些产品构成了进行研究分析和得出研究结论的基础 （ Candy Edmonds ， 2011; Scrivener ， 2002; Sullivan ，2004）。在这项研究中，四个这样的设计实验进行了使用的混合数字化设计工具集进行早期的概念设计过程。其中一个实验，称为实施例，在 本 文 中 选 择 进 行 深 入 分 析 ， 其 他 实 验 在 其 他 地 方 记 录（Zboinska，2015a，2015b）。实验的目的是关注设计师的行为，观察混合工具集是否以及如何引导设计师的创意行为，因为每种技术和人机交互模式都被纳入数字创作过程中。基于所采用的研究方法，我们使用的设计过程中产生的设计工件的研究知识来源的反射。设计协议的目的是记录设计师对数字创作过程的思考，并帮助捕捉设计师的行为。从实验中产生的建筑表现和人工制品也是研究证据，有助于我们评估混合工具集作为设计师创造性行为助推器在所提出的实验中，建筑师使用混合数字工具集设计建筑对象。设计任务是一般性的，以避免过多的规格限制富有想象力的设计。目标是创造一个装饰性的内部空间分区。该项目是概念性的，旨在被视为早期的建筑愿景。它没有探索物体的详细功能或结构特性，而是探索其视觉特征–实验中数字技术之间的设计阶段和转换如图2所示。在实验过程中出现的设计者的具体意见如图5所示。设计概念的逐步发展，由选定的工件记录，显示在图2和图3中。6比15实验课程介绍如下。3.1. 阶段S0：选择第一个3D建模技术和交互模式设计师通过生成一个“粗略”的设计框架池来开始创建过程，这些框架在概念上代表了所设计的内部分区的第一个轮廓。在这个阶段，这些都是模糊和抽象的。为了实现这一点，选择了动画技术。设计师之所以选择它，是因为它提供了生成抽象设计表示的可能性，例如，在一个实施例中，粒子云，而无需使用特定表面表达设计意图根据设计师的说法，动画环境还促进了计算模拟的使用，作为促进形式设计的非传统思维的手段人们可以建立一个系统，生成设计框架，用于构建未来的表面，而不是直接对表面进行建模这些不是用手塑造的，而是使用虚拟变形力的模拟。对于设计者来说，重要的是，即使计算机执行模拟，也可以决定整个系统的输入参数。采用动画还允许设计者进入有利的平衡的人机对照模式。在这种模式下，使用计算机可以轻松地分散解决方案空间，通过快速自动生成多个设计方案来实现，这些设计方案显示在连续的动画帧中，可以直接在3D GUI中查看设计师可以在生成这些替代方案时对其进行视觉评估，并动态修改动画参数，设计师认为这有助于促进自发的设计探索。3.2. 阶段S1：动画环境考虑到上述情况，设计师在概念开发的第一阶段采用了粒子力动画系统。动画场景是通过创建具有四个旋转力的粒子云来设置的，这些旋转力在云的范围内随机分布这种设置背后的概念和抽象思想是通过比墙的其他部分更戏剧性地扰乱它们的轮廓来突出分区的某些区域在十个动画帧的序列中，由计算机执行的数字粒子模拟产生在力的影响下粒子逐渐分散的效果在对动画生成的粒子排列进行视觉检查时，设计者注意到组成只有轻微的差异。因此，对力参数进行了修正，包括改变粒子捕获的速度和范围。然后，设计者重新运行模拟几次，观察正在进行的效果，通过参数设置迭代，并通过解决方案搜索，直到达到所需的再结晶效果。在此设计阶段的最终设计表示包括十种不同的粒子3D组合物，在力的接近度方面有所区别，表现为圆形粒子分布。在每一个代表设计思想的动画帧中，圆形粒子池逐渐改变它们的大小和形状，在空间中累积和扩散3.3. 转变T1在这一点上，设计师转向下一个设计开发阶段，最终将使用其中一种粒子组成-最多样化的一种-作为建筑分区轮廓构造的框架（图1）。6）。此时的目的是将模糊的粒子排列转化为实际的3D表面。设计开发的这种转变也引发了建模方法和交互模式的转变。设计师现在探索以两种不同的方式使用parti- cles作为表面构造框架的可能性：自动化和直观。决定从基于动画的建模转向另外两种技术：算法建模和自由形式建模。设计师评论说，这个决定是由以前的经验与3D建模的可能性提供这些技术和愿望，看看什么样的效果，他们将导致动机。因此，设计过程分为两个场景，以两种新技术和两种交互模式为标志。在680硕士 Zboinska/计算设计与工程杂志6（2019）675-692图五、在 混合数字工具集支持的设计过程的一个片段中发生的创造性设计师行为的示例。在第一种情况（a）中，设计者让计算机完全操纵过程。表面由计算机使用专用算法插件从粒子自动生成。在第二场景（b）中，意图是通过手动3D建模来创建表面，并且设计者选择自由形式建模用于该任务。这些场景的设计阶段和3D建模方法转换如下所示。3.4. 设想（a）3.4.1. 阶段S2 a：使用算法工具的机器主导模式在这种情况下，采用自动化工作流程，设计师使用面化表面表示-网格。一个现成的算法插件采用的行军立方体算法。网格化算法自动从十个动画衍生的点云创建十个网格。在这一点上，设计者不操纵算法的执行方式，因为所得到的网格是纯自动化过程的结果，而不访问其详细的计算控制。设计人员对网格进行目视检查，并选择一个网格进行进一步的设计开发（图1）。 7）。3.4.2. 过渡T2a在检查所选择的自动生成的网格时，设计者注意到其三角剖分中的缺陷，因此希望微调网格图案。然而，在这方面，M.A. Zboinska/Journal of Computational Design and Engineering 6（2019）675-692681见图6。 使用动画技术导出粒子云对象。对于这种微调，设计者希望直接访问表面，并重新获得对如何修改表面的完全控制。因此，决定转换到相反的工作模式，一个直观的而不是自动化的工作模式。交互模式的转变也意味着3D建模方法从算法到自由形式的转变。3.4.3. 阶段S3a：使用自由形式建模的使用自由形式的3D建模技术，设计者可以执行所需的手动修改网格。通过手动裁剪中间部分来细化网格边界部分网格顶点在空间中移动，以局部校正不规则的网格图案。网格中的某些开口为了在后续阶段为网格的进一步组成探索打开空间，设计者直观地剖析网格，这导致在主网格的中间提取三个岛设计师评论说，这将使有选择地应用不同类型的投影到提取的网格区域以后。设计师还认识到，可以通过手动直观地执行上述表面修改。3.4.4. 过渡T3a在其当前状态下，网格具有非常粗糙的细分模式，这是设计者不喜欢的。因此，设计师希望采用自动化的重新计算过程来修复这种影响。决定在算法上微调镶嵌图案并使网格平滑。算法建模的先前知识和经验允许设计者直接选择最适合此目的的工具：用于网格细分的专用算法插件。3.4.5. 阶段S4 a/S5 a：使用算法工具在该设计阶段的第一阶段（4a）中使用的工具以现成插件的形式获得。这个插件允许对计算过程进行高级别的控制，并允许访问其源代码和过程参数。根据使用该工具的丰富经验，设计人员决定，此时无需更改源代码以达到探索目标，因为篡改代码“将对设计思维流程造成不必要的设计者确信，工艺参数的改变将足以用于探索目的。可用的选项有：细分算法的类型（Catmull-Clark、Loop、Sierpin-sky三角形和一些自定义算法）、细分级别（从1开始）和网格裸边的处理方法（固定、固定角和平滑）。设计师开玩笑地实验上述选项的不同组合，观察美学结果并评估其美学质量。对于最终选项，选择Loop见图7。 使用算法技术从粒子云生成网格表面。682名硕士 Zboinska/计算设计与工程杂志6（2019）675-692将细分级别设置为1，并使用固定的裸边处理。粗糙的网格现在通过加密其三角形图案进行计算细化新的网格具有更平滑的外观，这是高度重视的设计师（图。 8）。该场景的下一个开发阶段（5a）包括生成的表面的平行化设计师在这一点上的意图是获得两种类型的装饰：一种是可透过视觉和光线的，另一种是不透明的为了实现这些装饰目标，设计师继续在平衡的人机交互模式下工作，并使用算法建模技术。这一决定是出于设计师的经验与算法网格建模和设计师的信念，这种方法提供了有趣的可能性，进一步详细设计网格为基础的几何形状。其目的是应用各种网格算法，设计师已经熟悉，以产生表面装饰。专用算法插件具有所需的平衡交互模式，允许设计人员访问一些工艺参数。使用这些插件，设计人员将算法更改增强到网格化表面上，迭代地更改每个应用算法的一些可用参数。不透明装饰是使用挤出网格面中心点的算法创建的。可渗透装饰是由一种算法生成的，该算法偏移网格面的边界，使其变厚并添加孔。这两种算法工具都可以访问工艺参数，允许设计人员对挤出、增厚和穿孔的不同设置进行实验。作为这些探索的结果，产生了三种不同的设计工件：一种是不透明的，一种是可渗透的，一种是包含装饰的混合物-主要网格体是不可渗透的，而较小的部分是可渗透的（图1）。 9）。3.4.6. 过渡T5a基于美学效果的质量，设计师评估数字模型的工作过程已经达到极限，并且已经完成，并希望进入物质化阶段。根据以前使用各种快速原型制作方法的经验，设计师选择3D打印作为生产几何复杂数字模型的物理实施例的最合适技术3D打印的选择也受到设计师之前使用FDM 3D打印技术配置材料沉积工艺的经验的启发。选择该技术是因为工艺参数的可访问性高。3.4.7. 阶段S6a：3D打印环境设计人员使用专用的FDM 3D打印机软件处理快速原型制作过程参数，该软件可以访问JSON配置文件，其中包含用于编译最终机器代码的所有可编辑设计师为探索3D打印过程的美学效果而修改的参数包括：层的高度和宽度及其比值和极值;外壳的数量和间距;填充物的厚度、图案和密度;构建过程中不同时刻的材料沉积速度;喷嘴温度;以及喷嘴移动速度。 该机器生成了许多较小的3D打印物理模型，这有助于设计师建立应用于最后两个打印的最终参数集（图10）。10）。3.4.8. 过渡T6a通过两个最终的物理3D打印塑料模型，设计师现在可以利用视觉和触觉来研究它们的视觉和触觉特性。模型的照明，从前面和后面，是用来检查如何塑料强调形式的复杂性和详细的功能。触摸也被用来检查模型的纹理。 这些行动导致决定改变3D打印方法。设计师评价塑料模型的美学为有趣但“粗略”。最后得出结论，认为模型过于粗糙。需要模型的更高精度和“成品外观”。因此，决定从FDM转向CJP 3D打印。根据以前的经验，设计师意识到后一种技术几乎不可能对印刷设置进行试验，但决定CJP印刷的自动化特性将确保高质量的印刷，这是现在的优先事项。3.4.9. 阶段S7a：3D打印的机器主导模式设计师将数字模型导入专用的CJP 3D打印机软件环境，生成机器代码。尽管该过程具有高度自动化的特点，但设计师可以在构建时确定模型在打印机床上的方向（站立或躺下）设计师之前使用该技术的经验表明，模型位置会影响其表面光洁度的美观-即使非常薄，打印材料层的边界在表面上也是可见的设计者决定将模型平放以获得模型表面上的层的特定取向，即，一个类似于地形表面的轮廓线，图8.第八条。 网格表面裁剪使用自由形式建模技术和使用算法技术细化。M.A. Zboinska/Journal of Computational Design and Engineering 6（2019）675-692683图9.第九条。使 用 算法技术生成的不透明（顶部）、穿孔（中间）和杂色（底部）网格表面显示。sentation。然后在石膏中制造模型（图11），并进行目视和有形检查。设计师对石膏表面的分层效果感到满意，并欣赏地层反射光线的能力，并在物体表面创造出独特的光影相互作用。这将指导结束此创建场景的决策。3.5. 设想（b）3.5.1. 阶段S2b：使用自由形式建模的在第二种情况下，拥抱直观的自由造型工作流程，设计师打算与光滑的NURBS（非均匀有理B样条）曲面。该过程首先从阶段1中生成的粒子云中直观地选择一些粒子作为指导点，以手动构建八条自由曲线。然后，这些曲线被用作自由曲面建模的框架（图1）。 12）。一旦创建了曲面，设计人员就可以通过垂直切片来手动直观地修改它。结果，出现了两个表面。基于审美判断和直觉，设计师选择一个进行进一步开发（图13）。与上面的网格情况类似，这个较小的选定表面被进一步手动切成纵向面片，这允许设计师稍后使用不同的装饰来增加特定区域。684人 Zboinska/计算设计与工程杂志6（2019）675-692见图10。 使用3D打印机制作的两个发光塑料模型。图十一岁 使用3D打印机制作的场景（a）中的石膏模型，显示了3D打印过程中可见的表面分层。3.5.2. 过渡T2b此时，设计人员得出结论，已达到曲面手动建模的创建限制他们希望获得比自由形式建模技术提供的更高水平的表面形状控制。根据以往的经验，设计人员知道，参数化建模技术允许在平衡的人机协作环境中对表面几何形状进行精确的数学和参数化控制，并且该技术被选为下一个工具。3.5.3. 阶段S3b：使用参数化建模的为了准备参数化建模阶段，设计师使用自由形式建模技术创建两个元素：具有篡改边缘的实心块和穿孔件。这个想法是将这些元素参数化地写在光滑表面上，以便它们遵循其曲率。设计师现在转向参数化建模技术。要用装饰物增强的表面被馈送到启用可视化脚本的参数化环境中并被参数化。然后，定义用于表面划分的参数控制，以将表面划分为隔间它将成为装饰元素的占位符分区由设计者设置的数值控制，目的是改变每个曲面片上的分区通过巧妙地操纵这些值，设计师探索了装饰布局的变化选择了最终的组成，设计师然后创建参数指令，将实心和穿孔的建模元件刻入每个隔室。从这一过程中产生了三种设计，与网格情况一样：一种是不透明的，一种是可渗透的，一种包含不透明和可渗透的装饰条纹（图1）。 14）。3.5.4. 过渡T3b在这一点上，设计师评估结果的美学质量是令人满意的，并且已经达到了数字环境中创作过程的极限设计师现在希望进入实体化阶段。使用场景（a）中的知识，并在生产具有高质量表面光洁度的模型的意图的驱动下，设计师决定采用自动化CJP 3D打印的机器主导过程。M.A. Zboinska/Journal of Computational Design and Engineering 6（2019）675-692685图12个。 曲线和光滑的表面构造使用自由造型技术，从动画生成的粒子云。图十三. 使用自由造型技术手动切割和提取光滑曲面。3.5.5. 阶段S4b：3D打印设计师再次将数字模型导入到专用的3D打印机软件中，并将它们放置在打印机床上。打印过程产生了三个模型（图15）。设计师对作为3D打印过程的副产品出现在模型表面上的随机地层的外观感到满意。这些层次产生了惊人的纹理效果，并有助于模型的高度逼真性，这是设计师所欣赏的。在达到所需的美学效果后，终止场景（b）的设计过程。4. 结果讨论为了提供一个参考背景下的混合工具集的实验结果的讨论，我们认为在该实验中的设计过程不同于典型的主流数字建筑实践的类比过程。在进行对比分析之前，我们简要介绍了一个典型的工艺流程及其过程。4.1. 主流实践中的典型数字化设计流程主流数字建筑实践中的早期开发过程通常涉及有限的数字工具reper，托伊尔。它通常采用一种或两种不同的建模技术。一种流行的方法涉及自由形式建模和参数化建模，以将直观的手动创建与生成的几何图形的数学控制的可能性相结合。为了概述采用这种典型数字工具集的架构设计过程如何进行，我们介绍了一个设计实验，其先决条件与第3节中的混合工具集实验的先决条件相同。设计师下面描述了这种情况下设计概念开发的阶段和过渡4.1.1. 阶段S0：选择第一个3D建模技术和交互模式（人类主导的自由形式建模）设计师希望从直觉开始工作。目标是创建一个表面，表示parti- tion的整体形状。为此，本文选择了自由造型及其以人为主导的交互模式.设计师首先绘制一个简单的矩形平面。然后，沿着垂直于主曲面的平面操纵该曲面的控制点，使其变形为双曲面。设计师继续移动控制点，直到出现视觉上令人满意的曲面轮廓（图1）。第 16段）。686人 Zboinska/计算设计与工程杂志6（2019）675-692图十四岁使 用 参数化建模技术生成的不透明（上）、穿孔（中）和杂色（下）光滑表面显示。4.1.2. 转变T1在下一阶段的创作中，设计师用装饰来增强所创建的表面。设计师从以前的自由造型经验中知道，这种技术不太适合使用增强的表面装饰。因此，决定将技术切换到参数化建模。根据设计师的说法，这种技术有效地支持生成表面装饰的过程，允许对装饰几何形状进行精确的数学控制，并对其布局进行更直观的操作。4.1.3. 阶段S1：在参数化建模环境在参数化环境中，设计人员希望以具有圆形开口的六边形模块的形式创建表面装饰。该过程首先通过数学定义一个六边形网格，其外部尺寸与手动建模表面的外部尺寸相匹配。在每个网格单元的中心点内接一个圆。为了避免开口中的均匀性，做出决定以通过基于每个圆距开口的距离成比例地M.A. Zboinska/Journal of Computational Design and Engineering 6（2019）675-692687图十五岁 使用3D打印机生产的场景（b）中的石膏模型，具有来自3D打印过程的可见表面分层。图十六岁 在自由造型环境中，通过控制点操作手动成形双曲面。在空间中定位的点（图17）。该点可以移动，从而能够直观地探索圆半径分布。设计者在空间中移动点，圆半径根据与点的距离相应地改变。在将该点移动到三个不同的位置之后相对快速地，识别产生最视觉上有趣的开口分布的位置并将其选择为最终设计选项。然后将六边形和开口组合物投射到表面上并挤出以形成3D元件（图18）。设计过程完成。4.2. 简单与混合：工具集在对典型的数字化建筑设计过程进行概述之后，我们现在将其与混合工具集案例进行比较，该过程具有有限数量的数字化工具。我们研究三个方面的兴趣，在这项研究调查：设计师和数字媒体之间的互动，设计思维的特点，和设计表征的工作性质4.2.1. 与数字化工具的如第2.1.1节所述，为了支持早期设计的创造性，设计媒体应该为设计师和计算机之间的各种互动创造有利条件：人主导，机器主导和平衡的人机合作。在简单的工具集案例中，设计师与工具的交互有两种模式：人类主导和平衡的人机交互。它们之间的转换很简单，设计师只需切换一次模式就可以达到预期的创作目标。人们可以想象这个过程的延伸，在概念开发期间，技术和交互模式不止一次地切换。