數(shù)字技術(shù)在京作家具創(chuàng)新發(fā)展中的應(yīng)用研究

■邢萬里，王 頔，劉菲菲

(北京城市學(xué)院藝術(shù)設(shè)計學(xué)部，北京 101300）

京作家具作為我國古典家具的代表，于明代中后期興起、清代康乾年間達高峰，至今已有三百余年的歷史。作為明清兩代的宮廷家具，京作家具匯集各地匠人技藝、融合各類家具風(fēng)格，形成獨一無二的藝術(shù)特色。2008年6月，“京作硬木家具制作工藝”入選第一批國家級非物質(zhì)文化遺產(chǎn)項目名錄，此后京作家具常作為北京文化和中國傳統(tǒng)文化的代表贈送國際友人。因此，對京作家具進行創(chuàng)新發(fā)展兼具文化與經(jīng)濟上的雙重意義。

伴隨著數(shù)字技術(shù)（D i g i t a l Technology）快速發(fā)展，運用數(shù)字技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展文化遺產(chǎn)已經(jīng)成為全球化的發(fā)展趨勢，在我國古典家具研究領(lǐng)域中數(shù)字技術(shù)的重要性和優(yōu)越性也日益凸顯。運用數(shù)據(jù)采集、模型構(gòu)建等技術(shù)手段對古典家具進行保護、修復(fù)、存檔和開發(fā)，可以有效彌補傳統(tǒng)研究方法效率不足、數(shù)據(jù)失真等問題[1]。因此，將數(shù)字技術(shù)引入京作家具的研究，制定成熟、完善、可復(fù)制的研究路徑，可為京作家具的發(fā)展帶來新的契機、為建設(shè)北京“四個中心”功能做貢獻，并為相關(guān)傳統(tǒng)家具制造企業(yè)提供更多的發(fā)展思路。

1 數(shù)字技術(shù)概述

在古典家具研究領(lǐng)域中的“數(shù)字技術(shù)”主要指通過特定設(shè)備將研究目標(biāo)的物質(zhì)信息量化成數(shù)據(jù)信息，通過二進制代碼導(dǎo)入電腦后構(gòu)建三維模型并以此為基礎(chǔ)進行創(chuàng)新設(shè)計和加工生產(chǎn)的技術(shù)手段[2]。對京作家具的研究在不同階段應(yīng)用到不同的數(shù)字技術(shù)，以信息數(shù)據(jù)庫、虛擬現(xiàn)實、通信協(xié)議、三維可視化為主的支撐技術(shù)革新了過往手工測繪時期的研究思路、方法和流程，推動了京作家具與現(xiàn)代教學(xué)、陳列展覽、室內(nèi)設(shè)計等領(lǐng)域的深度融合。

1.1 數(shù)字技術(shù)在京作家具創(chuàng)新發(fā)展中的應(yīng)用優(yōu)勢

家具是人與空間發(fā)生聯(lián)系的媒介，也是一個民族物質(zhì)文化和精神文化的重要載體。京作家具典雅秀麗、結(jié)構(gòu)巧妙，各零部件間的連接方式多采用榫卯結(jié)構(gòu)，扣合嚴(yán)密、間不容發(fā)，不僅在工藝中包含著力學(xué)、數(shù)學(xué)美，也在神韻中蘊含著美學(xué)和哲學(xué)美。過往的研究方法主要以實物測繪與史料整理為主，對京作家具進行斷代研究，梳理總結(jié)不同時期裝飾、造型、技術(shù)的特征和整體的演變規(guī)律。以往的研究工作對京作家具的保護和傳承起到了重要作用，但囿于研究方法的局限性，存檔記錄、更新設(shè)計、研發(fā)生產(chǎn)等后期創(chuàng)新工作難有突破[3]。將數(shù)字技術(shù)引入京作家具的研究，可以將以往過度依賴個人經(jīng)驗的研究工作進行逐層分解，加強設(shè)計研發(fā)、生產(chǎn)制造、展陳保護等各個環(huán)節(jié)的分工協(xié)作，以此提升數(shù)據(jù)傳遞的速度、減少各單位在信息流轉(zhuǎn)過程中的重復(fù)工作，用科學(xué)的流程與方法提升京作家具的研究效率。

1.2 數(shù)字技術(shù)在京作家具創(chuàng)新發(fā)展中的應(yīng)用現(xiàn)狀

數(shù)字技術(shù)作為前沿的技術(shù)手段在我國京作家具的創(chuàng)新發(fā)展中已有一定應(yīng)用基礎(chǔ)，北京林業(yè)大學(xué)、中南林業(yè)科技大學(xué)、內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)等院校的多位學(xué)者和北京市龍順成中式家具有限公司、中國工藝美術(shù)集團有限公司等多個單位都將數(shù)字技術(shù)引入到研究工作中，彌補了我國京作家具數(shù)字化研發(fā)的空白[4]。但需要重視的是，當(dāng)前不少研究機構(gòu)和高校針對數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用仍然處于起步階段，意識到數(shù)字技術(shù)是發(fā)展趨勢、引進研究設(shè)備和軟件產(chǎn)品，但并沒有對研究理念進行深入理解，僅停留在利用數(shù)字軟件繪制家具產(chǎn)品生產(chǎn)圖紙的階段，與真正意義上的運用數(shù)字技術(shù)開展研究工作還存在較大的差距。同時，值得注意的是，京作家具研究領(lǐng)域中數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用多依靠海外成熟的設(shè)備和軟件，國內(nèi)相關(guān)設(shè)備與知識產(chǎn)權(quán)較少，尤其在構(gòu)建家具產(chǎn)品數(shù)字化體系、研發(fā)數(shù)字化建模軟件等方面我國自主研發(fā)能力亟需提升。

2 數(shù)字技術(shù)在京作家具創(chuàng)新發(fā)展中的研究路徑

在京作家具創(chuàng)新發(fā)展研究中數(shù)字技術(shù)應(yīng)用的重點在于依托數(shù)字平臺儲存家具三維數(shù)值、為后期的研究、保護、修復(fù)、3D打印等工作提供信息支撐和數(shù)據(jù)保障。在此過程中，數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用根據(jù)研究過程中的先后順序可分為“數(shù)據(jù)處理與模型構(gòu)建、數(shù)據(jù)庫建立、數(shù)字化研發(fā)、數(shù)字化制造”四個步驟。其中最關(guān)鍵的“數(shù)據(jù)處理與模型構(gòu)建”階段主要有三個較為成熟的技術(shù)方案可供選擇。

2.1 數(shù)據(jù)處理與模型構(gòu)建

數(shù)據(jù)處理與模型構(gòu)建是利用數(shù)字技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展京作家具的第一步。將研究目標(biāo)的尺度、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、工藝、年代等信息進行記錄，通過計算機輔助設(shè)計(Computer Aided Design)構(gòu)建數(shù)字化模型是本階段的工作核心。在此階段，BIM（Building Information Modeling）技術(shù)構(gòu)建模型快捷，在信息采集、數(shù)據(jù)保存等方面具有優(yōu)勢；參數(shù)化技術(shù)構(gòu)建模型延展性強，在設(shè)計創(chuàng)新、后期改造等方面具有優(yōu)勢；數(shù)字樣機技術(shù)構(gòu)建模型更具實用性，在數(shù)字化制造、信息追蹤等方面具有優(yōu)勢[5]。

2.1.1 基于BIM技術(shù)的研究路線

通過激光掃描對研究目標(biāo)的數(shù)據(jù)信息進行獲取和記錄，利用軟件構(gòu)建三維模型并完成模型可視化是BIM技術(shù)的主要路線（圖1）。

■圖1 BIM技術(shù)研究路線

京作家具的數(shù)據(jù)信息采集主要采用三維激光掃描技術(shù)，采集過程簡潔、數(shù)據(jù)信息精準(zhǔn)，具有高精度、高效率、高密度數(shù)據(jù)獲取的優(yōu)勢。其具體操作流程為通過手持三維激光掃描儀將激光打在家具表面，然后通過接收家具表面所反射的光線獲取三維數(shù)據(jù)信息。在此過程中激光反射的每一個數(shù)據(jù)（點）都包含有X、Y、Z坐標(biāo)數(shù)值和R、G、B色彩數(shù)值，這些數(shù)據(jù)（點）在計算機軟件中集合起來形成的“點云”(Point Cloud)能夠?qū)崟r構(gòu)建出目標(biāo)的形態(tài)、重現(xiàn)家具的完整原形及矢量化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

在數(shù)據(jù)信息采集完成后進行模型構(gòu)建的過程可分為三個部分：數(shù)據(jù)預(yù)處理、建模、模型可視化。①數(shù)據(jù)預(yù)處理：將手持三維掃描儀采集到的“點云”數(shù)據(jù)在點云處理軟件（常用TerraSolid）中進行處理和優(yōu)化，如平滑、縮減、濾波、配準(zhǔn)、分割、融合，減小模型的復(fù)雜性并提升軟件的運行速度；②建模：以參考文件的方式將預(yù)處理后的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入BIM建模軟件（常用Revit），通過“捕捉”功能將數(shù)據(jù)點構(gòu)成線、面、體，以此構(gòu)建出家具的三維模型；③模型可視化：在建模軟件中使用著色、附著材質(zhì)、添加燈光、調(diào)整攝像機等功能對三維模型進行最終渲染，完成可視化處理。以此構(gòu)建出的京作家具三維模型包含了家具形、紋、色、材等全部信息，可以進行精準(zhǔn)的儲存、研究和傳遞。

依托BIM技術(shù)可以對京作家具進行多種信息集成化研究，并打通創(chuàng)新工作中的諸多復(fù)雜環(huán)節(jié)，實現(xiàn)跨部門、跨專業(yè)的數(shù)據(jù)溝通，為京作家具數(shù)字化研究、管理、保護和制作提供高效且穩(wěn)定的技術(shù)支持[6]。

2.1.2 基于參數(shù)化技術(shù)的研究路線

將構(gòu)成和影響京作家具的多個要素編寫為參數(shù)（Parameter），運用算法（Algorithm）在參數(shù)化軟件中生成三維模型并完成模型可視化是參數(shù)化技術(shù)的主要路線（圖2）。

■圖2 參數(shù)化技術(shù)研究路線

在參數(shù)化技術(shù)的應(yīng)用中“參數(shù)”和“算法”是兩個最基礎(chǔ)的概念，參數(shù)作為“變化量”影響最終的設(shè)計結(jié)果，而算法是指一系列按順序組織在一起的運算法則。參數(shù)化技術(shù)的核心思想是將構(gòu)建家具模型所需的全部要素都設(shè)定為函數(shù)的變量，通過改變參數(shù)來生成模型和設(shè)計方案[7]。通俗的理解，家具研究領(lǐng)域中的參數(shù)化技術(shù)即“利用編程的手法構(gòu)建家具模型”。

參數(shù)化軟件種類繁多，主要有Rhino、Maya、3Dmax等建模軟件和Grasshopper、Rhino script等計算機程序和腳本語言編輯工具。其中，在Rhino軟件中運用Grasshopper編程插件生成三維模型是家具研究領(lǐng)域最常運用的技術(shù)手段。京作家具三維模型的生成過程即引入目標(biāo)對象的相關(guān)要素進行限定，如家具尺寸、材料、色澤、紋理和矮老、霸王棖、羅鍋棖等結(jié)構(gòu)的曲線弧度，在參數(shù)充足的情況下通過Grasshopper插件運行“Voronoi算法”生成家具模型，之后，在Rhino軟件中進行最終渲染即可完成模型可視化處理。

“Voronoi算法”和“吸引子算法”是生成家具三維模型的常用算法，但其功能遠大于此[8]。研究人員可以通過添加時間、日照、風(fēng)壓、濕度、溫度等限定要素推算研究目標(biāo)在今后一段時間內(nèi)的狀態(tài)變化，并以此為依據(jù)對家具進行針對性的修補與保護。此外，通過添加新型材料、用戶需求等限定因素還可以生成新的家具形態(tài)，反推創(chuàng)新京作家具的多種可能性。

2.1.3 基于數(shù)字樣機技術(shù)的研究路線

通過分析總結(jié)研究目標(biāo)的結(jié)構(gòu)（如門板、橫隔板、裝飾線等）和各部件的連接方式（如直角榫、雙頭榫等），使用Topsolid等數(shù)字樣機軟件構(gòu)建模型是數(shù)字樣機技術(shù)的主要路線（圖3）。

■圖3 數(shù)字樣機技術(shù)研究路線

數(shù)字樣機簡稱DMU（Digital Mock-Up），DMU是對機械產(chǎn)品整機或具有獨立功能子系統(tǒng)的數(shù)字化描述。數(shù)字樣機技術(shù)以DFX/CAX技術(shù)為基礎(chǔ)，并融合三維圖形技術(shù)、仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)為一體，在早期階段該技術(shù)主要用于大型工業(yè)設(shè)備零部件幾何干涉檢查、運動件分析校核等工作，伴隨著技術(shù)的升級和發(fā)展，數(shù)字樣機的功能逐漸拓展至運動分析、性能仿真、制造模擬、維修規(guī)劃等多個方面。近些年已有部分學(xué)者將數(shù)字樣機技術(shù)引入古典家具的研究之中，并取得了初步成果[9]。

適用于家具建模的數(shù)字樣機軟件以Topsolid、Solid Works和UG最為常用，其中Topsolid軟件內(nèi)配置了非幾何屬性編輯模塊“Wood”，為構(gòu)建家具三維模型提供了極大的便利?！癢ood”模塊不僅可以快捷設(shè)置木料的種類、色澤、紋理等屬性，還可以選擇榫頭榫眼、封邊貼皮、凸榫、半邊槽等木藝結(jié)構(gòu)，根據(jù)此功能構(gòu)建京作家具模型可以在形體、物料、工藝等多個方面實現(xiàn)對研究目標(biāo)的精準(zhǔn)再現(xiàn)。

使用Topsolid軟件對京作家具數(shù)字樣機進行開發(fā)前需要對研究目標(biāo)進行結(jié)構(gòu)分析。以庋具為例，首先應(yīng)分析目標(biāo)的結(jié)構(gòu)和各結(jié)構(gòu)間的連接方式，之后在Topsolid中對家具外框進行定位并對外框的尺寸進行限定，最后使用“約束塊”（快速生成家具零部件、設(shè)置零部件相關(guān)性的命令）功能在外框中快速搭建家具的頂?shù)装?、背板、橫豎隔板等部件完成模型的初步構(gòu)建。此時，柜體內(nèi)部已經(jīng)建立了可參考的坐標(biāo)點或面，使用“驅(qū)動塊”（被定義了各項參數(shù)、可以實現(xiàn)調(diào)用組件時自動匹配的命令）功能便可以直接從數(shù)據(jù)庫中調(diào)入自動匹配的榫卯結(jié)構(gòu)、裝飾線條等內(nèi)部組件，完成數(shù)字樣機的深化建模。

依托數(shù)字樣機技術(shù)構(gòu)建的京作家具數(shù)字模型具有同真實物體一致的幾何外觀、物理特性及功能特性，同時，該技術(shù)還支持一鍵生成家具BOM（bill of material暨物料清單），研究人員根據(jù)BOM文件可以精準(zhǔn)追蹤研究目標(biāo)每個零部件的“質(zhì)量信息”，為后期維修、制造和問題追溯等工作提供極大便利。

2.2 數(shù)據(jù)庫建立

建立京作家具三維數(shù)據(jù)庫是一個較為復(fù)雜的過程，當(dāng)前的主要方法是在完成“數(shù)據(jù)處理與模型構(gòu)建”后，根據(jù)研究目標(biāo)設(shè)定數(shù)據(jù)庫的基本框架和關(guān)系結(jié)構(gòu)，并依托Revit軟件平臺的API（Application Programming Interface暨應(yīng)用程序編程接口）接口進行數(shù)據(jù)庫開發(fā)。使用此類技術(shù)手段既可以在前期利用Revit軟件強大的三維建模功能調(diào)整數(shù)字模型的細節(jié)，又可以將京作家具的三維模型進行快捷上傳、在Revit平臺的云端進行共享。根植于Revit軟件平臺的三維數(shù)據(jù)庫不僅可以隨時隨地通過輸入關(guān)鍵詞，如規(guī)格、形式、結(jié)構(gòu)、尺寸、圖案等，來獲取檢索目標(biāo)的資料信息，并且可以確保每位研究人員隨時獲取此個和此類京作家具的三維模型、榫卯結(jié)構(gòu)、歷史信息、技術(shù)特征、價值走向等數(shù)字信息。此外，有特定需求的用戶群體，如高校、科研院所、企業(yè)單位、獨立設(shè)計師，還可以導(dǎo)出京作家具原始模型、在原有的三維模型上進行更新設(shè)計與研發(fā)。

因此，建立京作家具的三維數(shù)據(jù)庫在促進京作家具創(chuàng)新發(fā)展的同時，也能夠為設(shè)計研發(fā)人員提供便利，帶動產(chǎn)、學(xué)、研協(xié)同創(chuàng)新。

2.3 數(shù)字化研發(fā)

京作家具數(shù)字化研發(fā)的重點在于利用新手法、新觀念進行符合家具產(chǎn)品發(fā)展規(guī)律的創(chuàng)新，因此，數(shù)字化研發(fā)不只是利用計算機技術(shù)來開發(fā)家具形態(tài)，還要建立一套科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难邪l(fā)路徑，規(guī)避過往優(yōu)化裝飾紋樣、改變家具材料的古典家具改良研究法。首先，應(yīng)該進行完善的前期調(diào)研，在問卷中劃分詳細的目標(biāo)用戶群體，并針對每個目標(biāo)群體的生活需求、經(jīng)濟需求、家庭需求、精神需求等情況進行數(shù)據(jù)整理；之后，從三維數(shù)據(jù)庫中提取京作家具的三維模型，導(dǎo)入Rhino、3DMAx、Pro/Engineer等設(shè)計軟件之中；第三步，根據(jù)前期調(diào)研的結(jié)果將用戶的需求處理成多個參數(shù)變量，在保留京作家具神韻、意味的同時根據(jù)參數(shù)變量進行產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)，使新型京作家具滿足不同現(xiàn)代家庭的生活需求；最后，依托數(shù)字樣機技術(shù)進行產(chǎn)品使用分析和模擬制造，通過推導(dǎo)出的實驗結(jié)果調(diào)整家具細部結(jié)構(gòu)、木料用材和造型弧度，直至形成最具實用性的研究成果。在家具研發(fā)的過程中，研究人員可以將三維模型保存為STL或OBJ格式、借助3D打印機制造微型家具模型來推敲設(shè)計方案，節(jié)省傳統(tǒng)家具打樣環(huán)節(jié)的成本和時間。

數(shù)字化研發(fā)是創(chuàng)新發(fā)展京作家具的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，只有探索出一條成熟的，兼具傳承、創(chuàng)新、應(yīng)用、推廣作用的研發(fā)路徑，才能為京作家具帶來新的發(fā)展契機。

2.4 數(shù)字化制造

數(shù)字化制造是提升京作家具生產(chǎn)效率、加強市場競爭力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在實際的生產(chǎn)制造過程中，“數(shù)控加工”和“數(shù)字化排產(chǎn)”是最為重要的兩種數(shù)字技術(shù)。

“數(shù)控加工”技術(shù)是指利用計算機數(shù)字化控制（Computerized Numerical Control）機床進行生產(chǎn)加工的技術(shù)手段。該技術(shù)可選擇的軟件種類較多，利用UG軟件的技術(shù)路線相對最為成熟和普及。首先，將前期研發(fā)出的京作家具三維模型導(dǎo)入UG之中，運用“加工模塊”生成刀具軌跡，并根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗判斷該軌跡的合理性；之后，檢查各個加工過程、步驟的設(shè)計是否合理，在確認(rèn)無誤后使用軟件中的“后處理”功能生成NC（Numerical Control暨數(shù)字控制）加工程序；最后，將軟件生成的NC代碼導(dǎo)入數(shù)控機床完成家具生產(chǎn)。

“數(shù)字化排產(chǎn)”技術(shù)指運用計算機軟件綜合訂單、員工數(shù)量、機床數(shù)量、原料庫存等數(shù)據(jù)生成生產(chǎn)計劃的技術(shù)手段。合理運用數(shù)字排產(chǎn)可以幫助工廠實現(xiàn)更精準(zhǔn)、更高效、更均衡的排產(chǎn)目標(biāo)，確保企業(yè)面對市場的反應(yīng)更快，能夠高效應(yīng)對插單、改單、訂單逾期、人員變動及設(shè)備意外故障等問題。MES(Manufacturing Execution System)系統(tǒng)是當(dāng)前較為成熟的數(shù)字化排產(chǎn)軟件之一，該系統(tǒng)可以幫助車間執(zhí)行層進行高效的信息管理，其中包含生產(chǎn)調(diào)度管理、人力資源管理、采購管理、生產(chǎn)過程控制、上層數(shù)據(jù)集成分解等多個功能模塊，作為智能、全面的制造協(xié)同管理平臺可以基本滿足排產(chǎn)計劃的一切需求。

依托數(shù)字化制造革新京作家具的生產(chǎn)方法和家具企業(yè)的管理模式不僅可以提升家具的產(chǎn)量，還可以為企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益。伴隨著我國家具產(chǎn)業(yè)整體向智能化、科技化、定制化等方向發(fā)展，利用數(shù)字技術(shù)提升京作家具生產(chǎn)制造的信息化水平，是京做家具發(fā)展的重要方向[10]。

3 結(jié)語

當(dāng)前，我國多數(shù)家具企業(yè)對京作家具的創(chuàng)新與發(fā)展仍處于匠人匠心、師傅帶徒弟的模式，對數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用僅限于電腦繪圖、數(shù)控加工等環(huán)節(jié)，工作效率不足、更新迭代緩慢等問題致使京作家具產(chǎn)業(yè)難以跟上家具行業(yè)現(xiàn)代化、數(shù)字化的發(fā)展潮流。將數(shù)字技術(shù)引入京作家具創(chuàng)新發(fā)展的研究之中，不僅能夠為京作家具的發(fā)展帶來新的契機、為建設(shè)北京“四個中心”功能做貢獻，還可以為相關(guān)傳統(tǒng)家具制造企業(yè)提供更多的發(fā)展思路。因此，如何合理利用數(shù)字技術(shù)對于京作家具進行創(chuàng)新發(fā)展是一項跨學(xué)科、多領(lǐng)域的研究問題。本文綜合當(dāng)前家具研究領(lǐng)域中數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢和現(xiàn)狀，梳理出“數(shù)據(jù)處理與模型構(gòu)建”“數(shù)據(jù)庫建立”“數(shù)字化研發(fā)”“數(shù)字化制造”四步走的策略，以期作為一條步驟清晰、技術(shù)成熟的研究路徑，為京作家具的創(chuàng)新發(fā)展注入新血脈、帶來新契機。