在航空航天领域，卫星结构强度与轻量化的矛盾亟待解决；在汽车制造行业，零件重量与制造成本之间的权衡亦是难题。创成设计以颠覆性的解法横空出世，以强大的算法为支撑，历经上百万次数字推演，在严格的工程约束下探寻最优方案。创成设计并非传统设计工具的替代者，而是通过算法模拟人类思维，在数字空间探索未知的设计领域。它犹如一面镜子，促使设计师反思：突破经验与直觉的限制后，到底能有多少种合理的设计方案？

1 概念辨析：何为创成设计？

       创成设计（Generative Design）又称为生成式设计或衍生设计，是一种通过算法和人工智能技术，基于设计目标和约束条件自动生成多种优化设计方案的设计方法。它允许设计师和工程师输入设计要求、材料属性、制造约束等参数，然后由软件自动生成多个满足这些条件的三维模型，供用户评估和选择。

       简而言之，创成设计就像是一个超级智能的设计助手，它融合了AI的优化算法、大数据分析、自然语言处理等能力，能够根据设计者的需求快速生成多个创新的设计方案。其核心特点如下：

       ●人机协同作业。设计师负责输入设计意图和约束条件，软件通过算法生成与之相符的设计方案，二者紧密配合，共同推进设计进程。

       ●高效优化设计。利用人工智能和仿真技术，快速生成轻量化、高性能的设计方案，大幅缩短设计周期，降低物理原型测试成本。

       ●多方案快速生成。短时间内生成大量设计方案，帮助设计师快速探索设计空间。

       ●适应先进制造技术。生成的复杂几何结构直接适配增材制造（3D打印）等工艺，打破传统制造对设计自由度的限制。

       创成设计和拓扑优化常常一起被提及。拓扑优化（Topology Optimization）是一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化的数学方法，是结构优化的一种方法。与拓扑优化相比，创成设计可以理解为是一个更广泛的设计理念，涵盖了多种设计算法和方法，通常具有更大的灵活性，可以同时考虑多个设计变量和约束条件，并生成多种不同类型的设计方案。
 
       在实际应用中，创成设计和拓扑优化常常一起使用。创成设计基于规则和算法生成多种设计概念，提供丰富的设计可能性；拓扑优化则专注于在给定条件下优化材料分布，提升结构性能。例如在汽车零部件设计中，先利用创成设计产生多种初步设计方案，涵盖不同的结构形式和布局；再通过拓扑优化对这些方案进行材料分布的优化，在满足强度、刚度等性能要求的同时实现轻量化。二者结合，既发挥了创成设计的创新优势，又利用了拓扑优化的性能优化能力，能更高效地得到满足多方面需求的高质量设计成果。

2 创新前沿主流厂商引领创成设计新动向

       近年来，创成设计在国际主流厂商中持续升温，成为技术创新的核心驱动力。PTC、Siemens、Autodesk、达索系统等主流厂商通过AI驱动的CAD设计工具进一步优化多目标设计生成与仿真能力，广泛应用于航空航天、汽车制造等领域。

       PTC在2024年5月发布了Creo 11，对创成设计功能进行了进一步优化，增加了最小特征尺寸控制的功能，以增强设计零件的工艺性和可加工性。值得一提的是，Creo还支持基于云的Generative Design Extension（GDX）扩展，允许用户同时创建多种基于不同材料和制造场景的设计，并且会突出显示较优的设计选项以供用户查看。

       Siemens NX中的Selection Prediction and Select Similar选择预测和相似选取命令增加了人工智能和机器学习功能，通过形状辨识快速识别几何体结构类似的组件，提升了设计效率。NX还提供了Design Space Explorer设计空间探索解决方案，将设计空间探索与创成工程相结合，帮助设计师自动根据不同目标进行设计优化。

       Autodesk Fusion在2024年9月的版本更新中，引入了新的设计规则引擎，改进了仿真和衍生式设计功能，并允许将特定版本的电子器件设计导入为原生Fusion格式，从而拓宽了创成设计的应用范围。

       达索系统CATIA xGD是一款基于Web的创成设计应用程序，它深度集成于3DEXPERIENCE平台，实现了设计数据的云端存储与实时协作。通过参数化建模方式，CATIA xGD使设计者能够方便地将设计意图“输入”软件的“创成”系统，快速、自动地生成复杂的产品、艺术品和建筑模型。

3 革新实例揭秘创成设计的前沿应用

       创成设计已在众多领域展现出其独特的价值。从航空航天领域对复杂结构的精准构建，到汽车制造中对高性能零部件的创新设计，从建筑领域对空间利用和美观的优化，再到材料科学中对新材料的探索尝试，创成设计凭借其高效、创新的特点，切实地提升了设计师的工作效率，带来了显著的成果。

       案例一：Newton运用创成设计助力火星样本安全返回地球

       Newton公司与NASA、欧洲太空总署（ESA）合作，参与了火星样本返回任务。该任务旨在实现人类历史上首次将火星的岩石和土壤安全带回地球，以便科学家探索火星上是否存在过生命迹象。

       在此项目中，Newton公司承担了设计火星样本捕获器盖子的关键任务。这个盖子至关重要，它需要在火星岩石样本被成功捕获并放入容器后，迅速且稳固地关闭，以确保样本在返回地球的过程中不受污染。
 
       通过利用创成设计功能，Newton公司成功地减轻了盖子的重量达30%，同时保持了所需的刚度。同时，基于创成设计，Newton公司还能够比较不同材料的性能，确保工程师选择最佳的材料。

       在设计过程中，Newton公司进行了多轮改进，并最终制造了一个与飞行设计完全匹配的“工程测试单元”。该原型将接受了一系列严格的环境测试，包括在模拟太空环境的热真空室中进行振动测试和多次操作测试，确保其在实际任务中的性能和可靠性。

       案例二：HPE COXA使用创成设计加速赛车模型创新

       总部位于意大利的HPE COXA公司是一家为高性能汽车和赛车行业提供产品、工程解决方案和技术项目的公司。在赛车模型设计方面，每一个细节都关乎赛车的速度与敏捷性。传统的赛车模型设计流程，尤其是在车门铰链等部件的设计制造方面，采用的是多步骤、多软件的设计方法，不仅效率低下，而且增加了质量风险，降低客户满意度。

       创成设计的一个重要特性是能够快速生成多种设计方案并进行迭代。HPE COXA基于创成设计，同时考虑产品在设计过程中的多种因素，如材料、制造工艺和性能要求等，并通过自动优化设计方案，快速找到满足所有约束条件的最优方案。
 
       通过创成设计技术的应用，HPE COXA在设计效率方面取得了显著提升。整体的设计与生产时间减少了30%，从概念到交付的时间更是减少了50%。未来，HPE COXA计划将这种基于Creo软件的创成设计流程应用到其他零件创建中，并且进一步测试和优化创成设计相关的特性。

       案例三：MG AEC利用创成设计进行建筑性能优化

       MG AEC公司是一家服务于设计和施工的咨询公司，在一个名为SolVista的概念验证案例中，采用了利用创成设计技术为多层建筑的设计快速高效地评估不同的设计方案。该案例是一座位于丹佛市中心商业区西部的多层建筑，设计目标包括最大化室内日光、满足特定的窗墙比要求，通过屋顶太阳能电池板吸收可再生能源。

       在设计中，MG AEC团队采用创成设计，输入固定的约束条件，如区域和地块限制、楼层高度等，并考虑了建筑朝向和其他必须或希望具备的因素。创成设计为团队展示了多种选项，团队考虑了多种基于给定日期和时间的日光数据的采光方案，并全面评估了这些因素，以在给定地块限制内最大化能源效率和建筑性能。
 
       最终通过创成设计，MG AEC能够在满足可持续性目标的同时，确保楼层和屋顶的最大太阳能暴露量、每个立面的最小窗墙比以及最大楼层面积比等。

       案例四：康明斯借助创成设计实现材料用量降低

       康明斯（Cummins）作为全球最大的独立发动机制造商，在柴油、天然气发动机及电动化系统领域处于行业领先地位。面对每年超百万台发动机产量带来的资源消耗压力与全球性环境法规升级的双重挑战，该公司将可持续发展战略聚焦于产品设计阶段的创新实践。

       在产品设计过程中，康明斯利用创成设计工具，并结合仿真驱动设计进行数字原型的设计和测试，以理解产品在实际发动机系统中的表现。通过这些创新设计工具和方法，康明斯能够探索更多的有机形状和替代材料，从而提升了设计自由度。
 
       康明斯发现，将创成设计应用于传统零件设计，通常可以减少10%~15%的材料使用。这不仅减少了产品的资源消耗与碳排放，还降低了产品成本和重量。

       当前，创成设计的发展正呈现为多维度的融合演化。在技术层面，创成设计与AI深度结合，使算法更智能，更能精准理解复杂设计需求，生成更优质方案。在应用层面上，其覆盖范围从传统制造业加速向医疗、消费电子等行业拓展。此外，在多学科融合设计的趋势下，创成设计综合考虑力学、热学、美学等多学科因素，使设计方案在功能与美观上达到更好平衡，满足人们对产品多样化、高品质需求。

       笔者认为，创成设计的本质并非取代人类设计师，而是价值重构。AI提供的海量数据分析、参数化优化与自动化迭代能力，并不等同于设计决策权。设计师应以更高的维度介入：在规则设定中植入审美范式，在算法迭代中强化人文内核，在计算机的"最优解"之外主动寻找突破性可能。惟有锚定人性温度与技术逻辑的交汇处，创成设计才能脱离设计效率提升的单一维度，真正成为推动设计范式进化的风向标。

参考资料

       [1]Generative Design in Architecture Explainedhttps://www.novatr.com/blog/generative-design-architecture
       [2]Introduction to Topology Optimizationhttps://engineeringproductdesign.com/knowledge-base/topology-optimization/
       [3]Life on Mars? Fusion 360 and Generative Design Help Bring Mars Rocks Back to Earth https://www.autodesk.com/products/fusion-360/blog/newton-product-design-engineering-mars-generative-design/
       [4]HPE COXA Speeds Time to Market by Embracing Design Agility with Creohttps://www.ptc.com/en/case-studies/hpe-coxa-speeds-time-to-market-with-creo
       [5]Mainstreaming sustainability with generative designhttps://www.autodesk.com/customer-stories/mg-aec
       [6]Global Power Leader Cummins Optimizes New Product Designs to Prioritize Sustainabilityhttps://www.ptc.com/en/case-studies/cummins-optimizes-product-designs