唐林濤 周生力 單 峰

(1.清華大學美術學院，北京 100084;2.廣東勤上光電股份有限公司研究院，廣東東莞 523565;3.廣東勤上光電股份有限公司北京分公司，北京 100000)

在過去的幾個世紀里，理科、工科、人文、藝術，各個學科在自身的專業(yè)知識范圍內越走越深，與此同時，也造成了無法沖破的學科壁壘。生活在專業(yè)孤島上的各類學家們解釋世界的能力有余，而創(chuàng)造世界的能力不足。21世紀人類面臨的新問題將無法在單獨的領域內解決，而是必須經由彼此相互關聯的科學家、藝術家、工程師、設計師以及人文學者，在一個開放互動的環(huán)境中共同解決。

設計是人類系統的、有目的的創(chuàng)造活動，而不僅僅是輸出造型，或者制造形式美感，當然更不應該為銷售而制造視覺刺激。當下中國設計界的發(fā)展頗為畸形，一方面是“蟻族”設計師們正在經歷的“雷蒙羅維時代”，以形式制造、體力密集、服務性為特點的艱難生存，而另一方面則是國際“明星設計師”們的狂歡派對，以時尚、中國元素、個人主義等為標簽異化著設計的本體。

基于上述的學科發(fā)展趨勢以及我國的設計產業(yè)現狀，本文將探討一條新的途徑，即“整合知識創(chuàng)新”，供設計師選擇。在本質上設計是一門綜合的學問。真正的創(chuàng)新設計也是在整合各個學科知識的基礎上展開的，它誕生于學科壁壘之間。因此，“整合知識創(chuàng)新”將成為未來一代的設計方法論。下面將通過“半導體照明系統研究與創(chuàng)新設計”實踐項目來詳細闡述這一觀點，論述方式將遵循“過程—理解—反思”這一邏輯關系遞進。

1 過程

“半導體照明系統研究與創(chuàng)新設計”項目為LED龍頭企業(yè)廣東東莞勤上光電股份有限公司與清華美院、廣州美院、中國美院、中央美院四所國內最知名的設計院校合作而展開的產學研項目。試驗性、研究型、前瞻性為該項目的特點，是建立在整合各個方面知識基礎上的，在技術與藝術完美結合的基礎上的，在人性與物質性相互適應的基礎上的，在制造可行性與環(huán)境友好性相協調的基礎上的。在項目展開之初，我們確定了基本的研發(fā)邏輯框架圖，如圖1。

圖1 研究邏輯圖

我們的方法可以表達為“通過研究做設計(design through research)①”或者“通過設計做研究(research through design)”，也就是說，“設計”與“研究”是一體兩面的?！癉esign Driven and research based”即“以研究為基礎，以設計為驅動”。通過基礎性的研究，我們才找到了創(chuàng)新設計的方向與發(fā)力點，而通過具體的設計使得進一步的研究更深入，更有針對性。

1.1 第一階段——基礎期

基礎知識認知:團隊成員分工合作，分別對熱學、光學、照明工程、LED光源原理、人因、環(huán)境、心理、結構、工藝、材料、各國標準等方面進行了詳細學習和整理。該部分工作的目的是掃除專業(yè)知識壁壘，在進行設計之前成為該領域的“準專家”，減少在設計過程中的阻礙。同時，也為與各種專家的溝通建立了專業(yè)術語系統。

產品拆解分析:團隊成員拆解了包括勤上產品在內的很多燈具及配件。拆解不是目的，而是手段。拆解的過程同樣是學習的過程。所以拆解并不是初期才有的，在項目進行的過程中，同樣伴隨著拆解。

研究與設計:包括研究、創(chuàng)新設計和檢驗。研究看似是設計過程的初期階段。但事實上在“研究型實踐”的過程中，“研究”與“創(chuàng)新設計”是一體兩面的，“研究”為“創(chuàng)新設計”提供了方法和途徑，“創(chuàng)新設計”為“研究”提供了對象和目的。在“研究”的基礎之上，我們進行了初步的“創(chuàng)新設計”，基本的方向是:一次封裝、電熱分離與單元模組化。

創(chuàng)新設計的下一步是對設計的階段性成果進行檢驗。研究方向的提出是基于對產品問題的發(fā)現，一次封裝和單元模組化都是對整燈結構優(yōu)化提出的構想，并由此我們提出將 DFMA(Design for manufacture and assembly)②的思想作為評價設計的重要標準之一;電熱分離是針對散熱問題提出的，目的是減少熱傳導的層次從而提高散熱效率。散熱問題是目前LED照明產品亟待解決的關鍵問題。

針對這幾個方向，我們開始思考解決方案，方式是通過制作“原型 (Prototype)”來實施的。其中，下面的方案完成度比較高，將三個研究方向全部涵蓋，并首次提出了蜂窩煤通風散熱的構想 (圖2)。

圖2 蜂窩煤的原理應用于散熱結構的設計

檢驗的過程包括實驗、試驗、測試、計算機模擬等，包括了單元模組化的防水試驗，不同封裝結構的散熱測試和結構實驗，以及對散熱片進行散熱的計算機模擬等。檢驗的結果將直接反饋進入下一輪研究和創(chuàng)新設計中，合理可行的設計想法將會被保留，不合理或不可行的將會被改良。由此形成研究型實踐的遞進式良性循環(huán)。

第一階段總結:該階段的研究是初步的，設計方向是模糊的，方案是概念化的，因此，該階段可以表述為“基礎期”。設計師進入任何一個既有的領域，都要首先搞清楚設計對象“是什么”以及“為什么 (是這樣)”，然后才會知道“怎么樣 (進行設計)”?；A知識認知和對現有產品的結構性分析是設計師進入這個產品領域的敲門磚，這部分知識更偏重于“物質性”。對于知識最快最好的理解方法就是使用知識，因此，“通過設計做研究”是我們這一階段的整體指導方法，這套方法指引著我們從門外漢變成準專家，從而為真正的創(chuàng)新設計奠定了堅實的基礎。

1.2 第二階段——探索期

第一階段的研究使得我們進入到了半導體照明產業(yè)領域內，并找到了初步方向。為了擴展研究思路，在持續(xù)對主線問題進行思考研究的同時，我們開展了四個方向的照明產品設計，分別是城市、辦公、商業(yè)和家庭。人在不同的環(huán)境下有不同的行為，則對“光”具有不同的需求。在半導體照明技術出現之前，人與光環(huán)境的關系就已經存在了，不管是蠟燭，還是白熾燈、金鹵燈、熒光燈，設計的最終指向是合理、舒適、高效、美觀的人工光環(huán)境。因此，這一階段的研究工作也開始逐步轉向了“人性”的側面，更關注于人、環(huán)境、光三者之間的關系。

辦公照明:首先，團隊內的設計師閱讀了大量關于辦公照明規(guī)范的文章，并對一些大型寫字樓的辦公空間進行了考察。根據LED的發(fā)光特點，我們將辦公照明設計的重點聚焦在照度選擇、眩光控制、布光方式這樣三個部分，并有意識地區(qū)分了普遍照明、區(qū)域照明與局部照明的不同，使得辦公空間內的光環(huán)境可以依據人的行為需求而調節(jié)。

商業(yè)照明:人在商業(yè)空間中的行為決定了光如何應用。與人的行為相關的因素非常復雜，如產品的種類、店面風格、顧客的瀏覽路徑、顧客怎樣被重點產品吸引、商品的展示效果以及光對顧客造成的視覺影響等。從光的角度來看，主要通過對照度、色溫、照射角度、照射面積、眩光等的控制來實現空間照明設計。

第二階段總結:此階段屬于全面的探索期，工作重點一方面在于人與光環(huán)境關系的認識與理解，另一方面在于創(chuàng)新思路的擴展。通過對幾個方向的LED產品應用設計，我們的觸角延伸到了室內的商業(yè)、辦公與家庭環(huán)境內，同時也加深了對LED光源應用方面的理解。

在此階段，我們明確了設計應該以“整體解決方案”為導向。區(qū)別于獨立的燈具設計，整體解決方案需要根據特定環(huán)境下人的需求提供系統化的照明方案，是品牌制造商對用戶需求的深層次把握。我們在進行三個室內照明方向的設計時，也在盡力貫徹這一理念，在接下來的階段里，創(chuàng)新設計趨向于系統化。

我們認真總結分析了勤上在照明領域應該具備的優(yōu)勢是什么，為企業(yè)發(fā)展方向提供了一個戰(zhàn)略性參考:通過系統研究與創(chuàng)新設計，提升勤上在LED應用與服務上的競爭優(yōu)勢。這意味著勤上將聚焦于半導體照明產業(yè)的下游，在應用上多做文章，而不是投入大量的資金在芯片研發(fā)、封裝等上游技術上，掌控龐大的LED應用和服務市場，樹立產品與服務的品牌，在提升LED應用和品牌服務附加值的同時，倒逼國外LED核心技術企業(yè)降低芯片價格。這是中國企業(yè)突圍的創(chuàng)新路徑。系統研究與創(chuàng)新設計正是讓企業(yè)掌控國內LED應用市場，建立服務品牌的基礎 (圖3)。

圖3 系統研究與創(chuàng)新設計可提升LED應用的附加價值

1.3 第三階段——突破期

在前兩個階段的知識積淀下，第三階段是一個全面的突破期，這是在與勤上合作一年后發(fā)生的。突破主要來自于兩個方面。首先是在宏觀上，我們梳理了如下的系統研究與創(chuàng)新設計的“樹狀關系圖”(圖4)。

圖4 系統研究與創(chuàng)新設計的“樹狀關系圖”

創(chuàng)新設計需要在“人性 (藝術性)”與“物質性 (科學性、技術性)”兩個側面的知識中汲取營養(yǎng)，在整合這兩個方面知識的基礎上進行創(chuàng)新設計，而作為設計成果的果實也是針對不同光環(huán)境的系統解決方案。系統研究是基礎性的，需要咨詢各行各業(yè)的各種專家，這就如同樹根的功能，吸收各種知識;創(chuàng)新設計的過程是在企業(yè)內部發(fā)生的，也就是將各種知識進行整合加工的過程，類似于樹干的功能，將養(yǎng)分運輸到枝葉，而最終提供給用戶的系統化產品與服務就如同果實。豐碩甜美的果實來自于樹根吸收的養(yǎng)分，也來自于樹干的整合、運輸與傳遞。因此，企業(yè)在關注創(chuàng)新成果的同時，更應注重基礎研究與創(chuàng)新結構的組織。

突破性的另一個方面在于具體的散熱設計方面?，F有LED產品的散熱器存在“熱島”問題，即熱量并沒有充分與空氣熱交換;于是我們的突破口變成了由蜂窩煤原理引出的垂直對流散熱結構，這是在第一階段就已經出現的概念，但是我們到此才發(fā)現這個概念的重要意義。

垂直對流結構的研發(fā)過程:概念不會憑空出現。垂直對流散熱的想法一方面基于前期對LED散熱問題的持續(xù)研究;另一方面在于設計師個人經驗的積累和想象力的發(fā)揮。在與清華大學熱能系柯道友教授的交流過程中，我們對散熱過程中的空氣流動規(guī)律有了進一步理解。傳統路燈的散熱片出現“熱島”效應，即冷空氣無法補充到散熱片密集的縫隙中，熱量積聚在根部。如圖5所示。

圖5 傳統的散熱器

圖5 中傳統的散熱器僅僅根據熱源功率去推算表面積，而不考慮空氣的流動性，因此造成了“熱島效應”，即中間、根部的鰭片由于沒有空氣流動而過熱。

設計中的直覺、靈感與頓悟來自于持續(xù)的思考，也來自于日常生活中的常識。常識中都蘊含了最基本的科學原理。無論是蜂窩煤還是煙囪，其基本原理都是通過冷熱空氣之間的壓力差而加速空氣流動，從而實現了燃燒速度的加大。在被動散熱情況下(無風扇或泵等)，改變空氣流動方向，加大空氣流速，可以提高熱交換的效率。因此，我們還是回到了最初圖2的原型上來，依據蜂窩煤的原理，利用空氣自下而上的對流實現散熱目的。

從概念到最終的產品有很長的路要走?；诖送黄瓶冢覀冮_始了一系列的構想、分析、模擬與試驗。最初設想將散熱片設計成流線型、沒有死角的“鐘乳石”結構，空氣在流線型散熱片表面應該會跑的更快，于是出現了下面的方案:每一個芯片四周是通氣的孔，每一個通氣孔的四周是四個芯片，這樣產生最大效率的空氣流通性，產生的熱量迅速與空氣熱交換。鐘乳石狀的雙曲面造型，既是合熱學的，又是合自然的，同時也是合美學的。而且，完全的曲面更有利于雨水沖刷，不積灰塵與鳥糞(圖6)。流線型對散熱的作用只是理論上的構想，而實際效果必須通過測試。熱學工程師李文峰利用三維模型進行了熱學模擬。經過模擬測試，發(fā)現空氣的流動規(guī)律和想象的不同，空氣遇熱迅速上升，無法碰到鐘乳石的頂端，如圖7。

圖6 根據蜂窩煤原理設計的路燈，流線型的鐘乳石形態(tài)

圖7 熱學模擬測試圖

圖7 中根據流速場與熱密度場的圖可以看出，該方案熱傳導性能很好，但是熱交換性能不好，空氣在鐘乳石表面的流速不高，未實現煙囪效應的流速加快。

進一步的改進是將散熱片延伸到空氣流動的空隙上，理論上應該讓空氣更容易帶走熱量，如圖8。

圖8 將鰭片伸到空氣流動的孔中間，可以加速熱交換

模擬測試結果證明，將散熱片延伸至空隙位的方式是正確的，為了優(yōu)化結構，我們又進行了大量的設計和驗證，包括三維模型和實體模型 (圖9)。

在這一階段路燈散熱模塊的研究中，我們充分理解并實踐垂直對流散熱的結構，對路燈模塊散熱片的結構以及組合方式進行了大量研究，最終確定了如圖10所示的方案。在1∶1CNC加工出原型后，我們進行了實際的熱測試。

圖9 應用于熱學模擬與實際熱測試的原型結構

圖10 熱成像圖

圖10 是模塊原型的熱成像圖，結果顯示，在將芯片功率從1W加大到3W情況下，散熱效果非常良好，在相同熱功率下，優(yōu)于現在的被動式散熱器。

合乎科學原理的散熱結構還需要合適的生產工藝去實現，如果工藝復雜、成本高則不符合DFMA原則，也就不是一個好的設計。因此，在這一階段，我們也開始整合結構、材料與加工工藝方面的知識。一般的鋁散熱器大多采用拉伸的工藝，但是該工藝并不適用于蜂窩散熱的結構。在系統的研究了鋁材的導熱系數、熱膨脹系數、加工方式與基本模具原理以及價格等多方面知識后，我們最終選定了“冷擠壓”工藝。材料選擇為工業(yè)用純鋁，熱導系數(217.7w/mk)高于一般的鋁擠型散熱器 (6063為201w/mk)。表面噴涂黑色納米漆。黑色可增加輻射散熱功能，納米漆通過表面的微結構，實現了表面積的最大化。

如果一個設計方案不包含其實現方式的話，再好的想法也只是空中樓閣，這也是設計師知識結構里非常重要的一個側面，因為沒有工程師或者科學家能夠給予系統答案，他們只能是在某一個問題點上的助手，而全面的解決需要在設計師的大腦中構建完成。

第三階段總結:這個階段是我們的突破期，在城市、辦公、商業(yè)等領域都找到了突破口，特別是垂直對流散熱結構的研發(fā)，為通用性的設計難題找到了解決方案。由于其合乎基本的物理學原理，垂直對流散熱的模式也必將成為未來的行業(yè)標準。這些是硬性的成果。在軟性成果方面，“整合知識創(chuàng)新樹狀結構”的梳理，更清晰了我們的研發(fā)組織結構，也為未來“井噴式”的創(chuàng)新找到了路徑。接下來，在繼續(xù)完善以上三個方向設計的同時，我們將研究領域延伸到家庭，酒店以及博物館、學校等方向。

此階段更深一步的感想是:提出產品設計方案并非我們的主要目的，隨著研究的深入，完善半導體照明系統研究與創(chuàng)新設計方法，為企業(yè)建立長期持久的創(chuàng)新機制，才是我們產學研工作的核心價值所在。

1.4 第四階段——完善期

第四階段是概念產品走向成熟的階段。垂直對流散熱的結構終于實現了產品化。首先是路燈得到了完善。除了散熱結構的最終確定，還包括了單元模數、電路結構、透鏡及防水、電源模組等一系列的相關問題解決?！皩α魃帷眱H僅是一個突破口，它成功的融入到路燈的系統當中，是一個漫長而復雜的過程。

此外，“垂直對流散熱”的結構還被移植到了筒燈上。這一原理本身就是“原型創(chuàng)新”，它是可以被廣泛的擴展為一個龐大的產品線。筒燈的測試結果證明，這一原理的移植是行之有效的。在人民大會堂項目的設計過程中，我們也是成功利用了垂直對流散熱的原理，設計出了滿足大會堂這種特殊環(huán)境要求的燈具。除了利用垂直對流散熱進行設計的幾款產品，我們還著力開發(fā)了一款強調LED可控性的“滑動控制”燈。

“拉風壹號”路燈的產品化:承接上一階段的研究結果，我們繼續(xù)將概念深入的產品化。首先，單元模塊的結構經過了多次的改進設計，最終確定了如下圖的結構方式。模塊散熱器采用冷擠壓工藝加工。這種方式的確定也是設計師和制造商討論分析的結果，并且根據工藝狀況多次調整方案，其中既包括了可實現性，也包括了成本分析 (圖11)。

圖11 最終模塊設計爆炸圖

其次，整個路燈的結構方案也經歷了一個漫長的過程，設計師和工程師進行了多次討論并對方案反復修改，這是一個結構與造型相互配合的過程。根據該路燈的產品特點，我們給它命名為“拉風壹號”(圖12、圖13)。

圖12 “拉風壹號”路燈整體結構爆炸圖

圖13 “拉風壹號”路燈產品外觀

與勤上公司的上一代產品以及當前行業(yè)內的其他廠商產品比較，拉風壹號具有如下特點:采用模塊化的結構，每一個芯片 (熱源)產生的熱量，先通過交叉型的鰭片導向模塊間的縫隙，并在模塊組合的情況下形成“煙囪”，從而使得空氣的上下流動加快。這樣的結構，使得每一個芯片的四周都是“煙囪”，而每一個“煙囪”的四周都是芯片，這樣形成了均勻分布的流速場和通風量，消除了熱源周圍的“熱島”，實現了“被動式散熱”的最優(yōu)。因此，在相同的出光能力下，拉風壹號體積小、重量輕、散熱好、成本低。

最后，整燈結構確定后進行了樣品制作，并進行了實際的測試。結果證明我們的設計的確要優(yōu)于前代產品，并且用DFMA的原則來比較前代產品和最新設計，以實際數據證明了新設計的價值 (圖14)。

圖14 拉風壹號的整燈熱測試結果

垂直對流散熱筒燈:路燈的初步產品化并不是唯一目的，我們所實踐的“原型創(chuàng)新”應該像種子一樣盛開出各種花朵。所以在這一階段的工作中，我們還將垂直對流散熱的結構擴展到筒燈的應用上。

實驗結果證明垂直對流散熱應用在筒燈上也有極大的優(yōu)勢。20W以上的筒燈一直是LED照明的一個瓶頸，其關鍵就在于大的熱密度就需要更大體積的散熱器。在相同的規(guī)格尺寸下 (如4英寸、6英寸等)，采用垂直對流結構方式，則可以承載更大的熱密度，也就為更大功率的芯片應用于各種高照度要求環(huán)境掃除了障礙。此基礎上，我們將設計深化如圖15所示。

圖15 4英寸的筒燈可應用48W的LED芯片，其散熱性能良好

除了作為一般筒燈安裝使用外，本產品的最大特點還在于能夠和室內出風口結合，利用已有的風道循環(huán)系統，在不另外耗費能源的情況下，變被動式散熱為主動式散熱，不但節(jié)省了室內裝修成本，節(jié)約了能源，也加強了散熱效果 (圖16)。

圖16 主動式散熱模型

圖16 中與室內“新風系統”相結合的筒燈，既是照明，也是出風口，在不增加任何附加能源消耗的情況下實現了風冷效果，變被動式散熱為主動式散熱。

2 原型創(chuàng)新

在維基百科的解釋上，“原型”即首創(chuàng)的模型，代表同一類型的人、物或觀念。古羅馬的拱或者中國的斗拱是個結構原型，被多少代建筑師創(chuàng)造性的再次使用;四合院也是原型，其規(guī)模大可到王府甚至故宮;費孝通從江村可以說整個中國的文化脈絡，那么江村就是文化原型;俄狄浦斯是古希臘的悲劇原型，我們還可以從現在的電影里發(fā)現，比如張藝謀的《滿城盡帶黃金甲》。

原型是具有基因編碼性質的東西，也許是一種原理結構，一種類型，甚至一種組織方式，或者觀念。如同蒲公英的種子，它是可以穿越時間與空間，傳播和落地發(fā)芽生根的。在半導體照明系統研究與創(chuàng)新設計的項目中，垂直對流的散熱模式是一個符合科學原理的“結構原型”，它可以應用于路燈、筒燈、吊燈等等各種照明產品中。不管從“物質性”的角度還是“人性”的角度出發(fā)，我們的原型創(chuàng)新都是一種“最初的創(chuàng)造”。從原理到結構再到造型，從人的動機到行為再到對象物的千變萬化，只有真正的“原型創(chuàng)新”才能賦予產品DNA的特性。

因此，我們也可以更深一步的理解， “原型創(chuàng)新”更是一種觀念，一種思維方法，一種工作方式，一條研究途徑，一種創(chuàng)新的組織模式，一個美好的學術愿景。

設計是一門強調組合的學問，因此，任何知識都可能成為“設計內”的知識。在本項目中，蜂窩煤或者煙囪的知識來自于日常生活，屬于常識性知識，但是卻蘊含了最基本的物理學。此外，冷擠壓的純鋁成型工藝、DFMA、電路的爬電距離、IP67的防水等級、PC透鏡的老化等等一系列知識，這些都是關于“物質性”的知識，它們是相互關聯的;而人、光、環(huán)境、行為等側面，則屬于“人性”的知識。這些知識都需要在最終的產品中得以體現。因此，可以說設計整合的是“人”的知識系統與“物”的知識系統。

當前，我們國家過分的強調科學與技術創(chuàng)新，而忽視了設計創(chuàng)新的重要性。設計是風，科學技術則是蒲公英的種子，只有在風的帶引下它們才會找到社會、人文的土壤，才會變成產品，生根發(fā)芽。因此，設計師的職責就在于打破專業(yè)壁壘，將各個學科的知識融會貫通，創(chuàng)新出真正適合人類生活方式的產品。因此，創(chuàng)新的過程亦即知識整合的過程。

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［2］Lois Frankel， Martin Racine． The Complex Field of Research:for Design，through Design，and about Design．DRS2010 Conference Proceedings，2010．http://www．drs2010．umontreal．ca/proceedings．php．

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