基于Affordance的建筑設(shè)計(jì)知識(shí)建模方法研究

張曉霓

(上海交通大學(xué)基建處，上海 200240)

基于Affordance的建筑設(shè)計(jì)知識(shí)建模方法研究

張曉霓

(上海交通大學(xué)基建處，上海 200240)

在建筑設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員通常需要考慮來自全生命周期的各種因素。由于這些因素通常是隱藏在最終詳細(xì)設(shè)計(jì)結(jié)果(建筑設(shè)計(jì)圖紙等)背后，這給建筑設(shè)計(jì)知識(shí)的重用帶來了較大的困難。本文提出了基于設(shè)計(jì)方法學(xué)中的新概念——Affordance，來解決建筑設(shè)計(jì)中隱性設(shè)計(jì)知識(shí)的建模與應(yīng)用問題。首先，本文將探索建筑設(shè)計(jì)中的Affordance概念，將目前主要用于概念設(shè)計(jì)的Affordance概念應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段；接著，將提出基于形狀-行為-Affordance(Form-Behavior-Affordance，F(xiàn)BA)信息模型，使得設(shè)計(jì)人員可以對設(shè)計(jì)結(jié)果的全生命周期內(nèi)所需要考慮的各種隱性因素進(jìn)行建模；然后，將借助于遺傳編程(Genetic-Programming)技術(shù)對建筑設(shè)計(jì)知識(shí)進(jìn)行建模；最后，通過某教學(xué)樓擴(kuò)建案例來展示本文提出方法的可行性。

建筑設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)知識(shí)；知識(shí)表示；設(shè)計(jì)重用；Affordance

1 引言

在激烈的市場競爭環(huán)境中，建筑企業(yè)的設(shè)計(jì)部門通常被要求在很短的時(shí)間內(nèi)快速地設(shè)計(jì)出客戶滿意的方案。為了應(yīng)對這種挑戰(zhàn)，一種比較理想的策略是設(shè)計(jì)重用(Design Reuse，DR)或者設(shè)計(jì)知識(shí)重用(Design Knowledge Reuse，DKR)。設(shè)計(jì)重用通常指的是在設(shè)計(jì)組織內(nèi)部，從已有的方案設(shè)計(jì)實(shí)例庫中檢索到類似的設(shè)計(jì)實(shí)例，根據(jù)客戶的當(dāng)前要求，對檢索到的設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷暮?，來完成新的設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)[1]。這類設(shè)計(jì)通常稱為適應(yīng)性設(shè)計(jì)(Adaptive Design)，是目前建筑設(shè)計(jì)界中常用的設(shè)計(jì)方法。

然而，大量工業(yè)實(shí)踐調(diào)查表明：設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)重用的過程中卻往往會(huì)面臨到較大的困難[2]。導(dǎo)致這種情況的主要原因是：設(shè)計(jì)人員雖然可以檢索到相似設(shè)計(jì)的建筑設(shè)計(jì)圖紙，但是，卻難以獲取隱藏在這些設(shè)計(jì)圖紙背后的建筑設(shè)計(jì)知識(shí)，在沒有設(shè)計(jì)圖紙背后的上下文知識(shí)的支撐下，設(shè)計(jì)人員就難以參考這些隱性設(shè)計(jì)知識(shí)對已有的設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行適當(dāng)合理的修改。現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer-Aided Design，CAD)軟件雖然可以對設(shè)計(jì)方案的幾何模型和數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，但是，它們卻難以支撐設(shè)計(jì)人員對設(shè)計(jì)圖紙背后隱藏的設(shè)計(jì)知識(shí)進(jìn)行有效的建模和管理。目前國內(nèi)許多學(xué)者對建筑領(lǐng)域中知識(shí)管理的重要性進(jìn)行了深入的研究[3-6]。隱藏在建筑設(shè)計(jì)圖紙背后的設(shè)計(jì)知識(shí)主要與詳細(xì)設(shè)計(jì)相關(guān)，而在目前設(shè)計(jì)人員通常誤認(rèn)為建筑詳細(xì)設(shè)計(jì)是幾何建模或者繪圖的過程。建筑設(shè)計(jì)的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段不僅需要考慮上游概念設(shè)計(jì)階段的需求(功能需求、布局要求等)，還需要考慮下游的生命周期階段(建造、安裝、維修等)的要求。因此，建筑設(shè)計(jì)的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段是一個(gè)復(fù)雜的知識(shí)密集型決策過程，需要綜合考慮設(shè)計(jì)方案的全生命周期的各種需求，最終提出滿足各種要求的設(shè)計(jì)方案。

建筑設(shè)計(jì)知識(shí)的建模不僅與設(shè)計(jì)方案重用相關(guān)，而且還可以有效地促進(jìn)設(shè)計(jì)知識(shí)在設(shè)計(jì)組織內(nèi)部的共享與傳遞。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員完成設(shè)計(jì)后，通常需要將設(shè)計(jì)結(jié)果(通常是設(shè)計(jì)圖紙)提交給上層的設(shè)計(jì)管理者進(jìn)行審核，而設(shè)計(jì)結(jié)果背后的設(shè)計(jì)知識(shí)并沒有隨著設(shè)計(jì)圖紙傳遞給設(shè)計(jì)管理者，因此，由于缺乏相關(guān)的設(shè)計(jì)知識(shí)支撐，設(shè)計(jì)管理者在審核過程中存在一定程度的盲目性，從而很可能無法做出合理的判斷。這種盲目性使得設(shè)計(jì)缺陷沒有及早被發(fā)現(xiàn)，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案在后期的實(shí)施過程中存在嚴(yán)重問題，進(jìn)而給建筑企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)損失。

2 Affordance概念

Affordance指的是一個(gè)實(shí)體對象實(shí)際上用來實(shí)現(xiàn)何種用途，或者被認(rèn)為具有什么用途。也就是說，實(shí)體對象在某個(gè)方面，具有讓用戶明顯感覺到該如何使用它的特性。比如，門提供了“打開”的Affordance，椅子提供了“支撐”的Affordance。人們得知如何使用實(shí)體對象，有一部分是來自于感知心理學(xué)，另外一部分是來自實(shí)體對象的外形。Affordance中文翻譯為“可供性”會(huì)比較容易理解。它的意思是指實(shí)體對象所具有的物理特性，以及我們所能夠理解該實(shí)體對象可使用方式之間的關(guān)系，其最主要的核心概念就是實(shí)體對象的特性決定了行為的可能性。

首次提到Affordance概念的是心理學(xué)家James Gibson[7]，他認(rèn)為，自然環(huán)境中的所有的實(shí)體對象，本身物理屬性的組合能與生物之間存在某種對應(yīng)關(guān)系。而首次將Affordance概念應(yīng)用于設(shè)計(jì)(主要是交互設(shè)計(jì))的Donald A. Norman[8]，他提出兩種Affordance，一種是物體實(shí)際上承擔(dān)的Affordance，另一個(gè)是用戶察覺到物體的提示性特質(zhì)。而最早將Affordance概念引入到工程設(shè)計(jì)是Clemson大學(xué)的Maier &Fadel教授，他們借此提出了關(guān)系型設(shè)計(jì)理論[9]。這里，Affordance指的是兩個(gè)系統(tǒng)之間為了保證某種作用而存在的相互關(guān)系，如圖1所示。因此，Affordance能夠考慮各種全生命周期因素，于是，采用Affordance概念來幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)知識(shí)建模是可行的。

3 設(shè)計(jì)方案信息模型

設(shè)計(jì)方案信息模型是進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)知識(shí)建模的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)方案信息模型包括三個(gè)方面: 形狀(Form)、行為(Behavior)和Affordance。采用面向?qū)ο?Object-Oriented，OO)的方法來表示建筑元素的基本信息：形狀和行為。形狀信息描述的是建筑元素的幾何信息，通過基于特征的方式和描述邏輯(Descriptive Logic)來表示，它可以形式化地表示為：。比如，支撐大梁的形狀信息可以通過大梁特征來表示，并且大梁特征可以進(jìn)一步由一系列設(shè)計(jì)參數(shù)來表示，包括高度、寬度和長度等。

圖1 設(shè)計(jì)人員-產(chǎn)品-用戶系統(tǒng)中的Affordance交互關(guān)系

根據(jù)Bunge的科學(xué)本體論[10]，一個(gè)實(shí)體對象的行為(Behavior)指的是它在全生命周期內(nèi)自身狀態(tài)或者狀態(tài)變化，它可以形式化地表示為：。為了得到明確的行為概念，必須向它施加一定的本體約束。首先，任何行為都是屬于某個(gè)實(shí)體的。比如，支撐大梁受壓而變形，其中，大梁的“變形”就是其行為。其次，行為可以跟物理狀態(tài)變量直接關(guān)聯(lián)。比如，大梁的變形程度(δ<10mm)。第三，行為可以分為靜態(tài)行為和動(dòng)態(tài)行為。大梁的變形就是一個(gè)動(dòng)態(tài)行為。第四，由于行為概念描述的是實(shí)體本身的狀態(tài)或者狀態(tài)變化，因此，在表示行為的時(shí)候，應(yīng)該采用非及物動(dòng)詞。最后，根據(jù)本體論的觀點(diǎn)，行為可以繼續(xù)劃分為誘導(dǎo)行為和自然行為。誘導(dǎo)行為指的是由其他實(shí)體的作用而直接導(dǎo)致的自身狀態(tài)被動(dòng)變化的行為，上述大梁的變形就是這種行為。與此對應(yīng)的是自然行為，自然行為指的是實(shí)體自身的不隨其它實(shí)體的影響而變化的行為。

在設(shè)計(jì)科學(xué)，功能的概念設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法學(xué)中非常重要的概念。Affordance信息描述的是一個(gè)實(shí)體(功能主體)在其全生命周期內(nèi)與另一個(gè)實(shí)體(功能客體)的意向交互關(guān)系。采用基于主客體關(guān)系和本體論的方式來表示Affordance信息，它可以形式化地表示為：。其中，aff_sub指的是Affordance主體；aff_verb指的是描述Affordance關(guān)系的功能動(dòng)詞；aff_obj指的是Affordance客體。這里的Affordance與上述的本體行為具有較大的區(qū)別。首先，因?yàn)楣δ苄袨閼?yīng)該與客觀物理世界相關(guān)聯(lián)，所以它應(yīng)該通過物理狀態(tài)變量這方面來描述。這個(gè)約束是區(qū)分功能行為與純粹的主觀行為的關(guān)鍵，主觀行為不能夠通過可感知的物理狀態(tài)來描述。其次，與簡單的物理行為不同的是，功能行為不僅可以是一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)物理行為的一般化，而且還可以通過一些自覺行為，甚至物理作用和行為的組合來實(shí)現(xiàn)。第三，功能行為的結(jié)果必須能夠與關(guān)注的物理世界的直接期望的要實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)相對應(yīng)。這個(gè)約束對于區(qū)分系統(tǒng)的功能和客觀行為具有重要作用，同時(shí)，它也能夠保證功能描述與人們需求的一致性。第四，與僅僅處理實(shí)體對象的物理狀態(tài)變化的物理行為不同的是，功能行為處理的是世界的狀態(tài)變化，世界是有多個(gè)實(shí)體對象組成的，因此，功能行為也就更復(fù)雜。最后，功能行為的表示應(yīng)該不依賴任何要實(shí)現(xiàn)它的具體的物理過程。因此，根據(jù)Affordance客體對象的不同，Affordance可以分為內(nèi)部Affordance和外部Affordance。內(nèi)部Affordance指的是aff_sub和aff_obj都處在同一個(gè)建筑單元中。同時(shí)，根據(jù)關(guān)注重點(diǎn)不同，內(nèi)部Affordance可以繼續(xù)分為內(nèi)部靜態(tài)Affordance和內(nèi)部動(dòng)態(tài)Affordance，前者關(guān)注的是aff_obj的結(jié)構(gòu)信息，后者關(guān)注的是aff_obj的動(dòng)態(tài)行為信息。比如，墻面容納門，是一個(gè)內(nèi)部靜態(tài)Affordance；而電梯井容納電梯上下移動(dòng)(行為)，則是內(nèi)部動(dòng)態(tài)Affordance(<電梯，移動(dòng)，[{移動(dòng)速度，1m/s}, {行程，30m}…]>)。

4 設(shè)計(jì)知識(shí)表示方法

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案信息模型，設(shè)計(jì)人員可以對設(shè)計(jì)圖紙背后隱藏的設(shè)計(jì)知識(shí)進(jìn)行建模。建筑單元中一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的設(shè)計(jì)知識(shí)可以概念化為一個(gè)三元組(pi, Ci, ACi)，其中，pi指的是一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)；Ci指的是施加到該參數(shù)的約束(Constraint)；ACi指的是與該約束相關(guān)的Affordance組合(Affordance Combinations)。pi和ACi都來自于上述設(shè)計(jì)方案信息模型，因此，設(shè)計(jì)知識(shí)表示的主要任務(wù)是對Ci進(jìn)行表示。設(shè)計(jì)約束主要包括兩類，規(guī)則類約束和公式類約束。其中，規(guī)則類約束可以用產(chǎn)生式規(guī)則來表示。公式類約束的表示則比較復(fù)雜，同時(shí)也是本文的重點(diǎn)。區(qū)別于目前常規(guī)的知識(shí)工程師和專家系統(tǒng)中用字符串來表示設(shè)計(jì)約束，本文采用基于遺傳編程(Genetic Programming)的方式來對設(shè)計(jì)約束進(jìn)行結(jié)構(gòu)化表示。

遺傳編程的核心思想可以通過二叉樹來表示為：{左邊節(jié)點(diǎn)，父級(jí)節(jié)點(diǎn)，右邊節(jié)點(diǎn)}。其中，左邊節(jié)點(diǎn)，右邊節(jié)點(diǎn)可以是變量，常數(shù)，或者數(shù)學(xué)操作符(+，-，*，/，等等)；父級(jí)節(jié)點(diǎn)僅僅是數(shù)學(xué)操作符。另外，值得注意的是，二叉樹表示的可計(jì)算公式中的每個(gè)參數(shù)都在結(jié)構(gòu)、行為和Affordance模型中定義過，因此，這些參數(shù)具有各自的本體含義。比如，建筑中通常采用簡支梁來支撐重物，在設(shè)計(jì)過程中，往往采用簡支梁模型的相關(guān)理論來對梁的強(qiáng)度進(jìn)行求解計(jì)算，如公式1所示。其中，d表示梁的直徑；Gb表示重物的重量；l表示梁的長度；E表示梁的彈性模量；[vm]表示梁允許的最大形變量。該公式類設(shè)計(jì)約束知識(shí)通過遺傳編程的方式表示如圖2所示。

(1)

圖2 基于遺傳編程方法表示的公式類設(shè)計(jì)約束知識(shí)

圖3 某教學(xué)樓的擴(kuò)建方案局部示意圖

5 案例

在某教學(xué)樓擴(kuò)建案例(如圖3所示)中，采用本文提出的建筑設(shè)計(jì)知識(shí)建模方法，對其中的主要設(shè)計(jì)圖紙的重點(diǎn)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行知識(shí)建模。這里以閱覽室的擴(kuò)建為例，來展示該方法的可行性。通常情況下，設(shè)計(jì)人員根據(jù)要在閱覽室大約擺放桌子的數(shù)量，采購的桌子和椅子的寬度，對閱覽室的長度進(jìn)行初步的預(yù)估計(jì)。從而得出初步計(jì)算閱覽室長度為：l>n*(wd+2*wc+m)，其中，l是閱覽室的長度設(shè)計(jì)參數(shù)，n是桌子的數(shù)量，wd是桌子的寬度參數(shù)，wc是椅子的寬度參數(shù)，m是兩排桌子之間的間隙距離。當(dāng)設(shè)計(jì)人員將由該公式而計(jì)算獲得的設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峤唤o設(shè)計(jì)管理者進(jìn)行審核的時(shí)候，設(shè)計(jì)管理者看到的是最終設(shè)計(jì)結(jié)果，而并不清楚閱覽室長度最終取值的由來，因此，難以對該取值的有效性進(jìn)行合理的判斷。而根據(jù)本文提出的基于Affordance的設(shè)計(jì)知識(shí)表示方法，設(shè)計(jì)人員首先應(yīng)該考慮的是閱覽室的Affordance，即容納桌子，容納椅子。除了這兩個(gè)基本的Affordance，實(shí)際上，閱覽室還具有這些Affordance：容納閱覽者(便于用戶通過桌子之間的過道間隙)，容納空調(diào)(兩端放置空調(diào))，容納書架(兩端放置書架)，容納多功能吸塵器(便于保潔人員在桌子過道間隙穿過進(jìn)行衛(wèi)生打掃)。然后，有這些Affordance，設(shè)計(jì)人員可以衍生出許多基本的Affordance約束，通過遺傳編程方法，將基本Affordance約束組合成復(fù)雜的公式類設(shè)計(jì)約束，比如，l>n*(wd+2*wc+m+wx+wb)+2(ts+ta)，其中，wx是吸塵器的寬度；wb是成年人的身體平均寬度；ts是書架的厚度；ta是空調(diào)的厚度。更值得考慮的是，如果后來閱覽室的桌子不是圖示的沿Y軸平行排列，而是沿X軸平行排列，閱覽室的長度應(yīng)該能夠容納合適數(shù)量的桌子，并且不存在較大的空間浪費(fèi)或者空間擁擠。

通過這種方式，不僅可以幫助設(shè)計(jì)人員重用設(shè)計(jì)組織內(nèi)部的其它設(shè)計(jì)圖紙，提高企業(yè)內(nèi)部知識(shí)共享和知識(shí)資產(chǎn)積累，而且還能夠幫助設(shè)計(jì)管理者理性地審核最終的設(shè)計(jì)圖紙，避免盲目性。

6 結(jié)論與展望

本文采用設(shè)計(jì)學(xué)中的新概念A(yù)ffordance來幫助設(shè)計(jì)人員對隱藏在建筑設(shè)計(jì)圖紙背后的設(shè)計(jì)知識(shí)進(jìn)行建模。設(shè)計(jì)人員不僅能夠理解施加到設(shè)計(jì)參數(shù)上的各種基于遺傳編程方式表示的公式類設(shè)計(jì)約束，而且還能夠明白這些可計(jì)算公式背后的上下文知識(shí)和考慮到的全生命周期因素。通過某教學(xué)樓擴(kuò)建案例，表示該方法可以幫助設(shè)計(jì)人員提高設(shè)計(jì)效率，并且保證設(shè)計(jì)質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上，筆者將繼續(xù)探索如何系統(tǒng)化地捕獲設(shè)計(jì)圖紙背后的設(shè)計(jì)知識(shí)，以及如何有效地重用這些設(shè)計(jì)知識(shí)。

[1]Demian, P. and R. Fruchter. An ethnographic study of design knowledge reuse in the architecture,engineering, and construction industry. Research in Engineering Design, 2006. 16(4):184-195.

[2]Busby, J.S. The Problem with Design Reuse: An Investigation into Outcomes and Antecedents. Journal of Engineering Design, 1999. 10(3): 277-296.

[3]周榕. 知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代建筑師角色解放與價(jià)值回歸. 建筑學(xué)報(bào), 2000(01): 53-55+71.

[4]翟賢, 晏敏, 胡平. 建筑模式語言與基于知識(shí)的設(shè)計(jì)系統(tǒng). 新建筑, 1990(04): 51-53.

[5]李湘桔. 基于知識(shí)管理的建筑設(shè)計(jì)企業(yè)項(xiàng)目管理研究. 2009, 天津大學(xué).

[6]張哲穎. 大型建筑企業(yè)知識(shí)管理應(yīng)用研究. 2012, 山東大學(xué).

[7]Gibson, J. The concept of affordances. Perceiving, acting, and knowing, 1977: 67-82.

[8]Norman, D.A. Affordance, conventions, and design. interactions, 1999. 6(3): 38-43.

[9]Maier, J.R.A., G.M. Fadel, and D.G. Battisto. An affordance-based approach to architectural theory, design, and practice. Design Studies, 2009. 30(4): 393-414.

[10]Bunge, M. Treatise on basic philosophy: Ontology I: the furniture of the world. Vol. 1. 1977: Springer.

An Affordance-based Approach for Architectural Design Knowledge Modeling

Zhang Xiaoni

(TheOfficeofCampusConstructionofShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China)

In architectural design, designers often need to consider a variety of factors in the full life cycle. As these factors are usually hidden in the final results of the detailed design (architectural design drawings, etc.), it brings greater difficulties for the reuse of the architectural design knowledge. This paper presents a new concept “Affordance” based on the design methodology to solve the problem in modeling and application of the tacit design knowledge in architectural design. Firstly, this paper will explore the concept “Affordance”which is mainly used in the conceptual design at present and aplly to the detailed design stage of architectural design. Secondly, the information model based on Form-Behavior-Affordance (FBA) is built so that designers can model the whole hidden factors in the final results of the full life cycle. Thirdly, the Genetic-Programming technology is used to model the architectural knowledge. At last, a case of expanding a school building is used to present the feasibility of the method proposed in this article.

Architectural Design; Design Knowledge; Knowledge Representation; Design Reuse; Affordance

張曉霓(1975-)，女，碩士研究生，助理研究員。主要研究方向：工程設(shè)計(jì)。

TP182:TU17;G250.252

A

1674-7461(2015)01-0060-05