基于形式語(yǔ)法的建筑設(shè)計(jì)細(xì)胞衍生法研究

張斯琪， 尚 濤,2

（1. 武漢大學(xué)城市設(shè)計(jì)學(xué)院圖學(xué)系，湖北 武漢 430072；2. 武昌理工學(xué)院城建學(xué)院，湖北 武漢 430072）

基于形式語(yǔ)法的建筑設(shè)計(jì)細(xì)胞衍生法研究

張斯琪1， 尚 濤1,2

（1. 武漢大學(xué)城市設(shè)計(jì)學(xué)院圖學(xué)系，湖北 武漢 430072；2. 武昌理工學(xué)院城建學(xué)院，湖北 武漢 430072）

目前可用的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具，為設(shè)計(jì)開發(fā)過程后期階段提供了相當(dāng)有效地支持，但對(duì)于設(shè)計(jì)初始階段，即設(shè)計(jì)思路成熟、但設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和形狀還未確定之時(shí)，需要一種新的CAD解決方案來(lái)支持設(shè)計(jì)者思維方式并激發(fā)創(chuàng)作靈感。因此，提出一種基于空間形式語(yǔ)法的建筑設(shè)計(jì)生成方法，描述復(fù)雜空間形體如何自動(dòng)派生——通過限定的規(guī)則產(chǎn)生初始體塊，在規(guī)則內(nèi)生成與初始體塊相似體塊，再而改變局部可變規(guī)則生成多樣復(fù)雜的系統(tǒng)，同時(shí)允許設(shè)計(jì)者積極參與整個(gè)生成過程。以CFS墻體原型建模為例，驗(yàn)證該參數(shù)化建模方法的有效性和可行性。

形式語(yǔ)法；建筑生成設(shè)計(jì)；細(xì)胞衍生法；參數(shù)化建模

建筑設(shè)計(jì)過程通常由設(shè)計(jì)者的初始概念萌生，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)一個(gè)設(shè)計(jì)過程。這個(gè)過程通常是從手工草圖的最初設(shè)計(jì)理念開始，直到完成一個(gè)可支持工程分析和制造的完整方案設(shè)計(jì)。在建筑設(shè)計(jì)后期階段，運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer aided design, CAD)工具，為建筑設(shè)計(jì)和開發(fā)提供強(qiáng)有力地支持，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和形狀已固定成形，這樣的CAD工具在設(shè)計(jì)表達(dá)上有極大貢獻(xiàn)卻不能為設(shè)計(jì)師的前期概念思維提供裨益。為了支持早期的概念設(shè)計(jì)階段，需要一種新的CAD解決方案，其并不需要對(duì)設(shè)計(jì)的形狀給出明確地表示，并且能意識(shí)到這些設(shè)計(jì)呈現(xiàn)的等價(jià)性及允許多個(gè)事件的發(fā)生。這種新一代的設(shè)計(jì)工具，即“計(jì)算設(shè)計(jì)合成”系統(tǒng)，需要支持設(shè)計(jì)師的思維方式，譬如通過提供并非設(shè)計(jì)師最初意識(shí)到的其他特殊性設(shè)計(jì)方案，使他們提高設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力。

將建筑體本身視為由基本結(jié)構(gòu)單元邏輯性衍生而成的整合體，是參數(shù)化建筑的核心思想。隨著學(xué)科交叉的不斷深入，生物工程的思想也被建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域所借鑒[1]。細(xì)胞是生物體結(jié)構(gòu)和功能的基本單位，細(xì)胞的特殊性決定了個(gè)體的特殊性，細(xì)胞分裂的增殖方式與細(xì)胞分化的變異方式對(duì)于模擬建筑單元的遺傳性規(guī)則和修改性規(guī)則上具有極高相似度，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)就設(shè)計(jì)與生物工程的類比進(jìn)行了諸多研究[2]。

本文提出一種基于形式語(yǔ)法的細(xì)胞衍生法，重新定義了建筑設(shè)計(jì)的生成算法，開發(fā)的形式語(yǔ)法的框架使設(shè)計(jì)人員能夠自動(dòng)合成設(shè)計(jì)并積極參與到生成過程。致力于提供定義形狀以及后期在形式語(yǔ)法規(guī)則以及設(shè)計(jì)生成過程中使用的交互方式，使得在概念設(shè)計(jì)階段，初始形狀可以被檢測(cè)，并能用于生成過程中，其可獲得的不僅是更廣泛而更誘人的設(shè)計(jì)，同時(shí)也使得在設(shè)計(jì)過程的早期就能對(duì)于設(shè)計(jì)結(jié)果有宏觀認(rèn)識(shí)。

1 形式語(yǔ)言與建筑設(shè)計(jì)細(xì)胞族

1.1 形式語(yǔ)法

形式語(yǔ)法使用形狀和空間規(guī)則來(lái)分析和生成設(shè)計(jì)，它是由Stiny和Gips[3]在20世紀(jì)70年代早期提出，闡述其概念以及結(jié)構(gòu)體系并用來(lái)描述和創(chuàng)造繪畫雕塑。

每個(gè)形式語(yǔ)法定義一種設(shè)計(jì)語(yǔ)言，而設(shè)計(jì)在這個(gè)語(yǔ)言中由語(yǔ)法中的元素構(gòu)成。形式語(yǔ)法中的元素有詞匯定義、空間關(guān)系、形狀規(guī)則以及其初始形狀[4]。形式語(yǔ)法的詞匯為設(shè)計(jì)提供了基本的建筑設(shè)計(jì)元素，空間關(guān)系確定設(shè)計(jì)元素的基本邏輯構(gòu)成。形狀規(guī)則或形狀規(guī)則樣式由空間關(guān)系決定，將第一個(gè)形狀規(guī)則的樣式應(yīng)用于初始形狀，然后其他的樣式遞歸地應(yīng)用到一組形狀中來(lái)生成設(shè)計(jì)。如圖1所示，形式規(guī)則由一組參數(shù)化的形狀構(gòu)成，確定初始形狀，執(zhí)行每一條形狀規(guī)則執(zhí)行后，右側(cè)形狀(圖1(c))不斷被左形狀(圖1(a))置換形成新的空間構(gòu)成關(guān)系。

圖1 形式語(yǔ)法示意

定義1. Stiny和Gips[3]是這樣定義形式語(yǔ)法的，形式語(yǔ)法是一個(gè)四元組，SG=(VT, VM, R, I)。其中，VT為形狀的有限集合，是一組由對(duì)一個(gè)或多個(gè)VT中的元素作有限次數(shù)的排列而形成的一組形狀，其中任何元素可能會(huì)被多次進(jìn)行縮放與旋轉(zhuǎn)等操作。VM為標(biāo)記形狀（符號(hào)）的有限集合，一個(gè)標(biāo)號(hào)形狀由一個(gè)形狀與一個(gè)標(biāo)記組成，標(biāo)記用于控制形狀規(guī)則在左形狀上的執(zhí)行。R為規(guī)則的有限集合，其定義的基本形式為(u,v)，滿足以下條件：①u是一個(gè)帶有符號(hào)標(biāo)記的形狀，。②v也是一個(gè)帶有符號(hào)標(biāo)記的形狀，v∈( VT,VM)+。③(VT,VM)*是形狀與符號(hào)標(biāo)記所組成的集合。④ (VT,VM)+，則為。⑤I為初始形狀，I∈(VT,VM)。

在建筑設(shè)計(jì)中，弗蘭克·勞埃德·賴特的草原房子，帕拉第奧別墅和Mughul花園都使用形式語(yǔ)法進(jìn)行了分析，使得新的設(shè)計(jì)能在原有建筑上提取類似風(fēng)格。在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，學(xué)者們也進(jìn)行了諸多嘗試，文獻(xiàn)[5]提出了一種基于形狀文法的產(chǎn)品形態(tài)創(chuàng)新設(shè)計(jì)推演模型。此外，形式語(yǔ)法被用于細(xì)胞自動(dòng)機(jī)規(guī)則模式的派生，由此進(jìn)入了非傳統(tǒng)領(lǐng)域[6]。

1.2 建筑設(shè)計(jì)細(xì)胞衍生法

將建筑看成是某一個(gè)或多個(gè)各不相同功能單元的不斷重復(fù)或有機(jī)排列，則建筑設(shè)計(jì)的風(fēng)格能微縮到功能單元及其排列形式上[7]。這些單元?jiǎng)t承載了建筑的特征，如物理特征和情感特征，直接影響并決定了建筑設(shè)計(jì)的延續(xù)性與創(chuàng)新性。

在生物工程中，細(xì)胞作為遺傳信息復(fù)制與轉(zhuǎn)錄的載體，生物體形成包括：細(xì)胞分裂——實(shí)現(xiàn)增殖和遺傳信息的傳遞；細(xì)胞分化——經(jīng)過細(xì)胞分裂后逐漸在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能上形成穩(wěn)定性差異，產(chǎn)生不同的細(xì)胞類群，實(shí)現(xiàn)功能形態(tài)的多樣繁復(fù)化。

將建筑視為有機(jī)生物體，將其按照基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以及功能劃分為最小單元時(shí)，視為建筑的單體細(xì)胞。功能單元的重復(fù)迭代和其中風(fēng)格的延續(xù)即可視為細(xì)胞分裂的過程，功能單元之間的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能在一定范圍內(nèi)的差異性變化，即建筑細(xì)胞的分化。建筑單體細(xì)胞通過一定規(guī)則的排列，形成整個(gè)建筑有機(jī)形體，即建筑設(shè)計(jì)細(xì)胞族。如圖2所示細(xì)胞排列的表現(xiàn)方式，與建筑單元構(gòu)建之間的組合方式相當(dāng)契合。

圖 2 細(xì)胞排列圖

2 細(xì)胞衍生法研究

2.1 細(xì)胞衍生法規(guī)則定義

建筑設(shè)計(jì)本身是一個(gè)將概念實(shí)體化的過程，而形式語(yǔ)法能夠?qū)⒔ㄖ刈鳛榫幊痰恼Z(yǔ)言，能很大程度上使設(shè)計(jì)風(fēng)格在生成結(jié)果中得以體現(xiàn)與延續(xù)，從而與遺傳變異的概念切合。

因此，文中提出基于形式語(yǔ)法的細(xì)胞衍生法，在此方法中，建筑的最小功能性單元被視為原始細(xì)胞，即形式語(yǔ)法的初始形狀，最小功能性單元即是指能代表建筑的隱性與顯性風(fēng)格，并由它經(jīng)過有限次數(shù)的變化轉(zhuǎn)化為其他功能性單元的最小單元，下文中構(gòu)建CFS墻體[8]時(shí)將詳細(xì)說(shuō)明。形式語(yǔ)法中所對(duì)應(yīng)的形狀規(guī)則——生成性規(guī)則和修改性規(guī)則分別對(duì)應(yīng)于建筑細(xì)胞的分裂與分化，形式語(yǔ)法與細(xì)胞衍生法之間關(guān)系如圖3所示。

圖 3 細(xì)胞衍生法圖示

生成性規(guī)則是指形體構(gòu)建時(shí)的原始限定規(guī)則，初始形狀以及形體風(fēng)格的初步形成規(guī)則，譬如基礎(chǔ)細(xì)胞的生成規(guī)則，與其遺傳特性相對(duì)應(yīng)。而修改性規(guī)則是在保持整體框架的基礎(chǔ)上，對(duì)初始形狀的形成規(guī)則進(jìn)行添加、刪除、置換、修改等，同時(shí)保持整體的構(gòu)建概念，產(chǎn)生豐富多樣的生成結(jié)果，即為細(xì)胞衍生法的變異特性。建筑設(shè)計(jì)過程中細(xì)胞衍生法的運(yùn)用過程為：確定初始形狀之后，通過執(zhí)行生成性規(guī)則，進(jìn)行細(xì)胞分裂，生成多種相似建筑細(xì)胞；執(zhí)行修改性規(guī)則，進(jìn)行細(xì)胞分化，產(chǎn)生變異類型細(xì)胞。分化與分裂形成的建筑細(xì)胞再次運(yùn)用形狀規(guī)則，最終建立豐富多樣的建筑形體。

2.2 實(shí)例研究

2.2.1 主成分分析

建筑設(shè)計(jì)基本特征的發(fā)現(xiàn)來(lái)源于其有別于傳統(tǒng)形式又并不符合預(yù)期定義，從而引發(fā)了怎樣的特征能將現(xiàn)有的設(shè)計(jì)區(qū)分開來(lái)的探討。在本文中，分析其主成分并挖掘其成分之間的關(guān)系來(lái)創(chuàng)建一種細(xì)胞衍生法，為建筑設(shè)計(jì)提供一種更便捷又創(chuàng)造更多概念契機(jī)的語(yǔ)法方式。

圖4為CFS墻體原型，通過對(duì)其形態(tài)與構(gòu)成的分析，得出以下特征是最能充分描述墻體構(gòu)成形式，即其構(gòu)成主成分為：

(1) 重復(fù)堆疊的組合單元，如圖5和圖6每個(gè)單元邊緣相對(duì)應(yīng)重合，包含A、B、C 3種不同的單元形式。

(2) 重復(fù)單元之間的連接間隙，如圖6所示，D、E構(gòu)件連接3種不同重復(fù)單元形成的墻體。

(3) 組合單元中各不相同的9個(gè)單體細(xì)胞，如圖7所示，重復(fù)單元B中，每個(gè)單元都由9個(gè)單體邊緣拼接而成，A、C單元也是如此。

圖 4 CFS墻體原型[8]

圖 5 重復(fù)的細(xì)胞組合[8]

圖 6 連接間隙[8]

2.2.2 形狀規(guī)則——細(xì)胞的分裂與分化形式

如圖7所示，每個(gè)重復(fù)單元由9個(gè)多邊形體塊構(gòu)成，其之間存在形態(tài)上的關(guān)聯(lián)與變化，即建筑細(xì)胞的遺傳與變異，分裂與分化，形狀規(guī)則為其提供了邏輯性的準(zhǔn)則，使之在經(jīng)過細(xì)胞的無(wú)數(shù)次分裂分化后能組成一個(gè)有機(jī)整體并具有鮮明風(fēng)格。

圖 7 連接間隙與重復(fù)單元[8]

形狀規(guī)則的確定要求主要來(lái)自于兩方面：約束規(guī)則，包括建筑構(gòu)造的物理特性以及自身細(xì)胞構(gòu)建的特殊連接方式，以至于對(duì)細(xì)胞分裂時(shí)的變化進(jìn)行約束；遺傳特性，根據(jù)概念設(shè)計(jì)的意向要求，需要保留帶有明顯自身特征的因子，而在其他次要因素上進(jìn)行創(chuàng)意化變動(dòng)。從圖6可看出，CFS墻體不同細(xì)胞單體的變化，其變形性較小，生成性較大，因此細(xì)胞遺傳性大于變異，生成性原則為主導(dǎo)。

模擬構(gòu)造 CFS墻體之前，首先要確定初始細(xì)胞，以其為遺傳變異的載體，進(jìn)而需要確定構(gòu)造方法及其各種參數(shù)，從而來(lái)描述其演變過程。

在上文中對(duì)其主成分的分析，可以確定作為此墻體生成方法中的初始細(xì)胞：CFS墻體主要特征是單元的無(wú)縫堆疊，由此對(duì)單元的邊緣產(chǎn)生限定條件，而三類重復(fù)單元分別都由9個(gè)多邊形體塊邊緣相拼接而成，9個(gè)多邊形的形狀同樣受到拼合邊緣條件制約，因此重復(fù)單元可以作為此墻體構(gòu)建的初始細(xì)胞。而其生成規(guī)則如圖8和圖9所示。

規(guī)則 1. 以點(diǎn)A為原點(diǎn)，在x、y軸正方向繪制一條以A為起點(diǎn)，并包含6個(gè)頂點(diǎn)的多段線S1，在生成結(jié)果隨機(jī)中選取3個(gè)作為樣例；

規(guī)則 2. 以A為起點(diǎn)，在x軸正方向，y軸負(fù)方向繪制線段S2，以S2末端頂點(diǎn)為起點(diǎn)，繪制包含5個(gè)頂點(diǎn)的多段線S3；

規(guī)則 3. 復(fù)制S1，并移動(dòng)復(fù)制的多段線移動(dòng)到其起點(diǎn)與S3末端端點(diǎn)重合；復(fù)制S3，并移動(dòng)復(fù)制的多段線移動(dòng)到其起點(diǎn)與S1末端端點(diǎn)重合；復(fù)制S2，并移動(dòng)復(fù)制線段，其兩個(gè)端點(diǎn)分別與S1、S3的復(fù)制多段線末端重合。至此，CFS墻體建筑細(xì)胞的外邊緣生成；

規(guī)則 4. 在生成的外邊緣內(nèi)部，隨機(jī)生成8個(gè)點(diǎn)，控制其分布范圍，且任意3點(diǎn)不處于同一直線上；

規(guī)則 5. 以8個(gè)點(diǎn)以及外部多段線頂點(diǎn)作為端點(diǎn)，繪制線段，8個(gè)點(diǎn)中每一個(gè)點(diǎn)作為3條線段的端點(diǎn)，生成9個(gè)體塊多邊形邊緣；

規(guī)則 6. 在9個(gè)多邊形邊緣內(nèi)部，繪制同樣邊數(shù)的多邊形，繪制時(shí)控制其大?。?/p>

規(guī)則 7. 繪制完整的9個(gè)體塊多邊形形狀。

圖 8 CFS墻體細(xì)胞分裂規(guī)則1～5

圖 9 CFS墻體細(xì)胞分裂規(guī)則6～7

建筑初始細(xì)胞形體構(gòu)造的編程在執(zhí)行上述7個(gè)規(guī)則，每個(gè)規(guī)則執(zhí)行過程中，允許設(shè)計(jì)者對(duì)于變量進(jìn)行控制，譬如，規(guī)則1中多段線構(gòu)造時(shí)的彎折程度、線段長(zhǎng)度等。設(shè)計(jì)者通過對(duì)于建筑設(shè)計(jì)概念以及創(chuàng)造性考量，改變參數(shù)，在執(zhí)行每一個(gè)細(xì)胞生成規(guī)則時(shí)都能生成包含風(fēng)格特點(diǎn)，卻形態(tài)各異的建筑形體。對(duì)于生成的建筑細(xì)胞中，9個(gè)體塊的建模編程，取其一為例制定規(guī)則來(lái)描述其構(gòu)造方法以及定義編程所需的全部參數(shù)。

初始細(xì)胞中多邊形體塊構(gòu)造方法如圖10所示。

(1)以規(guī)則7生成的內(nèi)外多邊形為其平面圖；

(2)Top視圖中，向內(nèi)偏移外部多邊形，定義其偏移量；

(3) 分別定義外部和內(nèi)部多邊形沿z軸擠出高度；

(4) 沿z軸移動(dòng)偏移的多邊形，控制其移動(dòng)高度，定義其移動(dòng)高度；

(5)連接頂點(diǎn)創(chuàng)建線段；

(6)3D面片的創(chuàng)建。

結(jié)合圖8～10，初始細(xì)胞的全部參數(shù)定義如下：

(1) 多段線S1、S2、S3，共包含11個(gè)頂點(diǎn)=11個(gè)參數(shù)；

(2) 多段線的復(fù)制、移動(dòng)與連接構(gòu)成閉合的邊緣形狀，3個(gè)參數(shù)；

(3) 邊緣形狀內(nèi)部8個(gè)點(diǎn)的分布位置=8個(gè)參數(shù)；

(4) 將邊緣分割為9個(gè)多邊形之后，每個(gè)多邊形內(nèi)部繪制多邊形，共包含7×2+6×3+5×3+4×1=51個(gè)參數(shù)；

(5) 如圖10中所示，定義初始細(xì)胞內(nèi)，每一個(gè)多邊形體塊外邊緣、擠出高度相等、偏移量相等、偏移多邊形z軸移動(dòng)高度相等，內(nèi)部多邊形擠出高度相等，共4個(gè)參數(shù)。

綜上，生成墻體模型的程序，一個(gè)初始細(xì)胞所需的全部參數(shù)為77個(gè)，用來(lái)描述構(gòu)建的初始細(xì)胞，選擇完表現(xiàn)型方案之后，每個(gè)參數(shù)轉(zhuǎn)化為一個(gè)二進(jìn)制編碼，每種編碼組合確定唯一的建筑細(xì)胞。執(zhí)行細(xì)胞衍生法并建立模型，選取其中一個(gè)生產(chǎn)方案，得到如圖11中9個(gè)體塊模型。為了更大程度保留墻體原型的建筑風(fēng)格，對(duì)于規(guī)則中變量的控制趨近于墻體原型，運(yùn)用生成性的規(guī)則生成初始細(xì)胞。對(duì)其一初始細(xì)胞生成模型結(jié)果進(jìn)行渲染如圖11所示，初始細(xì)胞通過建筑整體的構(gòu)成方式堆疊，結(jié)果如圖12所示。

通過運(yùn)行細(xì)胞分裂規(guī)則，即每一個(gè)建筑初始細(xì)胞都由77個(gè)參數(shù)定義，控制變量生成，其生成性規(guī)則使得生成的初始細(xì)胞有高度的遺傳特性。當(dāng)修改性規(guī)則運(yùn)用到生成過程中，對(duì)77個(gè)參數(shù)進(jìn)行修改，產(chǎn)生的初始細(xì)胞更加千變?nèi)f化，初始細(xì)胞變展現(xiàn)細(xì)胞分化的特點(diǎn)。在圖13(b)中，構(gòu)建初始細(xì)胞外邊緣時(shí)，將多段線的每一段用3個(gè)cv點(diǎn)控制的nurbs曲線繪制，9個(gè)內(nèi)部多邊形同樣如此，增加參變量，其他規(guī)則基本保持不變，生成結(jié)果之一如圖14所示。圖13(c)中，改多段線為nurbs曲線，并控制其繪制范圍，使其生成為長(zhǎng)形的表現(xiàn)性，生成結(jié)果之一如圖15所示。圖13(a)、(b)、(c) 3種初始細(xì)胞依然保留邊緣可以無(wú)縫連接的CFS墻體的特點(diǎn)，但彼此之間展現(xiàn)出明顯的差異性變化，為設(shè)計(jì)師的創(chuàng)作提供能豐富多樣的參考。

圖 10 多邊形體塊建模

圖 11 9個(gè)體塊建模渲染圖

圖 12 初始細(xì)胞堆疊渲染圖

圖 13 細(xì)胞分化

圖14 細(xì)胞分化生成結(jié)果1

圖15 細(xì)胞分化生成結(jié)果2

2.3 方法評(píng)價(jià)

對(duì)細(xì)胞衍生法的運(yùn)行效果及生成結(jié)果的滿意度，可采用主觀測(cè)試的方法來(lái)進(jìn)行。測(cè)試采用Sheffe提出的二點(diǎn)檢驗(yàn)(pair-test)方法[9]。首先確定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，然后待比較的對(duì)象以之作為參考進(jìn)行比較與評(píng)估，試驗(yàn)結(jié)果分對(duì)比較得出評(píng)估結(jié)果，使測(cè)試的過程相對(duì)客觀，更為可信。細(xì)胞衍生法的提出旨在為設(shè)計(jì)師所用，因此此次程序運(yùn)用maya內(nèi)置語(yǔ)言mel編寫，便于后期的模型渲染，進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)師在生成過程中的自主性與參與性。

實(shí)驗(yàn)過程首先執(zhí)行生成程序，通過細(xì)胞分裂規(guī)則，隨機(jī)挑選100個(gè)生成結(jié)果，通過細(xì)胞分化規(guī)則，再隨機(jī)挑選100個(gè)生成結(jié)果，10位建筑系學(xué)生按照“風(fēng)格傳承性”與“創(chuàng)意性”兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估，分為5個(gè)等級(jí)(-2,-1,0,1,2)，-2為最不具有，2為最具有。進(jìn)而，根據(jù)其評(píng)定選出 10個(gè)最具風(fēng)格傳承性與最具創(chuàng)意性的結(jié)果，作為下一步評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。最后，依據(jù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，20位建筑系學(xué)生在500個(gè)生成結(jié)果中選出 50個(gè)最優(yōu)個(gè)體，分為 7個(gè)等級(jí)打分(-3,-2,-1,0,1,2,3)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖16所示。學(xué)生對(duì)于風(fēng)格傳承性的期望為 2.24，對(duì)創(chuàng)意性的期望為2.40，而且顯而易見，創(chuàng)意性比風(fēng)格傳承性滿意度更高。

圖16 生成結(jié)果滿意度

3 總 結(jié)

本文提出基于形式語(yǔ)法的建筑設(shè)計(jì)細(xì)胞衍生法，通過類比生物工程細(xì)胞分裂與分化模型，建立形式語(yǔ)法與建筑設(shè)計(jì)細(xì)胞族的關(guān)系。通過實(shí)例分析，首先提取主要成分確定初始細(xì)胞，進(jìn)而確定細(xì)胞遺傳變異形狀規(guī)則，形狀規(guī)則的改變引發(fā)細(xì)胞分裂和分化，細(xì)胞原型變化豐富，最終的設(shè)計(jì)結(jié)果有多種可供選擇的優(yōu)選方案。通過以上論述，闡明細(xì)胞衍生法的研究方法與實(shí)驗(yàn)步驟，為建筑概念化設(shè)計(jì)提供有效幫助。

[1] Koh H, Ha S, Kim T, et al. Design knowledge management with reconstructible structure [J]. CIRPAnnals-Manufacturing Technology, 2003, 52(1): 93-96.

[2] Koh H, Ha S, Kim T, et al. A method of accumulation and adaptation of design knowledge [J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2005, 26(9/10): 943-949.

[3] Stiny G, Gips J. Shape grammars and the generative specification of painting and sculpture [M]. Philadelphia: AuerbachPublishcation, 1972: 125-135.

[4] March L. Forty years of shape and shape grammar, 1971-2011 [J]. Nexus Network, 2011, 13(1): 5-13.

[5] 王偉偉, 楊延璞, 楊曉燕, 等. 基于形狀文法的產(chǎn)品形態(tài)創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究與實(shí)踐[J]. 圖學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 35(1): 73.

[6] Speller Jr T H, Whitney D. Using shape grammar to derive cellular automata rule patterns [J]. Complex Systems, 2007, 17: 79-92.

[7] Orsborn S, Cagan J. Multiagent shape grammar implementation: automatically generating form concepts according to a preference function [J]. Journal of Mechanical Design, 2009, 131: 2-3.

[8] 袁 烽, 尼爾·里奇. 建筑數(shù)字化建造[M]. 上海: 同濟(jì)大學(xué)出版社, 2012: 66-69.

[9] 蟻 平, 曹先彬. 基于交互式遺傳算法的個(gè)性化建筑物外觀設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)仿真, 2006, 23(5): 1-59.

A Study of Cellular Derived Law in Architectural Design Based on Shape Grammar

Computer-aided design tools which are available currently have been providing effective support for the later stages of the architectural design process. For the initial stage of architectural design, in which design concept is mature whereasthe structure and shape are not determined, a new kind of solution should be needed to support designer′s way of thinking and inspire the creation of design. Thus, in this paper, a new method of architectural generation based on shape grammar is proposed to describe the animation of the complex 3D forms. It tells how to create an initial shape by limited rules, then automatically generate genetic shapes, and finally grow into a complex system by modifying the adaptable rule. Also, the developed shape grammar framework allows designers to actively participate in the generation process. Finally, the modeling of CFS wall prototype is taken as an example to verify the effectiveness and practicality of this method.

shape grammar; architecture generative design; cellular derived law; parametric modeling

N 945.12；TS 941.26

A

2095-302X(2015)05-0678-08

2015-01-31；定稿日期：2015-03-19

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50608061)

張斯琪(1991-)，女，湖北武漢人，碩士研究生。主要研究方向?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)與仿真。E-mail：47feee@sina.com

尚 濤(1956-)，男，河南羅山人，教授，博士，博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)閰?shù)化建筑設(shè)計(jì)。E-mail：tshang56@126.com