基于自由形態(tài)研究的空間思維方法

李昊宇

摘要：文章從自由形態(tài)的研究出發(fā)，深入剖析自由形態(tài)表皮形成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從設計教育和設計實踐兩方面討論了自由形態(tài)研究對提升空間思維能力的重要性，解答了設計學科中關(guān)于空間思維能力訓練的問題。并從理論和設計實踐案例中分析和總結(jié)出解構(gòu)、組建和創(chuàng)造空間自由形態(tài)，以及提升空間思維能力的三種有效的設計方法——切片、旋轉(zhuǎn)與拉伸。此外，對未來的深入研究提出方向和目標。

關(guān)鍵詞：自由形態(tài) 空間思維能力 設計方法

一、自由形態(tài)研究的動機

生活中，自由形態(tài)隨處可見，樹木、花草、鳥、魚、山石等，而對于這些實體形態(tài)的分析，往往只存在于其大概的樣子。這些實體都是曲面的，只能去感知，很難有辦法精準計算。對于自由形體的認識，通常在曲面的基礎之上嘗試如何提高三維的認識，并使用透視學方法來描繪形體的外輪廓。透視學方法可以幫助提升三維的記憶能力，同時這也是國內(nèi)設計學課程的基本設置。但是，對于這種方法的訓練并不能解構(gòu)形體的內(nèi)結(jié)構(gòu)，所以在這一課程的學習之后，學生對于自由形態(tài)的再創(chuàng)造將會出現(xiàn)困難。空間類課程設計的目的在于訓練學生的空間思維能力，讓學生在學習之后能夠理解空間關(guān)系，能夠表達空間中的形體，進而能夠創(chuàng)造出新的形體。所以，我們應該有確切的方法來研究空間，研究空間中的自由形態(tài)。這這種方法必須是理性的，有據(jù)可依的，如此，才能在教學過程中授人以漁。

在歐幾里得空間基礎理論中：點形成線，線形成面、面形成體、體形成大干世界。所有的物體在空間中都以某種形態(tài)存在，對于如此多的自由形態(tài)，我們嘗試用“切片”的方法去理解它們——將三維自由形態(tài)按照特定方向，切割為無數(shù)片，每個切片就成為了二維平面，再將這些切片重新組合在一起就形成了這個三維自由形態(tài)。

二、自由形態(tài)分類研究

（一）切片一自由形態(tài)的解構(gòu)與重建

形態(tài)研究方法——切片，在數(shù)學上具備完整的理論基礎。17-18世紀由數(shù)學家牛頓和萊布尼茨建立的微積分學，創(chuàng)造性地解決了自由曲線、曲面及自由形態(tài)的計算問題，并成為數(shù)學史上最偉大的理論之一。同樣的，微積分學的建立對于設計學科中實體形態(tài)的研究也具有非常重要的意義，切片方法便是微積分學在實體模型上的表達（如圖1）。

人類早期造船技術(shù)的發(fā)展就是切片重建自由形態(tài)的過程。最早的船稱為獨木舟，是由一根樹干挖空而成。后來將很多木頭（或竹子）綁在一起，從而出現(xiàn)了木筏（竹筏），每一根木頭就是木筏的結(jié)構(gòu)，這些木頭組建了木筏的形態(tài)。再后來，人類建造出了大船，可以出海遠航。大船的底部是曲面形態(tài)，并沒有任何材料可以直接形成這樣的曲面形態(tài)。于是，人類發(fā)明了構(gòu)建龍骨的方法，實現(xiàn)了曲面形態(tài)的創(chuàng)造：兩個縱橫龍骨構(gòu)成面，當諸多縱橫龍骨完成的時候，局部曲面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了。而很多局部曲面結(jié)構(gòu)組合在一起的時候就形成了船主體結(jié)構(gòu)，最后再用平整的木板做表皮，將木板連接在一起就形成了船的曲面表皮。這樣，龍骨的形態(tài)就決定了船的形態(tài)（如圖2）。

同樣的，對于一顆雞蛋，通過切片的方法也可以對它進行解構(gòu)和重建，并目在重建后，對于蛋心部分也能非常清晰地表達出來（如圖3）。

2013年，我們?yōu)樯穷^大學“南極科考”策劃展覽時，基于切片的方法設計了冰山展廳和企鵝紀念品（如圖4）。

1.冰山——單一維度切片表達：在設計之初，我們選擇表達冰山最明顯的曲面，在三維軟件中把選定的冰山形態(tài)進行解構(gòu)，得到切片的長寬高尺寸及曲線的形狀，等距的組合使其呈現(xiàn)三維空間形態(tài)的最佳效果。

切片組合完成之后，冰山起伏的韻律就隨之出現(xiàn)，我們能看到的是無數(shù)曲線結(jié)構(gòu)有序排列形成的曲面和等間距形成的韻律，使人能夠看到完整的冰山形態(tài)，并目在思維中對冰山形態(tài)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生想象。

2.企鵝—多維度的切片表達：企鵝的形態(tài)優(yōu)美、身體特征明顯，使用切片的方法重建企鵝，同時突破了冰山的單一片狀結(jié)構(gòu)和造船龍骨的橫縱結(jié)構(gòu)。通過三個維度的切片結(jié)構(gòu)，重建了企鵝形態(tài)的三維支撐結(jié)構(gòu)，視覺形象豐富（如圖5）。

在對自由形態(tài)研究的過程中，從單一維度到二個維度，再到三個維度的設計實踐，使得切片方法的應用也得到了不斷的拓展和完善（如圖6、7、8、9）。

3.儲能電池——切片的表皮設計：在使用切片方法解構(gòu)和重建自由形態(tài)的過程中，自由形態(tài)的表皮在觀者的視覺補償中不斷完善，不同角度所形成的視覺感受差異很大。在此基礎上，我們將表皮的形態(tài)設計運用切片的方法反推回去——用表皮表現(xiàn)切片，同樣取得了很好的效果。

2015年，我們?yōu)槊酮{新能源股份有限公司旗下峰谷源新能源研究院設計的一款家用儲能設備使用了這種方法（如圖10、11）。

這款儲能設備的概念源自于水波，能量本身也是一種波，在儲能設備表皮的設計上希望能夠表達一種波動的感覺，并且在不同角度能夠有不同的視覺感受，于是，將水波的形態(tài)和陽光下飄飛的絲綢形態(tài)結(jié)合起來，形成一種柔軟的、華美的、細膩中充滿著力量的形態(tài)，而這種形態(tài)的表達就使用切片的方法得到了實現(xiàn)—每一條“波紋”的形態(tài)都形成了波動變化，“波紋”與“波紋”之間也同樣形成波動變化（如圖12）。

4.海螺一中心旋轉(zhuǎn)切片：當切片方法延展到三個維度之后，基本上可以實現(xiàn)所有具象實體的形態(tài)表達，但是對于一些特殊的形體，使用三個維度的切片方法表達就會比較困難，比如海螺。這種情況下，如要對其進行解構(gòu)和重建就需要一種新的切片方法——中心旋轉(zhuǎn)切片。

在對海螺形體的研究過程中發(fā)現(xiàn)，使用普通的三維切片方法描繪一些具備螺旋生長特征的形體時，由于此類形體內(nèi)結(jié)構(gòu)復雜，在表達時易形成非常多的缺陷，出現(xiàn)表達難度大的問題。而通過中心旋轉(zhuǎn)切片的方法以其特有的螺旋生長中心為基準，就能夠較為容易地實現(xiàn)形態(tài)模擬（如圖13、14、15、16、17）。

在設計學科的教學中，實體模型的解析、研究和制作對于學生的重要性不言而喻，實踐的過程就是學習的過程，只有實踐操作才能深刻地體會形態(tài)與空間的關(guān)系。因此，切片方法的運用對于提升學生的空間思維能力也具有非常重要的意義。

（二）拉伸與旋轉(zhuǎn)——自由形態(tài)的理性創(chuàng)造

基于切片的方法，我們可以非常精準地解構(gòu)和組建已知的自由形態(tài)，但在設計過程中，我們并不能只是一味地模仿，我們必然需要在此基礎上提取關(guān)鍵特征，從而創(chuàng)造新的形態(tài)，拉伸與旋轉(zhuǎn)則是能夠成為創(chuàng)造新的形態(tài)非常好的方法。

1.拉伸：二維平面拉伸的過程能夠產(chǎn)生新的形體，而拉伸的方式將在很大程度上決定了產(chǎn)生的新形體的形態(tài)特征，是具有速度感、光感、時間感還是力量感，或者是同時兼?zhèn)洹＠斓倪^程分為三種類型：線性拉伸、漸變拉伸、控制中間形態(tài)的拉伸。

（1）線性拉伸一汕頭大學新醫(yī)學院大樓：線性拉伸是由單一平面通過特定的線性軌跡（通常為直線或曲線）的拉伸，其形態(tài)由拉伸的線性軌跡和原平面的形態(tài)決定，拉伸形體其的形態(tài)表現(xiàn)為原面按照軌跡的無限重復。因此，在切片的表達中，所有切片都相同。

汕大醫(yī)學院于2016年建成使用，從正面看，整座醫(yī)學院大樓是一個具有豐富邊角的環(huán)形平面圖案，從側(cè)面看，大樓的拉伸感覺就異常直觀（如圖18、19）。

（2）漸變拉伸一教學模型：漸變拉伸是有一個平面形態(tài)通過線性軌跡拉伸，并同時漸變成為另一個平面形態(tài)。其形體的形態(tài)由兩平面的形態(tài)和拉伸軌跡決定，這個拉伸過程常常需要借助計算機輔助設計來表達。因此在切片的表達中，所有切片都不相同，距離越近的切片，形態(tài)越相似（如圖20、21、22、23、24、25）。

（3）控制中間形態(tài)的拉伸：在拉伸過程中，控制中間一個或多個過程的特定形態(tài)，從而控制整個拉伸形體的形態(tài)變化，最終拉伸形體的形態(tài)由起始平面的形態(tài)、中間形態(tài)和線性軌跡共同決定。在切片的表達中，切片形態(tài)豐富，距離相近的切片不一定相似（如圖26）。

2.旋轉(zhuǎn)：生活中，旋轉(zhuǎn)是一種非常常見的現(xiàn)象。風車、風扇、車輪乃至地球、月亮都在旋轉(zhuǎn)，雖然各自形態(tài)差異很大，旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)也不盡相同，但是旋轉(zhuǎn)的形式和過程可以歸結(jié)為三種類型：軸心自轉(zhuǎn)、中心旋轉(zhuǎn)、組合旋轉(zhuǎn)。

（1）軸心自轉(zhuǎn)：形體按照自己已有的對稱軸旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的新的形態(tài)具備高度的對稱性，且具有時間維度，如地球的自轉(zhuǎn)，形成了晝夜的更替（如圖27）。

（2）中心旋轉(zhuǎn)：形體圍繞著空間中某個點軸線旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生了新的形態(tài)具備高度的對稱性，且具有時間維度。如太陽系中，所有行星都圍繞著太陽旋轉(zhuǎn)，太陽就是旋轉(zhuǎn)的中心（如圖28）。

（3）組合旋轉(zhuǎn)一產(chǎn)品設計基礎教學案例：旋轉(zhuǎn)過程包括了軸心自轉(zhuǎn)和中心旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的新的形態(tài)豐富多變，設計創(chuàng)作過程中，需要加以條件限制，從而創(chuàng)作出理想的形態(tài)。

在教學實踐中，我們曾嘗試將旋轉(zhuǎn)與拉伸的方法結(jié)合，創(chuàng)造出非常多的美妙形態(tài)，同時我們用切片的方法將這些形態(tài)實體化，使它們能夠展示在人們的面前（如圖29、30、31、32、33）。

3.拉伸與旋轉(zhuǎn)的結(jié)合：汕頭大學畢業(yè)戒指：在長期的形態(tài)研究之后，2017年4月，我們運用拉伸與旋轉(zhuǎn)的方法為汕頭大學設計了一款畢業(yè)紀念戒指——STU。

汕頭大學畢業(yè)紀念戒指“STU”是汕頭大學英文名shantouuniversity的簡寫，作為汕頭大學歷史上首次官方贈送的畢業(yè)紀念戒指，在設計之初，我們希望能夠在這款戒指上表達汕頭大學從小到大、從偏僻一隅到國際知名的發(fā)展歷程，學校30多年來的歷史記憶，以及畢業(yè)生對母校一生的時間記憶（如圖34）。

我們曾經(jīng)在二維到三維課程里面談到關(guān)于兩個平面中間的故事和情節(jié)，如果STU是一個結(jié)果，那么在30年的變化中“STU”到底應該呈現(xiàn)出什么狀態(tài)。我們糾結(jié)的是“STU”是從-點開始的，這個點是什么7是抽象的點，也是具象上的點。這個點可以說是一個地方，一個人，一個生命，然后其變成了什么，變成最后三字母，成為STU也就是汕頭大學，這是有故事和情節(jié)在里面的。

我們將“STU”平面圖形進行從小到大的漸變拉伸后，再中心旋轉(zhuǎn)成為一個具有第四維時間概念的實體形態(tài)?！癝TU畢業(yè)紀念戒指”在切片的表達中，每個界面都是STU縮影，從一個最小點的STU逐漸變得強大，最終成為現(xiàn)在的形狀。“STU”戒指的形狀是一個發(fā)展的過程，由無數(shù)個“STU”字母組成，是一個定格的動態(tài)，是四維時間空間的體現(xiàn)，并不是單純靜止的產(chǎn)品。稍微旋轉(zhuǎn)就可以看“STU”的立體字樣，具有鮮明的時間感、速度感和光感，是一個成長過程的形態(tài)（如圖35）。

拉伸與旋轉(zhuǎn)的過程，是創(chuàng)造自由形態(tài)的過程，而在這個創(chuàng)造的過程之中，我們需要不斷地實驗、不斷找尋其變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)其在不同階段的表現(xiàn)形態(tài)，從而能夠有效地運用這些形態(tài)。形態(tài)的變化是開放的，創(chuàng)造的過程必須加以控制，才能達到理想的效果。

總結(jié)與啟發(fā)

切片原理在產(chǎn)品造型設計過程中可以讓表面處理變得更豐富，也得益于日益成熟的沖壓、CNC等制造技術(shù)，因此我們可以有規(guī)律地呈現(xiàn)復雜表面的肌理。而運用拉伸與旋轉(zhuǎn)的創(chuàng)作方法，并結(jié)合形態(tài)應用切片方法加以研究，可以發(fā)現(xiàn)，起點和終點之間的變化可以通過增加中間平面形態(tài)的方式來控制整個形體表面形態(tài)的變化，如此就能創(chuàng)造出豐富的形態(tài)。作為設計師，就是要提煉中間切邊的形態(tài)，來控制表面曲面的變化，從而創(chuàng)造出精美的產(chǎn)品形態(tài)。

通過研究自由形態(tài)，以及在設計實踐過程中應用切片、拉伸與旋轉(zhuǎn)的方法，而取得的實際效果，可以發(fā)現(xiàn)，空間中的自由形態(tài)有無數(shù)多種，并不能盡數(shù)為人所知，但是，只要運用科學的方法展開分析研究，關(guān)于形態(tài)的問題是可以得到解答的。

而在設計教育方面，對空間自由形態(tài)的理性研究能夠從多個方面提升學生的空間思維能力：

（1）運用切片、拉伸與旋轉(zhuǎn)的創(chuàng)作方法研究自由形態(tài)，可以幫助加深學生對計算機輔助軟件的理解和學習。

（2）研究自由形態(tài)，有助于提升學生的形態(tài)撲捉能力、形態(tài)記憶能力、形象分析能力、形態(tài)表達能力。

（3）研究就自由形態(tài)，能夠提升學生對于自身視覺經(jīng)驗的分析、結(jié)構(gòu)、復述的能力，并且在此基礎之上，對于學生將積累的視覺經(jīng)驗總結(jié)、提煉進行再創(chuàng)作也有重要作用。

此外，在自由形態(tài)的研究方面，仍有很多問題值得進一步思考：

（1）形態(tài)具有生長性，具備自己形態(tài)的基因，生長的形態(tài)與其形態(tài)基因的關(guān)聯(lián)性如何體現(xiàn)？

（2）平面到平面的漸變拉伸應該可以延展到平面到立體的漸變拉伸、立體到立體的漸變拉伸，其中應該存在第四維（時間維）的形態(tài)，或許借助計算機輔助設計可以將其展現(xiàn)。

（3）自由形體的解構(gòu)、逐漸、再創(chuàng)作存在很多可能性，并且在形態(tài)表皮的表達方面也需要進步一研究。