基于形狀文法的城軌頭型相似性設(shè)計(jì)研究

孫元　閆宇婷

摘要：運(yùn)用形狀文法的設(shè)計(jì)手段，設(shè)計(jì)出具有地域文化特色的多類型軌道交通頭型系列化造型方案。提取了四種不同類型軌道車輛頭型設(shè)計(jì)特征，總結(jié)出多類型軌交車輛頭型相似性設(shè)計(jì)法則。以重慶多類型城軌頭型設(shè)計(jì)為例，分析各類型城軌頭型結(jié)構(gòu)特征，并基于地域文化提煉大量設(shè)計(jì)要素，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用形狀文法推演出具有相似性特征的造型方案，并驗(yàn)證思路的可行性。獲得具有地域文化特色的多類型軌道交通頭型系列化造型方案。形狀文法可以指導(dǎo)地域元素在城市多類型軌道車輛設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究，為交通工具創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：多類型軌道交通 形狀文法 地域性 造型設(shè)計(jì) 系列化

中圖分類號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2021）04-0122-04

引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展而引發(fā)的環(huán)境污染和交通堵塞等問題已經(jīng)成為現(xiàn)代城市化進(jìn)程中的嚴(yán)重阻礙，構(gòu)建完善的城市軌道交通體系可以緩解地面交通壓力，減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)，帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，具有極強(qiáng)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。近年來，鐵路建設(shè)蓬勃發(fā)展，軌道交通成為全國(guó)性的重要基礎(chǔ)設(shè)施和運(yùn)輸大動(dòng)脈，與國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展緊密相連。軌道列車造型設(shè)計(jì)代表著特有的精神內(nèi)涵體現(xiàn)著不同的設(shè)計(jì)背景和文化。隨著城市化建設(shè)的不斷推進(jìn)，軌道交通工具類型呈現(xiàn)多樣化的發(fā)展趨勢(shì)。城市軌道交通作為城市公共設(shè)施的重要組成部分，是城市文化形象的重要載體之一，有必要對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)化的視覺設(shè)計(jì)，構(gòu)建相應(yīng)的造型特征體系，以提升城市整體的文化形象，起到建設(shè)城市品牌形象、宣傳城市文化的作用。本文將以城市多類型軌道交通工具為載體來建立帶有地域文化特色的系列化軌道交通視覺形象，進(jìn)而探索一種新的城市宣傳策略。

根據(jù)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法來進(jìn)行產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)已經(jīng)很難解構(gòu)產(chǎn)品造型規(guī)律及形態(tài)推演法則。在多種類型的軌道車輛設(shè)計(jì)過程中，如何保證其設(shè)計(jì)風(fēng)格既代表城市文化，車輛造型之間還能具有相似性的設(shè)計(jì)特征是此次設(shè)計(jì)面臨的關(guān)鍵問題。針對(duì)此問題，本文提出結(jié)合形狀文法和地域文化特色來進(jìn)行多類型城軌頭型設(shè)計(jì)研究。圖1，為本次論文研究思路圖。

一、理論介紹

（一）形狀文法

形狀文法可以快速產(chǎn)生大量具有系列化造型的衍生方案，在設(shè)計(jì)過程中大大縮短設(shè)計(jì)周期，節(jié)約了人工成本，其在延續(xù)性創(chuàng)新方面具有深厚的含義，可以很好地傳承設(shè)計(jì)文脈，將經(jīng)典造型融入新造型設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)新舊文化內(nèi)涵的完美融合，受到了設(shè)計(jì)界的高度重視。

形狀文法最早從建筑設(shè)計(jì)中發(fā)展而來，主要是通過定義明確的幾何形狀元素和語法規(guī)則，使造型發(fā)展衍生過程有跡可循，由初始形態(tài)在語法規(guī)則作用下得到新的造型形態(tài)。麻省理工學(xué)院教授喬治·斯蒂尼于1972年率先在《介紹形狀和形狀文法》一文中名確闡述了形狀文法的概念，從而為形狀文法理論奠定了基礎(chǔ)。美國(guó)CMU大學(xué)的麥科馬克教授根據(jù)BUICK品牌的發(fā)展歷程，提取各階段具有代表性的特征對(duì)汽車前臉造型進(jìn)行設(shè)計(jì)提取和劃分，并將提取的元素作為基本形態(tài)元素而進(jìn)行形狀文法分析與設(shè)計(jì)。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)有關(guān)形狀文法相關(guān)理論的研究及應(yīng)用主要集中在建筑、平面、造型設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。陳威等人將形狀文法理論應(yīng)用在現(xiàn)代有軌電車造型設(shè)計(jì)中。盧兆麟等人運(yùn)用形狀文法研究產(chǎn)品設(shè)計(jì)的DNA遺傳變異特征以收集造型為例驗(yàn)證了該方法的可行性。

二、產(chǎn)品PI理論

產(chǎn)品PI理念是多學(xué)科的融合的一個(gè)綜合概念。作為眾多設(shè)計(jì)形象中的一種，產(chǎn)品PI理論仍是以產(chǎn)品為核心進(jìn)而展開系統(tǒng)性設(shè)計(jì)，賦予產(chǎn)品強(qiáng)烈的系列化特征的品牌特定標(biāo)識(shí)。有助于提升品牌產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵，形成獨(dú)特的品牌特征和文化風(fēng)格。產(chǎn)品PI理念發(fā)展較晚，是多學(xué)科綜合的產(chǎn)物，早期人們用“家族化產(chǎn)品設(shè)計(jì)”來表述該設(shè)計(jì)理念。

國(guó)外學(xué)者根據(jù)兩個(gè)簡(jiǎn)要的工業(yè)案例研究，深入了解MIG的使用情況，并強(qiáng)調(diào)了在團(tuán)隊(duì)中開發(fā)模塊化產(chǎn)品族時(shí)對(duì)可視化產(chǎn)品形象進(jìn)行潛在改進(jìn)。為使企業(yè)在品種設(shè)計(jì)時(shí)初步構(gòu)建未來產(chǎn)品族，有學(xué)者提出建立應(yīng)用開發(fā)框架并以有向圖形式計(jì)算系統(tǒng)的方法。然后使用組合矩陣來評(píng)估產(chǎn)品組件，以確定不斷增加的世代變化的影響，也有研究者以“形象”為切入點(diǎn)，研究產(chǎn)品形象與構(gòu)成，為今后深入研究產(chǎn)品形象作了理論框架上的鋪墊。還有學(xué)者為了解決工業(yè)設(shè)計(jì)中產(chǎn)品族設(shè)計(jì)的品牌識(shí)別問題，提出支持產(chǎn)品視覺識(shí)別的產(chǎn)品族DNA的方法，并將其用于磁療沙發(fā)的設(shè)計(jì)中，保持了品牌的統(tǒng)一性和創(chuàng)新性。為促進(jìn)機(jī)床產(chǎn)品銷量，有學(xué)者引出產(chǎn)品外觀家族化設(shè)計(jì)概念，從典型產(chǎn)品提取外觀家族化特征，運(yùn)用到全系列產(chǎn)品并作適當(dāng)調(diào)整，形成產(chǎn)品家族化形象。該設(shè)計(jì)方法運(yùn)用于企業(yè)實(shí)際案例時(shí)，達(dá)到了較好的不同產(chǎn)品系列家族化效果。

（三）地域文化與軌道交通

地域文化種類繁多，不同的地域滋養(yǎng)出不同的文化內(nèi)涵。國(guó)內(nèi)外對(duì)于地域文化的理論研究也在不斷發(fā)展，城市是現(xiàn)代化生活的聚居地，隨著交通工具的發(fā)展，各地的地域壁壘被打破，人口遷徙更加頻繁，文化交流更加緊密。所形成的地域文化是共性為主，特性為輔的。在對(duì)地域文化的研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于地域文化的理解各有千秋，不可否認(rèn)的是，地域文化對(duì)新產(chǎn)品的創(chuàng)意整合具有積極的影響作用。劉雪以霍爾提出的文化結(jié)構(gòu)分類為基礎(chǔ)，以此將文化細(xì)分為公開文化和隱藏文化，陳大路提出可從地域性、豐富性、親緣性和動(dòng)態(tài)性這幾個(gè)方面取了解地域文化，徐伯初等認(rèn)為地域文化只有被感知才能得以應(yīng)用，白欲曉界定了地域文化的劃分標(biāo)準(zhǔn)，并通過具體案例證明了地域文化對(duì)城市的重要性，最終將地域文化融入到軌道交通列車造型設(shè)計(jì)中。

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外城市軌道車輛造型案例設(shè)計(jì)，可以發(fā)現(xiàn)國(guó)外在城市軌道車輛設(shè)計(jì)中直觀地將軌道車輛造型設(shè)計(jì)與地域文化相結(jié)合，尤其注重連結(jié)民族文化和地域性產(chǎn)業(yè)文化，特征鮮明。例如法國(guó)里昂的有軌電車，將地域性產(chǎn)業(yè)文化與車輛設(shè)計(jì)相結(jié)合，將蠶寶寶的造型融入到有軌電車頭型設(shè)計(jì)中：澳大利亞墨爾本有軌電車設(shè)計(jì)將城市雕塑文化融入到列車設(shè)計(jì)中;成都則是將國(guó)寶大熊貓作為懸掛式單軌列車造型意象來源;哈爾濱則根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)，以冰雪色為創(chuàng)意點(diǎn)，為車身融入了當(dāng)?shù)氐臍夂蛞蛩亍?/p>

當(dāng)?shù)赜蛭幕刈饔糜谲壍澜煌üぞ邥r(shí)，不僅能提升車輛的價(jià)值與審美感受，同時(shí)作為一種城市形象，也可以很好地展現(xiàn)城市風(fēng)采，成為重要的城市名片。

三、設(shè)計(jì)實(shí)例

以重慶市為例進(jìn)行四種不同類型城軌頭型的設(shè)計(jì)研究中應(yīng)深度解讀城市的歷史文化、城市定位、發(fā)展方向，然后經(jīng)過廣泛調(diào)研從而得出設(shè)計(jì)元素。運(yùn)用形狀文法的設(shè)計(jì)手段將其拆解、抽象為適用于設(shè)計(jì)對(duì)象的造型元素如線、色彩、圖案，然后經(jīng)過轉(zhuǎn)化、組合的手法將造型元素融入交通工具設(shè)計(jì)中。重慶的軌道交通系列化設(shè)計(jì)，將從整個(gè)城市意象進(jìn)行提取，不只著眼于某一建筑或文化圖樣，還應(yīng)從整個(gè)城市的意境出發(fā)，設(shè)計(jì)出貼合于整體城市形象的交通工具，將系列化交通工具與城市整體氛圍融為一體，使穿梭于城市的各類型軌道交通與城市基調(diào)相呼應(yīng)。

（一）地域文化元素提取

重慶屬巴渝文化。川劇是巴蜀文化的主要代表之一，川劇在精神上追求“擬形傳神”，通過圖形的表達(dá)，川劇臉譜可將每一個(gè)人物性格特征清晰地呈現(xiàn)在觀眾眼前，傳遞出一種獨(dú)特的文化內(nèi)涵。重慶作為新晉網(wǎng)紅城市，擁有極具巴渝傳統(tǒng)建筑特色的“吊腳樓”、解放碑，洪崖洞、山城老街等自然人文景觀。

提取地域文化特色過程中應(yīng)深入分析當(dāng)?shù)靥厣幕瑢?duì)所收集的文化符號(hào)進(jìn)行篩選，最終選擇代表性文化要素，進(jìn)行大量的文化符號(hào)元素提取，為后續(xù)的造型設(shè)計(jì)靈感來源做好充分的準(zhǔn)備。表l為地域符號(hào)提取和表達(dá)。

（二）頭型結(jié)構(gòu)要素提取

城市軌道交通發(fā)展迅速，地區(qū)、國(guó)家、城市、服務(wù)對(duì)象的不同等，使城市軌道交通發(fā)展成為適用于不同場(chǎng)景的多類型交通工具。本文主要的設(shè)計(jì)對(duì)象有軌電車、地鐵、單軌列車、城際列車。對(duì)多類型軌道交通工具頭型設(shè)計(jì)而言，不僅要遵循造型的美學(xué)原則，還要根據(jù)人機(jī)工程學(xué)、車輛構(gòu)造、車身尺寸等展開設(shè)計(jì)。為確認(rèn)各類型軌道交通工具頭型在形狀文法實(shí)施過程中的約束條件，需要對(duì)以上四種軌道交通列車做出具體的造型分析與判斷。（1）有軌列車：現(xiàn)代有軌電車以地面鋪設(shè)為主，分為高地板和低地板列車，頭型較為方正，是一種模塊化、低地板、中低運(yùn)量的公共交通方式。（2）地鐵：地鐵擁有一定規(guī)模運(yùn)量、按車輛編組。結(jié)合城市具體情況，可運(yùn)行在地面或高架線路上，是城市運(yùn)輸?shù)拇髣?dòng)脈（3）區(qū)域列車：區(qū)域列車對(duì)速度的要求使其外觀造型和室內(nèi)要求都具有鮮明的美學(xué)特征。車體外觀造型流線化、整體化、細(xì)長(zhǎng)化，相較于其他以上列車，區(qū)域列車體現(xiàn)出差異化的舒適性設(shè)計(jì)特征。（4）跨座式單軌列車：跨座式單軌車輛以車身包裹鐵軌，相比其他高架鐵路，單軌能有效利用道路中央隔離帶，所占地面面積和空間都較小，適用于建筑物密度大的狹窄街區(qū)，通常用作短途觀光游覽和城區(qū)交通客運(yùn)。

為了更準(zhǔn)確地提取各類型軌道交通工具造型輪廓特征，本次研究采用問卷調(diào)查和專家訪談方式，通過統(tǒng)計(jì)與分析評(píng)價(jià)，挑選具有代表性的造型形態(tài)，分析各類型車輛頭型結(jié)構(gòu)特征，總結(jié)出軌道交通造型輪廓線主要包括側(cè)頂形線、A柱線、頂廓線、側(cè)輪廓線這幾個(gè)主要的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和布局。在將設(shè)計(jì)元素進(jìn)行規(guī)則化的設(shè)計(jì)演變時(shí)，應(yīng)充分考慮車頭的結(jié)構(gòu)要素。將車輛的硬性限制與設(shè)計(jì)的美學(xué)要素完美結(jié)合。如表2所示，為各類型車頭結(jié)構(gòu)線提取。

（三）形狀文法推演規(guī)則

形狀文法可具體表達(dá)如下，SG=（S、L、R、L），SG代表一個(gè)形狀集合，S代表所繪制形狀的有限集合，L代表符號(hào)的有限集合，R代表造型規(guī)則的有限集合，I則是初始形狀，S中的衍生形狀是經(jīng)過一定的符號(hào)標(biāo)記后經(jīng)規(guī)則R后生成。所有參與衍生的形狀均需要一定的符號(hào)標(biāo)記才能被規(guī)則推動(dòng)，形狀集合中所有形狀都是通過應(yīng)用規(guī)則R從初始形狀l中衍生出來的。形狀文法演變規(guī)則如表3所示。

形狀文法在產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面（1）延續(xù)性創(chuàng)新：對(duì)指定品牌已有產(chǎn)品造型特征進(jìn)行收集、歸納、提取，從中抽象出隱藏的設(shè)計(jì)規(guī)則，在此基礎(chǔ)上用以推演組合出新的形態(tài)，保證品牌的特征的遺傳性和繼承性。（2）開拓性創(chuàng)新：根據(jù)產(chǎn)品自身功能約束與用戶需求或設(shè)計(jì)師意圖選取特定意象并進(jìn)行元素的抽象、提取、融合、推演，指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)活動(dòng)。在進(jìn)行開拓性創(chuàng)新時(shí)，由于沒有可供參考的產(chǎn)品形象，因此對(duì)設(shè)計(jì)元素的選定提出了更高的要求。在抽象過程中，應(yīng)按照主體、附著、混合的順序進(jìn)行元素采集與提取，保證設(shè)計(jì)元素的鮮明性和代表性，以便在后續(xù)運(yùn)用形狀文法進(jìn)行進(jìn)一步的抽象和演變后仍能保持元素的可識(shí)別性。如麥科馬克教授根據(jù)別克汽車不同年代的造型特征提取經(jīng)典的設(shè)計(jì)元素，將不同年代的經(jīng)典造型任意組合即可得出具有別克品牌形象的汽車新造型，就是一種延續(xù)性創(chuàng)新。而在本次課題的設(shè)計(jì)中，由于沒有可供參考的品牌系列造型，選擇從地域文化中提取設(shè)計(jì)要素作為造型設(shè)計(jì)的意象來源，則是屬于形狀文法中的開拓性創(chuàng)新。

（四）基于形狀文法的造型譜系化推演

四種不同類型的軌道交通工具在人機(jī)工程學(xué)、車身尺寸和車輛構(gòu)造限制下的典型特征，構(gòu)成了產(chǎn)品譜系中的基礎(chǔ)限制性初始造型S，通過對(duì)地域文化元素的收集和形狀文法推演會(huì)產(chǎn)生多種新的設(shè)計(jì)形狀，選定不同的設(shè)計(jì)形狀并將其組合融入到不同類型的頭型設(shè)計(jì)中，則會(huì)產(chǎn)生四種新的帶有地域文化元素的系列化軌道交通頭型方案?；谛螤钗姆ǖ男螒B(tài)譜系化過程如圖2所示。

根據(jù)阿恩海姆的視覺動(dòng)力理論，視覺元素的形變、傾斜、指向性等會(huì)形成具有動(dòng)感的視覺力。車頭表情特征的呈現(xiàn)是通過車頭前臉特征的幾何變化，進(jìn)而產(chǎn)生具有動(dòng)感的情緒化特征。在以上造型組合方式的基礎(chǔ)上，提取的重慶地域文化元素運(yùn)用形狀文法將單個(gè)的地域元素根據(jù)特定部位如車窗、車燈等進(jìn)行具體的抽象處理，最終確定每一個(gè)對(duì)應(yīng)部件的設(shè)計(jì)元素圖形，將選定的設(shè)計(jì)圖形作為一套造型組合，最后結(jié)合各類型頭型特征再設(shè)計(jì)組成新的系列化造型方案。

在車頭設(shè)計(jì)中車燈的變化帶動(dòng)整個(gè)頭型表情的變化，是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。此次設(shè)計(jì)采用折線狀燈帶，為重慶著名文化元素川劇臉譜抽象意象，如表4所示為運(yùn)用形狀文法來提取設(shè)計(jì)車燈設(shè)計(jì)元素的過程。

根據(jù)圖2中的演變步驟，將前期選定的地域文化意象均通過形狀文法設(shè)計(jì)方法并結(jié)合車頭造型影響因子具象為特定的設(shè)計(jì)圖形，在此不進(jìn)行贅述。具象化后的設(shè)計(jì)元素列表如圖3所示。經(jīng)過對(duì)車頭各部位設(shè)計(jì)元素的選取組合，最終根據(jù)車頭造型結(jié)構(gòu)要素獲得如下圖所示的系列化頭型設(shè)計(jì)方案。

四、造型設(shè)計(jì)展示

本次方案是在各類型車輛車體標(biāo)準(zhǔn)尺寸的基礎(chǔ)上，經(jīng)過形狀文法推演出的新形狀，反復(fù)修改設(shè)計(jì)草圖，最終繪制產(chǎn)品線框圖如圖4所示。

最后運(yùn)用Rhino建模軟件制作三維模型，并運(yùn)用渲染軟件keyshot制作效果圖如圖5所示。

五、設(shè)計(jì)結(jié)果調(diào)研分析

本次方案評(píng)價(jià)的目的是驗(yàn)證造型設(shè)計(jì)是否具備重慶文化的地域代表性以及四種頭型之間是否具有系列化的設(shè)計(jì)特征?，F(xiàn)運(yùn)用語義差異法對(duì)軌道交通頭型產(chǎn)品進(jìn)行頭型相似度和設(shè)計(jì)代表性設(shè)計(jì)調(diào)研問卷。根據(jù)圖中給出的文化元素圖片評(píng)判車頭造型設(shè)計(jì)是否具備文化元素關(guān)聯(lián)性。設(shè)計(jì)語義差異量表調(diào)研問卷如圖6所示。

本次調(diào)研采用問卷星網(wǎng)絡(luò)渠道進(jìn)行發(fā)放，調(diào)研時(shí)間為8月10日-9月10日，共計(jì)收到86份調(diào)研問卷，有效問卷為82份，借助SPSS數(shù)據(jù)分析軟件處理調(diào)研問卷，將輸入數(shù)據(jù)作為變量，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的頻率和描述工具計(jì)算百分比和平均分，評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)見表5。

從上述調(diào)研果來看，利用形狀文法指導(dǎo)系列化軌道交通頭型設(shè)計(jì)是具有可行性的，在地域文化代表性上具有一定指導(dǎo)作用，但仍需探索更符合地域文化特色的設(shè)計(jì)元素。

結(jié)語

本此設(shè)計(jì)以重慶多類型軌道交通工具造型設(shè)計(jì)為例，運(yùn)用形狀文法的設(shè)計(jì)思路，創(chuàng)造出具有重慶特色的軌道交通產(chǎn)品家族化系列視覺形象。城市軌道交通設(shè)計(jì)與當(dāng)?shù)氐赜蛭幕⑾⑾嚓P(guān)，對(duì)展現(xiàn)城市魅力有至關(guān)重要的作用。挖掘設(shè)計(jì)背后的深層含義并將之賦予不同類型的軌道交通工具中去，使之具有明顯的城市化特征和強(qiáng)烈的設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)性是此次課題所要研究的內(nèi)容。希望通過對(duì)軌道車輛造型與風(fēng)格意象關(guān)系的研究，對(duì)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的造型設(shè)計(jì)起到一定的指導(dǎo)意義，能夠基于不同的城市風(fēng)格需求確立最貼切的設(shè)計(jì)走向，能將同類型產(chǎn)品做出具有系列化和繼承性的風(fēng)格。對(duì)今后該領(lǐng)域及相關(guān)領(lǐng)域研究過程拓展研究的視角、豐富研究?jī)?nèi)容、拓展研究的層次起到拋磚引玉的作用。