基于形狀語法的鄉(xiāng)村住宅生成設(shè)計方法研究＊

王江 范偉 趙伯倫 齊俊哲 楊陽 趙繼龍

我國鄉(xiāng)村聚落是一種可自我生長、自我組織、自我管理的“有機生命體”，通過不斷地進行修正、優(yōu)化和協(xié)同，可以形成具有開放性、多元性、可持續(xù)性的自組織空間系統(tǒng)。在形態(tài)學上，住宅的“和而不同”具有體小、量大、多樣、復雜的特征。然而，隨著近年“設(shè)計下鄉(xiāng)”熱潮，規(guī)劃師或建筑師在一部分項目或計劃的執(zhí)行過程中并沒有合理回應這些顯性特征，而是不斷依據(jù)城鎮(zhèn)住區(qū)或住宅的建設(shè)經(jīng)驗，將若干相同的住宅單元正交拼接，減少單元間的錯落關(guān)系，形成“兵營式”、同質(zhì)化的新村規(guī)劃效果，割裂了鄉(xiāng)村聚落的基因傳承。本文立足于高質(zhì)量鄉(xiāng)村建設(shè)的行業(yè)需求，直面新村規(guī)劃中普遍存在的住宅布局呆板等問題，提出基于形狀語法的鄉(xiāng)村住宅生成設(shè)計方法，為我國鄉(xiāng)村設(shè)計理論、方法與技術(shù)進一步凝練和創(chuàng)新提供新的思路。

1 形狀語法

形狀語法（Shape Grammar）是一種以幾何形狀為基本單位，通過制定形狀轉(zhuǎn)換規(guī)則對初始形狀進行變形、組合、遞歸，從而得到目標形狀的模型生成方法。1972年，George Stiny和James Gips提出形狀語法[1]，能夠直觀地操控點、線、面、體，并以圖示的方式演示形狀的生成變化過程，受到許多研究者的關(guān)注，并逐漸成為設(shè)計理論、計算機輔助設(shè)計和其他相關(guān)領(lǐng)域的既定范式。形狀語法的基本推理過程如圖1所示，通常用箭頭表示“變換”，箭頭左側(cè)是初始形狀，右側(cè)是變換后的形狀[2]。

自形狀語法提出至今的五十年間，同源科學領(lǐng)域的學者已經(jīng)在先前研究基礎(chǔ)上擴展出了大量語法，建筑設(shè)計、分析和建模領(lǐng)域的成果尤其豐富，集中在對建筑或城市典型空間的抽象研究，推理其既有風格特征的生成過程[3]。一方面，在建筑設(shè)計領(lǐng)域，George Stiny和Willian J.Mitchell是最早利用形狀語法的研究者，他們建立了帕拉迪奧式別墅的平面功能組織語法[4]；李以康出于專業(yè)教學目的，利用形狀語法對《營造法式》中的宋代傳統(tǒng)建筑語言進行了解析[5]；王江等開發(fā)了基于形狀語法的AutoCons可持續(xù)住區(qū)生成模型[6]。另一方面，在城市設(shè)計領(lǐng)域，為了提高設(shè)計的靈活性，José P.Duarte和José Beir?o提出了一種能夠生成多樣化設(shè)計解決方案而非單一、剛性布局的語法規(guī)則[7]?？傮w而言，不管是系列化的建筑布局組織還是復雜的城市街區(qū)肌理，經(jīng)形狀語法整理后均能被歸納為簡明的形態(tài)規(guī)則，為后續(xù)科學、理性地開展建筑或城市設(shè)計提供依據(jù)。

2 鄉(xiāng)村住宅形狀語法構(gòu)建

基于上述對形狀語法的分析，本文從語料庫建立及規(guī)則預定義、宅基地布局組織規(guī)則、住宅院落組織規(guī)則、試驗性生成設(shè)計四方面展開研究。

2.1 語料庫建立及規(guī)則預定義

通過實地調(diào)研北方平原地區(qū)若干村莊并分析其風貌、形態(tài)特征，提取典型宅基地和住宅院落的相對空間關(guān)系，將其“降維”并建立關(guān)聯(lián)宅基地與住宅院落二維形態(tài)特征的初始語料庫。在定義語料庫的基本形狀單元時，考慮到宅基地之間的組合關(guān)系（圖2）以及宅基地與住宅院落的嵌套關(guān)系（圖3），首先定義了南北長13.2m、東西寬9.9m的標準宅基地形狀，即預定義的初始形狀。其次，為了探索標準宅基地與道路的相對關(guān)系，從若干典型空間樣本中抽取4戶關(guān)聯(lián)的宅基地，結(jié)合預定道路寬度（車行道6.6m、步行路3.3m）進行規(guī)則化組織，作為宅基地布局組織的最小研究單元。

2.2 宅基地布局組織規(guī)則

2.2.1 針對4戶宅基地布局的一級規(guī)則

對4戶宅基地與人行路的相對關(guān)系展開研究，能夠更好地明晰折線路或盡端路對宅基地布局組合多樣性的重要意義。一級規(guī)則主要包括：1）標簽規(guī)則，用于在最小研究單元中標注宅基地可能發(fā)生的位移關(guān)系；2）軸線規(guī)則，用于在最小研究單元中置入二維平面網(wǎng)格，以確定宅基地的相對位置；3）平移規(guī)則，僅允許對標簽標記過的宅基地進行操作，且該動作只能使用一次；4）減法規(guī)則，用于刪除在宅基地平移過程中可能出現(xiàn)的重疊或嵌入等不合理結(jié)果?；谝陨险Z法規(guī)則得到79種宅基地組合結(jié)果（圖4）。

2.2.2 針對16戶宅基地布局的二級規(guī)則

將以上研究對象以“四象限”的方式進行組合，考量組團中心的可達性，并對可能出現(xiàn)的組團公共空間結(jié)果進行評估。二級規(guī)則主要包括：1）組合規(guī)則，是組合4組一級規(guī)則生成結(jié)果時的約束條件，選取中心位置上任意2戶宅基地作為公共開放空間或服務設(shè)施用地，提升住宅組團空間的開放性；2）刪除規(guī)則，是為改善住宅組團可達性而制定的控制盡端路出現(xiàn)的約束條件，盡量避免研究對象外圍邊界上的某一點與其中心點之間不能通過步行道連通，并排除此情況（圖5）。

2.2.3 針對既有用地范圍的三級規(guī)則

在一級規(guī)則和二級規(guī)則的綜合作用下，面向給定用地范圍填充以上生成的組團樣本。一方面，需要增加車行路以加強內(nèi)外交通聯(lián)系，另一方面，需要減少宅基地數(shù)量以控制建筑密度（圖6）。三級規(guī)則主要包括：1）填充規(guī)則，用于識別用地范圍邊界，調(diào)取一級規(guī)則和二級規(guī)則的樣本結(jié)果進行填充；2）減法規(guī)則，在使用時若刪除臨近車行路的宅基地，可用作組團出入口，若刪除其他位置的宅基地，可進一步增加并優(yōu)化組團內(nèi)部開放空間。

1 形狀語法的基本原理

2.3 住宅院落組織規(guī)則

住宅院落組織規(guī)則主要用于住宅及其院落形態(tài)的生成，暫不涉及更為微觀的房間劃分。基于先前的標準宅基地形狀，定義了以下四階段的語法規(guī)則：1）以3.3m為模數(shù)對標準宅基地進行網(wǎng)格劃分，確定上方（北側(cè)）正房以及下方（南側(cè)）輔房和庭院的位置，尺寸均為6.6m×9.9m；2）在正房二層平面退讓出南側(cè)或北側(cè)陽臺，尺寸為1.2m×9.9m；3）預先定義了多種輔房模塊，在形態(tài)上可劃分為單坡屋頂、雙坡屋頂、平屋頂?shù)?，用于拼合成不同的輔房布局關(guān)系；4）根據(jù)組團中宅基地的組合方式，調(diào)取宅基地布局組合結(jié)果，探討2戶、3戶、4戶及以上宅基地組合時可能出現(xiàn)的正房之間、輔房之間及正房與輔房之間“露臺連通”的情景，以多戶共用“曬臺”的形式營造更多的生產(chǎn)空間，增強鄰里聯(lián)系。圖7以樹形圖的形式列舉以上四階段的規(guī)則推理過程。

2 宅基地布局組織的最小研究單元

3 宅基地與住宅院落的相對關(guān)系

4 形狀語法規(guī)則和推理

5 二級規(guī)則應用列舉

6 三級規(guī)則應用列舉

7 住宅院落組織規(guī)則的應用示意

8 試驗性設(shè)計的總平面圖

9 試驗性設(shè)計的鳥瞰圖

2.4 試驗性生成設(shè)計

綜合宅基地布局和住宅院落的空間組織規(guī)則，首先基于AutoCAD平臺，編寫Python代碼，將規(guī)則參數(shù)化表達；其次，將規(guī)則驅(qū)動下的結(jié)果隨機填充至給定用地范圍，生成鄉(xiāng)村住宅設(shè)計的總平面圖，根據(jù)房間功能的模塊組織，填充代表相應功能（如正房、輔房、內(nèi)院、活動空間等）的色塊，并為了加強住宅功能的混合性，額外定義了溫室、藝術(shù)家工坊、民宿、商業(yè)等功能（圖8）；最后，基于功能模塊的三維形態(tài)特征，將總平面布局“升維”，完成給定用地的數(shù)字化試驗性設(shè)計?？傮w生成結(jié)果表現(xiàn)出鄉(xiāng)村住宅“和而不同”“統(tǒng)一與多樣”“重復與異質(zhì)”的愿景，傳承了鄉(xiāng)村聚落的風貌特征（圖9）。

3 結(jié)語

鄉(xiāng)村住宅設(shè)計面臨著很多挑戰(zhàn)，不僅要繼承鄉(xiāng)村聚落的傳統(tǒng)風貌特征和住宅建筑形制，還要適應未來鄉(xiāng)村宅基地“三權(quán)分置”下住宅產(chǎn)業(yè)化的可能性。形狀語法因其操作對象是基本形狀，規(guī)則的定義及推理過程簡明易懂，可以幫助規(guī)劃師和建筑師在應對體小、量大類設(shè)計任務時提高設(shè)計效率和方案質(zhì)量能有效解決鄉(xiāng)村住宅布局呆板等問題[8]，誠然，本研究也存在一定不足，一方面為了減少形狀生成的計算量，簡化了鄉(xiāng)村住宅的設(shè)計條件和影響因素，未能考慮宅基地布局和住宅院落可能存在的所有形態(tài)變化；另一方面，最小研究單元的矩形邊界并不能很好地適應不規(guī)則的用地邊界。在未來研究中需進一步豐富語料庫，完善并優(yōu)化既有規(guī)則，更高效地適應復雜地形條件，進而拓展其應用范圍。

圖片來源

1來源于文獻[3]

2-4，6 作者自繪

5，7-9來源于山東建筑大學建筑城規(guī)學院建筑學畢業(yè)設(shè)計作品《Reshape the Grammars of Chinese Countryside——Discover the Vernacular Genetic Code》