解析、轉(zhuǎn)換、生成
——形狀語法的研究回溯與解讀

王江

范偉

趙伯倫

趙繼龍

一、引子：從普遍語法到形狀生成

1957 年，美國語言學(xué)家諾姆·喬姆斯基（Noam Chomsky）在其著作《句法結(jié)構(gòu)》（Syntactic Structures）中提出了普遍語法（Universal Grammar）假說，他指出語言是具有創(chuàng)造性的，而語法則代表著語言的生成能力；普遍語法并非一種特定的語言范式，而是一系列用于界定人類語言的條件，它耦合了形成人類語言的物理機(jī)制及相應(yīng)的心理機(jī)制。人類駕馭語言的關(guān)鍵方法不在于掌握了多少具體的句子，而在于是否掌握了有限的語言素材和語言結(jié)構(gòu)規(guī)則。轉(zhuǎn)換是普遍語法的基本規(guī)則之一，而轉(zhuǎn)換生成語法（Transformational-Generative Grammar）也是普遍語法的基本組成部分[1]，它用于轉(zhuǎn)換句子的成分或順序，在保持語法結(jié)構(gòu)正確的同時(shí)，以生成新的句子。因此，語言的生成能力源于轉(zhuǎn)換生成語法對(duì)有限規(guī)則的無限使用，也就是說轉(zhuǎn)換是實(shí)現(xiàn)生成的重要手段。

1972 年，喬治·斯蒂尼（George Stiny）和詹姆斯·吉普斯（James Gips）基于轉(zhuǎn)換生成語法，提出了一種關(guān)聯(lián)幾何形狀及其轉(zhuǎn)換規(guī)則的形狀生成方法，即形狀語法（Shape Grammar，也稱為形狀文法）[2]。他們使用一種定義形狀規(guī)則并將其迭代、推理的研究方法，對(duì)繪畫、雕塑等藝術(shù)作品進(jìn)行了更為“理性”的解讀。由此得出了以下論斷，即藝術(shù)家或設(shè)計(jì)師在進(jìn)行部分作品創(chuàng)作時(shí)，可側(cè)重于“規(guī)則”的研究，形狀規(guī)則一旦被確立，便能通過規(guī)則推理生成最終的作品。因此，形狀語法的解析與設(shè)計(jì)過程即通過制定相對(duì)簡單的規(guī)則來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜多樣的設(shè)計(jì)結(jié)果的過程。在形狀語法提出后的50 年間，其基本原理和實(shí)現(xiàn)路徑不斷得到充實(shí)與拓展，并逐漸對(duì)計(jì)算性設(shè)計(jì)與分析領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。

二、源于自然語言的“形狀”和“語法”

1.設(shè)計(jì)語言：系統(tǒng)性的表述

在自然語言中，所謂的“文風(fēng)”（Linguistic Features）是指語言的表述方式，一般要通過特定的語法對(duì)詞匯調(diào)用及句式組織的過程進(jìn)行有效的約束。與之類似，設(shè)計(jì)語言也有其相應(yīng)的“詞匯”（Vocabulary）和“語法”（Grammar），它們決定著圖形或造型的組合方式及空間關(guān)系?；诖耍c形狀語法有關(guān)的術(shù)語主要包括：①“設(shè)計(jì)語言”（Design Language），即設(shè)計(jì)作品的總體樣式或風(fēng)格；②“語料”（Corpus），即詞匯，是指用于單一設(shè)計(jì)過程的一組數(shù)量有限但各不相同的形狀集合；③“語料庫”（Corpora），是指經(jīng)科學(xué)取樣與加工的形狀語料集合，用于儲(chǔ)存那些在設(shè)計(jì)語言的實(shí)際使用過程中已經(jīng)出現(xiàn)過的語料；④“空間關(guān)系”（Spatial Relation），即多個(gè)基本形狀在組合、排列、旋轉(zhuǎn)等操作下所形成的一種具有可識(shí)別性的狀態(tài)；⑤“語法”（Grammar），即形狀語法，以“初始形狀”（Initial Shape ）和“形狀規(guī)則”（Shape Rule）為基本內(nèi)容，每一種形狀語法均代表著一種設(shè)計(jì)語言；⑥“初始形狀”，是指作為設(shè)計(jì)起點(diǎn)的形狀，它既可以是一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，也可以是一種源于現(xiàn)狀的復(fù)雜形狀或是一種最為簡單的基本形狀；⑦“形狀規(guī)則”，即實(shí)現(xiàn)空間關(guān)系變化的推理邏輯；⑧“標(biāo)簽”（Label），用于標(biāo)記形狀的位置、功能、尺寸等屬性，也決定并控制著形狀規(guī)則的具體推理過程，通常采用點(diǎn)、字母、數(shù)字、顏色等方式進(jìn)行表達(dá)。

2.運(yùn)算原理：推理性的呈現(xiàn)

一套完整的形狀語法通常由四部分構(gòu)成：一組有限的形狀集合、一組有限的標(biāo)簽集合、一組有限的形狀規(guī)則集合及一個(gè)初始形狀[3]。常用的形狀規(guī)則呈現(xiàn)方式是A →B，其中，字母“A”和“B”表示兩種不同的形狀，符號(hào)“→”表示“轉(zhuǎn)換”。從圖1-1 可知，每一條形狀規(guī)則通常在其前面使用數(shù)字表示規(guī)則的序號(hào)。例如，規(guī)則1 是將帶有標(biāo)簽“.”的正方形嵌入另一個(gè)帶有標(biāo)簽“.”的正方形中，規(guī)則2是刪除正方形中的標(biāo)簽“.”。從圖1-2 可知，當(dāng)確定了形狀語法的初始形狀和形狀規(guī)則后，其推理（Derivation）運(yùn)算的過程為：對(duì)帶有標(biāo)簽“.”的初始形狀實(shí)施兩遍規(guī)則1，再實(shí)施一遍規(guī)則2，此時(shí)箭頭上方的序號(hào)代表該過程應(yīng)用的規(guī)則序號(hào)；當(dāng)生成的形狀沒有標(biāo)簽“.”時(shí)，意味著規(guī)則推理過程的終止。為了獲得符合預(yù)期的結(jié)果，不僅相同的形狀規(guī)則可以在設(shè)計(jì)中多次穿插調(diào)用，而且不同的形狀規(guī)則也可以同時(shí)作用于一個(gè)推理過程，經(jīng)過不斷迭代而產(chǎn)生新的形狀，因此形狀的推理過程在絕大多數(shù)情況中是相對(duì)復(fù)雜的。為了簡化推理過程，斯蒂尼認(rèn)為可以使用“標(biāo)簽”對(duì)將要進(jìn)行轉(zhuǎn)換的形狀做出標(biāo)記，并為過程中所有出現(xiàn)的形狀賦予不同的屬性或含義，從而將更多的信息集成至最終的設(shè)計(jì)結(jié)果中（圖1-3）。

圖1： 形狀語法的運(yùn)算原理

3.規(guī)則層級(jí)：邏輯性的劃分

在語言學(xué)中，樹形結(jié)構(gòu)圖常被用于分析句子的基本結(jié)構(gòu)（圖2-1），而形狀語法的規(guī)則層級(jí)也可以使用相似的邏輯進(jìn)行劃分和表達(dá)，即利用樹形結(jié)構(gòu)圖枚舉出由規(guī)則推理而生成的所有過程性形狀。在由樹形結(jié)構(gòu)圖表達(dá)的規(guī)則層級(jí)中，所有的結(jié)點(diǎn)形狀與其所含信息均具有一定的相關(guān)性，不僅可以集成于一體，而且相互之間能夠通過編碼建立起用于索引及映射的關(guān)系。這意味著樹形結(jié)構(gòu)圖中的所有結(jié)點(diǎn)形狀通過關(guān)聯(lián)每一個(gè)子結(jié)點(diǎn)與一個(gè)父結(jié)點(diǎn)，建立起邏輯性的總分關(guān)系（圖2-2）。在規(guī)則推理的過程中，上一層級(jí)的形狀規(guī)則信息傳遞至下一層級(jí)，可確保生成結(jié)果具有一定的相似性和繼承性；而不同層級(jí)的結(jié)點(diǎn)在一定范圍內(nèi)也可以進(jìn)行關(guān)聯(lián)，便于進(jìn)一步探討由不同結(jié)點(diǎn)組合所形成的空間關(guān)系并對(duì)其生成結(jié)果進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化。在部分研究中，為了簡化形狀語法的樹形結(jié)構(gòu)關(guān)系，通常會(huì)聚焦于單一子結(jié)點(diǎn)，而將其余子結(jié)點(diǎn)及其分支隱藏，以一種單鏈條的形式呈現(xiàn)規(guī)則推理過程。此外，在分析某些復(fù)雜設(shè)計(jì)作品時(shí)，通常會(huì)按照生成步驟對(duì)其所有形狀規(guī)則進(jìn)行階段劃分，每一階段可包含多個(gè)層級(jí)的形狀規(guī)則，以此強(qiáng)化規(guī)則推理過程的邏輯性和概括性。

圖2： 語言學(xué)和形狀語法的樹形結(jié)構(gòu)示意圖

三、形狀語法的實(shí)施策略

1.“分毫析厘”的解析式形狀語法

1976 年，斯蒂尼提出了解析式形狀語法（Analytical Shape Grammar）的概念，這是形狀語法首次被明確界定為一種分析工具。之后，特里·奈特（Terry Knight）進(jìn)一步指出形狀語法是分析經(jīng)典設(shè)計(jì)語言的最好方法之一，她認(rèn)為一套好的解析式形狀語法，既要做到形狀規(guī)則簡潔易懂，又要清晰地描述出形狀規(guī)則的推理過程，從復(fù)雜性和隨機(jī)性的設(shè)計(jì)現(xiàn)象中揭示出簡單性與規(guī)律性的生成邏輯[4]。博揚(yáng)·泰帕夫切維奇（Bojan Tepavcevic）等進(jìn)一步指出形狀語法能夠以直觀可讀的方式呈現(xiàn)出形狀迭代的過程，并將所有生成的形狀賦以可操作性[5]?；诖?，形狀語法在早期應(yīng)用時(shí)主要是以圖示化推理的方式分析復(fù)雜形狀的生成過程，一方面，通過以幾何形狀為基本單位的規(guī)則研究，探索既有設(shè)計(jì)語言的生成邏輯；另一方面，用于分析相似而不同的設(shè)計(jì)作品時(shí)，判斷它們是否使用了相同或相近的設(shè)計(jì)語言。

當(dāng)利用形狀語法分析設(shè)計(jì)作品時(shí)，首先，應(yīng)選擇一個(gè)或一組設(shè)計(jì)樣本作為語料庫，從中抽象提取出一系列具有代表性的形狀結(jié)果；然后，通過分析由形狀詞匯構(gòu)成的空間關(guān)系及變化規(guī)律，確定大致的形狀規(guī)則，進(jìn)而根據(jù)以上認(rèn)識(shí)定義一個(gè)初始形狀，并嘗試進(jìn)行推理運(yùn)算。通常而言，經(jīng)過合理的分析過程而定義的初始形狀和形狀規(guī)則，均能通過推理驗(yàn)證其生成結(jié)果從屬于既有語料庫，還能生成與既有形狀詞匯具有相同空間關(guān)系和功能屬性的其他結(jié)果。解析式形狀語法在實(shí)施時(shí)主要涉及網(wǎng)格（Grid）、細(xì)分（Subdivision）、加法（Addition）三種策略。①網(wǎng)格分析用于推理具有一定比例或模數(shù)的形狀生成過程，一般應(yīng)先基于設(shè)計(jì)樣本的幾何構(gòu)成、尺寸比例等關(guān)系，劃分出矩形或方形的網(wǎng)格，之后在網(wǎng)格中勾勒出形狀輪廓，劃分出大致的空間關(guān)系，進(jìn)而不斷增加設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。

②細(xì)分分析用于推理具有固定邊界或外部輪廓的形狀生成過程，例如，將經(jīng)抽象化的建筑外部輪廓設(shè)定為初始形狀，對(duì)其進(jìn)行多次切割和進(jìn)一步細(xì)分后獲得所有關(guān)于內(nèi)部功能房間布局的可能性結(jié)果。③加法分析與細(xì)分分析相反，用于推理具有不規(guī)則的邊界或外部輪廓的形狀生成過程；在該策略的實(shí)施過程中，初始形狀應(yīng)首先得到明確，它既可能是一個(gè)抽象的點(diǎn)，也可能是一處具體的空間；當(dāng)初始形狀被識(shí)別后，即可調(diào)取相應(yīng)的加法規(guī)則進(jìn)行推理運(yùn)算。

2.“探淵索珠”的生成式形狀語法

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，一些研究者基于不同的編程語言，實(shí)現(xiàn)了對(duì)形狀規(guī)則的自動(dòng)推理，使其更多地作為一種生成設(shè)計(jì)方法實(shí)施。生成式形狀語法（Original Shape Grammar）在應(yīng)用時(shí)類似于一種“探淵索珠”的過程。其主要步驟是：主觀選取一組空間關(guān)系和形狀詞匯，以此定義初始形狀與形狀規(guī)則；通過規(guī)則推理生成符合特定設(shè)計(jì)語言風(fēng)格的設(shè)計(jì)結(jié)果。在探索由形狀詞匯構(gòu)成的空間關(guān)系時(shí)，要么從分析既有設(shè)計(jì)方案的過程中提取，要么從零開始構(gòu)建。對(duì)前者而言，需要在解析既有語料庫的基礎(chǔ)上，通過形狀規(guī)則的定義與推理，綜合使用網(wǎng)格、細(xì)分、加法三種策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)原有設(shè)計(jì)作品的復(fù)現(xiàn)、拓展與更新，這意味著在解析某種設(shè)計(jì)語言時(shí)，既能以形狀語法為媒介進(jìn)行直觀的“閱讀”，作為“分析之用”，也能通過定義替換、減法、組合等形狀規(guī)則實(shí)現(xiàn)“借題發(fā)揮”，獲得與既有語料庫“同根”的新結(jié)果；對(duì)后者而言，由于不涉及對(duì)既有設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，所以可通過自定義初始形狀并實(shí)施規(guī)則推理，獲得符合預(yù)期的生成結(jié)果?；诖耍c解析式形狀語法相比，生成式形狀語法屬于一種基于規(guī)則的專家系統(tǒng)（Rulebased Expert System），為“設(shè)計(jì)之用”提供了一種全新的可能性。

在計(jì)算機(jī)支持下，自動(dòng)推理的運(yùn)算效率得到了大幅度提高，能夠在較短時(shí)間內(nèi)生成更多符合需求的結(jié)果。生成式形狀語法在實(shí)施時(shí)主要涉及過程性推理和自動(dòng)化交互兩種策略。①過程性推理用于推理某種形狀語法的生成過程，該策略一般面向生成設(shè)計(jì)過程，通過計(jì)算機(jī)語言將形狀規(guī)則編碼為形狀語法解釋程序，用戶可輸入自定義的設(shè)計(jì)參數(shù)以實(shí)現(xiàn)特定形狀語法的自動(dòng)化生成。②自動(dòng)化交互用于大量且復(fù)雜的設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)，可提升語法解釋的效率，通常要結(jié)合AutoCAD、Rhino、Grasshopper等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具，從中置入特定的形狀語法插件，使之能大批量、自動(dòng)化生成更多靈活性高的結(jié)果，還能與BIM、圖形用戶界面（GUI）等平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)全過程的集成與管理。

四、利用規(guī)則推理解決復(fù)雜設(shè)計(jì)問題的實(shí)現(xiàn)路徑

形狀語法被提出后，在藝術(shù)、工業(yè)、建筑等設(shè)計(jì)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。20 世紀(jì)70 年代初至20 世紀(jì)80 年代末是形狀語法研究的起步階段，主要針對(duì)繪畫裝飾和經(jīng)典建筑進(jìn)行風(fēng)格解析。20 世紀(jì)90 年代，一些研究者結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)相繼提出了利用形狀語法解決特定設(shè)計(jì)問題的系統(tǒng)框架，相關(guān)成果主要集中于工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。2001 年，何塞·M·平托·杜阿爾特（José M.Pinto Duarte）在研究阿爾瓦羅·西扎（Alvaro Siza）的馬拉蓋拉（Malagueira）社會(huì)住宅過程中提出了基于形狀語法的大規(guī)模定制住宅設(shè)計(jì)系統(tǒng)，這被視為形狀語法朝向數(shù)字化發(fā)展的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。之后，形狀語法主要作為一種計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具用于解決量大、復(fù)雜的設(shè)計(jì)問題。

1.繪畫裝飾藝術(shù)：幾何美學(xué)的解讀與重構(gòu)

雖然形狀語法源于藝術(shù)，但相較于其他領(lǐng)域，與藝術(shù)的關(guān)聯(lián)研究并不豐富，僅局限于分析由簡單線條或幾何形狀構(gòu)成的裝飾繪畫作品。最早的形狀語法應(yīng)用案例始于1977 年，斯蒂尼在研究中國冰裂紋窗花時(shí)，定義了一種對(duì)幾何平面形狀進(jìn)行細(xì)分的形狀規(guī)則，即以凸多邊形作為初始形狀，在其左右兩邊之間設(shè)置一條連接線，將原有形狀劃分為兩個(gè)新凸多邊形。這一規(guī)則適用于利用任意三角形、凸四邊形或凸五邊形生成具有冰裂紋形狀特征的圖案設(shè)計(jì)（圖3-1）[6]。1980 年，奈特分析了赫波懷特式（Hepplewhite）盾形椅背，并在此基礎(chǔ)上提出了一種由直線轉(zhuǎn)變?yōu)榍€的形狀規(guī)則（圖3-2）[4]。1986 年，瓊·基爾希（Joan L. Kirsch）分析了美國畫家理查德·迪本科恩（Richard Diebenkorn）的抽象油畫作品，他以矩形為初始形狀對(duì)其進(jìn)行不斷細(xì)分，將所劃分的區(qū)域定義了不同的標(biāo)簽，并且分別設(shè)定了與標(biāo)簽相對(duì)應(yīng)的形狀規(guī)則（圖3-3）[7]。同年，奈特通過將“I”形線條轉(zhuǎn)換為“S”形線條的方式，重構(gòu)了傳統(tǒng)希臘式裝飾紋理（Greek Meander）（圖3-4）[8]。1989 年，奈 特研究了風(fēng)格派藝術(shù)家喬治·萬通格魯（Georges Vantongerloo）的繪畫作品，利用形狀語法將不同時(shí)期的作品關(guān)聯(lián)在一起，摸清了其20 年間畫風(fēng)的轉(zhuǎn)變（圖3-5）[9]。1995 年，約翰·羅洛（John Rollo）針對(duì)弗蘭克·勞埃德·賴特（Frank Lloyd Wright）建筑作品中窗戶的形式展開分析，推理出具有規(guī)律性的設(shè)計(jì)風(fēng)格（圖3-6）[10]。以上研究說明形狀語法在藝術(shù)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中多用于對(duì)二維幾何形狀進(jìn)行美學(xué)重構(gòu)，很少涉及形狀的功能屬性。

圖3： 繪畫裝飾藝術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用案例的形狀規(guī)則和設(shè)計(jì)分析

2.工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)：用戶需求的響應(yīng)與匹配

藝術(shù)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中關(guān)于形狀與功能聯(lián)系不足的問題在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中得到了回應(yīng)。喬納森·卡根（Jonathan Cagan）指出，形狀語法既可以利用已有的構(gòu)配件對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行重構(gòu)，也可以創(chuàng)造出具有不同風(fēng)格的新產(chǎn)品[11]。因此，形狀語法在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中更多的是服務(wù)于功能而非形式。1994年，肯尼思·布朗（Kenneth Brown）通過形狀語法開發(fā)了一種“車床語法”，在車床上實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)各種具有特定功能屬性和形狀特征的構(gòu)配件（圖4-1）[12]。1998 年，馬尼什·阿加瓦爾（Manish Agarwal）基于咖啡機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)形式開發(fā)了一種“咖啡機(jī)語法”，在功能和形式兩個(gè)層面提出了包括過濾器、儲(chǔ)水槽和基座三個(gè)子規(guī)則系統(tǒng)（圖4-2）[13]。2010 年，盧兆麟總結(jié)了運(yùn)用形狀語法進(jìn)行產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的具體步驟，并以別克汽車前臉造型設(shè)計(jì)為例進(jìn)行了說明（圖4-3）[14]。2011 年，杜阿爾特以索乃特椅子（Thonet Chair）為例，提出了一種基于形狀語法的大規(guī)模定制家具系統(tǒng)，支持用戶創(chuàng)建滿足其需求的座椅樣式（圖4-4）[15]。綜上可知，形狀語法作為一種能夠?qū)臻g關(guān)系進(jìn)行精確建模、推理生成和遍歷搜索的工具，能夠較好地解決大量性工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)中經(jīng)常存在的設(shè)計(jì)效率低下等問題，不僅可以協(xié)助設(shè)計(jì)師獲取若干備用方案，而且能夠輔助用戶獲得滿足其需求的最佳配置結(jié)果。

圖4： 工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用案例的形狀規(guī)則和設(shè)計(jì)分析

3.系列建筑設(shè)計(jì)：空間關(guān)系的復(fù)現(xiàn)與創(chuàng)造

形狀語法在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用研究主要涉及建筑風(fēng)格的“經(jīng)典解析”和“全新設(shè)計(jì)”兩方面。在具體應(yīng)用中，首先要將建筑的平面布局、空間形態(tài)、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等抽象為二維或三維的幾何形狀，再將研究對(duì)象中出現(xiàn)的比例、尺度、功能等關(guān)系提煉為形狀規(guī)則，進(jìn)而將建筑風(fēng)格轉(zhuǎn)換為一種便于清晰描述的設(shè)計(jì)語言。1978 年，斯蒂尼和威廉·米切爾（William J. Mitchell）針對(duì)帕拉第奧系列別墅之一的馬孔坦塔別墅（Villa Malcontenta）進(jìn)行解析研究，是形狀語法在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的開山之作，他們提出了72 條規(guī)則并按照8 個(gè)階段進(jìn)行推理：①劃分網(wǎng)格；②確定外墻；③確定房間布局；④調(diào)整內(nèi)墻；⑤調(diào)整門廊和外墻；⑥確定裝飾柱位置；⑦確定門窗位置；⑧推理終止[16]（圖5-1）。1981 年，奈特、弗朗西斯·唐寧（Frances Downing）、馬爾里?！じトR明（Ulrich Flemming）分別對(duì)日本傳統(tǒng)茶室[17]（圖5-2）、美國布法羅（Buffalo）住宅[18]（圖5-3）、意大利朱利亞尼·弗里杰里奧（Casa Giuliani Frigerio）公寓[19]（圖5-4）進(jìn)行了設(shè)計(jì)解析，它們不同于帕拉第奧式別墅中針對(duì)矩形建筑輪廓的細(xì)分分析，而是利用加法分析，推理生成了具有一定隨機(jī)性的建筑輪廓。1994年，塔姆辛·赫伯特（Tamsin Herbert）在研究非洲傳統(tǒng)恩德貝勒（Ndebele）住宅時(shí)制定了一套模擬大規(guī)模增量住宅設(shè)計(jì)的形狀規(guī)則，將研究對(duì)象由建筑單體擴(kuò)展至建筑群體，為后續(xù)的非正規(guī)住區(qū)、城市設(shè)計(jì)等研究方向奠定了基礎(chǔ)[20]。1996 年，邱上嘉（Shang-Chia Chiou）基于臺(tái)灣建筑風(fēng)水理論和傳統(tǒng)合院的空間組織關(guān)系，研究了正房、庭院、廂房、倒座的生成過程，該研究是形狀語法引入中國后的早期成果之一（圖5-5）[21]。2001 年，李以康（Andrew I-kang Li）對(duì)《營造法式》中所描述的中國宋代傳統(tǒng)建筑語言進(jìn)行分析，分別制定了開間、進(jìn)深、柱子等平面布局規(guī)則及梁、柱、舉折等剖面變化規(guī)則，進(jìn)而將規(guī)則推理結(jié)果與現(xiàn)存其他朝代的傳統(tǒng)建筑做法進(jìn)行了比較，探索了中國傳統(tǒng)建筑的演化過程（圖5-6）[22]。

圖5： 建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用案例的形狀規(guī)則和設(shè)計(jì)分析

五、形狀語法的案例解讀與設(shè)計(jì)應(yīng)用

形狀語法在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用研究中，已經(jīng)形成了系列化的“經(jīng)典解析”類案例成果，例如關(guān)于弗蘭克·勞埃德·賴特草原系列住宅的“形式解構(gòu)、風(fēng)格復(fù)盤”研究；而“全新設(shè)計(jì)”類的應(yīng)用成果尚不豐富，一些研究者針對(duì)不同的設(shè)計(jì)問題“從零開始”嘗試著開展自動(dòng)化設(shè)計(jì)生成實(shí)驗(yàn)，例如關(guān)于山東建筑大學(xué)的鄉(xiāng)村批量住宅設(shè)計(jì)研究。

1.草原系列住宅的案例解讀

形狀語法在被當(dāng)作一種設(shè)計(jì)分析工具使用時(shí)，可通過針對(duì)形狀的抽象化和規(guī)則化分析，解讀特定建筑風(fēng)格的生成邏輯。由于形狀語法更擅于描述建筑的“生形”原理，而不能完全復(fù)現(xiàn)建筑作品的所有細(xì)節(jié)，所以通過分析、解讀所建立的某種建筑風(fēng)格的形狀語法可能無法完全符合歷史現(xiàn)實(shí)，甚至與建筑師的初始構(gòu)思和設(shè)計(jì)過程鮮有聯(lián)系?；诖耍翁卣J(rèn)為形狀語法能夠?yàn)檠芯空咛峁┮环N審視經(jīng)典建筑作品的新視角，幫助他們著重關(guān)注作品中潛在的構(gòu)思邏輯與創(chuàng)造性策略[23]。

賴特在1900 年前后設(shè)計(jì)的草原系列住宅，因?yàn)椤昂投煌北黄毡檎J(rèn)為是“難以破譯”的。雖然不乏相關(guān)的研究成果，但是它們更多地從空間組織方式上聚焦于草原住宅的有機(jī)性與藝術(shù)性，未能有效地破譯賴特的設(shè)計(jì)語言。直到1981 年，漢克·康寧（Hank Koning）和朱莉·伊森博格（Julie Eizenberg）選取了11 棟草原系列住宅作為語料庫（圖6-1），按照解析式形狀語法的研究邏輯并利用樹形結(jié)構(gòu)圖分析了語料的空間關(guān)系及變化規(guī)律，確定了以壁爐位置的坐標(biāo)點(diǎn)作為初始形狀、由99條形狀規(guī)則構(gòu)成、按照22 個(gè)“加法”推理階段實(shí)施的形狀語法[24]。從規(guī)則實(shí)施的階段性而言，前5 個(gè)階段主要用于推理住宅體塊組合關(guān)系，涉及18 條規(guī)則；后17個(gè)階段主要用于推理住宅細(xì)節(jié)，涉及81條規(guī)則。

以羅比住宅（Robie House）（圖6-2）為例，圖6-3 以樹形結(jié)構(gòu)圖列舉了草原系列住宅的體塊生成過程，在階段⑤所生成的89 種階段性結(jié)果中，羅比住宅的體塊方案與初始形狀及形狀規(guī)則（圖6-4）的關(guān)聯(lián)性是明晰的。以下具體分析了前5 個(gè)階段的規(guī)則推理過程：首先通過規(guī)則1 定位壁爐位置，這里使用了標(biāo)簽“△”表示壁爐所面對(duì)的方向，因其僅出現(xiàn)了一次，說明羅比住宅采用的是單向壁爐；在階段②～③中，主要通過規(guī)則7 使以壁爐為中心的體塊逐漸明確，這里使用了標(biāo)簽“▲”和“ ”表示其所在一側(cè)增加體塊的優(yōu)先級(jí)，在同樣條件下，前者要高于后者；在階段④～⑤中，主要完善了住宅主體空間并為所有體塊分配房間功能。這里需要補(bǔ)充說明的是，所有形狀規(guī)則中的字母也均作為標(biāo)簽使用，而且形狀中的不同灰度代表著不同的功能分區(qū)。

圖6： 草原系列住宅的形狀規(guī)則與案例解讀

在后17 個(gè)階段中，隨著規(guī)則推理的持續(xù)進(jìn)行，建筑形體的復(fù)雜性也隨之增加。例如，規(guī)則19、規(guī)則24 分別用于階段⑥增加輔助空間、階段⑦增加門廊；規(guī)則35～38 綜合用于階段⑨增加地下室；規(guī)則42～46、規(guī)則49～50、規(guī)則61～62、規(guī)則63 和規(guī)則65 分別用于階段⑩增加露臺(tái)、階段?完善一層外部空間細(xì)節(jié)、階段?增加二層臥室、階段?擴(kuò)大二層臥室、階段?增加臥室細(xì)節(jié)；而其余規(guī)則則分別用于階段⑧細(xì)化一層內(nèi)部空間、階段?生成雨棚、階段?刪除一層標(biāo)簽、階段?增加起居室層高、階段?刪除臥室標(biāo)簽、階段?增加屋面脊線、階段?增加陽臺(tái)、階段?刪除剩余標(biāo)簽、階段?增加屋面細(xì)節(jié)，具體內(nèi)容不再贅述。

由于在前期定義語法時(shí)，簡化了住宅的部分細(xì)節(jié)，因此通過規(guī)則推理僅能生成住宅的各層體塊及整體組合關(guān)系。為了驗(yàn)證以上生成結(jié)果與實(shí)際功能空間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，圖6-5 通過圖示推理與添加細(xì)節(jié)，以軸測(cè)圖方式對(duì)羅比住宅的設(shè)計(jì)生成過程進(jìn)行了復(fù)現(xiàn)。該過程不僅驗(yàn)證了草原系列住宅形狀語法的合理性與可行性，說明通過初始形狀和形狀規(guī)則推理能夠比較準(zhǔn)確地描述羅比住宅的設(shè)計(jì)生成過程，而且也證明了形狀語法是一種能夠有效描述建筑設(shè)計(jì)語言的應(yīng)用工具。

2.鄉(xiāng)村批量住宅的設(shè)計(jì)應(yīng)用

由于形狀語法的規(guī)則推理邏輯可以通過圖示化表達(dá)，這為設(shè)計(jì)師帶來了三方面的益處：一是利用它的“可讀性”，在一些復(fù)雜設(shè)計(jì)任務(wù)中更好地控制和表達(dá)形狀規(guī)則的推理過程；二是利用它的“過程性”，在分析或定義規(guī)則進(jìn)而生成新設(shè)計(jì)的過程中，可直觀地對(duì)某些設(shè)計(jì)推理步驟進(jìn)行檢查、修改或移除；三是利用它的“可變性”，通過調(diào)整形狀規(guī)則以控制設(shè)計(jì)推理過程，生成具有差異性的設(shè)計(jì)結(jié)果，響應(yīng)多元化的設(shè)計(jì)需求。我國鄉(xiāng)村住宅是一種體小、量大的建筑類型，隨著國家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的推行，其高質(zhì)量建設(shè)被視為5 億鄉(xiāng)村人口的福祉。與自發(fā)自建農(nóng)宅營造的鮮活語境不同的是，在一些統(tǒng)規(guī)統(tǒng)建的鄉(xiāng)村批量住宅項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)“失語”和同質(zhì)化成為一種普遍性現(xiàn)象。為了應(yīng)對(duì)以上問題，山東建筑大學(xué)JY502 工作室以形狀語法作為方法論，近年來開展了針對(duì)鄉(xiāng)村批量住宅定制設(shè)計(jì)的方法研究[25]，形成了包括項(xiàng)目、論文、專利等在內(nèi)的一系列成果。以下內(nèi)容簡述了鄉(xiāng)村批量住宅的設(shè)計(jì)應(yīng)用邏輯。

遵循解析式形狀語法和生成式形狀語法的實(shí)施過程，首先，選取北方傳統(tǒng)農(nóng)宅作為語料庫進(jìn)行解析，挖掘形態(tài)布局的空間關(guān)系和形狀詞匯；其次，參照?qǐng)D5-5 中所示的臺(tái)灣傳統(tǒng)住宅 “加法”解析策略，定義了前5 個(gè)階段共32 條形狀語法規(guī)則，主要用于生成與當(dāng)?shù)剞r(nóng)宅風(fēng)格具有相近性的初步方案；之后，為了生成更多式樣的方案，根據(jù)住宅平面的房間功能進(jìn)行劃分，結(jié)合村民的實(shí)際需求，又定義了關(guān)于第6階段的60 條規(guī)則，主要涉及“替換”規(guī)則，使每一方案均能具備個(gè)性化特征；最后，制定了3 個(gè)階段的若干條“組合”規(guī)則，用于探討聚居組團(tuán)的生成邏輯。圖7-1以樹形結(jié)構(gòu)圖列舉了鄉(xiāng)村住宅由微觀“房間”到中觀“組團(tuán)”的生成設(shè)計(jì)過程，每一結(jié)點(diǎn)均由住宅的二維平面和三維形體共同組成。通過樹形圖建立起的具有階段性特征的“父生子”圖示化推理邏輯，能夠幫助設(shè)計(jì)師明確每一階段的操作目的和生成結(jié)果，直觀地感受到父結(jié)點(diǎn)圖形和子結(jié)點(diǎn)圖形在規(guī)則作用后所產(chǎn)生的差異性，幫助設(shè)計(jì)師在解決實(shí)際問題的過程中建立設(shè)計(jì)推理的邏輯性。

為了簡化規(guī)則的表達(dá)，圖7-2 列舉了初始形狀和13 條形狀規(guī)則用于描述設(shè)計(jì)推理的前6 個(gè)階段：階段①是結(jié)合模塊化理念，將視為模塊單元的房間定義為初始形狀；階段②是通過對(duì)初始形狀應(yīng)用規(guī)則1 以增加正房的開間數(shù)量，通過規(guī)則的實(shí)施次數(shù)可確定開間的數(shù)量；階段③是通過應(yīng)用規(guī)則2 或規(guī)則3 以確定二層屋面類型，前者可生成二層高的坡屋面形式，后者可生成二層露臺(tái)的形式；階段④是通過應(yīng)用規(guī)則4～7 以適應(yīng)宅基地的有限范圍；階段⑤確定了輔房和院落布局，例如規(guī)則8將代表輔房的二維矩形替換為三維輔房形態(tài)，規(guī)則9 將表示庭院的二維矩形在其一側(cè)增加院墻；階段⑥結(jié)合村民個(gè)性需求，定義了正房平面布局的調(diào)整規(guī)則，例如，規(guī)則10 是對(duì)正房二層南側(cè)的一個(gè)開間進(jìn)行“減法”處理，形成陽臺(tái)的樣式，規(guī)則11 在正房南側(cè)增加了凸陽臺(tái)，規(guī)則12 將正房南側(cè)界面調(diào)整為陽光房，規(guī)則13 是在正房一層南側(cè)增加陽光房。為了驗(yàn)證以上形狀規(guī)則對(duì)住宅設(shè)計(jì)的作用結(jié)果，圖7-3 將前6 個(gè)階段的某一設(shè)計(jì)生成結(jié)果進(jìn)行“復(fù)原”，用以驗(yàn)證形狀語法從解析到生成過程的合理性。

圖7： 鄉(xiāng)村批量住宅的設(shè)計(jì)應(yīng)用

六、結(jié)論

早期的形狀語法研究強(qiáng)調(diào)在保證可視化的前提下對(duì)簡單形狀以手動(dòng)方式進(jìn)行規(guī)則推理，是一種側(cè)重“形式化”分析的工具，尤其適用于形式驅(qū)動(dòng)的分析與設(shè)計(jì)過程。因?yàn)樾螤钫Z法的推理過程更易于被藝術(shù)家或設(shè)計(jì)師所理解，所以其應(yīng)用范圍涉及很多領(lǐng)域。近年來，隨著與計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等學(xué)科的交叉融合，形狀語法在自身理論不斷發(fā)展與完善的基礎(chǔ)上，也在不斷拓展其應(yīng)用路徑。其一，形狀語法用于解決復(fù)雜設(shè)計(jì)問題時(shí)，結(jié)合設(shè)計(jì)語義的能力和效率得到大幅提升，不僅能實(shí)施復(fù)雜多樣的形狀規(guī)則，而且能將用戶需求轉(zhuǎn)譯，與形狀規(guī)則進(jìn)行匹配；其研究實(shí)施對(duì)象逐漸由簡入繁，特別是在1980 年代部分歐美建筑院校，例如卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)洛杉磯分校、里斯本大學(xué)等，陸續(xù)在本科或研究生階段開設(shè)形狀語法課程，越來越多的成果涉及更為復(fù)雜的教育建筑、建筑遺產(chǎn)、大規(guī)模住宅、非正規(guī)住區(qū)及城市設(shè)計(jì)研究。其二，描述語法（Descriptive Grammar）、并行語法（Parallel Grammar）、排序語法（Sortal Grammar）、集合語法（Set Grammar）、圖形語法（Graph Grammar）等形狀語法的研究分支相繼產(chǎn)生，它們對(duì)科學(xué)解析設(shè)計(jì)作品和理性推理生成設(shè)計(jì)意義深遠(yuǎn)[26]，例如，圖形語法的對(duì)偶圖原理已廣泛用于建筑設(shè)計(jì)作品分析[27]；形狀語法與其他數(shù)字模型的集成研究也成為研究熱點(diǎn)，例如耦合元胞自動(dòng)機(jī)（Cellular Automata）、遺 傳 算 法（Genetic Algorithms）、L 系統(tǒng)（L-systems）、多智能體（Multi-Agent）等建立生成設(shè)計(jì)系統(tǒng)，通過開發(fā)基于多個(gè)子系統(tǒng)的復(fù)合模型來實(shí)現(xiàn)更為靈活的設(shè)計(jì)探索，進(jìn)而解決更為復(fù)雜的設(shè)計(jì)需求；維沙爾·辛格（Vishal Singh）等還構(gòu)建了集成形狀語法和多種生成模型的設(shè)計(jì)框架，能夠在不同的設(shè)計(jì)階段采用多種生成設(shè)計(jì)方法以輔助設(shè)計(jì)決策[28]。其三，更多的研究者致力開發(fā)基于形狀語法的計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序，主要包括形狀語法解釋器和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)程序，前者通常內(nèi)置一種特定的形狀語法，通過用戶操控語法解釋器演示形狀自動(dòng)推理與生成設(shè)計(jì)的過程，例如托馬斯·格拉斯（Thomas Grasl）等開發(fā)的GRAPE程序[29]以及魯?shù)稀に雇蟹蛩梗≧udi Stouffs）開發(fā)的SortalGI 程序[30]；后者面向?qū)嶋H的設(shè)計(jì)應(yīng)用，包括大規(guī)模定制住宅設(shè)計(jì)系統(tǒng)[31][32]和三維城市建模，例如帕斯卡爾·穆勒（Pascal Müller）基于形狀語法開發(fā)的三維城市建模程序CityEngine，用于城市設(shè)計(jì)尺度的大規(guī)?？焖俳33]。

然而，形狀語法在應(yīng)用時(shí)也存在一定的局限性：其一，形狀語法的計(jì)算性、邏輯性較強(qiáng)，這在一定程度上會(huì)“抑制”設(shè)計(jì)師的跳躍性思維，所以形狀語法在普適性應(yīng)用方面仍存在爭議；其二，基于形狀語法的設(shè)計(jì)推理過程時(shí)刻伴隨著經(jīng)驗(yàn)主義和慣性思維，使用者在很多情況下無法遍歷所有的設(shè)計(jì)問題，而且難以簡化形狀規(guī)則的推理過程；其三，形狀語法的運(yùn)算邏輯在工作流程上與通用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具仍存在不易兼容、集成的問題，若要朝向更加數(shù)字化、智能化的方向發(fā)展，仍然任重道遠(yuǎn)。