袁濤 呂健

摘要：為了滿足貴州苗侗少數(shù)民族地區(qū)新農(nóng)村建設(shè)中木制民居的文化傳承以及快速建造的需求，重點從面向用戶的個性化定制模式出發(fā)，提出了基于案例推理的木制民居產(chǎn)品配置設(shè)計方法。通過對木制民居案例進行解構(gòu)分析，構(gòu)建了基于結(jié)構(gòu)樹的產(chǎn)品配置表征模型，并針對該方法中民居構(gòu)造模型的建立、產(chǎn)品配置設(shè)計流程以及相似案例的檢索方法等關(guān)鍵技術(shù)開展了研究。最后以木制民居的配置設(shè)計為例，對該方法進行了驗證。

關(guān)鍵詞：案例推理;木制民居;大規(guī)模定制;配置設(shè)計

中國分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2018}07-0151-02

裝配式技術(shù)在建筑行業(yè)中的運用得到了業(yè)界廣泛的認同和重視，其生產(chǎn)模式逐漸由大批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榇笠?guī)模定制生產(chǎn)。目前，關(guān)于產(chǎn)品定制設(shè)計的理論方法主要有案例推理（Case-basedReasoning，CBR）理論[1]、參數(shù)化方法[2]、模塊化方法[3]、可拓學理論等[4]。CBR理論是實現(xiàn)定制設(shè)計的重要手段之一，得到了國內(nèi)外多個領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，尤其是應(yīng)用在產(chǎn)品配置設(shè)計中。本文重點針對在木制民居配置流程以及相似案例檢索方式，結(jié)合CBR理論，對貴州黔東南少數(shù)民族木制民居進行構(gòu)造特征解構(gòu)，提出基于CBR的產(chǎn)品配置設(shè)計方法，并對該方法進行了驗證。

1 木制民居案例解構(gòu)及表征模型

1.1 案例解構(gòu)分析

干欄是南方少數(shù)民族住宅建筑形式之一[5]。隨著人們生活水平的發(fā)展，已經(jīng)從單純的兩層發(fā)展為三層、四層。民居的構(gòu)架一般由“排架”、“開間枋”和“檁條”構(gòu)成，“排架”根據(jù)瓜柱的數(shù)量可分為五柱四瓜、五柱六瓜、五柱八瓜，瓜柱越多，房屋的建筑規(guī)模越大（圖1）。在民居建造時，通常根據(jù)房屋的建筑規(guī)模決定排架的數(shù)量，一般有四排三間、六排五間[6]。其屋面形式主要有懸山頂、歇山頂、硬山頂，屋檐形式分為單檐和重檐，屋面材料主要有小青瓦、樹皮和茅草。根據(jù)屋面倒水形式，可分為兩面倒水、三面倒水和四面倒水，其中以兩面倒水運用最多。除以上一些必要的建筑構(gòu)造形式，還包括偏廈、谷倉、廊道、美人靠、吊柱及柱頭、欄板與窗欞等附屬建筑和裝飾構(gòu)件[7]。

1.2 民居案例庫建設(shè)

通過對貴州省黔東南州的實地調(diào)研，對苗侗木制民居數(shù)據(jù)資料進行采集、整理、分類、統(tǒng)計、分析，建立了苗侗木制民居原始案例庫。結(jié)合民居的結(jié)構(gòu)特性對其構(gòu)造部件進行系統(tǒng)的分類與形態(tài)解構(gòu)，分析房屋部件的使用規(guī)律及在不同場景的應(yīng)用狀態(tài)，構(gòu)建用于CBR實例推理的案例庫，案例內(nèi)容包括：民居戶型庫、功能結(jié)構(gòu)庫、文化資源庫、數(shù)據(jù)資源庫等，為研究者及使用者提供精準、可靠的案例資源。

1.3 基于結(jié)構(gòu)樹的產(chǎn)品配置表征模型

根據(jù)苗侗木制民居案例解構(gòu)分析建立的民居案例庫，將木制民居形態(tài)構(gòu)成以一定的規(guī)則映射為一個多元化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，每一個樹狀結(jié)點根據(jù)層級不同代表不同的產(chǎn)品要素。在產(chǎn)品配置過程中從最底層的結(jié)點進行約束匹配，根據(jù)結(jié)點層級結(jié)構(gòu)依次進行不同配置的選擇，最后將所有結(jié)點以預(yù)先定義好的配置約束條件進行組合，再通過知識和經(jīng)驗的修正，實現(xiàn)不同需求的配置結(jié)果輸出。

2 基于CBR的木制民居配置設(shè)計

2.1 相關(guān)概念

1）構(gòu)造單元是指對某一構(gòu)件進行修改就可以用在不同產(chǎn)品上面的可以實現(xiàn)一種或幾種構(gòu)造功能的產(chǎn)品裝配件。

2）構(gòu)造載體是將眾多構(gòu)造單元集合而成的產(chǎn)品案例集。

2.2 木制民居配置流程

在配置設(shè)計過程中，可以在民居案例庫中查找滿足客戶基本功能需求的構(gòu)造單元集合，并將其組合成一個木制民居的產(chǎn)品構(gòu)造載體。然后通過相似性算法在案例庫中檢索與該產(chǎn)品構(gòu)造載體最相近的一個案例，并將其作為木制民居的構(gòu)造原型，使得在詳細設(shè)計階段只需要根據(jù)目標產(chǎn)品構(gòu)造載體與相似案例產(chǎn)品的不同之處，對相似案例加以修正，就可以獲得用戶需要的產(chǎn)品。

2.3 相似民居案例的查找

木制民居構(gòu)造載體的構(gòu)建只是處于概念設(shè)計階段，需經(jīng)過詳細設(shè)計才能轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蛏a(chǎn)的產(chǎn)品。因此，從已有的民居案例庫中提取出與所需構(gòu)建的民居構(gòu)造載體最相似的設(shè)計方案，從而為詳細設(shè)計階段提供一個合適的可參照案例，是將基于結(jié)構(gòu)樹的案例推理方法在產(chǎn)品配置設(shè)計中推向?qū)嵱没闹匾緩健?/p>

根據(jù)基于結(jié)構(gòu)樹的產(chǎn)品配置設(shè)計表征模型，將木制民居構(gòu)造載體中的構(gòu)造單元案例化，構(gòu)建出如圖2所示的木制民居結(jié)構(gòu)樹。

因為木制民居結(jié)構(gòu)樹是一棵無規(guī)則樹，同層級的結(jié)點能夠相互置換，結(jié)點在樹中的位置可以由該結(jié)點到根結(jié)點所經(jīng)歷的各結(jié)點形成的鏈表來表示[8]。

木制民居案例結(jié)構(gòu)樹可表達為上述結(jié)點的集合：

木制民居案例檢索相似度計算公式如下：

其中，num（nodl⌒nod2）與num（nod1∪nod2）分別表示產(chǎn)品p1和產(chǎn)品p2所包含結(jié)點交集與并集中的元素數(shù)目;S_n表示結(jié)點交集中成對的兩個結(jié)點之間的相似度。

式中，Consist（nodi）表示對成對結(jié)構(gòu)結(jié)點的比較，當產(chǎn)品p1和產(chǎn)品p2都包含有該結(jié)構(gòu)結(jié)點時，其數(shù)值為1，反之為O;num（nod1i⌒nod2i）與num（num（nod1i⌒nod2i）分別表示成對結(jié)構(gòu)結(jié)點在結(jié)構(gòu)樹中所涵蓋的位置結(jié)點交集與并集中的元素數(shù)目。

3 應(yīng)用實例

本文將貴州苗族侗族木制民居大規(guī)模個性化定制作為設(shè)計案例，對其進行民居產(chǎn)品的配置設(shè)計，驗證基于結(jié)構(gòu)樹與CBR理論的產(chǎn)品配置方法的可行性。假設(shè)客戶需要構(gòu)建一座木制民居A，對其功能和結(jié)構(gòu)要求為“五柱四瓜前后吊瓜”、“四排三間”、“兩層”、“底層架空”、“單檐懸山頂”、“有廊道”等一些房屋構(gòu)造特征。首先對民居案例庫中所有構(gòu)造單元進行檢索和篩選，獲得如圖3所示的民居構(gòu)造結(jié)構(gòu)樹。

其次檢索與民居A構(gòu)造載體結(jié)構(gòu)樹最類似的案例。假設(shè)案例庫中有如圖4（a）和4（b）所示的兩項案例。按照公式（1）和公式（2）求得其與木制民居A的相似程度。

民居A與民居B的相似度為：

因此，對于民居A來說，民居C比民居B更接近目標產(chǎn)品，設(shè)計師可以將其作為設(shè)計雛型。在接下來的詳細設(shè)計階段，以構(gòu)建民居A的構(gòu)造載體為目標，以民居C作為設(shè)計雛型，就可以對民居A進行詳細設(shè)計，之后輸出案例，最后通過方案評價來最終確定是否符合客戶要求，未符合要求的方案重新進行詳細設(shè)計，符合客戶要求的方案輸出案例結(jié)果，完成設(shè)計任務(wù)，并將新案例歸置于木制民居產(chǎn)品案例庫中。

4 結(jié)語

本文針對貴州苗侗少數(shù)民族木制民居的個性化定制，為企業(yè)提供了一種基于案例推理的木制民居配置設(shè)計方法。以民居的構(gòu)造特征作為配置設(shè)計的基本屬性，采用案例推理理論，在目標案例與設(shè)計案例構(gòu)造不同的情況下，通過案例檢索，查找到與目標案例在結(jié)構(gòu)特征上最為相似產(chǎn)品的一種配置設(shè)計方法。并對該方法進行了驗證，取得了良好的效果。

本文系國家科技支撐計劃（2014BAH05F01）;貴州省科技基金項目（重大專項字[2015]6008，[2015]6014，LH字[2016]7467，[2016]2327，[2013]4005，[2012]2747，[201212484）;貴大（人基合字[2016]12）。

參考文獻

[1]WANG Pengjia，GONG Yadong，XIE Hualong， et al Applying CBR to Machine Tool ProductConfiguration Design Oriented to Customer Requirements[J] Chinese Journal ofMechanical Engineering， 201 7，（01）：60-76

[2]王宗彥，虞國軍，吳淑芳，等，面向并行工程的機械產(chǎn)品參數(shù)化協(xié)同設(shè)計[J].中南大學學報（自然科學版），2013， （02）：552 557.

[3]高文斌，王洪光，姜勇，等，模塊化可重構(gòu)機器人標定方法研究[J].機械工程學報，2013，（17）：92-100.

[4]周建強，趙燕偉，王歡，等，基于知識的大規(guī)模定制產(chǎn)品可拓配置設(shè)計[J]，機械設(shè)計，2012，（09）：14-21.

[5]張春曉，嚴愛軍，王普，一種改進的案例推理分類方法研究[J].自動化學報，2014， （09）：2015-2021.

[6]孟潔，基于案例推理的建筑方案設(shè)計流程研究[D]，哈爾濱工業(yè)大學，2015.

[7]羅德啟.貴州民居[M]，北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[8]張雷，劉光復(fù)，胡迪，基于實例推理的產(chǎn)品配置設(shè)計研究[J]，合肥工業(yè)大學學報（自然科學版），2008， （06）：847-850.