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(shè)計(jì)教育和設(shè)計(jì)實(shí)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(shè)計(jì)學(xué)科中關(guān)于空間思維能力訓(xùn)練的問題。并從理論和設(shè)計(jì)實(shí)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(shè)計(jì)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(biāo)。

關(guān)鍵詞：自由形態(tài) 空間思維能力 設(shè)計(jì)方法

一、自由形態(tài)研究的動(dòng)機(jī)

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(shí)體形態(tài)的分析，往往只存在于其大概的樣子。這些實(shí)體都是曲面的，只能去感知，很難有辦法精準(zhǔn)計(jì)算。對于自由形體的認(rèn)識(shí)，通常在曲面的基礎(chǔ)之上嘗試如何提高三維的認(rèn)識(shí)，并使用透視學(xué)方法來描繪形體的外輪廓。透視學(xué)方法可以幫助提升三維的記憶能力，同時(shí)這也是國內(nèi)設(shè)計(jì)學(xué)課程的基本設(shè)置。但是，對于這種方法的訓(xùn)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(xué)習(xí)之后，學(xué)生對于自由形態(tài)的再創(chuàng)造將會(huì)出現(xiàn)困難?？臻g類課程設(shè)計(jì)的目的在于訓(xùn)練學(xué)生的空間思維能力，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)之后能夠理解空間關(guān)系，能夠表達(dá)空間中的形體，進(jìn)而能夠創(chuàng)造出新的形體。所以，我們應(yīng)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(xué)過程中授人以漁。

在歐幾里得空間基礎(chǔ)理論中：點(diǎn)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(gè)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(gè)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(xué)上具備完整的理論基礎(chǔ)。17-18世紀(jì)由數(shù)學(xué)家牛頓和萊布尼茨建立的微積分學(xué)，創(chuàng)造性地解決了自由曲線、曲面及自由形態(tài)的計(jì)算問題，并成為數(shù)學(xué)史上最偉大的理論之一。同樣的，微積分學(xué)的建立對于設(shè)計(jì)學(xué)科中實(shí)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(xué)在實(shí)體模型上的表達(dá)（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(dú)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(yuǎn)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(shí)現(xiàn)了曲面形態(tài)的創(chuàng)造：兩個(gè)縱橫龍骨構(gòu)成面，當(dāng)諸多縱橫龍骨完成的時(shí)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(shí)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(jìn)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(dá)出來（如圖3）。

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

1.冰山——單一維度切片表達(dá)：在設(shè)計(jì)之初，我們選擇表達(dá)冰山最明顯的曲面，在三維軟件中把選定的冰山形態(tài)進(jìn)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(dá)：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(shí)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(gè)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(gè)維度，再到三個(gè)維度的設(shè)計(jì)實(shí)踐，使得切片方法的應(yīng)用也得到了不斷的拓展和完善（如圖6、7、8、9）。

3.儲(chǔ)能電池——切片的表皮設(shè)計(jì)：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(bǔ)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(chǔ)上，我們將表皮的形態(tài)設(shè)計(jì)運(yùn)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(shè)計(jì)的一款家用儲(chǔ)能設(shè)備使用了這種方法（如圖10、11）。

這款儲(chǔ)能設(shè)備的概念源自于水波，能量本身也是一種波，在儲(chǔ)能設(shè)備表皮的設(shè)計(jì)上希望能夠表達(dá)一種波動(dòng)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(xì)膩中充滿著力量的形態(tài)，而這種形態(tài)的表達(dá)就使用切片的方法得到了實(shí)現(xiàn)—每一條“波紋”的形態(tài)都形成了波動(dòng)變化，“波紋”與“波紋”之間也同樣形成波動(dòng)變化（如圖12）。

4.海螺一中心旋轉(zhuǎn)切片：當(dāng)切片方法延展到三個(gè)維度之后，基本上可以實(shí)現(xiàn)所有具象實(shí)體的形態(tài)表達(dá)，但是對于一些特殊的形體，使用三個(gè)維度的切片方法表達(dá)就會(huì)比較困難，比如海螺。這種情況下，如要對其進(jìn)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(shí)，由于此類形體內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在表達(dá)時(shí)易形成非常多的缺陷，出現(xiàn)表達(dá)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(zhǔn)，就能夠較為容易地實(shí)現(xiàn)形態(tài)模擬（如圖13、14、15、16、17）。

在設(shè)計(jì)學(xué)科的教學(xué)中，實(shí)體模型的解析、研究和制作對于學(xué)生的重要性不言而喻，實(shí)踐的過程就是學(xué)習(xí)的過程，只有實(shí)踐操作才能深刻地體會(huì)形態(tài)與空間的關(guān)系。因此，切片方法的運(yùn)用對于提升學(xué)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(zhǔn)地解構(gòu)和組建已知的自由形態(tài)，但在設(shè)計(jì)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(chǔ)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(shí)間感還是力量感，或者是同時(shí)兼?zhèn)?。拉伸的過程分為三種類型：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(xué)新醫(yī)學(xué)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(fù)。因此，在切片的表達(dá)中，所有切片都相同。

汕大醫(yī)學(xué)院于2016年建成使用，從正面看，整座醫(yī)學(xué)院大樓是一個(gè)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(xué)模型：漸變拉伸是有一個(gè)平面形態(tài)通過線性軌跡拉伸，并同時(shí)漸變成為另一個(gè)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(gè)拉伸過程常常需要借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)來表達(dá)。因此在切片的表達(dá)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(gè)或多個(gè)過程的特定形態(tài)，從而控制整個(gè)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(dá)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(fēng)車、風(fēng)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(shí)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(gè)點(diǎn)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(shí)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(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)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(shè)計(jì)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(xué)實(shí)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(shí)我們用切片的方法將這些形態(tài)實(shí)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(xué)畢業(yè)戒指：在長期的形態(tài)研究之后，2017年4月，我們運(yùn)用拉伸與旋轉(zhuǎn)的方法為汕頭大學(xué)設(shè)計(jì)了一款畢業(yè)紀(jì)念戒指——STU。

汕頭大學(xué)畢業(yè)紀(jì)念戒指“STU”是汕頭大學(xué)英文名shantouuniversity的簡寫，作為汕頭大學(xué)歷史上首次官方贈(zèng)送的畢業(yè)紀(jì)念戒指，在設(shè)計(jì)之初，我們希望能夠在這款戒指上表達(dá)汕頭大學(xué)從小到大、從偏僻一隅到國際知名的發(fā)展歷程，學(xué)校30多年來的歷史記憶，以及畢業(yè)生對母校一生的時(shí)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(gè)平面中間的故事和情節(jié)，如果STU是一個(gè)結(jié)果，那么在30年的變化中“STU”到底應(yīng)該呈現(xiàn)出什么狀態(tài)。我們糾結(jié)的是“STU”是從-點(diǎn)開始的，這個(gè)點(diǎn)是什么7是抽象的點(diǎn)，也是具象上的點(diǎn)。這個(gè)點(diǎn)可以說是一個(gè)地方，一個(gè)人，一個(gè)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(xué)，這是有故事和情節(jié)在里面的。

我們將“STU”平面圖形進(jìn)行從小到大的漸變拉伸后，再中心旋轉(zhuǎn)成為一個(gè)具有第四維時(shí)間概念的實(shí)體形態(tài)?！癝TU畢業(yè)紀(jì)念戒指”在切片的表達(dá)中，每個(gè)界面都是STU縮影，從一個(gè)最小點(diǎn)的STU逐漸變得強(qiáng)大，最終成為現(xiàn)在的形狀?！癝TU”戒指的形狀是一個(gè)發(fā)展的過程，由無數(shù)個(gè)“STU”字母組成，是一個(gè)定格的動(dòng)態(tài)，是四維時(shí)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(shí)間感、速度感和光感，是一個(gè)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(gè)創(chuàng)造的過程之中，我們需要不斷地實(shí)驗(yàn)、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(yùn)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(dá)到理想的效果。

總結(jié)與啟發(fā)

切片原理在產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)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(fù)雜表面的肌理。而運(yùn)用拉伸與旋轉(zhuǎn)的創(chuàng)作方法，并結(jié)合形態(tài)應(yīng)用切片方法加以研究，可以發(fā)現(xiàn)，起點(diǎn)和終點(diǎn)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(gè)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)實(shí)踐過程中應(yīng)用切片、拉伸與旋轉(zhuǎn)的方法，而取得的實(shí)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(yùn)用科學(xué)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(shè)計(jì)教育方面，對空間自由形態(tài)的理性研究能夠從多個(gè)方面提升學(xué)生的空間思維能力：

（1）運(yùn)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(xué)生對計(jì)算機(jī)輔助軟件的理解和學(xué)習(xí)。

（2）研究自由形態(tài)，有助于提升學(xué)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(dá)能力。

（3）研究就自由形態(tài)，能夠提升學(xué)生對于自身視覺經(jīng)驗(yàn)的分析、結(jié)構(gòu)、復(fù)述的能力，并且在此基礎(chǔ)之上，對于學(xué)生將積累的視覺經(jīng)驗(yàn)總結(jié)、提煉進(jìn)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(jìn)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(yīng)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(yīng)該存在第四維（時(shí)間維）的形態(tài)，或許借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(dá)方面也需要進(jìn)步一研究。