霍海鷹，呂 典

1河北工程大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院,河北 邯鄲 056000 2邯鄲市建筑物理環(huán)境與地域建筑保護技術(shù)重點實驗室,河北 邯鄲 056000 3中國建筑第五工程局華南分公司深圳分公司,廣東 深圳 518000

0 引言

建筑外立面的設(shè)計不僅僅是設(shè)計師個性化的體現(xiàn)和實驗性的產(chǎn)物,也應(yīng)關(guān)注人們視覺生理的審美習慣來取得立面設(shè)計的視覺均衡效果.“造化賦形,肢體必雙,神理為用,事不孤立”.對稱事物自然是均衡的,但受實際條件制約,建筑立面在很多情形下采用非對稱均衡設(shè)計,即利用不同體量、材質(zhì)、色彩、虛實變化等平衡達到非對稱均衡的目的[1].諸如巴西議會大廈、悉尼歌劇院、千禧教堂等一些視覺感受良好的非對稱建筑立面能獲得人們的普遍認可,其立面中是否存在某些客觀的理性規(guī)律,值得深入探究.將審美的規(guī)律進行量化有助于其更好地進行傳播和繼承.

視覺敏感性是視覺系統(tǒng)對眼球感受事物所作出的應(yīng)激反應(yīng),包括反應(yīng)時間、反應(yīng)準確程度等.其中，被觀察物體的大小、方位、亮度、色彩等都會影響視覺敏感性[2].本文選取視覺敏感性中與建筑空間有關(guān)的屬性進行研究,即物體的大小、方位,暫不考慮亮度、色彩等因素的影響，并針對在建筑立面構(gòu)圖中,視覺支點左右兩邊的視覺整體輪廓占比及其方位布局，對非對稱建筑立面視覺均衡的影響進行研究.

國內(nèi)外有關(guān)非對稱建筑立面視覺均衡的研究,體現(xiàn)出以建筑科學(xué)與工程為核心,以視科學(xué)、心理學(xué)、計算機科學(xué)等學(xué)科為輔的學(xué)科交叉融合趨勢.研究多側(cè)重于立面虛實元素的占比、構(gòu)筑物的尺寸比例等方面,同時結(jié)合問卷評價、美學(xué)實驗等相關(guān)技術(shù)手段來對研究進行反饋驗證.

Walter Niekamp[3](1981)發(fā)現(xiàn)人類的視知覺并不遵循幾何光學(xué)規(guī)律,不同物體的相互位置關(guān)系對視覺重量有影響,即非線性視覺.

魯?shù)婪颉ぐ⒍骱Ｄ穂4](Rudolf Arnheim,2006)基于人們在不對稱構(gòu)圖中尋找視覺支點的這一天性,認為建筑立面的視覺均衡要通過建筑各部分或建筑與相鄰建筑、景物間的協(xié)調(diào)比例達到，這時“支點”往往是入口、形象上的興趣中心或圖形上的重心.

杜異[5](2008)從燈光照明的角度出發(fā),認為視覺敏感性是對某種視覺設(shè)計屬性的權(quán)重,使視覺均衡中心兩邊的視覺趣味分量相當.

Zheng Bian等[6]人(2011)研究表明，視覺空間不是均勻的,隨著視角變大,視覺會清晰——模糊——消失.

Jin-Ho Park[7](2018)通過沿街住宅立面的視覺敏感性“對稱疊加”實驗,認為錯綜復(fù)雜的不對稱建筑立面也有實現(xiàn)視覺平衡的手段,即設(shè)計元素的分層權(quán)重疊加.

通過對前人研究的分析,總結(jié)非對稱建筑立面的視覺均衡量化需要解決兩方面問題:一是得到視覺敏感性在三維空間中的具體變化規(guī)律;二是利用這種變化規(guī)律對非對稱立面進行視覺均衡的計算與評價.其基本流程為:確定建筑立面——設(shè)定觀察視點——建筑立面整體輪廓識別——設(shè)定中心軸——中心軸兩邊設(shè)計元素的權(quán)重計算——視覺均衡感知.

1 量化模型的構(gòu)建

建筑立面的形式豐富多樣,不同觀察點的立面視覺效果也有所差異,要實現(xiàn)其量化就有必要建立相應(yīng)的視覺均衡量化模型,其中權(quán)重計算與視覺敏感性在三維空間中的變化規(guī)律密切相關(guān),需設(shè)計實驗得到實驗數(shù)據(jù)進行擬合,得到視覺敏感性方程之后,從主立面的選取、視覺中心軸的定位和整體輪廓的提取三方面作為基礎(chǔ),對非對稱建筑立面進行視覺均衡的量化計算.

參考詹姆斯·吉布森[8](James J.Gibson,1986)在《視知覺生態(tài)論》一書中的相關(guān)概念,本文將人對空間中某點的潛意識、快速的識別準確率定義為該點的視覺敏感性.人眼如同一臺超高速幀照相機,視覺感知過程相當于視覺中心在若干個點之間來回掃描變換,二維信息到三維信息的轉(zhuǎn)換受以往經(jīng)驗的影響[9].

在剝離材質(zhì)、明暗等干擾因素情況下,微觀上一定區(qū)域內(nèi)的每個點視覺敏感性刺激值的累積值可代表區(qū)域?qū)θ艘曈X敏感性刺激總體影響,宏觀體現(xiàn)在建筑上,即是對建筑輪廓內(nèi)立面的總體感覺[10].

進行實際的主立面計算時,量化模型如下:若α為視點與被觀察視點間的水平弧度,β為視點與被觀察視點間的豎直弧度,定義空間某一點的視覺敏感性值為視點對該點的識別準確率Q=f(α,β).

以典型的矩形立面為例,在確定主立面、視中心軸線情況下,矩形區(qū)域映入眼里的面域的水平方向弧度范圍為α∈[m1,m2],豎直方向弧度范圍為β∈[n1,n2],則該立面區(qū)域?qū)θ嗣舾行钥傮w感覺影響為：

將視覺中心軸左邊立面輪廓的視覺敏感性刺激總影響值定義為S1,中心軸右邊的定義為S2,則某視點的視覺均衡系數(shù)為：

VBC(Visual balance coefficient)=S小/S大

其中，S小取S1和S2中的較小值,S大取較大值,VBC越接近于1則建筑視覺均衡感越好,如圖1所示.

圖1 典型矩形立面視覺均衡系數(shù)計算示意圖Fig.1 Calculation of visual equilibrium coefficient of typical rectangular facade

2 視覺敏感性測量實驗

為對建筑立面視覺均衡效果進行量化,

必須得到視覺敏感性在空間分布的特征與變化規(guī)律.從純理論計算角度推導(dǎo)計算距離、角度與視覺敏感性之間的關(guān)系太過復(fù)雜,控制論學(xué)說體系為解決這類問題提供了一些思路,即將人們認識和改造的對象看作黑箱,主體輸入可控制變量,觀察客體輸出的可觀察變量[11].設(shè)計實驗直接通過結(jié)果反推出最初參量間的關(guān)系是可行的手段,繞過了復(fù)雜的理論“黑箱”.實驗前尋求計算機相關(guān)專業(yè)人員設(shè)計了視覺敏感性運行程序,該程序?qū)⒛骋怀叽绲牧⒚娉橄蟪扇舾删鶆蚺挪嫉南袼鼐W(wǎng)格組成的平面,該平面會在隨機位置的網(wǎng)格中隨機閃爍某個字母,對網(wǎng)格中字母的識別率則可一定程度反映視點對網(wǎng)格中心點的視覺敏感性反應(yīng)，然后在一定尺寸的電子大屏幕上同步筆記本運行的程序畫面,實現(xiàn)對建筑立面識別的現(xiàn)實模擬.

圖2 現(xiàn)場實驗畫面Fig.2 Field experiment screen

圖3 現(xiàn)場實驗觀測簡圖Fig.3 Field experimental observation diagram

實驗邀請40名(男女生各20人)河北工程大學(xué)在校生參加實驗,年齡均在23～29歲之間,視力或矯正視力1.0左右.該實驗在邯鄲市規(guī)劃展覽館沙盤模型廳進行,大屏幕尺寸為25 m*8 m.實驗用1個可調(diào)節(jié)高度升降椅固定視點高度h(升降椅處于大屏幕豎直對稱軸線上)、1個高度定位桿防止視點搖擺,2套數(shù)碼分別錄音和錄像.實驗參與人員在規(guī)劃好的位置坐下后,大屏幕同步筆記本運行的程序畫面.程序畫面為一定規(guī)格的方格網(wǎng),伴隨每個方格內(nèi)隨機閃爍一個待識別的元素,參試人員對不同方位方格內(nèi)元素的識別率一定程度反映其視敏度,現(xiàn)場實驗如圖2所示.視點定為O,默認視線的角度是眼睛與某個方格形心的夾角,如圖3所示.

采集到的實驗數(shù)據(jù)整理后,在1STOPT中采用非線性最小二乘法中的“麥夸特+通用全局優(yōu)化算法(Levenberg-Marquardt+ Universal Global Optimization - UGO)”擬合曲線方程,對數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),d相當于變量α,β對Q影響很小,所以剔除d這一參數(shù),得出Q=f(α,β).公式為:

式中,Q為被觀察點相對于視點的視覺敏感性, %;α為視點與被觀察點間的水平角度弧度值,rad;β為視點與被觀察點間的豎直角度弧度值,rad.

圖4 視覺敏感性與視角度三維曲面圖Fig.4 Visual sensitivity and visual angle

在MATLAB中繪制出視覺敏感性Q隨水平角度α、豎直角度β變換的空間三維曲面圖,并與原數(shù)據(jù)進行對比,如圖4所示.

3 部分經(jīng)典案例選取計算

通過運用視覺均衡量化模型,對部分經(jīng)典建筑設(shè)置觀察點進行模擬量化分析,試圖探索其立面設(shè)計中蘊含的視覺規(guī)律.所選的案例立面輪廓分明、立面材質(zhì)簡潔統(tǒng)一、視覺整體性強,有利于分析計算.實際案例分析時需結(jié)合周邊環(huán)境、設(shè)計師意圖等具體情況選定主立面和主要觀察點區(qū)域,每個案例取5個觀察點,中心軸正前方為基準觀察點,并向左右兩側(cè)同等間距各取2點.模擬計算流程整理如表1所示.

表1 立面案例模擬計算Table1 Simulation calculation of elevation cases

模擬計算的相關(guān)數(shù)據(jù)整理如表2所示.

對表格數(shù)據(jù)進行分析和總結(jié)后發(fā)現(xiàn),若立面兩側(cè)區(qū)域面積相差較大,觀察點越靠近面積較小的一側(cè),視覺均衡效果越好;若立面兩側(cè)區(qū)域面積相差較小,觀察點越靠近視覺中心軸,視覺均衡效果越好.

4 結(jié)論與總結(jié)

綜合以上研究,總結(jié)非對稱建筑立面的視覺均衡設(shè)計的量化手法，得出如下結(jié)論:

(1) 在非對稱建筑立面設(shè)計中,若要取得視覺上的均衡,視覺中心軸兩側(cè)的整體輪廓到中心軸的距離應(yīng)與面積成正相關(guān),即輪廓面積越大離視覺中心軸應(yīng)該越遠,具體的尺度關(guān)系可由視覺均衡量化模型進行推算.

(2) 當視覺中心軸兩側(cè)立面區(qū)域面積相似時,為達到非對稱均衡效果,可將一側(cè)遠離地平線,距離為d1,另一側(cè)遠離視覺中心軸,距離為d2.由視覺敏感性方程推算,d1與d2的比例約為0.76.

(3) 當視覺中心軸兩側(cè)立面區(qū)域面積相差較大時,視覺中心宜向立面區(qū)域面積較小的一側(cè)偏移.若此時觀測投影距離為d,立面區(qū)域較大一側(cè)面積為L1*H,離視覺中心軸距離為d1,立面區(qū)域較小一側(cè)面積為L2*H,離視覺中心軸距離為d2,則為達到立面上的視覺均衡應(yīng)滿足:

其中，f(α,β)的具體表達式見文中Q=f(α,β)公式.

非對稱建筑立面視覺均衡量化模型能將立面視覺均衡審美轉(zhuǎn)譯為準確的數(shù)學(xué)圖解,設(shè)計人員根據(jù)圖解反映出的直觀數(shù)據(jù),結(jié)合自身經(jīng)驗、使用者需求、環(huán)境條件等因素進行循環(huán)反饋調(diào)節(jié),能幫助設(shè)計師評價和優(yōu)化非對稱立面的設(shè)計.