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(jī)生命體”，通過不斷地進(jìn)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(xué)上，住宅的“和而不同”具有體小、量大、多樣、復(fù)雜的特征。然而，隨著近年“設(shè)計(jì)下鄉(xiāng)”熱潮，規(guī)劃師或建筑師在一部分項(xiàng)目或計(jì)劃的執(zhí)行過程中并沒有合理回應(yīng)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(yàn)，將若干相同的住宅單元正交拼接，減少單元間的錯(cuò)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(jì)方法，為我國鄉(xiāng)村設(shè)計(jì)理論、方法與技術(shù)進(jìn)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(duì)初始形狀進(jìn)行變形、組合、遞歸，從而得到目標(biāo)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(diǎn)、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(jì)理論、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(xué)領(lǐng)域的學(xué)者已經(jīng)在先前研究基礎(chǔ)上擴(kuò)展出了大量語法，建筑設(shè)計(jì)、分析和建模領(lǐng)域的成果尤其豐富，集中在對(duì)建筑或城市典型空間的抽象研究，推理其既有風(fēng)格特征的生成過程[3]。一方面，在建筑設(shè)計(jì)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(xué)目的，利用形狀語法對(duì)《營造法式》中的宋代傳統(tǒng)建筑語言進(jìn)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(jì)領(lǐng)域，為了提高設(shè)計(jì)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(jì)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(fù)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(xué)、理性地開展建筑或城市設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 鄉(xiāng)村住宅形狀語法構(gòu)建

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

2.1 語料庫建立及規(guī)則預(yù)定義

通過實(shí)地調(diào)研北方平原地區(qū)若干村莊并分析其風(fēng)貌、形態(tài)特征，提取典型宅基地和住宅院落的相對(duì)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(shí)，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(biāo)準(zhǔn)宅基地形狀，即預(yù)定義的初始形狀。其次，為了探索標(biāo)準(zhǔn)宅基地與道路的相對(duì)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(yù)定道路寬度（車行道6.6m、步行路3.3m）進(jìn)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(duì)4戶宅基地布局的一級(jí)規(guī)則

對(duì)4戶宅基地與人行路的相對(duì)關(guān)系展開研究，能夠更好地明晰折線路或盡端路對(duì)宅基地布局組合多樣性的重要意義。一級(jí)規(guī)則主要包括：1）標(biāo)簽規(guī)則，用于在最小研究單元中標(biāo)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(duì)位置；3）平移規(guī)則，僅允許對(duì)標(biāo)簽標(biāo)記過的宅基地進(jìn)行操作，且該動(dòng)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(duì)16戶宅基地布局的二級(jí)規(guī)則

將以上研究對(duì)象以“四象限”的方式進(jìn)行組合，考量組團(tuán)中心的可達(dá)性，并對(duì)可能出現(xiàn)的組團(tuán)公共空間結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。二級(jí)規(guī)則主要包括：1）組合規(guī)則，是組合4組一級(jí)規(guī)則生成結(jié)果時(shí)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(wù)設(shè)施用地，提升住宅組團(tuán)空間的開放性；2）刪除規(guī)則，是為改善住宅組團(tuán)可達(dá)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(duì)象外圍邊界上的某一點(diǎn)與其中心點(diǎn)之間不能通過步行道連通，并排除此情況（圖5）。

2.2.3 針對(duì)既有用地范圍的三級(jí)規(guī)則

在一級(jí)規(guī)則和二級(jí)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(tuán)樣本。一方面，需要增加車行路以加強(qiáng)內(nèi)外交通聯(lián)系，另一方面，需要減少宅基地?cái)?shù)量以控制建筑密度（圖6）。三級(jí)規(guī)則主要包括：1）填充規(guī)則，用于識(shí)別用地范圍邊界，調(diào)取一級(jí)規(guī)則和二級(jí)規(guī)則的樣本結(jié)果進(jìn)行填充；2）減法規(guī)則，在使用時(shí)若刪除臨近車行路的宅基地，可用作組團(tuán)出入口，若刪除其他位置的宅基地，可進(jìn)一步增加并優(yōu)化組團(tuán)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?；谙惹暗臉?biāo)準(zhǔn)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)宅基地進(jìn)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(tái)，尺寸為1.2m×9.9m；3）預(yù)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)龋糜谄春铣刹煌妮o房布局關(guān)系；4）根據(jù)組團(tuán)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(shí)可能出現(xiàn)的正房之間、輔房之間及正房與輔房之間“露臺(tái)連通”的情景，以多戶共用“曬臺(tái)”的形式營造更多的生產(chǎn)空間，增強(qiáng)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(duì)關(guān)系

4 形狀語法規(guī)則和推理

5 二級(jí)規(guī)則應(yīng)用列舉

6 三級(jí)規(guī)則應(yīng)用列舉

7 住宅院落組織規(guī)則的應(yīng)用示意

8 試驗(yàn)性設(shè)計(jì)的總平面圖

9 試驗(yàn)性設(shè)計(jì)的鳥瞰圖

2.4 試驗(yàn)性生成設(shè)計(jì)

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(tái)，編寫Python代碼，將規(guī)則參數(shù)化表達(dá)；其次，將規(guī)則驅(qū)動(dòng)下的結(jié)果隨機(jī)填充至給定用地范圍，生成鄉(xiāng)村住宅設(shè)計(jì)的總平面圖，根據(jù)房間功能的模塊組織，填充代表相應(yīng)功能（如正房、輔房、內(nèi)院、活動(dòng)空間等）的色塊，并為了加強(qiáng)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(yàn)性設(shè)計(jì)?？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(fù)與異質(zhì)”的愿景，傳承了鄉(xiāng)村聚落的風(fēng)貌特征（圖9）。

3 結(jié)語

鄉(xiāng)村住宅設(shè)計(jì)面臨著很多挑戰(zhàn)，不僅要繼承鄉(xiāng)村聚落的傳統(tǒng)風(fēng)貌特征和住宅建筑形制，還要適應(yīng)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(duì)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(yīng)對(duì)體小、量大類設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)提高設(shè)計(jì)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(jì)算量，簡化了鄉(xiāng)村住宅的設(shè)計(jì)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(yīng)不規(guī)則的用地邊界。在未來研究中需進(jìn)一步豐富語料庫，完善并優(yōu)化既有規(guī)則，更高效地適應(yīng)復(fù)雜地形條件，進(jìn)而拓展其應(yīng)用范圍。

圖片來源

1來源于文獻(xiàn)[3]

2-4，6 作者自繪

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