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制及相應(yīng)的心理機制。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，以生成新的句子。因此，語言的生成能力源于轉(zhuǎn)換生成語法對有限規(guī)則的無限使用，也就是說轉(zhuǎn)換是實現(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，對繪畫、雕塑等藝術(shù)作品進行了更為“理性”的解讀。由此得出了以下論斷，即藝術(shù)家或設(shè)計師在進行部分作品創(chuàng)作時，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)計過程即通過制定相對簡單的規(guī)則來實現(xiàn)復(fù)雜多樣的設(shè)計結(jié)果的過程。在形狀語法提出后的50 年間，其基本原理和實現(xiàn)路徑不斷得到充實與拓展，并逐漸對計算性設(shè)計與分析領(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詞匯調(diào)用及句式組織的過程進行有效的約束。與之類似，設(shè)計語言也有其相應(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?，與形狀語法有關(guān)的術(shù)語主要包括：①“設(shè)計語言”（Design Language），即設(shè)計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，用于儲存那些在設(shè)計語言的實際使用過程中已經(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)計語言；⑥“初始形狀”，是指作為設(shè)計起點的形狀，它既可以是一個坐標(biāo)點，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、字母、數(shù)字、顏色等方式進行表達(dá)。

2.運算原理：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“→”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。例如，規(guī)則1 是將帶有標(biāo)簽“.”的正方形嵌入另一個帶有標(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）運算的過程為：對帶有標(biāo)簽“.”的初始形狀實施兩遍規(guī)則1，再實施一遍規(guī)則2，此時箭頭上方的序號代表該過程應(yīng)用的規(guī)則序號；當(dāng)生成的形狀沒有標(biāo)簽“.”時，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)計中多次穿插調(diào)用，而且不同的形狀規(guī)則也可以同時作用于一個推理過程，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”對將要進行轉(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)計結(jié)果中（圖1-3）。

圖1： 形狀語法的運算原理

3.規(guī)則層級：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)則層級也可以使用相似的邏輯進行劃分和表達(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)則層級中，所有的結(jié)點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)點形狀通過關(guān)聯(lián)每一個子結(jié)點與一個父結(jié)點，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，上一層級的形狀規(guī)則信息傳遞至下一層級，可確保生成結(jié)果具有一定的相似性和繼承性；而不同層級的結(jié)點在一定范圍內(nèi)也可以進行關(guān)聯(lián)，便于進一步探討由不同結(jié)點組合所形成的空間關(guān)系并對其生成結(jié)果進行持續(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，通常會聚焦于單一子結(jié)點，而將其余子結(jié)點及其分支隱藏，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)計作品時，通常會按照生成步驟對其所有形狀規(guī)則進行階段劃分，每一階段可包含多個層級的形狀規(guī)則，以此強化規(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）進一步指出形狀語法是分析經(jīng)典設(shè)計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)雜性和隨機性的設(shè)計現(xiàn)象中揭示出簡單性與規(guī)律性的生成邏輯[4]。博揚·泰帕夫切維奇（Bojan Tepavcevic）等進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]?；诖耍螤钫Z法在早期應(yīng)用時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)計語言的生成邏輯；另一方面，用于分析相似而不同的設(shè)計作品時，判斷它們是否使用了相同或相近的設(shè)計語言。

當(dāng)利用形狀語法分析設(shè)計作品時，首先，應(yīng)選擇一個或一組設(shè)計樣本作為語料庫，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，進而根據(jù)以上認(rèn)識定義一個初始形狀，并嘗試進行推理運算。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施時主要涉及網(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，進而不斷增加設(shè)計細(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，對其進行多次切割和進一步細(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；在該策略的實施過程中，初始形狀應(yīng)首先得到明確，它既可能是一個抽象的點，也可能是一處具體的空間；當(dāng)初始形狀被識別后，即可調(diào)取相應(yīng)的加法規(guī)則進行推理運算。

2.“探淵索珠”的生成式形狀語法

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，一些研究者基于不同的編程語言，實現(xiàn)了對形狀規(guī)則的自動推理，使其更多地作為一種生成設(shè)計方法實施。生成式形狀語法（Original Shape Grammar）在應(yīng)用時類似于一種“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)計語言風(fēng)格的設(shè)計結(jié)果。在探索由形狀詞匯構(gòu)成的空間關(guān)系時，要么從分析既有設(shè)計方案的過程中提取，要么從零開始構(gòu)建。對前者而言，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，實現(xiàn)對原有設(shè)計作品的復(fù)現(xiàn)、拓展與更新，這意味著在解析某種設(shè)計語言時，既能以形狀語法為媒介進行直觀的“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)則實現(xiàn)“借題發(fā)揮”，獲得與既有語料庫“同根”的新結(jié)果；對后者而言，由于不涉及對既有設(shè)計方案進行分析，所以可通過自定義初始形狀并實施規(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)計之用”提供了一種全新的可能性。

在計算機支持下，自動推理的運算效率得到了大幅度提高，能夠在較短時間內(nèi)生成更多符合需求的結(jié)果。生成式形狀語法在實施時主要涉及過程性推理和自動化交互兩種策略。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)計過程，通過計算機語言將形狀規(guī)則編碼為形狀語法解釋程序，用戶可輸入自定義的設(shè)計參數(shù)以實現(xiàn)特定形狀語法的自動化生成。②自動化交互用于大量且復(fù)雜的設(shè)計任務(wù)時，可提升語法解釋的效率，通常要結(jié)合AutoCAD、Rhino、Grasshopper等計算機輔助設(shè)計工具，從中置入特定的形狀語法插件，使之能大批量、自動化生成更多靈活性高的結(jié)果，還能與BIM、圖形用戶界面（GUI）等平臺進行實時交互，實現(xiàn)對設(shè)計全過程的集成與管理。

四、利用規(guī)則推理解決復(fù)雜設(shè)計問題的實現(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，主要針對繪畫裝飾和經(jīng)典建筑進行風(fēng)格解析。20 世紀(jì)90 年代，一些研究者結(jié)合計算機技術(shù)相繼提出了利用形狀語法解決特定設(shè)計問題的系統(tǒng)框架，相關(guān)成果主要集中于工業(yè)設(shè)計領(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。之后，形狀語法主要作為一種計算機輔助設(shè)計工具用于解決量大、復(fù)雜的設(shè)計問題。

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，定義了一種對幾何平面形狀進行細(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（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其進行不斷細(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)計風(fēng)格（圖3-6）[10]。以上研究說明形狀語法在藝術(shù)設(shè)計領(lǐng)域中多用于對二維幾何形狀進行美學(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)計分析

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

藝術(shù)設(shè)計領(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)配件對產(chǎn)品進行重構(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）基于咖啡機的工作原理和結(jié)構(gòu)形式開發(fā)了一種“咖啡機語法”，在功能和形式兩個層面提出了包括過濾器、儲水槽和基座三個子規(guī)則系統(tǒng)（圖4-2）[13]。2010 年，盧兆麟總結(jié)了運用形狀語法進行產(chǎn)品造型設(shè)計的具體步驟，并以別克汽車前臉造型設(shè)計為例進行了說明（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)計效率低下等問題，不僅可以協(xié)助設(shè)計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)計領(lǐng)域應(yīng)用案例的形狀規(guī)則和設(shè)計分析

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

形狀語法在建筑設(shè)計領(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”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，進而將建筑風(fēng)格轉(zhuǎn)換為一種便于清晰描述的設(shè)計語言。1978 年，斯蒂尼和威廉·米切爾（William J. Mitchell）針對帕拉第奧系列別墅之一的馬孔坦塔別墅（Villa Malcontenta）進行解析研究，是形狀語法在建筑設(shè)計領(lǐng)域的開山之作，他們提出了72 條規(guī)則并按照8 個階段進行推理：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）進行了設(shè)計解析，它們不同于帕拉第奧式別墅中針對矩形建筑輪廓的細(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）住宅時制定了一套模擬大規(guī)模增量住宅設(shè)計的形狀規(guī)則，將研究對象由建筑單體擴展至建筑群體，為后續(xù)的非正規(guī)住區(qū)、城市設(shè)計等研究方向奠定了基礎(chǔ)[20]。1996 年，邱上嘉（Shang-Chia Chiou）基于臺灣建筑風(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《營造法式》中所描述的中國宋代傳統(tǒng)建筑語言進行分析，分別制定了開間、進深、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)計領(lǐng)域應(yīng)用案例的形狀規(guī)則和設(shè)計分析

五、形狀語法的案例解讀與設(shè)計應(yīng)用

形狀語法在建筑設(shè)計領(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”類的應(yīng)用成果尚不豐富，一些研究者針對不同的設(shè)計問題“從零開始”嘗試著開展自動化設(shè)計生成實驗，例如關(guān)于山東建筑大學(xué)的鄉(xiāng)村批量住宅設(shè)計研究。

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)計分析工具使用時，可通過針對形狀的抽象化和規(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，甚至與建筑師的初始構(gòu)思和設(shè)計過程鮮有聯(lián)系?；诖?，奈特認(rèn)為形狀語法能夠為研究者提供一種審視經(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)計的草原系列住宅，因為“和而不同”被普遍認(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性與藝術(shù)性，未能有效地破譯賴特的設(shè)計語言。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)點作為初始形狀、由99條形狀規(guī)則構(gòu)成、按照22 個“加法”推理階段實施的形狀語法[24]。從規(guī)則實施的階段性而言，前5 個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，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 個階段中，隨著規(guī)則推理的持續(xù)進行，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、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、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，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。為了驗證以上生成結(jié)果與實際功能空間的對應(yīng)關(guān)系，圖6-5 通過圖示推理與添加細(xì)節(jié)，以軸測圖方式對羅比住宅的設(shè)計生成過程進行了復(fù)現(xiàn)。該過程不僅驗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)計語言的應(yīng)用工具。

2.鄉(xiāng)村批量住宅的設(shè)計應(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)則進而生成新設(shè)計的過程中，可直觀地對某些設(shè)計推理步驟進行檢查、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)計推理過程，生成具有差異性的設(shè)計結(jié)果，響應(yīng)多元化的設(shè)計需求。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)村批量住宅項目中，設(shè)計“失語”和同質(zhì)化成為一種普遍性現(xiàn)象。為了應(yīng)對以上問題，山東建筑大學(xué)JY502 工作室以形狀語法作為方法論，近年來開展了針對鄉(xiāng)村批量住宅定制設(shè)計的方法研究[25]，形成了包括項目、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)計應(yīng)用邏輯。

遵循解析式形狀語法和生成式形狀語法的實施過程，首先，選取北方傳統(tǒng)農(nóng)宅作為語料庫進行解析，挖掘形態(tài)布局的空間關(guān)系和形狀詞匯；其次，參照圖5-5 中所示的臺灣傳統(tǒng)住宅 “加法”解析策略，定義了前5 個階段共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行劃分，結(jié)合村民的實際需求，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性化特征；最后，制定了3 個階段的若干條“組合”規(guī)則，用于探討聚居組團的生成邏輯。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”的生成設(shè)計過程，每一結(jié)點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)點圖形和子結(jié)點圖形在規(guī)則作用后所產(chǎn)生的差異性，幫助設(shè)計師在解決實際問題的過程中建立設(shè)計推理的邏輯性。

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)計推理的前6 個階段：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 是對正房二層南側(cè)的一個開間進行“減法”處理，形成陽臺的樣式，規(guī)則11 在正房南側(cè)增加了凸陽臺，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。為了驗證以上形狀規(guī)則對住宅設(shè)計的作用結(jié)果，圖7-3 將前6 個階段的某一設(shè)計生成結(jié)果進行“復(fù)原”，用以驗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)計應(yīng)用

六、結(jié)論

早期的形狀語法研究強調(diào)在保證可視化的前提下對簡單形狀以手動方式進行規(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)動的分析與設(shè)計過程。因為形狀語法的推理過程更易于被藝術(shù)家或設(shè)計師所理解，所以其應(yīng)用范圍涉及很多領(lǐng)域。近年來，隨著與計算機科學(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)計問題時，結(jié)合設(shè)計語義的能力和效率得到大幅提升，不僅能實施復(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)則進行匹配；其研究實施對象逐漸由簡入繁，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，它們對科學(xué)解析設(shè)計作品和理性推理生成設(shè)計意義深遠(yuǎn)[26]，例如，圖形語法的對偶圖原理已廣泛用于建筑設(shè)計作品分析[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，例如耦合元胞自動機（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)計系統(tǒng)，通過開發(fā)基于多個子系統(tǒng)的復(fù)合模型來實現(xiàn)更為靈活的設(shè)計探索，進而解決更為復(fù)雜的設(shè)計需求；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)計框架，能夠在不同的設(shè)計階段采用多種生成設(shè)計方法以輔助設(shè)計決策[28]。其三，更多的研究者致力開發(fā)基于形狀語法的計算機應(yīng)用程序，主要包括形狀語法解釋器和計算機輔助設(shè)計程序，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推理與生成設(shè)計的過程，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)計應(yīng)用，包括大規(guī)模定制住宅設(shè)計系統(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)計尺度的大規(guī)?？焖俳33]。

然而，形狀語法在應(yīng)用時也存在一定的局限性：其一，形狀語法的計算性、邏輯性較強，這在一定程度上會“抑制”設(shè)計師的跳躍性思維，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)計推理過程時刻伴隨著經(jīng)驗主義和慣性思維，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，形狀語法的運算邏輯在工作流程上與通用計算機輔助設(shè)計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)。