基于Affordance的建筑設計知識建模方法研究

張曉霓

(上海交通大學基建處，上海 200240)

基于Affordance的建筑設計知識建模方法研究

張曉霓

(上海交通大學基建處，上海 200240)

在建筑設計中，設計人員通常需要考慮來自全生命周期的各種因素。由于這些因素通常是隱藏在最終詳細設計結果(建筑設計圖紙等)背后，這給建筑設計知識的重用帶來了較大的困難。本文提出了基于設計方法學中的新概念——Affordance，來解決建筑設計中隱性設計知識的建模與應用問題。首先，本文將探索建筑設計中的Affordance概念，將目前主要用于概念設計的Affordance概念應用于建筑設計的詳細設計階段；接著，將提出基于形狀-行為-Affordance(Form-Behavior-Affordance，FBA)信息模型，使得設計人員可以對設計結果的全生命周期內所需要考慮的各種隱性因素進行建模；然后，將借助于遺傳編程(Genetic-Programming)技術對建筑設計知識進行建模；最后，通過某教學樓擴建案例來展示本文提出方法的可行性。

建筑設計；設計知識；知識表示；設計重用；Affordance

1 引言

在激烈的市場競爭環境中，建筑企業的設計部門通常被要求在很短的時間內快速地設計出客戶滿意的方案。為了應對這種挑戰，一種比較理想的策略是設計重用(Design Reuse，DR)或者設計知識重用(Design Knowledge Reuse，DKR)。設計重用通常指的是在設計組織內部，從已有的方案設計實例庫中檢索到類似的設計實例，根據客戶的當前要求，對檢索到的設計實例進行適當的修改后，來完成新的設計方案設計[1]。這類設計通常稱為適應性設計(Adaptive Design)，是目前建筑設計界中常用的設計方法。

然而，大量工業實踐調查表明：設計人員在進行設計重用的過程中卻往往會面臨到較大的困難[2]。導致這種情況的主要原因是：設計人員雖然可以檢索到相似設計的建筑設計圖紙，但是，卻難以獲取隱藏在這些設計圖紙背后的建筑設計知識，在沒有設計圖紙背后的上下文知識的支撐下，設計人員就難以參考這些隱性設計知識對已有的設計圖紙進行適當合理的修改。現有的計算機輔助設計(Computer-Aided Design，CAD)軟件雖然可以對設計方案的幾何模型和數據進行管理，但是，它們卻難以支撐設計人員對設計圖紙背后隱藏的設計知識進行有效的建模和管理。目前國內許多學者對建筑領域中知識管理的重要性進行了深入的研究[3-6]。隱藏在建筑設計圖紙背后的設計知識主要與詳細設計相關，而在目前設計人員通常誤認為建筑詳細設計是幾何建模或者繪圖的過程。建筑設計的詳細設計階段不僅需要考慮上游概念設計階段的需求(功能需求、布局要求等)，還需要考慮下游的生命周期階段(建造、安裝、維修等)的要求。因此，建筑設計的詳細設計階段是一個復雜的知識密集型決策過程，需要綜合考慮設計方案的全生命周期的各種需求，最終提出滿足各種要求的設計方案。

建筑設計知識的建模不僅與設計方案重用相關，而且還可以有效地促進設計知識在設計組織內部的共享與傳遞。同時，設計人員完成設計后，通常需要將設計結果(通常是設計圖紙)提交給上層的設計管理者進行審核，而設計結果背后的設計知識并沒有隨著設計圖紙傳遞給設計管理者，因此，由于缺乏相關的設計知識支撐，設計管理者在審核過程中存在一定程度的盲目性，從而很可能無法做出合理的判斷。這種盲目性使得設計缺陷沒有及早被發現，可能會導致設計方案在后期的實施過程中存在嚴重問題，進而給建筑企業帶來經濟損失。

2 Affordance概念

Affordance指的是一個實體對象實際上用來實現何種用途，或者被認為具有什么用途。也就是說，實體對象在某個方面，具有讓用戶明顯感覺到該如何使用它的特性。比如，門提供了“打開”的Affordance，椅子提供了“支撐”的Affordance。人們得知如何使用實體對象，有一部分是來自于感知心理學，另外一部分是來自實體對象的外形。Affordance中文翻譯為“可供性”會比較容易理解。它的意思是指實體對象所具有的物理特性，以及我們所能夠理解該實體對象可使用方式之間的關系，其最主要的核心概念就是實體對象的特性決定了行為的可能性。

首次提到Affordance概念的是心理學家James Gibson[7]，他認為，自然環境中的所有的實體對象，本身物理屬性的組合能與生物之間存在某種對應關系。而首次將Affordance概念應用于設計(主要是交互設計)的Donald A. Norman[8]，他提出兩種Affordance，一種是物體實際上承擔的Affordance，另一個是用戶察覺到物體的提示性特質。而最早將Affordance概念引入到工程設計是Clemson大學的Maier &Fadel教授，他們借此提出了關系型設計理論[9]。這里，Affordance指的是兩個系統之間為了保證某種作用而存在的相互關系，如圖1所示。因此，Affordance能夠考慮各種全生命周期因素，于是，采用Affordance概念來幫助設計人員進行建筑設計知識建模是可行的。

3 設計方案信息模型

設計方案信息模型是進行建筑設計知識建模的基礎。設計方案信息模型包括三個方面: 形狀(Form)、行為(Behavior)和Affordance。采用面向對象(Object-Oriented，OO)的方法來表示建筑元素的基本信息：形狀和行為。形狀信息描述的是建筑元素的幾何信息，通過基于特征的方式和描述邏輯(Descriptive Logic)來表示，它可以形式化地表示為：。比如，支撐大梁的形狀信息可以通過大梁特征來表示，并且大梁特征可以進一步由一系列設計參數來表示，包括高度、寬度和長度等。

圖1 設計人員-產品-用戶系統中的Affordance交互關系

根據Bunge的科學本體論[10]，一個實體對象的行為(Behavior)指的是它在全生命周期內自身狀態或者狀態變化，它可以形式化地表示為：。為了得到明確的行為概念，必須向它施加一定的本體約束。首先，任何行為都是屬于某個實體的。比如，支撐大梁受壓而變形，其中，大梁的“變形”就是其行為。其次，行為可以跟物理狀態變量直接關聯。比如，大梁的變形程度(δ<10mm)。第三，行為可以分為靜態行為和動態行為。大梁的變形就是一個動態行為。第四，由于行為概念描述的是實體本身的狀態或者狀態變化，因此，在表示行為的時候，應該采用非及物動詞。最后，根據本體論的觀點，行為可以繼續劃分為誘導行為和自然行為。誘導行為指的是由其他實體的作用而直接導致的自身狀態被動變化的行為，上述大梁的變形就是這種行為。與此對應的是自然行為，自然行為指的是實體自身的不隨其它實體的影響而變化的行為。

在設計科學，功能的概念設計理論和設計方法學中非常重要的概念。Affordance信息描述的是一個實體(功能主體)在其全生命周期內與另一個實體(功能客體)的意向交互關系。采用基于主客體關系和本體論的方式來表示Affordance信息，它可以形式化地表示為：。其中，aff_sub指的是Affordance主體；aff_verb指的是描述Affordance關系的功能動詞；aff_obj指的是Affordance客體。這里的Affordance與上述的本體行為具有較大的區別。首先，因為功能行為應該與客觀物理世界相關聯，所以它應該通過物理狀態變量這方面來描述。這個約束是區分功能行為與純粹的主觀行為的關鍵，主觀行為不能夠通過可感知的物理狀態來描述。其次，與簡單的物理行為不同的是，功能行為不僅可以是一個系統內多個物理行為的一般化，而且還可以通過一些自覺行為，甚至物理作用和行為的組合來實現。第三，功能行為的結果必須能夠與關注的物理世界的直接期望的要實現的狀態相對應。這個約束對于區分系統的功能和客觀行為具有重要作用，同時，它也能夠保證功能描述與人們需求的一致性。第四，與僅僅處理實體對象的物理狀態變化的物理行為不同的是，功能行為處理的是世界的狀態變化，世界是有多個實體對象組成的，因此，功能行為也就更復雜。最后，功能行為的表示應該不依賴任何要實現它的具體的物理過程。因此，根據Affordance客體對象的不同，Affordance可以分為內部Affordance和外部Affordance。內部Affordance指的是aff_sub和aff_obj都處在同一個建筑單元中。同時，根據關注重點不同，內部Affordance可以繼續分為內部靜態Affordance和內部動態Affordance，前者關注的是aff_obj的結構信息，后者關注的是aff_obj的動態行為信息。比如，墻面容納門，是一個內部靜態Affordance；而電梯井容納電梯上下移動(行為)，則是內部動態Affordance(<電梯，移動，[{移動速度，1m/s}, {行程，30m}…]>)。

4 設計知識表示方法

根據上述設計方案信息模型，設計人員可以對設計圖紙背后隱藏的設計知識進行建模。建筑單元中一個設計參數的設計知識可以概念化為一個三元組(pi, Ci, ACi)，其中，pi指的是一個設計參數；Ci指的是施加到該參數的約束(Constraint)；ACi指的是與該約束相關的Affordance組合(Affordance Combinations)。pi和ACi都來自于上述設計方案信息模型，因此，設計知識表示的主要任務是對Ci進行表示。設計約束主要包括兩類，規則類約束和公式類約束。其中，規則類約束可以用產生式規則來表示。公式類約束的表示則比較復雜，同時也是本文的重點。區別于目前常規的知識工程師和專家系統中用字符串來表示設計約束，本文采用基于遺傳編程(Genetic Programming)的方式來對設計約束進行結構化表示。

遺傳編程的核心思想可以通過二叉樹來表示為：{左邊節點，父級節點，右邊節點}。其中，左邊節點，右邊節點可以是變量，常數，或者數學操作符(+，-，*，/，等等)；父級節點僅僅是數學操作符。另外，值得注意的是，二叉樹表示的可計算公式中的每個參數都在結構、行為和Affordance模型中定義過，因此，這些參數具有各自的本體含義。比如，建筑中通常采用簡支梁來支撐重物，在設計過程中，往往采用簡支梁模型的相關理論來對梁的強度進行求解計算，如公式1所示。其中，d表示梁的直徑；Gb表示重物的重量；l表示梁的長度；E表示梁的彈性模量；[vm]表示梁允許的最大形變量。該公式類設計約束知識通過遺傳編程的方式表示如圖2所示。

(1)

圖2 基于遺傳編程方法表示的公式類設計約束知識

圖3 某教學樓的擴建方案局部示意圖

5 案例

在某教學樓擴建案例(如圖3所示)中，采用本文提出的建筑設計知識建模方法，對其中的主要設計圖紙的重點設計參數進行知識建模。這里以閱覽室的擴建為例，來展示該方法的可行性。通常情況下，設計人員根據要在閱覽室大約擺放桌子的數量，采購的桌子和椅子的寬度，對閱覽室的長度進行初步的預估計。從而得出初步計算閱覽室長度為：l>n*(wd+2*wc+m)，其中，l是閱覽室的長度設計參數，n是桌子的數量，wd是桌子的寬度參數，wc是椅子的寬度參數，m是兩排桌子之間的間隙距離。當設計人員將由該公式而計算獲得的設計圖紙提交給設計管理者進行審核的時候，設計管理者看到的是最終設計結果，而并不清楚閱覽室長度最終取值的由來，因此，難以對該取值的有效性進行合理的判斷。而根據本文提出的基于Affordance的設計知識表示方法，設計人員首先應該考慮的是閱覽室的Affordance，即容納桌子，容納椅子。除了這兩個基本的Affordance，實際上，閱覽室還具有這些Affordance：容納閱覽者(便于用戶通過桌子之間的過道間隙)，容納空調(兩端放置空調)，容納書架(兩端放置書架)，容納多功能吸塵器(便于保潔人員在桌子過道間隙穿過進行衛生打掃)。然后，有這些Affordance，設計人員可以衍生出許多基本的Affordance約束，通過遺傳編程方法，將基本Affordance約束組合成復雜的公式類設計約束，比如，l>n*(wd+2*wc+m+wx+wb)+2(ts+ta)，其中，wx是吸塵器的寬度；wb是成年人的身體平均寬度；ts是書架的厚度；ta是空調的厚度。更值得考慮的是，如果后來閱覽室的桌子不是圖示的沿Y軸平行排列，而是沿X軸平行排列，閱覽室的長度應該能夠容納合適數量的桌子，并且不存在較大的空間浪費或者空間擁擠。

通過這種方式，不僅可以幫助設計人員重用設計組織內部的其它設計圖紙，提高企業內部知識共享和知識資產積累，而且還能夠幫助設計管理者理性地審核最終的設計圖紙，避免盲目性。

6 結論與展望

本文采用設計學中的新概念Affordance來幫助設計人員對隱藏在建筑設計圖紙背后的設計知識進行建模。設計人員不僅能夠理解施加到設計參數上的各種基于遺傳編程方式表示的公式類設計約束，而且還能夠明白這些可計算公式背后的上下文知識和考慮到的全生命周期因素。通過某教學樓擴建案例，表示該方法可以幫助設計人員提高設計效率，并且保證設計質量。在此基礎上，筆者將繼續探索如何系統化地捕獲設計圖紙背后的設計知識，以及如何有效地重用這些設計知識。

[1]Demian, P. and R. Fruchter. An ethnographic study of design knowledge reuse in the architecture,engineering, and construction industry. Research in Engineering Design, 2006. 16(4):184-195.

[2]Busby, J.S. The Problem with Design Reuse: An Investigation into Outcomes and Antecedents. Journal of Engineering Design, 1999. 10(3): 277-296.

[3]周榕. 知識經濟時代建筑師角色解放與價值回歸. 建筑學報, 2000(01): 53-55+71.

[4]翟賢, 晏敏, 胡平. 建筑模式語言與基于知識的設計系統. 新建筑, 1990(04): 51-53.

[5]李湘桔. 基于知識管理的建筑設計企業項目管理研究. 2009, 天津大學.

[6]張哲穎. 大型建筑企業知識管理應用研究. 2012, 山東大學.

[7]Gibson, J. The concept of affordances. Perceiving, acting, and knowing, 1977: 67-82.

[8]Norman, D.A. Affordance, conventions, and design. interactions, 1999. 6(3): 38-43.

[9]Maier, J.R.A., G.M. Fadel, and D.G. Battisto. An affordance-based approach to architectural theory, design, and practice. Design Studies, 2009. 30(4): 393-414.

[10]Bunge, M. Treatise on basic philosophy: Ontology I: the furniture of the world. Vol. 1. 1977: Springer.

An Affordance-based Approach for Architectural Design Knowledge Modeling

Zhang Xiaoni

(TheOfficeofCampusConstructionofShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China)

In architectural design, designers often need to consider a variety of factors in the full life cycle. As these factors are usually hidden in the final results of the detailed design (architectural design drawings, etc.), it brings greater difficulties for the reuse of the architectural design knowledge. This paper presents a new concept “Affordance” based on the design methodology to solve the problem in modeling and application of the tacit design knowledge in architectural design. Firstly, this paper will explore the concept “Affordance”which is mainly used in the conceptual design at present and aplly to the detailed design stage of architectural design. Secondly, the information model based on Form-Behavior-Affordance (FBA) is built so that designers can model the whole hidden factors in the final results of the full life cycle. Thirdly, the Genetic-Programming technology is used to model the architectural knowledge. At last, a case of expanding a school building is used to present the feasibility of the method proposed in this article.

Architectural Design; Design Knowledge; Knowledge Representation; Design Reuse; Affordance

張曉霓(1975-)，女，碩士研究生，助理研究員。主要研究方向：工程設計。

TP182:TU17;G250.252

A

1674-7461(2015)01-0060-05