基于形狀文法的城軌頭型相似性設計研究

孫元　閆宇婷

摘要：運用形狀文法的設計手段，設計出具有地域文化特色的多類型軌道交通頭型系列化造型方案。提取了四種不同類型軌道車輛頭型設計特征，總結出多類型軌交車輛頭型相似性設計法則。以重慶多類型城軌頭型設計為例，分析各類型城軌頭型結構特征，并基于地域文化提煉大量設計要素，在此基礎上運用形狀文法推演出具有相似性特征的造型方案，并驗證思路的可行性。獲得具有地域文化特色的多類型軌道交通頭型系列化造型方案。形狀文法可以指導地域元素在城市多類型軌道車輛設計中的應用研究，為交通工具創新設計提供了新的思路。

關鍵詞：多類型軌道交通 形狀文法 地域性 造型設計 系列化

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2021）04-0122-04

引言

隨著經濟發展而引發的環境污染和交通堵塞等問題已經成為現代城市化進程中的嚴重阻礙，構建完善的城市軌道交通體系可以緩解地面交通壓力，減輕環境負擔，帶動經濟發展，具有極強的社會經濟效益。近年來，鐵路建設蓬勃發展，軌道交通成為全國性的重要基礎設施和運輸大動脈，與國家經濟發展緊密相連。軌道列車造型設計代表著特有的精神內涵體現著不同的設計背景和文化。隨著城市化建設的不斷推進，軌道交通工具類型呈現多樣化的發展趨勢。城市軌道交通作為城市公共設施的重要組成部分，是城市文化形象的重要載體之一，有必要對其進行系統化的視覺設計，構建相應的造型特征體系，以提升城市整體的文化形象，起到建設城市品牌形象、宣傳城市文化的作用。本文將以城市多類型軌道交通工具為載體來建立帶有地域文化特色的系列化軌道交通視覺形象，進而探索一種新的城市宣傳策略。

根據傳統的設計方法來進行產品造型設計已經很難解構產品造型規律及形態推演法則。在多種類型的軌道車輛設計過程中，如何保證其設計風格既代表城市文化，車輛造型之間還能具有相似性的設計特征是此次設計面臨的關鍵問題。針對此問題，本文提出結合形狀文法和地域文化特色來進行多類型城軌頭型設計研究。圖1，為本次論文研究思路圖。

一、理論介紹

（一）形狀文法

形狀文法可以快速產生大量具有系列化造型的衍生方案，在設計過程中大大縮短設計周期，節約了人工成本，其在延續性創新方面具有深厚的含義，可以很好地傳承設計文脈，將經典造型融入新造型設計中，實現新舊文化內涵的完美融合，受到了設計界的高度重視。

形狀文法最早從建筑設計中發展而來，主要是通過定義明確的幾何形狀元素和語法規則，使造型發展衍生過程有跡可循，由初始形態在語法規則作用下得到新的造型形態。麻省理工學院教授喬治·斯蒂尼于1972年率先在《介紹形狀和形狀文法》一文中名確闡述了形狀文法的概念，從而為形狀文法理論奠定了基礎。美國CMU大學的麥科馬克教授根據BUICK品牌的發展歷程，提取各階段具有代表性的特征對汽車前臉造型進行設計提取和劃分，并將提取的元素作為基本形態元素而進行形狀文法分析與設計。目前，國內外學者針對有關形狀文法相關理論的研究及應用主要集中在建筑、平面、造型設計等領域。陳威等人將形狀文法理論應用在現代有軌電車造型設計中。盧兆麟等人運用形狀文法研究產品設計的DNA遺傳變異特征以收集造型為例驗證了該方法的可行性。

二、產品PI理論

產品PI理念是多學科的融合的一個綜合概念。作為眾多設計形象中的一種，產品PI理論仍是以產品為核心進而展開系統性設計，賦予產品強烈的系列化特征的品牌特定標識。有助于提升品牌產品競爭力的關鍵，形成獨特的品牌特征和文化風格。產品PI理念發展較晚，是多學科綜合的產物，早期人們用“家族化產品設計”來表述該設計理念。

國外學者根據兩個簡要的工業案例研究，深入了解MIG的使用情況，并強調了在團隊中開發模塊化產品族時對可視化產品形象進行潛在改進。為使企業在品種設計時初步構建未來產品族，有學者提出建立應用開發框架并以有向圖形式計算系統的方法。然后使用組合矩陣來評估產品組件，以確定不斷增加的世代變化的影響，也有研究者以“形象”為切入點，研究產品形象與構成，為今后深入研究產品形象作了理論框架上的鋪墊。還有學者為了解決工業設計中產品族設計的品牌識別問題，提出支持產品視覺識別的產品族DNA的方法，并將其用于磁療沙發的設計中，保持了品牌的統一性和創新性。為促進機床產品銷量，有學者引出產品外觀家族化設計概念，從典型產品提取外觀家族化特征，運用到全系列產品并作適當調整，形成產品家族化形象。該設計方法運用于企業實際案例時，達到了較好的不同產品系列家族化效果。

（三）地域文化與軌道交通

地域文化種類繁多，不同的地域滋養出不同的文化內涵。國內外對于地域文化的理論研究也在不斷發展，城市是現代化生活的聚居地，隨著交通工具的發展，各地的地域壁壘被打破，人口遷徙更加頻繁，文化交流更加緊密。所形成的地域文化是共性為主，特性為輔的。在對地域文化的研究方面，國內外學者對于地域文化的理解各有千秋，不可否認的是，地域文化對新產品的創意整合具有積極的影響作用。劉雪以霍爾提出的文化結構分類為基礎，以此將文化細分為公開文化和隱藏文化，陳大路提出可從地域性、豐富性、親緣性和動態性這幾個方面取了解地域文化，徐伯初等認為地域文化只有被感知才能得以應用，白欲曉界定了地域文化的劃分標準，并通過具體案例證明了地域文化對城市的重要性，最終將地域文化融入到軌道交通列車造型設計中。

通過對國內外城市軌道車輛造型案例設計，可以發現國外在城市軌道車輛設計中直觀地將軌道車輛造型設計與地域文化相結合，尤其注重連結民族文化和地域性產業文化，特征鮮明。例如法國里昂的有軌電車，將地域性產業文化與車輛設計相結合，將蠶寶寶的造型融入到有軌電車頭型設計中：澳大利亞墨爾本有軌電車設計將城市雕塑文化融入到列車設計中;成都則是將國寶大熊貓作為懸掛式單軌列車造型意象來源;哈爾濱則根據當地氣候特點，以冰雪色為創意點，為車身融入了當地的氣候因素。

當地域文化要素作用于軌道交通工具時，不僅能提升車輛的價值與審美感受，同時作為一種城市形象，也可以很好地展現城市風采，成為重要的城市名片。

三、設計實例

以重慶市為例進行四種不同類型城軌頭型的設計研究中應深度解讀城市的歷史文化、城市定位、發展方向，然后經過廣泛調研從而得出設計元素。運用形狀文法的設計手段將其拆解、抽象為適用于設計對象的造型元素如線、色彩、圖案，然后經過轉化、組合的手法將造型元素融入交通工具設計中。重慶的軌道交通系列化設計，將從整個城市意象進行提取，不只著眼于某一建筑或文化圖樣，還應從整個城市的意境出發，設計出貼合于整體城市形象的交通工具，將系列化交通工具與城市整體氛圍融為一體，使穿梭于城市的各類型軌道交通與城市基調相呼應。

（一）地域文化元素提取

重慶屬巴渝文化。川劇是巴蜀文化的主要代表之一，川劇在精神上追求“擬形傳神”，通過圖形的表達，川劇臉譜可將每一個人物性格特征清晰地呈現在觀眾眼前，傳遞出一種獨特的文化內涵。重慶作為新晉網紅城市，擁有極具巴渝傳統建筑特色的“吊腳樓”、解放碑，洪崖洞、山城老街等自然人文景觀。

提取地域文化特色過程中應深入分析當地特色文化，對所收集的文化符號進行篩選，最終選擇代表性文化要素，進行大量的文化符號元素提取，為后續的造型設計靈感來源做好充分的準備。表l為地域符號提取和表達。

（二）頭型結構要素提取

城市軌道交通發展迅速，地區、國家、城市、服務對象的不同等，使城市軌道交通發展成為適用于不同場景的多類型交通工具。本文主要的設計對象有軌電車、地鐵、單軌列車、城際列車。對多類型軌道交通工具頭型設計而言，不僅要遵循造型的美學原則，還要根據人機工程學、車輛構造、車身尺寸等展開設計。為確認各類型軌道交通工具頭型在形狀文法實施過程中的約束條件，需要對以上四種軌道交通列車做出具體的造型分析與判斷。（1）有軌列車：現代有軌電車以地面鋪設為主，分為高地板和低地板列車，頭型較為方正，是一種模塊化、低地板、中低運量的公共交通方式。（2）地鐵：地鐵擁有一定規模運量、按車輛編組。結合城市具體情況，可運行在地面或高架線路上，是城市運輸的大動脈（3）區域列車：區域列車對速度的要求使其外觀造型和室內要求都具有鮮明的美學特征。車體外觀造型流線化、整體化、細長化，相較于其他以上列車，區域列車體現出差異化的舒適性設計特征。（4）跨座式單軌列車：跨座式單軌車輛以車身包裹鐵軌，相比其他高架鐵路，單軌能有效利用道路中央隔離帶，所占地面面積和空間都較小，適用于建筑物密度大的狹窄街區，通常用作短途觀光游覽和城區交通客運。

為了更準確地提取各類型軌道交通工具造型輪廓特征，本次研究采用問卷調查和專家訪談方式，通過統計與分析評價，挑選具有代表性的造型形態，分析各類型車輛頭型結構特征，總結出軌道交通造型輪廓線主要包括側頂形線、A柱線、頂廓線、側輪廓線這幾個主要的設計結構和布局。在將設計元素進行規則化的設計演變時，應充分考慮車頭的結構要素。將車輛的硬性限制與設計的美學要素完美結合。如表2所示，為各類型車頭結構線提取。

（三）形狀文法推演規則

形狀文法可具體表達如下，SG=（S、L、R、L），SG代表一個形狀集合，S代表所繪制形狀的有限集合，L代表符號的有限集合，R代表造型規則的有限集合，I則是初始形狀，S中的衍生形狀是經過一定的符號標記后經規則R后生成。所有參與衍生的形狀均需要一定的符號標記才能被規則推動，形狀集合中所有形狀都是通過應用規則R從初始形狀l中衍生出來的。形狀文法演變規則如表3所示。

形狀文法在產品設計領域中的應用主要體現在兩個方面（1）延續性創新：對指定品牌已有產品造型特征進行收集、歸納、提取，從中抽象出隱藏的設計規則，在此基礎上用以推演組合出新的形態，保證品牌的特征的遺傳性和繼承性。（2）開拓性創新：根據產品自身功能約束與用戶需求或設計師意圖選取特定意象并進行元素的抽象、提取、融合、推演，指導產品設計活動。在進行開拓性創新時，由于沒有可供參考的產品形象，因此對設計元素的選定提出了更高的要求。在抽象過程中，應按照主體、附著、混合的順序進行元素采集與提取，保證設計元素的鮮明性和代表性，以便在后續運用形狀文法進行進一步的抽象和演變后仍能保持元素的可識別性。如麥科馬克教授根據別克汽車不同年代的造型特征提取經典的設計元素，將不同年代的經典造型任意組合即可得出具有別克品牌形象的汽車新造型，就是一種延續性創新。而在本次課題的設計中，由于沒有可供參考的品牌系列造型，選擇從地域文化中提取設計要素作為造型設計的意象來源，則是屬于形狀文法中的開拓性創新。

（四）基于形狀文法的造型譜系化推演

四種不同類型的軌道交通工具在人機工程學、車身尺寸和車輛構造限制下的典型特征，構成了產品譜系中的基礎限制性初始造型S，通過對地域文化元素的收集和形狀文法推演會產生多種新的設計形狀，選定不同的設計形狀并將其組合融入到不同類型的頭型設計中，則會產生四種新的帶有地域文化元素的系列化軌道交通頭型方案?；谛螤钗姆ǖ男螒B譜系化過程如圖2所示。

根據阿恩海姆的視覺動力理論，視覺元素的形變、傾斜、指向性等會形成具有動感的視覺力。車頭表情特征的呈現是通過車頭前臉特征的幾何變化，進而產生具有動感的情緒化特征。在以上造型組合方式的基礎上，提取的重慶地域文化元素運用形狀文法將單個的地域元素根據特定部位如車窗、車燈等進行具體的抽象處理，最終確定每一個對應部件的設計元素圖形，將選定的設計圖形作為一套造型組合，最后結合各類型頭型特征再設計組成新的系列化造型方案。

在車頭設計中車燈的變化帶動整個頭型表情的變化，是設計的重點。此次設計采用折線狀燈帶，為重慶著名文化元素川劇臉譜抽象意象，如表4所示為運用形狀文法來提取設計車燈設計元素的過程。

根據圖2中的演變步驟，將前期選定的地域文化意象均通過形狀文法設計方法并結合車頭造型影響因子具象為特定的設計圖形，在此不進行贅述。具象化后的設計元素列表如圖3所示。經過對車頭各部位設計元素的選取組合，最終根據車頭造型結構要素獲得如下圖所示的系列化頭型設計方案。

四、造型設計展示

本次方案是在各類型車輛車體標準尺寸的基礎上，經過形狀文法推演出的新形狀，反復修改設計草圖，最終繪制產品線框圖如圖4所示。

最后運用Rhino建模軟件制作三維模型，并運用渲染軟件keyshot制作效果圖如圖5所示。

五、設計結果調研分析

本次方案評價的目的是驗證造型設計是否具備重慶文化的地域代表性以及四種頭型之間是否具有系列化的設計特征?，F運用語義差異法對軌道交通頭型產品進行頭型相似度和設計代表性設計調研問卷。根據圖中給出的文化元素圖片評判車頭造型設計是否具備文化元素關聯性。設計語義差異量表調研問卷如圖6所示。

本次調研采用問卷星網絡渠道進行發放，調研時間為8月10日-9月10日，共計收到86份調研問卷，有效問卷為82份，借助SPSS數據分析軟件處理調研問卷，將輸入數據作為變量，運用統計學中的頻率和描述工具計算百分比和平均分，評價數據見表5。

從上述調研果來看，利用形狀文法指導系列化軌道交通頭型設計是具有可行性的，在地域文化代表性上具有一定指導作用，但仍需探索更符合地域文化特色的設計元素。

結語

本此設計以重慶多類型軌道交通工具造型設計為例，運用形狀文法的設計思路，創造出具有重慶特色的軌道交通產品家族化系列視覺形象。城市軌道交通設計與當地地域文化息息相關，對展現城市魅力有至關重要的作用。挖掘設計背后的深層含義并將之賦予不同類型的軌道交通工具中去，使之具有明顯的城市化特征和強烈的設計關聯性是此次課題所要研究的內容。希望通過對軌道車輛造型與風格意象關系的研究，對相關產業的造型設計起到一定的指導意義，能夠基于不同的城市風格需求確立最貼切的設計走向，能將同類型產品做出具有系列化和繼承性的風格。對今后該領域及相關領域研究過程拓展研究的視角、豐富研究內容、拓展研究的層次起到拋磚引玉的作用。