基于形狀文法的電動汽車設計研究

韓蘊暉　沙強

摘要：為了在短時間內產生大量符合設計要求和技術要求的設計方案，提出了將形狀文法應用于電動汽車形態設計的研究方法。首先，對電動汽車的典型性特征進行分析，然后提取最能體現電動汽車特征的前臉作為初始形狀，對其應用一系列的文法規則，文法規則可以分為生成性規則和修改性規則，對應汽車造型特征的遺傳和變異，對于具有品牌繼承性的特征應用修改性規則變換，而對于創新性特征則可運用生成性規則進行添加和刪除，同時指出具體的文法規則要根據相應的感性意象與約束規則進行確定。最后，以具有代表性的特斯×汽車為例進行驗證，用語義差異法檢驗最終方案。形狀文法可以適用于電動汽車的造型創新設計。

關鍵詞：形狀文法 文法規則 遺傳 變異 電動汽車

中圖分類號：TB47 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2021）06-0014-04

引言

近年來，能源危機以及使用化石燃料而造成的環境污染已成為日趨嚴重的問題，大氣污染、全球氣溫加劇等正在嚴重地危害著人類的生存，而造成這些嚴重問題的一大罪魁禍首就是燃油汽車，為了解決內燃機汽車帶來的環境污染及能源危機問題，各個國家開始致力于研究噪音低，無污染的電動汽車。電動汽車代表了先進的生產技術以及新穎的審美取向。為了體現與燃油車的區別，電動汽車的造型設計逐漸成為許多學者關注的問題。如趙靜、張琳在保證電動汽車即具有創新性又體現品牌繼承性的基礎上，對電動汽車造型進行了創新方法研究;再如李祥文從情感設計出發，研究分析了影響電動汽車造型的情感化因素;班婧婕創新性地將情感心理創意的設計方法引入電動汽車造型設計中;徐飛、李彥龍等人研究了空氣動力學對電動汽車造型的影響并分析了造型趨勢。以上研究為電動汽車的造型設計提出了新思路，但未形成一套完整的設計流程和方法。目前，市場上量產的電動汽車存在一些問題，其一很多電動汽車仍然沿襲傳統燃油車的造型，并未形成自身獨特的設計風格，其二，在進行電動汽車的創新設計時，丟失了品牌繼承性，對此，本文引入形狀文法的設計概念，在考慮品牌因素的基礎上，引入感性意象，提出一套能體現電動汽車自身獨特風格的造型設計方法。

一、形狀文法簡述

形狀文法SG（shape gramme r）最早是由George Stiny和James Gips提出，最初在繪畫、雕塑領域應用較多，后來逐漸被人們拓展到工業設計領域，指導產品的創新設計并用于品牌識別，是一種以形狀算法為主的設計方法。在形狀文法中，人們認為形狀都是有一定的規律的，形狀是有限的線性排列，通過標記形作為形態轉換后定位的基準點。形狀文法具有一些主要的特點，它是由原始形狀經過系列規則變換而得到新的形狀，因此能夠保持原有形狀的延續性，可用于產品的創新設計。

形狀文法可以用一個四元組來表示，即SG=（S，L，R，I），其中，S表示形狀的有限集合;L表示符號的有限集合;R表示規則的有限集合，規則可以表示為：α→β;I表示的是初始形狀，最終的形狀都是經由形狀規則運算變換而得到的，如圖1。

在電動汽車的造型設計中，S可表示為某品牌汽車經過多代的繼承演變而形成的比較穩定且具有代表性的形態特征的有限集合，這些能體現品牌要素的基本形態特征也是某汽車品牌的造型基因，如寶馬汽車的雙腎進氣格柵，奧迪的“大嘴”以及甲殼蟲圓潤可愛的造型特征。R表示某品牌造型特征在遺產進化的過程中運用到的形狀規則的有限集合，形狀規則包括了修改性規則和生成性規則，對應于汽車造型特征的遺傳和變異。I表示某品牌特征的最初形態，是S的起源，隨著品牌特征的發展，該初始形狀是可以不斷擴充的。L表示運用規則的著力點，在L的標記下，汽車的品牌特征可以不斷擴充并傳承下去，L會受到相對位置及比例尺寸的約束，大多數符號標記在中心點和對稱軸的位置。

形狀文法的優點在于，在確定了初始形狀以及明確了形狀規則后，所產生的設計成果都是在形狀文法定義的“形狀語言”之內。設計師對產生的設計方案進行篩選判斷，得到符合設計要求及技術要求的方案，然后進一步地調整和細化。另外，隨著計算機技術的推廣，形狀文法可以大大地節約人力，縮短整個設計周期，產生一系列符合設計要求的方案，更為重要的是，形狀文法可以傳承文脈、在新的環境下賦予產品新的內涵。

二、應用步驟

形狀文法最初被廣泛應用于建筑領域，近年來，形狀文法逐漸的被應用在工業設計領域，不少學者和設計師運用形狀文法取得了不錯的成果。石元伍和衛璐在進行設計醫院消毒機器人的造型時運用到了形狀文法，產生了許多創新方案：胡志剛等人基于形狀文法研究女士鞋靴的造型特征并得到推理模型：陳滿儒等人將形狀文法創造性地運用在智能手表的設計中，設計出滿足不同消費者需求的產品。

在將形狀文法應用于產品設計或者汽車造型設計的過程中要遵循以下幾個步驟，如圖2所示。

（一）確定基本形狀

指對于某一品牌的產品，收集大量的設計案例，從這些案例中提取產品的典型特征，即顯性特征進行分析。

1.收集樣本：選取某一品牌的產品進行研究，收集大量該產品的圖片，分析總結以往的產品形態特征，利用形態分析法，將產品具有代表性的典型特征提取出來，對這些樣本特征進行分類處理。

2專家訪談：邀請業內人士進行訪談，多為從事在工業設計行業的專業人士，或是學習工業設計的師生，明確訪談的目的，即了解訪談對象對目標產品的造型特征的看法，對目標產品的造型特征進行歸類，并對不同類別的特征元素的重要度給出主觀評價，確定各因子的權重比值。就電動汽車而言，其典型特征包括整車輪廓、前臉、側面造型、內飾和尾部等幾個區域。其中，電動汽車的前臉位于整車最前端，最易受關注，而且，前臉的造型元素比較密集，集中了汽車品牌的主要形態識別特征，是分析研究的重點。

3.造型形態分析：設計形態分析法最早由荷蘭學者Warell提出，主要流程包括1）將選取的案例樣本進行去色分類整理，并將專家列出的產品顯性特征匯總成調查表。2）按照權重因子對產品的各個特征的重要性進行判斷。3）對于調查結果進行統計分析，對提取的典型性特征進行歸納分析。

（二）總結形狀的變化規則

1.生成性規則：生成性規則可以歸納為兩種：第一種，增加或刪除初始形狀，是一種從無到有或是從有到無的變換過程;第二種，置換，就是以一種全新的形狀替換原來的形狀。

這兩種生成性規則表示產品顯性特征的增添、刪除和置換，這相當于遺傳學中的變異，在外界環境或者人文等因素的強烈影響下，產品的外觀發生突破性的改變，這種改變可以稱為產品外觀造型的創新，產品的造型創新不僅要用到邏輯思維，更是需要突發的靈感和大腦豐富的聯想。比如，我們在看到汽車前臉時，會聯想到自然界中各種各樣的動物表情，大自然豐富多彩的自然形態也成為設計師進行創新設計的靈感源泉。

一般而言，產品的創新設計可以分為：外觀形態創新、功能創新、文化時尚創新。本文主要針對外觀形態進行創新。

2.修改性規則：修改性規則表示對原有形態的變形、調整，如果說生成性規則對應于遺傳學中的變異，修改性規則對應于遺傳，它表示對某產品品牌基因的繼承，如果沒有對品牌元素的繼承，產品的品牌繼承性和延續性就無從談起。面對這樣的問題，本文提出仿射變換和貝塞爾曲線變換分別對產品的組件、部件以及外形輪廓進行變形。

1）仿射變換表示在二維平面內的線性變換，易保持其形狀的平直性。在本文中，仿射變換主要針對電動汽車前臉中的各個造型元素進行變化，如前大燈、進氣格柵、充電口等，仿射變換主要包括平移、縮放、旋轉和錯切，用形狀表示可以描繪如下：

平移變換，如圖3：縮放變換，如圖4：旋轉變換，如圖5：錯切變換，如圖6：

2）貝塞爾曲線變換適用于產品外形輪廓的非精確變形，它最早是由法國數學家Pierre Bezier提出并應用于雷諾汽車的造型設計中，它表示的是一種數學的計算方式，通個給定節點來定義自由曲線。貝塞爾曲線通常用來描述不規則的產品造型曲線，如汽車的外輪廓線、咖啡機的裝飾線等，通過改變節點的位置從而實現對產品造型的改變。貝塞爾曲線具有幾何不變性和仿射不變性，這些性質保證了產品形態不會產生過大的變化，貝塞爾曲線可以在任意節點分割為兩條或多條的子曲線，每一條曲線又都是貝塞爾曲線，這個性質可以根據產品特征而進行靈活運用，從而保持了產品造型特征設計的精確度。

根據節點的數目，貝塞爾曲線可分為2次方、3次方或n次方曲線，在計算機輔助設計下，多以3次方貝塞爾曲線為基礎建立平滑曲線模型，3次方的貝塞爾曲線的數學表達式可表示為

（三）確定約束關系

在具體的產品設計開發中，企業會根據公司策略、產品定位、品牌戰略等通過市場調研提出設計規范。對于電動汽車的形態設計而言，首先要了解對應用戶的生活方式、消費方式、審美心理以及認知方式等，在設計中要提出風格和文化風尚的要求，將風格和文化風尚用對應的意象形容詞來描述，如科技的、前衛的、新穎的、簡潔的等，通過建立這些形容詞與電動汽車形態設計之間的關系，可以得出創新設計方案。

另外，在運用形狀文法進行創新設計的過程中，會受到一些約束規則的限制，列舉出3種約束規則如下：

1.尺寸約束。根據人機工程學，產品的整體及部件設計都要符合人體尺寸，如通過測量得到人體尺寸相關數據和一些其他相關技術標準，得到汽車外廓尺寸、通過性尺寸、最小離地間隙、汽車駕駛員以及成員頭部空間尺寸等相應的強制性標準。

2.技術約束。在進行汽車外形設計時，要考慮空氣動力學的因素，風阻和汽車外形因素息息相關，在進行整車設計時，去除一些棱角，多采用一些圓滑過渡將有利于減小風阻，同樣流線型的汽車造型也賦予了電動汽車優雅、流暢的美感。

3.空間關系約束。在進行整車設計時要考慮部件與整體、部件之間的空間約束關系，如保險杠的寬度要小于汽車的整體寬度，進氣格柵的面積要小于整個汽車前臉的面積等。

（四）方案評價

經過上述操作，可以得到大量滿足設計要求的設計方案，最后要通過語義差異法對這些方案進行篩選。首先，與已有的車型進行對比，看是否繼承了該車型的品牌基因，然后，對用戶進行感性意象調查，看與電動汽車的感性意象詞匯的契合關系。綜合以上兩種因素進行評價，最后得到符合條件的優選方案。

三、電動汽車形態設計研究

電動汽車代表了一個國家先進的生產力和先進的文化，研究電動汽車的視覺形象對于一個國家的汽車行業具有重要意義，在進行電動汽車的造型設計時要體現出它特別的氣質和身份。

（一）結構對電動汽車造型的影響

1.電動汽車沒有燃油車復雜的傳動系統，電動機可以按照總布置的要求安置在電動汽車的前部、驅動軸或者輪轂中，電池也可以安在汽車前部、后部或座位下，因此，它的內部構造相對簡單，其造型也有更多自由發揮的空間，可以體現與燃油汽車截然不同的風格，比如小型化、輕量化、流線型等特點。

2.空氣阻力是嚴重影響汽車速度的一個重要因素，為了保證電動汽車的速度，需要降低空氣阻力系數，由于電動汽車的發動機比較小，占據空間小，則可以將發動機向下傾斜，將車頭下部修圓，使之更有流線型。由于電動汽車不再需要散熱器和冷卻系統，因此其進氣格柵可以簡化成一條線，起到裝飾作用。

（二）電動汽車的形態分析

電動汽車的形態分析包括了車的外觀造型、內飾等，涉及到形狀、色彩及質感。本文主要分析電動汽車的外觀造型，具體從體量感、線條感、表情特征、情感體現等方面進行分析。

1.體量感。電動汽車的體量感是指電動汽車的外形要體現飽滿圓潤的特點，一般而言，體積越大其體量感越強，充分的體量感能給人帶來放松、舒適和穩定的感覺，缺點是削弱了速度感。

2.電動汽車的線條美。直線的造型體現了一種陽剛之美，富有力量感，直角幾何的形態能顯示出結構的嚴謹性，營造高貴、莊嚴的氛圍，體現出正直、權威和尊嚴的性感，然而在電動汽車的形態中，純粹的直線是不存在的，相對而言，曲線造型能營造一種柔美、富有生命力的情感，曲線更能表現造型的動態美，有利于營造熱烈、自由的氛圍。流暢的曲線張弛有度，收放自如，適宜于現代設計所為求得律動美和簡約美，曲線的造型能給人更大的視覺沖擊力，適當地運用變異和對稱的造型方式則可以使造型風格更加前衛。

3.電動汽車的表情化特點。我們常常稱電動汽車的前部造型為前臉，是因為汽車的前部特征像一張能表達豐富情感特征的臉，車燈對應“眼睛”，散熱窗對應“嘴巴”。電動汽車的情感化特征有微笑、友好、自信、尊貴、平實、神秘等，圓潤的造型特征能讓人感到可愛溫暖，細長而尖銳的車燈造型讓人感到神秘冷酷和威嚴。電動汽車另一個能顯現表情特點的特征是散熱窗——“嘴巴”，上翹的散熱窗造型給人以友好、善良的感覺。

4.電動汽車的整體感。電動汽車的整體感是要塑造整體的和諧和美感，而不是局部的車燈、格柵等，要控制好線、面、體，使造型和諧，也就是設計美學的同一、整齊、合一、程序化。最后，要注意整體與局部“度”的把握，獲得較好的設計美感。

（三）電動汽車的設計

結合形狀文法，本次的電動汽車設計任務可以從以下一些方面著手：1.若要體現科技感，可以通過多變的型面來表現，也可以通過增加線條斷點，或者通過點陣排布來表現，也可以通過車身高科技的零部件設計來表現。2.若要體現運動感，則可以通過上揚的線條來表現，若體現穩重感，則可采用方正的型面造型。3.流線型的造型風格能帶來前衛、科技和速度感，方正、硬朗的設計能帶來莊重感。4.通過大面積地運用玻璃材質，可以在視覺上增大汽車的內部空間。5.LED燈的運用能增加電動汽車的科技感和未來感。6.電動汽車的整體比例要符合視覺習慣和審美的內在要求。

四、形狀文法在電動汽車設計中的應用

對于電動汽車而言，品牌的主要特征包括整車造型、側身、前臉、尾部以及內飾等幾個方面，其中前臉集中了品牌主要的形態識別特征，是設計的重點和品牌遺傳的著力點，也是形狀文法提取初始形狀的重要部位，前臉位于整車最前端，位置最矚目，同時，前臉分布著發動機蓋板、翼子板、進氣格柵、車頭燈和霧燈等可造型原件，影響著電動汽車整體的造型風格。可將前臉復雜的空間型面結構轉換為平面形式的特征線進行研究。

（一）特斯拉電動汽車造型研究

由于特斯拉在電動汽車領域有著舉足輕重的影響力，對特斯拉的造型特征研究具有重要意義，特斯拉是一家電動汽車和能源公司，其第一款車型是Roadster，一款兩門運動型跑車，發布于2008年，第二款跑車是一款四門純電動豪華轎跑——Modeal S，第三款汽車是豪華純電動SUV——Model X，接下來一款是Model 3。如圖了為特斯拉電動汽車的發布時間線路圖。

現邀請50名從事汽車造型設計的設計師和在校師生對特斯拉前臉造型中的各個元素的重要性進行評分，按照0～3進行打分，最后求取平均值，將特斯拉前臉特征元素的重要性列表如表1。

如圖8，（圖中灰色的線用來表示型面大致的轉折關系，并不是代表造型線）將特斯拉近年的幾款車型進行特征線提取處理，對前臉中的引擎蓋、大燈、霧燈、進氣口分別提取，總結其造型變化規律如圖9、10。

（二）形狀文法規則的確定和應用

形態變化規則的提取是造型創新的重點，規則主要來源于品牌基因遺傳、電動汽車新技術和用戶期望意象3個方面。在應用形狀規則時，對于影響因子較大的特征，應在保持原有形態的基礎上進行微變形，采取修改性規則，從而保持了產品設計的基因延續性;相反，對于影響因子較小的特征其變形規則的自由度較大。由上圖可以明顯看到，特斯拉前臉的典型特征是模仿車標的T形造型的進氣口，因此，在總結形狀變化規則時，可將這一特征保留，保持其品牌識別度。同時，規則可以依據電動汽車的用戶期望意向進行適當調整和添加，比如，要體現“運動的”意象，可以增加線條的上升趨勢，體現出線條的起伏感，打破水平趨勢，“科技的”意象可以通過增加線條斷點或進行點陣設計來實現。

本次設計車型定位為轎車，因此以Model S和Model 3的設計特征為例，根據一定的規則進行變換。

由表1可以看出，Model S和Model 3前臉中各造型元素的重要程度存在先后差別，因此，可根據各特征元素重要程度和對整車影響程度的不同，選擇相應的生成性規則和修改性規則，可列表如表2。

（三）方案篩選和確定

依據形狀文法理論，經過相應的規則變換，得到前臉各個特征新的形狀，對這些元素進行隨機組合，可以得到若干造型方案，從大量的造型方案中根據電動汽車造型的若干原則進行篩選，最后，得到方案l和方案2，如圖13所示。

接下來邀請30名用戶從兩個方面對這兩個方案進行評估，回收有效評價問卷2了份，分別是品牌識別度和感性意象匹配，其中評價表中的感性意象詞匯采用下表的3對形容詞，所有評價通過七點李克特量表（3～-3）進行打分，平均分數如表3。

由調查結果可以看出，按照本文提出的方法進行設計，產生的方案l和方案2都能很好地滿足設計要求，品牌識別性良好，且造型感覺與用戶期望意象匹配度良好。其中方案1的品牌識別度以及科技性、運動性方面由于方案2，相對而言，方案2更加個性化，看起來更簡潔，霧燈的設計比較獨特，有中國傳統的如意造型意象，方案1的前臉線條更具動感，但大燈和進氣口的配合不是很完美，略顯贅余，后期需要進行改進。經綜合評分，最終選擇方案1進一步深入設計，造型見圖14和圖15。

結語

本文提出將形狀文法應用于電動汽車的造型設計，這種方法能大大地減少設計流程，并且能夠得到大量符合品牌特征與感性意象的設計方案，并以特斯拉車型進行了驗證。該方法對于面向品牌識別的電動汽車造型設計具有一定的指導作用，但汽車的造型設計是一個較為復雜的過程，由于篇幅有限，本文僅以前臉的造型設計為例，在進行汽車側身及尾部的設計時，還應該考慮整車造型的一致性，也就是在形狀文法規則的制定和提取時保持整體的統一風格。隨著設計的不斷深入以及電動汽車造型特征的豐富，電動汽車一定能沉淀出識別性更強的特征，并逐漸擺脫燃油汽車的造型特征，從而創造出嶄新的風格并延續下去。