SUBDIVISION建模在室內有機形態的應用研究

謝華 龔鵬輝

摘要：通過探索Subdivision建模技術在室內設計中的潛力，提高室內設計有機形態的吸引力和競爭力，并且有效提高設計師在有機形態設計中的效率。通過分析Subdivision建模原理，介紹其在室內運用的可能性、高效性、調節性、仿生性的特點。對其Subdivision建模在室內設計應用中的有機拓撲形態、空間界面軟化、泰森多邊形應用、漸消面的運用等幾點優勢展開討論。結合樂嘉倫敦展廳和BarinSkiResort、Batwings案例，闡述其非線性美學和有機形態，解讀其設計特點。進一步分析Subdivision建模的有機形態表達優勢與局限性，探討Subdivision建模在室內設計中的有機結構建模的可行性。探析出Subdivision建模技術能夠更好設計具有非線性美學的有機形態，更有助于創造出獨特的藝術形式和空間感受。為相關室內空間有機形態的設計提供了創新的設計思路。

關鍵詞：Subdivision建模；有機拓撲形態；空間界面軟化；泰森多邊形；漸消面

中圖分類號：TU-85 文獻標識碼：A文章編號：1003-0069（2024）11-0148-04

Abstract：To explore the potential of Subdivision modeling technology in interior design， improve the attraction and competitiveness of organic form of interior design， and effectively improve the efficiency of designers in organic form design.Firstly， by analyzing the principle of Subdivision modeling， the possibility， efficiency， adjustability and imitation characteristics of Subdivision in indoor application were introduced. Secondly， several advantages of Subdivision modeling in interior design are discussed， such as organic topology structure， spatial interface resolution， Tyson polygon application and fading surface application. Combined with the London exhibition hall of Legica and the cases of BarinSkiResort and Batwings， this paper expounds its nonlinear aesthetics and organic form， and explains its design characteristics. And it is connected with the theory of plastic arts to explore the relationship between art form and space art. Finally， the advantages and limitations of organic form expression of Subdivision modeling are further analyzed， and the feasibility of organic structure modeling of Subdivision modeling in interior design is discussed.It is analyzed that Subdivision modeling technology can better design organic forms with nonlinear aesthetics， and also help to create unique art forms and space feelings.It provides an innovative design idea for the organic form of related interior space.

Keywords：Subdivision modeling；Organic topological morphology；Spatial interface softening；Tyson polygon；Fading surface

引言

隨著室內市場的競爭日益激烈，設計師和委托方越來越注重于尋求獨特而前衛的設計元素，以滿足市場對于非線性風格差異化的追求。同時元宇宙、賽博朋克等潮流的興起，室內空間設計作為展示時代風貌與文化底蘊的關鍵，其設計方法和形式的革新成為了業界的熱點。然而，在室內設計領域，Subdivision建模尚處于起步階段，其應用方法和設計標準還未完全建立。因此，深入探索和拓展Subdivision建模技術在室內設計中有機形態的應用引領室內設計行業朝著更加生動、自然的方向發展，打開了創新設計的新篇章。

一、Subdivision建模概述

Subdivision建模即細分曲面建模，是一種兼具Polygon（多邊形建模）和NURBS（曲面建模）特性的獨特曲面建模方式，Subdivision也是一套融合建模技術，既能以Subdivision的方式兼容Mesh，也能以順滑的Subdivision曲面來和NURBS曲面相互轉換。細分建模通過一組低分辨率的原始控制網格，按照特定的細分規則，經過反復迭代，最終形成一種極限曲面。這種極限曲面的形成，實際上是依賴于這種規則對多邊形網格進行不斷的離散化處理[1]。與NURBS曲面建模方法相比（圖1），細分曲面的優勢在于其無需經過組合、切割、融合、適配等復雜操作，就具有與NURBS曲面相似的連續性、局部控制性和幾何不變性，同時也能夠適應多邊形網格的幾何拓撲。

二、Subdivision建模在室內有機形態下的優勢分析

有機建筑思想主要的表現為“機能形式”與“浪漫形式”[2]。追求的不只是外在形式的模仿，更是內在精神與自然的聯結，同時是對生命和自然形態的情感表達。Subdivision建模在空間有機形態中的屬性優勢主要表現在4個方面：1.高度整體性，Subdivision建模在全局上保持整體性，但也允許對局部細節進行精細的控制。2.定制人本性，結合Subdivision建模，將人的需求、偏好和行為考慮進建模過程中，以創造符合人類感知和體驗的設計。3.高效調試性，Subdivision建模能夠以高效的方式進行調試和優化，以確保最終模型的質量和性能。4.獨特仿生性，Subdivision技術更容易生成多樣化的曲面形態與曲面結構，更利于通過調整參數和自然規則來創造出不同類型的有機模型。這4種特性并不是孤立存在的，它們之間相互交織、相互影響。

（一）Subdivision的高度整體性

有機形態的概念源自生物學領域，其中“有機”一詞對應于“有機體”，指代自然界中所有生命體的總稱[3]。有機體通過其生化過程展現出生命的多種特征，并與周圍的自然環境融為一體，形成了一個不可分割的整體。在建筑結構設計時融入室內裝修設計的考慮，增加了建筑與室內裝修的協調性，這種一體化設計理念強調空間的流動性與連續性，實現了空間之間的無縫貫穿與聯通，打破了傳統建筑設計中空間相互孤立的局面。Subdivision在整個設計過程中體現出重要的整體性，一體化的理念制作下演化生成模型，同時通過合理劃分空間實現空間的形態有機與功能有機，使得打破傳統的線性空間的僵化，獲得更為空間整體性與空間多樣性的需求。

（二）Subdivision的定制人本性

有機設計不僅僅關注形式，更注重以人為本的原則。人本主義設計觀強調對人的需求的理解，關注人類行為和體驗，并將其視為設計過程的核心，它涉及到設計的人性化、個性化和多元化，以及設計所傳達的深層理念和情感，以人為本的定制化設計理念得以充分運用。人本主義設計觀注重靈活性、適應性和可變性，這與Subdivision建模自身特性不謀而合，設計師可以根據客戶的個性化需求和特定偏好，真正關心人的需求，靈活地調整空間布局、形態和細節，從而打造出獨一無二的空間體驗。

（三）Subdivision的高效調試性

Subdivision技術展現出強大的調試性與多種建模方式的轉化能力。Subdivision建模中可以隨意切換smooth視圖模式與多邊形視圖模式，這在處于創意形成與發展的概念設計前期創意階段有很大的優勢，設計師可以充分發揮Subdivision建模的易調試性快速建立概念化的三維基礎模型，實現三維空間中多角度、多形態的分析觀察。在視圖的靈活切換中反復移動控制點，持續優化調整模型，感知其體量關系，直至確定最終合適的比例和姿態，再進一步深化特征設計。靈活操作UV方向對于實現貼圖等操作至關重要，也使得貼圖工作變得更為便捷和高效。此外，Subdivision建模輸出的數據占用的內存相對較小，這對于保證工作流程流暢性。這種高效調試性不僅能夠提高設計師的工作效率，還能快速為項目的最終實現提供更加符合客戶期待的設計方案。

（四）Subdivision的獨特仿生性

大自然中的有機生物基本上是由曲面構成的，曲面形態更適應自然界的多樣性和復雜性。通過借鑒自然界的智慧和優秀生物特性，找到自然界中有機仿生元素的獨特的韻律與功能特性，將具有生命的特質、有機的形態和復雜的結構的有機仿生元素融入設計之中，建筑不單單是形式上的模仿，也可從中獲得更高效、可持續和符合功能與結構需求的解決方案。Subdivision建模的核心是形成能任意拓撲的、高分辨率的、光滑的曲面，這在有機曲面形體中有著很大優勢，通過尋找相似關系、組合關系、函數關系搭建創建模型[4]，利用Subdivision建模突出的曲面優勢仿生生物非線性結構的主要特點，實現模型更為的直觀、高效的元素模仿與表達。

三、Subdivision在室內設計有機形態中的應用策略與手法

在空間設計中，追求自然、有機的形態已成為一個普遍的趨勢。設計者們不再局限于傳統的直線和尖角，而是尋求通過流暢的曲線和有機的結構，營造出更具溫馨、舒適的室內環境。區別于傳統的建模方式，Subdivision建模在室內設計行業中有4個主要的應用策略與手法（圖2），Subdivision建模技術漸消面的運用、有機拓撲結構的運用，以及空間界面的有機融合、泰森多邊形的運用，4種策略相互配合、融會貫通，為室內空間增加更為豐富的有機形態與非線性空間魅力。

（一）Subdivision建模下的有機拓撲結構

1.有機拓撲形態：拓撲學最早作為數學的一個分支，其核心在于研究幾何圖形在連續變形下保持不變的性質，這種性質使得拓撲的形態變化具有種類并可被歸納和運用。拓撲的形態變化被分為3個層次：（1）微分同胚變化（2）同胚變化（3）非同胚變化。相比傳統的設計手法，在室內設計中運用拓撲手法，設計師們可以增加空間視覺統一性，維持設計元素的和諧在整個空間中起著統率主導的作用，展現出和諧完整的空間形象。拓撲設計的研究對象涵蓋整體室內空間各種界面以及家具、裝飾等，為設計師創造了更多的創作可能性。

拓撲學在空間組織領域內的核心分類可細分為6個基本的相互作用類型：點對點、點對線、點對面、線對線、線對面、面對面。在拓撲學理論的引導下，構建一個雙軸線的室內設計框架，其包含一主要拓撲軸線與一輔助拓撲軸線。其中主要拓撲軸線作為室內設計的骨架性角色，不僅是空間組織的核心導向，而且是功能分區與流線優化的基礎。當它在空間內形成交叉并產生不同功能的內部結構時，便從中衍生出輔助拓撲軸線，強化和補充空間的功能性與視覺效果，促進了空間的多樣化和復雜化[5]。Subdivision技術的自帶的自由拓撲性使形體在經過優化運算后，能快速應用空間拓撲之中，賦予形體更具科學性與合理性的藝術美感[6]。

2.BarinSki Resort案例分析：伊朗北部Shemshak城市的酒店BarinSki Resort（如圖3）。在此項目中，充分利用了拓撲的原理，以創造一個與外部感官世界截然不同的新空間，空間中大部分的家具與墻面形成拓撲形態，墻面也是由拓撲變形而來。運用了大量的同坯變化和非同坯變化的拓撲形態，造型上具有隨機性與偶然性，如拉伸、扭轉、彎曲、放大、縮小及其組合作用的形態。空間中的各種群家具如床、柜子、倒臺等，都充分進行拓撲變形，桌子與墻面形成起伏，突出的部分順理成章的形成臺面，床頭柜則是墻面的內凹形成置物面，倒臺部分進行方向的延申擴展與斷裂，斷裂的部分形成臺面，其他形體依舊向上融合至頂部，繼續產生拓撲變化。一系列的變化中，連續不斷變化中功能與形式實質是沒有發生變化的，只是將原本拆分為個體的家具與分離界面融合成了統一的有機整體。

整個有機整體也形成空間母形，空間母形是互相粘連的有機整體，連續的變換拓撲結構，整體與局部之間往往屬于同構的關系，它們擁有自我相似性，對其形態方向發展做出改變，但是不改變其性質，各個部分仍然屬于原本的結構具有其原本的功能。再通過切片（橫切）的形式使之割裂形成節奏韻律，通過簡單切片形態的累積，基于分解與重組原理的設計思維，其中大量基本的單元形態——切片單位，通過預定的組織邏輯被整合，以塑造出一種整體的、連續的非線性結構，形成視覺和結構上的復雜性與審美性[7]。拓撲結構賦予了空間流動與有機性的融合能力，確保即便在形態經歷變遷之后，空間原始形態之間仍舊維系著一種模糊而明晰的連續性。這種連續性不僅保留了空間之間的內在聯系，還使得各種形態轉換過程中具有傳承與演變關系。

（二）Subdivision建模下的空間界面消解

1.空間軟化與界面融合：建筑空間作為滿足人類需求的客觀表現，由內部與外部空間組成，其中墻、地、頂構成了室內的三大面。有機建筑的設計理念包括將建筑與環境融為一體，注重空間流線和內外一致性，使空間具有定制化、整體化的外觀和內部空間布局。建筑設計大師采用大量非線性設計方式軟化空間的界面，展現獨特的空間形式語匯，賦予建筑空間以更多靈動性和通透性[8]，且曲面的光順過度消解了界面之間的對立。在空間軟化的形態中極小曲面的運用相當廣泛，在數學中極小曲面是一種特殊的曲面，其曲率在某些點為零，或者在整個曲面上保持常數。在建筑空間領域，不同類型數學公式得出不同形態的極小曲面，這也可以為建筑師提供了豐富靈感（圖4），探索不同的極小曲面形式，使得室內與室外的統一，以及室內三大界面的消解與軟化。Subdivision建模技術結合參數化在極小曲面設計手法上具有獨特優勢[9]，設計者可通過不同的函數算法編寫形成不同的極小曲面形態，使得空間的界面更加柔和、自然，從而產生更富有流動感和舒適感的空間。

2.蝙蝠翼batwings案例分析：蝙蝠翼（如圖5）是由比利時的生態建筑師文森特·卡勒寶（VincentCallebaut）所設計，整個建筑都體現了空間界面消解特征，打破傳統線性結構體，將極小曲面形態與結構結合設計。在具象的空間環境中將界面與界面的融合發揮到極致，讓建筑與環境、人、物構成鮮明的對比，雖然扭曲的建筑體看似無序，實則內部的功能空間由規律的極小曲面依次劃分開來，實現了功能與形式的有機、整體與細部的有機、建筑與裝飾的有機。整個建筑的結構表皮，光滑的曲面效果配以潔白的純色打底，讓整個空間形態處于一個合理的空間秩序當中，即無序變有序，而有序則制約著無序。有機設計理念加上極小曲面的應用從場地延伸至室內空間，將界面間邊縫融合軟化維持形體空間的整體和諧，構建內外整體化的有機系統，實現了空間設計在不同尺度和環境中的統一與協調。

（三）Subdivision建模下的泰森多邊形設計應用

1.泰森多邊形：泰森多邊形是分形幾何中的代表性結構，被稱為“大自然的幾何學”[10]，泰森多邊形是一種普遍的形體結構，常見于昆蟲翅膀、生物細胞、蜥蜴表皮紋路、蜘蛛網、冰裂紋路等各種生物表皮及自然形態中，表現了自然界物質之間的距離關系。在建筑、景觀和城市設計中多采用封閉型態、變異的橢球形或卵形結構，展現出豐滿的輪廓與緊湊、圓潤的弧線。泰森多邊形的形式表達體現了生命孕育過程中的動態張力和生命的活力，表現了復雜多變的生命有機體的視覺特征。隨著不同領域越來越多學者對其研究的深入，泰森多邊形的應用也逐漸從二維擴展到三維甚至更高維度的空間，在不同領域發揮著關鍵作用。通過Subdivision建模和Grasshopper平臺以及輔助工具（如Kangaroo）優化造型結果[11]，設計師可以實現形態的擬合和實現，為室內設計帶來更豐富的可能性。

2.Roca樂家倫敦藝術廊內部空間案例分析：Roca樂家倫敦藝術廊（圖6）是Zaha Hadid建筑事務所的室內空間作品，靈感源自自然巖層中溪流俯沖的動態形態，精妙地將水流的動態融入建筑設計，展現出自然流動的造型與獨特魅力以及有生命有機質自由流瀉和隨機排列組合的效果。室內設計中廣泛運用了泰森多邊形的表現形式，不僅形式感統一融合，還具形式與功能的統一結合。其中一些泰森多邊形結構融入了家具的功能，是吊頂燈、前臺桌、展示柜以及座椅，這些具有功能性的泰森多邊形結構參雜其中，表現出強大的視覺吸引力。空間布局上也呈現出來泰森多邊形的分割與互聯，空間被劃分為產品展示、會議室、咖啡吧和閱覽室等不同區域，這些區域相互聯系又相對獨立，泰森多邊形穿插其中提供自然流動的空間體驗。由泰森多邊形設計的“水滴”點綴整個空間，使得整個空間具有了動態生命力，運用“塑性流動”理論設計出內部空間，使藝術廊展現出平和流暢的動態感[12]，同時把水流的質感和力度、隨機方向感表現得淋漓盡致。營造出和諧統一、流動生動的空間氛圍，展現出強烈的空間交互性和生命力，泰森多邊形的運用在其中起到了畫龍點睛的作用。

（四）Subdivision建模下的漸消面運用

1.漸消面：漸消面，指的是一種特殊的曲面處理方式，它使得某個部位的曲面從顯著到逐步與周圍界面融合，直至消失形成一個平滑的過渡。其獨特的形式魅力可以使空間具有產品模型的精致感和科技感。漸消面的運用不僅僅是豐富了空間造型，而且在理論上強調有機融合的概念，旨在強化空間的流動性、連續性和整體性。漸消面需要滿足3個條件，（1）主體曲面的構建，（2）特征截面的形成，（3）界面邊界的過渡。傳統的NURBS建模在制作漸消面時精確且可控，Subdivision建模展現出更出色的整體連續性與高效性。

2.Roca樂家倫敦藝術廊外立面案例分析：以樂嘉倫敦展廳外墻（如圖7）為例子，展示墻采用灰色外觀，其設計靈感來源于自然界中的巖洞，經過自然力量侵蝕雕琢而成，其表面設計呈現出連續性正是運用了大量的漸消面，通過融入動態與靜態的非線性形態來增強視覺流動性。曲線之間相互影響但并不交叉，突出漸消面從銳邊到平滑逐漸消失表現出流水侵蝕后的有機痕跡，不斷強化設計立意描繪自然間的構造平衡。通過外墻玻璃窗戶框景出室內發光的水滴造型的同時，室內的光漫反射映射到外墻漸消曲面上，形成朦朧、優雅的光影關系。整個墻面采用了3種漸消面的方式靈活運用，在形態程度上增強了曲面的流動性和多變性，以現代“超前”感來展示人與自然的關系科技與環境的關系。整個墻面的空間氛圍的營造主要由虛面來擬合，介于開敞空間的性質是外向性的，私密性相對較小，主要通過借景、還景、對比、強弱等手法來展示與室內外空間的交融性。

經過建模分析（圖8），樂嘉倫敦展廳門頭的漸消面主要分為三個形式（圖9），（1）獨立存在的漸消面（2）伴隨分離存在的漸消面（3）由倒圓角產生的漸消面。紅色線條是獨立存在的漸消面，這種漸消面從始至終是光滑的連續曲面，為墻壁增添柔和感和流動感。黃色為伴隨分離存在的漸消面，這種漸消面一部分是凸顯輪廓感一部分是凸顯平滑度，與其他元素相隔一定的距離，形成了一種有層次感的設計效果。藍色為由倒圓角產生的漸消面，這些倒圓角的漸消面主要是突出界面的平滑與過渡，使整個展示墻更具有立體感和細節豐富度。這種設計方式非常獨特，讓人在欣賞展品的同時也能感受到墻面的設計之美。倫敦樂嘉展廳通過不同形式的漸消面相互配合，營造出了一種獨特而現代的展覽環境，給人們帶來了一種全新的視覺體驗。

四、Subdivision建模在室內設計的局限性

Subdivision（SUBD）建模綜合了多種的優勢，在設計初期階段展現出了較高的靈活性與效率，但在室內空間設計全流程的應用依然面臨特定限制。這首先是因為其建模方法及現有工具的局限性，缺乏高級幾何體的表示，不適合于實時交互式應用，影響了與對接施工部門之間的數據交換及準確性。一些施工技術與建模技術的脫節導致最終落地效果不佳，依據現有的數字化3D建造技術雖然已經可以支撐大面積的曲面建造，但其建造成本也是昂貴的，在室內空間的推廣與應用仍舊是需要一定時間。其次，修改Subdivision模型中頂點的操作可能引發問題，因為模型的細分可能會導致頂點之間出現不可預測的連接方式，增加了建模數據的不確定性。再有，并非所有渲染引擎和軟件都兼容Subdivision建模技術，這一現狀限制了模型的可移植性和跨平臺應用能力。

結語

Subdivision建模技術的廣泛應用為室內設計帶來了創新與發展，賦予室內空間更為有機、復雜的形態。依照整體性、人本性、調試性以及仿生性等多重優勢，給予設計師更豐富的創作手段和空間表現形式。通過對漸消面、有機拓撲結構等特性的靈活運用，設計師在設計有機形態中突破傳統范式，打造出更具多元、多變、多功能的空間環境。盡管Subdivision建模仍然存在不足，但這也是得以改善的方向。在有機形態空間設計中最大限度地發揮Subdivision建模工具的創造性，需要根據特定項目、特定位置和特定階段的要求，巧妙靈活運用Subdivision建模工具，方能充分釋放其在有機形態空間設計領域所具備的創新潛能。

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