基于形状文法的城轨头型相似性设计研究
孙元 闫宇婷
摘要：运用形状文法的设计手段，设计出具有地域文化特色的多类型轨道交通头型系列化造型方案。提取了四种不同类型轨道车辆头型设计特征，总结出多类型轨交车辆头型相似性设计法则。以重庆多类型城轨头型设计为例，分析各类型城轨头型结构特征，并基于地域文化提炼大量设计要素，在此基础上运用形状文法推演出具有相似性特征的造型方案，并验证思路的可行性。获得具有地域文化特色的多类型轨道交通头型系列化造型方案。形状文法可以指导地域元素在城市多类型轨道车辆设计中的应用研究，为交通工具创新设计提供了新的思路。
关键词：多类型轨道交通 形状文法 地域性 造型设计 系列化
中图分类号：TB472 文献标识码：A
文章编号：1003-0069（2021）04-0122-04
引言
随着经济发展而引发的环境污染和交通堵塞等问题已经成为现代城市化进程中的严重阻碍，构建完善的城市轨道交通体系可以缓解地面交通压力，减轻环境负担，带动经济发展，具有极强的社会经济效益。近年来，铁路建设蓬勃发展，轨道交通成为全国性的重要基础设施和运输大动脉，与国家经济发展紧密相连。轨道列车造型设计代表着特有的精神内涵体现着不同的设计背景和文化。随着城市化建设的不断推进，轨道交通工具类型呈现多样化的发展趋势。城市轨道交通作为城市公共设施的重要组成部分，是城市文化形象的重要载体之一，有必要对其进行系统化的视觉设计，构建相应的造型特征体系，以提升城市整体的文化形象，起到建设城市品牌形象、宣传城市文化的作用。本文将以城市多类型轨道交通工具为载体来建立带有地域文化特色的系列化轨道交通视觉形象，进而探索一种新的城市宣传策略。
根据传统的设计方法来进行产品造型设计已经很难解构产品造型规律及形态推演法则。在多种类型的轨道车辆设计过程中，如何保证其设计风格既代表城市文化，车辆造型之间还能具有相似性的设计特征是此次设计面临的关键问题。针对此问题，本文提出结合形状文法和地域文化特色来进行多类型城轨头型设计研究。图1，为本次论文研究思路图。
一、理论介绍
（一）形状文法
形状文法可以快速产生大量具有系列化造型的衍生方案，在设计过程中大大缩短设计周期，节约了人工成本，其在延续性创新方面具有深厚的含义，可以很好地传承设计文脉，将经典造型融入新造型设计中，实现新旧文化内涵的完美融合，受到了设计界的高度重视。
形状文法最早从建筑设计中发展而来，主要是通过定义明确的几何形状元素和语法规则，使造型发展衍生过程有迹可循，由初始形态在语法规则作用下得到新的造型形态。麻省理工学院教授乔治·斯蒂尼于1972年率先在《介绍形状和形状文法》一文中名确阐述了形状文法的概念，从而为形状文法理论奠定了基础。美国CMU大学的麦科马克教授根据BUICK品牌的发展历程，提取各阶段具有代表性的特征对汽车前脸造型进行设计提取和划分，并将提取的元素作为基本形态元素而进行形状文法分析与设计。目前，国内外学者针对有关形状文法相关理论的研究及应用主要集中在建筑、平面、造型设计等领域。陈威等人将形状文法理论应用在现代有轨电车造型设计中。卢兆麟等人运用形状文法研究产品设计的DNA遗传变异特征以收集造型为例验证了该方法的可行性。
二、产品PI理论
产品PI理念是多学科的融合的一个综合概念。作为众多设计形象中的一种，产品PI理论仍是以产品为核心进而展开系统性设计，赋予产品强烈的系列化特征的品牌特定标识。有助于提升品牌产品竞争力的关键，形成独特的品牌特征和文化风格。产品PI理念发展较晚，是多学科综合的产物，早期人们用“家族化产品设计”来表述该设计理念。
国外学者根据两个简要的工业案例研究，深入了解MIG的使用情况，并强调了在团队中开发模块化产品族时对可视化产品形象进行潜在改进。为使企业在品种设计时初步构建未来产品族，有学者提出建立应用开发框架并以有向图形式计算系统的方法。然后使用组合矩阵来评估产品组件，以确定不断增加的世代变化的影响，也有研究者以“形象”为切入点，研究产品形象与构成，为今后深入研究产品形象作了理论框架上的铺垫。还有学者为了解决工业设计中产品族设计的品牌识别问题，提出支持产品视觉识别的产品族DNA的方法，并将其用于磁疗沙发的设计中，保持了品牌的统一性和创新性。为促进机床产品销量，有学者引出产品外观家族化设计概念，从典型产品提取外观家族化特征，运用到全系列产品并作适当调整，形成产品家族化形象。该设计方法运用于企业实际案例时，达到了较好的不同产品系列家族化效果。
（三）地域文化与轨道交通
地域文化種类繁多，不同的地域滋养出不同的文化内涵。国内外对于地域文化的理论研究也在不断发展，城市是现代化生活的聚居地，随着交通工具的发展，各地的地域壁垒被打破，人口迁徙更加频繁，文化交流更加紧密。所形成的地域文化是共性为主，特性为辅的。在对地域文化的研究方面，国内外学者对于地域文化的理解各有千秋，不可否认的是，地域文化对新产品的创意整合具有积极的影响作用。刘雪以霍尔提出的文化结构分类为基础，以此将文化细分为公开文化和隐藏文化，陈大路提出可从地域性、丰富性、亲缘性和动态性这几个方面取了解地域文化，徐伯初等认为地域文化只有被感知才能得以应用，白欲晓界定了地域文化的划分标准，并通过具体案例证明了地域文化对城市的重要性，最终将地域文化融入到轨道交通列车造型设计中。
通过对国内外城市轨道车辆造型案例设计，可以发现国外在城市轨道车辆设计中直观地将轨道车辆造型设计与地域文化相结合，尤其注重连结民族文化和地域性产业文化，特征鲜明。例如法国里昂的有轨电车，将地域性产业文化与车辆设计相结合，将蚕宝宝的造型融入到有轨电车头型设计中：澳大利亚墨尔本有轨电车设计将城市雕塑文化融入到列车设计中;成都则是将国宝大熊猫作为悬挂式单轨列车造型意象来源;哈尔滨则根据当地气候特点，以冰雪色为创意点，为车身融入了当地的气候因素。
当地域文化要素作用于轨道交通工具时，不仅能提升车辆的价值与审美感受，同时作为一种城市形象，也可以很好地展现城市风采，成为重要的城市名片。
三、设计实例
以重庆市为例进行四种不同类型城轨头型的设计研究中应深度解读城市的历史文化、城市定位、发展方向，然后经过广泛调研从而得出设计元素。运用形状文法的设计手段将其拆解、抽象为适用于设计对象的造型元素如线、色彩、图案，然后经过转化、组合的手法将造型元素融入交通工具设计中。重庆的轨道交通系列化设计，将从整个城市意象进行提取，不只着眼于某一建筑或文化图样，还应从整个城市的意境出发，设计出贴合于整体城市形象的交通工具，将系列化交通工具与城市整体氛围融为一体，使穿梭于城市的各类型轨道交通与城市基调相呼应。
（一）地域文化元素提取
重庆属巴渝文化。川剧是巴蜀文化的主要代表之一，川剧在精神上追求“拟形传神”，通过图形的表达，川剧脸谱可将每一个人物性格特征清晰地呈现在观众眼前，传递出一种独特的文化内涵。重庆作为新晋网红城市，拥有极具巴渝传统建筑特色的“吊脚楼”、解放碑，洪崖洞、山城老街等自然人文景观。
提取地域文化特色过程中应深入分析当地特色文化，对所收集的文化符号进行筛选，最终选择代表性文化要素，进行大量的文化符号元素提取，为后续的造型设计灵感来源做好充分的准备。表l为地域符号提取和表达。
（二）头型结构要素提取
城市轨道交通发展迅速，地区、国家、城市、服务对象的不同等，使城市轨道交通发展成为适用于不同场景的多类型交通工具。本文主要的设计对象有轨电车、地铁、单轨列车、城际列车。对多类型轨道交通工具头型设计而言，不仅要遵循造型的美学原则，还要根据人机工程学、车辆构造、车身尺寸等展开设计。为确认各类型轨道交通工具头型在形状文法实施过程中的约束条件，需要对以上四种轨道交通列车做出具体的造型分析与判断。（1）有轨列车：现代有轨电车以地面铺设为主，分为高地板和低地板列车，头型较为方正，是一种模块化、低地板、中低运量的公共交通方式。（2）地铁：地铁拥有一定规模运量、按车辆编组。结合城市具体情况，可运行在地面或高架线路上，是城市运输的大动脉（3）区域列车：区域列车对速度的要求使其外观造型和室内要求都具有鲜明的美学特征。车体外观造型流线化、整体化、细长化，相较于其他以上列车，区域列车体现出差异化的舒适性设计特征。（4）跨座式单轨列车：跨座式单轨车辆以车身包裹铁轨，相比其他高架铁路，单轨能有效利用道路中央隔离带，所占地面面积和空间都较小，适用于建筑物密度大的狭窄街区，通常用作短途观光游览和城区交通客运。
为了更准确地提取各类型轨道交通工具造型轮廓特征，本次研究采用问卷调查和专家访谈方式，通过统计与分析评价，挑选具有代表性的造型形态，分析各类型车辆头型结构特征，总结出轨道交通造型轮廓线主要包括侧顶形线、A柱线、顶廓线、侧轮廓线这几个主要的设计结构和布局。在将设计元素进行规则化的设计演变时，应充分考虑车头的结构要素。将车辆的硬性限制与设计的美学要素完美结合。如表2所示，为各类型车头结构线提取。
（三）形状文法推演规则
形状文法可具体表达如下，SG=（S、L、R、L），SG代表一个形状集合，S代表所绘制形状的有限集合，L代表符号的有限集合，R代表造型规则的有限集合，I则是初始形状，S中的衍生形狀是经过一定的符号标记后经规则R后生成。所有参与衍生的形状均需要一定的符号标记才能被规则推动，形状集合中所有形状都是通过应用规则R从初始形状l中衍生出来的。形状文法演变规则如表3所示。
形状文法在产品设计领域中的应用主要体现在两个方面（1）延续性创新：对指定品牌已有产品造型特征进行收集、归纳、提取，从中抽象出隐藏的设计规则，在此基础上用以推演组合出新的形态，保证品牌的特征的遗传性和继承性。（2）开拓性创新：根据产品自身功能约束与用户需求或设计师意图选取特定意象并进行元素的抽象、提取、融合、推演，指导产品设计活动。在进行开拓性创新时，由于没有可供参考的产品形象，因此对设计元素的选定提出了更高的要求。在抽象过程中，应按照主体、附着、混合的顺序进行元素采集与提取，保证设计元素的鲜明性和代表性，以便在后续运用形状文法进行进一步的抽象和演变后仍能保持元素的可识别性。如麦科马克教授根据别克汽车不同年代的造型特征提取经典的设计元素，将不同年代的经典造型任意组合即可得出具有别克品牌形象的汽车新造型，就是一种延续性创新。而在本次课题的设计中，由于没有可供参考的品牌系列造型，选择从地域文化中提取设计要素作为造型设计的意象来源，则是属于形状文法中的开拓性创新。
（四）基于形状文法的造型谱系化推演
四种不同类型的轨道交通工具在人机工程学、车身尺寸和车辆构造限制下的典型特征，构成了产品谱系中的基础限制性初始造型S，通过对地域文化元素的收集和形状文法推演会产生多种新的设计形状，选定不同的设计形状并将其组合融入到不同类型的头型设计中，则会产生四种新的带有地域文化元素的系列化轨道交通头型方案。基于形状文法的形态谱系化过程如图2所示。
根据阿恩海姆的视觉动力理论，视觉元素的形变、倾斜、指向性等会形成具有动感的视觉力。车头表情特征的呈现是通过车头前脸特征的几何变化，进而产生具有动感的情绪化特征。在以上造型组合方式的基础上，提取的重庆地域文化元素运用形状文法将单个的地域元素根据特定部位如车窗、车灯等进行具体的抽象处理，最终确定每一个对应部件的设计元素图形，将选定的设计图形作为一套造型组合，最后结合各类型头型特征再设计组成新的系列化造型方案。
在车头设计中车灯的变化带动整个头型表情的变化，是设计的重点。此次设计采用折线状灯带，为重庆著名文化元素川剧脸谱抽象意象，如表4所示为运用形状文法来提取设计车灯设计元素的过程。
根据图2中的演变步骤，将前期选定的地域文化意象均通过形状文法设计方法并结合车头造型影响因子具象为特定的设计图形，在此不进行赘述。具象化后的设计元素列表如图3所示。经过对车头各部位设计元素的选取组合，最终根据车头造型结构要素获得如下图所示的系列化头型设计方案。
四、造型设计展示
本次方案是在各类型车辆车体标准尺寸的基础上，经过形状文法推演出的新形状，反复修改设计草图，最终绘制产品线框图如图4所示。
最后运用Rhino建模软件制作三维模型，并运用渲染软件keyshot制作效果图如图5所示。
五、设计结果调研分析
本次方案评价的目的是验证造型设计是否具备重庆文化的地域代表性以及四种头型之间是否具有系列化的设计特征。现运用语义差异法对轨道交通头型产品进行头型相似度和设计代表性设计调研问卷。根据图中给出的文化元素图片评判车头造型设计是否具备文化元素关联性。设计语义差异量表调研问卷如图6所示。
本次调研采用问卷星网络渠道进行发放，调研时间为8月10日-9月10日，共计收到86份调研问卷，有效问卷为82份，借助SPSS数据分析软件处理调研问卷，将输入数据作为变量，运用统计学中的频率和描述工具计算百分比和平均分，评价数据见表5。
从上述调研果来看，利用形状文法指导系列化轨道交通头型设计是具有可行性的，在地域文化代表性上具有一定指导作用，但仍需探索更符合地域文化特色的设计元素。
结语
本此设计以重庆多类型轨道交通工具造型设计为例，运用形状文法的设计思路，创造出具有重庆特色的轨道交通产品家族化系列视觉形象。城市轨道交通设计与当地地域文化息息相关，对展现城市魅力有至关重要的作用。挖掘设计背后的深层含义并将之赋予不同类型的轨道交通工具中去，使之具有明显的城市化特征和强烈的设计关联性是此次课题所要研究的内容。希望通过对轨道车辆造型与风格意象关系的研究，对相关产业的造型设计起到一定的指导意义，能够基于不同的城市风格需求确立最贴切的设计走向，能将同类型产品做出具有系列化和继承性的风格。对今后该领域及相关领域研究过程拓展研究的视角、丰富研究内容、拓展研究的层次起到抛砖引玉的作用。
