基于案例推理的苗侗木制民居定制方法研究

袁涛 吕健

摘要：为了满足贵州苗侗少数民族地区新农村建设中木制民居的文化传承以及快速建造的需求，重点从面向用户的个性化定制模式出发，提出了基于案例推理的木制民居产品配置设计方法。通过对木制民居案例进行解构分析，构建了基于结构树的产品配置表征模型，并针对该方法中民居构造模型的建立、产品配置设计流程以及相似案例的检索方法等关键技术开展了研究。最后以木制民居的配置设计为例，对该方法进行了验证。

关键词：案例推理;木制民居;大规模定制;配置设计

中国分类号：TB472 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2018}07-0151-02

装配式技术在建筑行业中的运用得到了业界广泛的认同和重视，其生产模式逐渐由大批量生产转变为大规模定制生产。目前，关于产品定制设计的理论方法主要有案例推理（Case-basedReasoning，CBR）理论[1]、参数化方法[2]、模块化方法[3]、可拓学理论等[4]。CBR理论是实现定制设计的重要手段之一，得到了国内外多个领域的广泛关注，尤其是应用在产品配置设计中。本文重点针对在木制民居配置流程以及相似案例检索方式，结合CBR理论，对贵州黔东南少数民族木制民居进行构造特征解构，提出基于CBR的产品配置设计方法，并对该方法进行了验证。

1 木制民居案例解构及表征模型

1.1 案例解构分析

干栏是南方少数民族住宅建筑形式之一[5]。随着人们生活水平的发展，已经从单纯的两层发展为三层、四层。民居的构架一般由“排架”、“开间枋”和“檩条”构成，“排架”根据瓜柱的数量可分为五柱四瓜、五柱六瓜、五柱八瓜，瓜柱越多，房屋的建筑规模越大（图1）。在民居建造时，通常根据房屋的建筑规模决定排架的数量，一般有四排三间、六排五间[6]。其屋面形式主要有悬山顶、歇山顶、硬山顶，屋檐形式分为单檐和重檐，屋面材料主要有小青瓦、树皮和茅草。根据屋面倒水形式，可分为两面倒水、三面倒水和四面倒水，其中以两面倒水运用最多。除以上一些必要的建筑构造形式，还包括偏厦、谷仓、廊道、美人靠、吊柱及柱头、栏板与窗棂等附属建筑和装饰构件[7]。

1.2 民居案例库建设

通过对贵州省黔东南州的实地调研，对苗侗木制民居数据资料进行采集、整理、分类、统计、分析，建立了苗侗木制民居原始案例库。结合民居的结构特性对其构造部件进行系统的分类与形态解构，分析房屋部件的使用规律及在不同场景的应用状态，构建用于CBR实例推理的案例库，案例内容包括：民居户型库、功能结构库、文化资源库、数据资源库等，为研究者及使用者提供精准、可靠的案例资源。

1.3 基于结构树的产品配置表征模型

根据苗侗木制民居案例解构分析建立的民居案例库，将木制民居形态构成以一定的规则映射为一个多元化的产品结构树，每一个树状结点根据层级不同代表不同的产品要素。在产品配置过程中从最底层的结点进行约束匹配，根据结点层级结构依次进行不同配置的选择，最后将所有结点以预先定义好的配置約束条件进行组合，再通过知识和经验的修正，实现不同需求的配置结果输出。

2 基于CBR的木制民居配置设计

2.1 相关概念

1）构造单元是指对某一构件进行修改就可以用在不同产品上面的可以实现一种或几种构造功能的产品装配件。

2）构造载体是将众多构造单元集合而成的产品案例集。

2.2 木制民居配置流程

在配置设计过程中，可以在民居案例库中查找满足客户基本功能需求的构造单元集合，并将其组合成一个木制民居的产品构造载体。然后通过相似性算法在案例库中检索与该产品构造载体最相近的一个案例，并将其作为木制民居的构造原型，使得在详细设计阶段只需要根据目标产品构造载体与相似案例产品的不同之处，对相似案例加以修正，就可以获得用户需要的产品。

2.3 相似民居案例的查找

木制民居构造载体的构建只是处于概念设计阶段，需经过详细设计才能转变为能够生产的产品。因此，从已有的民居案例库中提取出与所需构建的民居构造载体最相似的设计方案，从而为详细设计阶段提供一个合适的可参照案例，是将基于结构树的案例推理方法在产品配置设计中推向实用化的重要途径。

根据基于结构树的产品配置设计表征模型，将木制民居构造载体中的构造单元案例化，构建出如图2所示的木制民居结构树。

因为木制民居结构树是一棵无规则树，同层级的结点能够相互置换，结点在树中的位置可以由该结点到根结点所经历的各结点形成的链表来表示[8]。

木制民居案例结构树可表达为上述结点的集合：

木制民居案例检索相似度计算公式如下：

其中，num（nodl⌒nod2）与num（nod1∪nod2）分别表示产品p1和产品p2所包含结点交集与并集中的元素数目;S_n表示结点交集中成对的两个结点之间的相似度。

式中，Consist（nodi）表示对成对结构结点的比较，当产品p1和产品p2都包含有该结构结点时，其数值为1，反之为O;num（nod1i⌒nod2i）与num（num（nod1i⌒nod2i）分别表示成对结构结点在结构树中所涵盖的位置结点交集与并集中的元素数目。

3 应用实例

本文将贵州苗族侗族木制民居大规模个性化定制作为设计案例，对其进行民居产品的配置设计，验证基于结构树与CBR理论的产品配置方法的可行性。假设客户需要构建一座木制民居A，对其功能和结构要求为“五柱四瓜前后吊瓜”、“四排三间”、“两层”、“底层架空”、“单檐悬山顶”、“有廊道”等一些房屋构造特征。首先对民居案例库中所有构造单元进行检索和筛选，获得如图3所示的民居构造结构树。

其次检索与民居A构造载体结构树最类似的案例。假设案例库中有如图4（a）和4（b）所示的两项案例。按照公式（1）和公式（2）求得其与木制民居A的相似程度。

民居A与民居B的相似度为：

因此，对于民居A来说，民居C比民居B更接近目标产品，设计师可以将其作为设计雏型。在接下来的详细设计阶段，以构建民居A的构造载体为目标，以民居C作为设计雏型，就可以对民居A进行详细设计，之后输出案例，最后通过方案评价来最终确定是否符合客户要求，未符合要求的方案重新进行详细设计，符合客户要求的方案输出案例结果，完成设计任务，并将新案例归置于木制民居产品案例库中。

4 结语

本文针对贵州苗侗少数民族木制民居的个性化定制，为企业提供了一种基于案例推理的木制民居配置设计方法。以民居的构造特征作为配置设计的基本属性，采用案例推理理论，在目标案例与设计案例构造不同的情况下，通过案例检索，查找到与目标案例在结构特征上最为相似产品的一种配置设计方法。并对该方法进行了验证，取得了良好的效果。

本文系国家科技支撑计划（2014BAH05F01）;贵州省科技基金项目（重大专项字[2015]6008，[2015]6014，LH字[2016]7467，[2016]2327，[2013]4005，[2012]2747，[201212484）;贵大（人基合字[2016]12）。

参考文献

[1]WANG Pengjia，GONG Yadong，XIE Hualong， et al Applying CBR to Machine Tool ProductConfiguration Design Oriented to Customer Requirements[J] Chinese Journal ofMechanical Engineering， 201 7，（01）：60-76

[2]王宗彦，虞国军，吴淑芳，等，面向并行工程的机械产品参数化协同设计[J].中南大学学报（自然科学版），2013， （02）：552 557.

[3]高文斌，王洪光，姜勇，等，模块化可重构机器人标定方法研究[J].机械工程学报，2013，（17）：92-100.

[4]周建强，赵燕伟，王欢，等，基于知识的大规模定制产品可拓配置设计[J]，机械设计，2012，（09）：14-21.

[5]張春晓，严爱军，王普，一种改进的案例推理分类方法研究[J].自动化学报，2014， （09）：2015-2021.

[6]孟洁，基于案例推理的建筑方案设计流程研究[D]，哈尔滨工业大学，2015.

[7]罗德启.贵州民居[M]，北京：中国建筑工业出版社，2008.

[8]张雷，刘光复，胡迪，基于实例推理的产品配置设计研究[J]，合肥工业大学学报（自然科学版），2008， （06）：847-850.