设计传承——基于视觉动力学的轨道车辆外观与涂装设计研究①

荣 歆 向泽锐 支锦亦（西南交通大学 建筑与设计学院，四川 成都 610031）

视觉动力学（Visual dynamics, VD）由Arnheim R[1]提出，是把格式塔心理学中的科学理论应用到视觉艺术领域中的一种科学研究[2]。视觉动力学理论认为，一件包含尺寸、色彩等静止尺度的视觉作品是由各个方向性的力所构成，这些力相互支持、相互抵消从而构成整体的平衡[3]。视觉动力学理论经历了三个发展阶段[4]：第一阶段引入了“力”的概念，通过分析式样中的“力”来探讨艺术形式与视知觉之间的关系；第二阶段是研究视知觉的思维本质，阐明“动力”对于视觉思维的重要作用；第三阶段侧重对知觉动力在艺术中的表现做更多的探讨。如今，视觉动力学已广泛应用于建筑动态空间研究[5]，汽车前脸造型设计[6]，平面标志设计[7]等研究领域，同时也对艺术教育、美学、心理学等产生了较大的影响[2,3]。

目前，我国对轨道车辆的设计研究主要集中在车体造型、外观涂装以及车内人机环境设计与评价等方面[8]。针对车辆外观与涂装设计研究，有的文章[9]从技术、人因、美学和文化四要素提出了一种系统的列车头型设计方法；有的文章[10]研究了高速列车涂装设计与民族文化和乘客心理的关系；有的文章[11]从符号性、秩序感、环境协调性和人性化设计等方面提出了铁路货车的涂装设计思路；有的文章[12]研究指出，色彩可以表现地域文化，车体色彩选择应注重地域特点，并应与自然、人文环境相协调。目前，已有研究还缺少对我国轨道车辆外观的历史文化脉络及典型设计语言的研究。

本文从视觉动力学理论视角对我国铁路机车车头外观的发展及典型设计语言进行分析和研究，探讨能够体现并传承我国铁路机车视觉文化基因的机车车头外观与涂装设计方法。

一、铁路机车车头外观概述

从1881年我国工人用矿场起重锅炉和竖井架等旧材料试制成功第一台蒸汽机车至今，我国铁路机车先后经历了蒸汽机车、内燃机车和电力机车3个时代[13]。在这近140年间，我国先后研制了“北京”“东风”“东方红”“韶山”“ 长征”“ 巨龙号”“建设”“和谐”等多个系列、多种型号的铁路机车[14]。表1是基于调研整理获得的我国内燃机车车头外观样本，表2是我国电力机车车头外观样本。

表1 我国内燃机车车头外观样本

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表2 我国电力机车车头外观样本

由大连机车车辆工厂于1958年研制成功的“巨龙”号铁路内燃机车（见表1）是我国自主研制的第一台内燃机车，其外观设计借鉴了前苏联T33型柴油铁路机车（见表1）。在该车的车头上，我国铁路机车第一次使用了“V”形符号。在之后的数十年间，“V”形符号一直存在于我国各种型号的机车车头上（见表1和表2）。2018年5月11日，首列由我国内蒙古临河至伊朗德黑兰的中欧货运列车已于当日出发[15]，这趟列车所使用的东风5型机车车头也有醒目的“V”形符号。因此可以得出，“V”形符号是我国铁路机车外观的典型视觉符号和设计语言。

视觉动力的产生有4种方式[16]：静止的运动、倾斜的动态、变形中的张力、静止图式的频闪运动效果。本文重点以我国铁路机车的“V”形符号为研究对象，通过对典型机车样本的分析，从静止的运动、倾斜的动态和变形中的张力3个方面探讨“V”形符号在我国铁路机车外观和涂装设计中的文化及设计涵义，以及将该典型设计语言应用于我国铁路机车车头外观与涂装设计的方法。

二、铁路机车外观与涂装分析

1.分析用样本

经对表1和表2中所有机车的车头外观进行分析和比较，最终选定了用于此次分析的15个典型样本，详见表3。

2.分析方法及流程

（1）样本处理

样本处理主要分为以下4步：

第一步：将15个典型样本图片导入到专业图形处理软件PhotoshopTM中；

第二步：通过变形，将15个典型样本机车车头调整到接近的观察视角；

第三步：通过缩放，将15个典型样本中的“V”形符号调整到同等大小；

第四步：复制调整后的图片，并排放置，设置其不透明度到合适的数值。

（2）提取“V”形符号特征

第一步：基于样本自身的外廓形态，在PhotoshopTM中将每个样本中的“V”形符号用封闭线条勾勒出来；

第二步：为突出其视觉效果，用醒目的红色填充所勾勒的“V”形线条区域；

第三步：去处或隐藏样本图片后，获得分析用样本的典型“V”形形态。

3.分析与对比图

基于上述分析流程，从静止的运动、倾斜的动态、变形中的张力三个方面，分别对15个典型样本进行处理和分类，获得了三类典型样本的“V”形符号分析与对比图（见图1）。

表3 用于分析的15个典型样本

图1 典型样本的“V”形符号分析与对比

4.讨论

（1）静止的运动与“V”形符号的联系

在知觉层面，人们对视觉动力的感知，需要认知经验及联想等心理情感因素作为基础。人类第一次感知到“V”形符号，可以在自然界中找到原形。例如，鸟类在飞行中翅膀与躯体组成十分明显的“V”形符号（见图2a）；候鸟在南迁的过程中组成V字队形（见图2b）。这一系列自然形态表明，“V”形符号自身蕴含指向性，能体现动感，可以向观者传递出前进、动态的视觉感受。第二次世界大战中，丘吉尔（Winston Leonard Spencer Churchill）使用“V”形手势（见图2c）激励英国人民互相努力、克服困难，因此“V”形符号还隐藏着胜利的含义。将“V”形符号运用在机车车头造型设计中，可以丰富机车车头前部的形式感、增加左右对称的均衡美感，使本身体积庞大且沉重稳定的机车外形呈现出对称、动态的视觉美感。图1a为采用“V”形涂装来营造静止中的运动的典型案例。

图2 自然界中的“V”形符号

（2）变形中的张力与“V”形符号的联系

在机车车头外观中，不同的“V”形符号涂装都是由最初的“V”形符号经过基本形状变形而来。为了追求不同效果的视觉张力，产生了多种变化的形态式样。如图1，从各种系列机车车头的外观对比中可以发现，“V”形符号的变形十分丰富：东方红1型车辆运用大面积色彩涂装展现整体造型，稳重而又不显呆板；东方红4型车辆使用了较窄的亮条装饰色带，在增加速度感的同时，又能打破整车色彩的单一，在统一中营造出细部变化的效果。从图1中也可得出，在使用“V”形涂装后，所有机车外观的视觉动力更加显著，“V”形涂装增强了机车外观横向及倾斜方向的拉力，从而使其产生了动感。尽管在这些变形形态中，不同的变形会使得“V”形符号所体现出的视觉力有强有弱。

基于格式塔心理学中的简化原则[6]，当观者面对“V”形符号的变形形态时，通过视知觉的联想与想象，将变形后的形状逐步向正常的“V”形符号靠拢，正是这种在视觉上犹如“看”到了其形变过程，进而使观者感受到了车辆的视觉动力。图1b为借助变形“V”形涂装赋予车辆更加丰富的视觉张力效果的典型案例。

（3）倾斜的动态与“V”形符号的联系

倾斜会产生不稳定性，从而产生具有倾向性的张力。例如比萨斜塔、阿联酋的首都之门、西班牙的欧洲门等能使观者感觉到强烈的移动倾向，进而产生受力的感受[16]。平衡感是人类一直努力追求的感觉，面对任何事物人类都会习惯性地运用矫正平衡的潜意识[2]。正是这种潜意识的作用，我们在面对倾斜的事物时，不自觉的要求这种偏离回到稳定的空间，从而感受到了具有倾向性的张力。在机车车头的侧围外观中，通过将“V”形符号向后进行倾斜处理，使原本平衡的线形色带出现了在水平维度和垂直维度上的偏离，这种偏离的发生有助于增强车辆两侧外观的美感和动感。图1c是利用倾斜 “V”形涂装来营造动感的典型案例。

5.设计启示

根据上述分析，可以得出“V”形符号在机车车头外观上的应用主要有三种典型的方式：

第一，通过“V”形符号自身蕴含的指向性来增加列车的视觉动力，塑造静止中的动感。

第二，通过对“V”形符号的基本形态进行变形处理，使观者感受到多向拉力，增加机车车头正面造型的细节变化和动感。

第三，通过对“V”形符号侧围形态的倾斜变形，使侧围产生不稳定感，打破视觉上的平衡，从而激发带有倾向性的张力。

在实际的机车外观与涂装设计中，这三种典型的处理方式往往需要综合运用，一个设计方案可能同时融入两种甚至三种处理方式。因此，会形成多种形态组合式样，从而呈现出多种不同的视觉动力效果。

三、设计案例

1.元素提取与形态推演

从建筑、平面、产品等物质文化载体提取“V”形符号，并用以上归纳的方法进行形态推演。

首先，在塑造静止的运动方面，借用“V”形符号自身蕴含的指向性，与机车驾驶室造型融合，同时调整长宽的比例，运用对比的形式美法则，突出“V”形符号，在视觉上降低机车的重心，展现机车静止时的动感。

其次，在塑造变形中的张力方面，通过施加垂直方向的力，在力的作用下，“V”形符号的垂直空间被压缩到一定程度，造型趋向扁平，凸显机车上部的稳重感，这从另一方面也彰显“V”形符号在垂直方向的弹力与张力；在水平方向，施加倾斜向后的拉力，倾斜的拉力使得“V”形符号整体前低后高，形成前倾的效果，提升整体造型的速度感，而且向后的拉力使“V”形符号的造型出现渐变，从车头最宽逐渐变换到最细，引导观者的视觉中心从车头一直延伸到车体，体现纵深感和延续性。

最后，在塑造倾斜的动态方面，将“V”形符号水平向后拉伸一定的角度，造成向后倾斜的动势，突出整体前进的速度感，并且贯穿的水平色带与倾斜的“V”形符号连接，通过形态对比，增强“V”形符号的倾斜性与动势。

图3为此次设计案例中“V”形的灵感来源以及造型推演。

图3 “V”形的灵感来源以及形态推演

2.概念方案设计

在外观造型中体现“V”形形态。通过“V”形符号向下收拢的趋势，引导观者将机车的重心在视觉感受上有一定程度的降低，传达稳重的视觉感受。并且在“V”形符号自身指向性的影响下，机车的前进感和动感十分强烈。在车头部分，采用形体穿插的手法，使其更有层次，营造节奏感和韵律感。在照明方式上，借鉴汽车设计的手法，采用细长的LED灯组。车身侧围采用有转折关系的平面，顶部倒角较小，展现机车车头的机械美感。

在外观涂装中体现“V”形形态。面对非正常比例的“V”形符号时，观者在式样中感受到多种方向的力的作用，增加机车车头造型的动感；在水平拉力的作用下，“V”形符号的宽度由大到小均匀变化，观者的视觉中心随着色带的变化向后方延伸，体现机车的速度感。同时，小面积的色彩涂装为厚重的机车加入变化和动态元素，起到画龙点睛的作用。

图4 概念设计草图

图5 设计效果图

基于上述设计理念，通过绘制大量草图来推敲“V”形的变形形态与机车车头形态的结合，详见图4。

3.三维造型辅助设计

以上述设计草图为基础，在三维软件AliasTM中进行建模，在渲染软件VredTM中进行渲染，经过后期处理获得了设计方案的三维效果图（图5）。目前，在GSB05-1426-2001国标漆膜颜色标准色卡①GSB05-1426-2001国标漆膜颜色标准色卡。所规定的83种颜色中，机车车头涂装所使用的颜色不到15种，且以铁红色、蓝色、银色三色为主[17]。该设计方案以表1中东风4B型、韶山4型、韶山7B型、和谐电3D型机车车头为原型，整体车身颜色采用铁红色，侧围搭配倾斜的淡黄色带装饰；车头主体采用银灰色搭配大面积的黑色玻璃，并点缀“V”形变形红色图案，整体形式继承了传统机车的“V”形设计基础。

结 语

从设计传承角度研究轨道车辆外观与涂装设计具有较为重要的理论和现实意义。本文以我国铁路机车为研究案例，运用视觉动力学理论，研究了“V”形符号在展现铁路机车车头视觉动力时所运用的三种方式，分析了不同“V”形形态对铁路机车外观的影响，提出可以从采用“V”形涂装（造型）、借助变形“V”形涂装（造型）、利用倾斜 “V”形涂装（造型），共三种方式来营造轨道车辆外观的视觉动力效果，为轨道车辆外观与涂装设计开启了新思路。基于所提出的这三种典型视觉动力营造方式，设计了一款概念机车车头，并将“V”形形态运用到了该方案的外观造型与涂装设计中，形成了一种全新的“V”形机车设计语言，为今后开发能够传承我国机车历史文化及典型设计语言的铁路机车车头提供了有价值的参考。