基于形状文法的电动汽车设计研究

韩蕴晖　沙强

摘要：为了在短时间内产生大量符合设计要求和技术要求的设计方案，提出了将形状文法应用于电动汽车形态设计的研究方法。首先，对电动汽车的典型性特征进行分析，然后提取最能体现电动汽车特征的前脸作为初始形状，对其应用一系列的文法规则，文法规则可以分为生成性规则和修改性规则，对应汽车造型特征的遗传和变异，对于具有品牌继承性的特征应用修改性规则变换，而对于创新性特征则可运用生成性规则进行添加和删除，同时指出具体的文法规则要根据相应的感性意象与约束规则进行确定。最后，以具有代表性的特斯×汽车为例进行验证，用语义差异法检验最终方案。形状文法可以适用于电动汽车的造型创新设计。

关键词：形状文法 文法规则 遗传 变异 电动汽车

中图分类号：TB47 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2021）06-0014-04

引言

近年来，能源危机以及使用化石燃料而造成的环境污染已成为日趋严重的问题，大气污染、全球气温加剧等正在严重地危害着人类的生存，而造成这些严重问题的一大罪魁祸首就是燃油汽车，为了解决内燃机汽车带来的环境污染及能源危机问题，各个国家开始致力于研究噪音低，无污染的电动汽车。电动汽车代表了先进的生产技术以及新颖的审美取向。为了体现与燃油车的区别，电动汽车的造型设计逐渐成为许多学者关注的问题。如赵静、张琳在保证电动汽车即具有创新性又体现品牌继承性的基础上，对电动汽车造型进行了创新方法研究;再如李祥文从情感设计出发，研究分析了影响电动汽车造型的情感化因素;班婧婕创新性地将情感心理创意的设计方法引入电动汽车造型设计中;徐飞、李彦龙等人研究了空气动力学对电动汽车造型的影响并分析了造型趋势。以上研究为电动汽车的造型设计提出了新思路，但未形成一套完整的设计流程和方法。目前，市场上量产的电动汽车存在一些问题，其一很多电动汽车仍然沿袭传统燃油车的造型，并未形成自身独特的设计风格，其二，在进行电动汽车的创新设计时，丢失了品牌继承性，对此，本文引入形状文法的设计概念，在考虑品牌因素的基础上，引入感性意象，提出一套能体现电动汽车自身独特风格的造型设计方法。

一、形状文法简述

形状文法SG（shape gramme r）最早是由George Stiny和James Gips提出，最初在绘画、雕塑领域应用较多，后来逐渐被人们拓展到工业设计领域，指导产品的创新设计并用于品牌识别，是一种以形状算法为主的设计方法。在形状文法中，人们认为形状都是有一定的规律的，形状是有限的线性排列，通过标记形作为形态转换后定位的基准点。形状文法具有一些主要的特点，它是由原始形状经过系列规则变换而得到新的形状，因此能够保持原有形状的延续性，可用于产品的创新设计。

形状文法可以用一个四元组来表示，即SG=（S，L，R，I），其中，S表示形状的有限集合;L表示符号的有限集合;R表示规则的有限集合，规则可以表示为：α→β;I表示的是初始形状，最终的形状都是经由形状规则运算变换而得到的，如图1。

在电动汽车的造型设计中，S可表示为某品牌汽车经过多代的继承演变而形成的比较稳定且具有代表性的形态特征的有限集合，这些能体现品牌要素的基本形态特征也是某汽车品牌的造型基因，如宝马汽车的双肾进气格栅，奥迪的“大嘴”以及甲壳虫圆润可爱的造型特征。R表示某品牌造型特征在遗产进化的过程中运用到的形状规则的有限集合，形状规则包括了修改性规则和生成性规则，对应于汽车造型特征的遗传和变异。I表示某品牌特征的最初形态，是S的起源，随着品牌特征的发展，该初始形状是可以不断扩充的。L表示运用规则的着力点，在L的标记下，汽车的品牌特征可以不断扩充并传承下去，L会受到相对位置及比例尺寸的约束，大多数符号标记在中心点和对称轴的位置。

形状文法的优点在于，在确定了初始形状以及明确了形状规则后，所产生的设计成果都是在形状文法定义的“形状语言”之内。设计师对产生的设计方案进行筛选判断，得到符合设计要求及技术要求的方案，然后进一步地调整和细化。另外，随着计算机技术的推广，形状文法可以大大地节约人力，缩短整个设计周期，产生一系列符合设计要求的方案，更为重要的是，形状文法可以传承文脉、在新的环境下赋予产品新的内涵。

二、应用步骤

形状文法最初被广泛应用于建筑领域，近年来，形状文法逐渐的被应用在工业设计领域，不少学者和设计师运用形状文法取得了不错的成果。石元伍和卫璐在进行设计医院消毒机器人的造型时运用到了形状文法，产生了许多创新方案：胡志刚等人基于形状文法研究女士鞋靴的造型特征并得到推理模型：陈满儒等人将形状文法创造性地运用在智能手表的设计中，设计出满足不同消费者需求的产品。

在将形状文法应用于产品设计或者汽车造型设计的过程中要遵循以下几个步骤，如图2所示。

（一）确定基本形状

指對于某一品牌的产品，收集大量的设计案例，从这些案例中提取产品的典型特征，即显性特征进行分析。

1.收集样本：选取某一品牌的产品进行研究，收集大量该产品的图片，分析总结以往的产品形态特征，利用形态分析法，将产品具有代表性的典型特征提取出来，对这些样本特征进行分类处理。

2专家访谈：邀请业内人士进行访谈，多为从事在工业设计行业的专业人士，或是学习工业设计的师生，明确访谈的目的，即了解访谈对象对目标产品的造型特征的看法，对目标产品的造型特征进行归类，并对不同类别的特征元素的重要度给出主观评价，确定各因子的权重比值。就电动汽车而言，其典型特征包括整车轮廓、前脸、侧面造型、内饰和尾部等几个区域。其中，电动汽车的前脸位于整车最前端，最易受关注，而且，前脸的造型元素比较密集，集中了汽车品牌的主要形态识别特征，是分析研究的重点。

3.造型形态分析：设计形态分析法最早由荷兰学者Warell提出，主要流程包括1）将选取的案例样本进行去色分类整理，并将专家列出的产品显性特征汇总成调查表。2）按照权重因子对产品的各个特征的重要性进行判断。3）对于调查结果进行统计分析，对提取的典型性特征进行归纳分析。

（二）总结形状的变化规则

1.生成性规则：生成性规则可以归纳为两种：第一种，增加或删除初始形状，是一种从无到有或是从有到无的变换过程;第二种，置换，就是以一种全新的形状替换原来的形状。

这两种生成性规则表示产品显性特征的增添、删除和置换，这相当于遗传学中的变异，在外界环境或者人文等因素的强烈影响下，产品的外观发生突破性的改变，这种改变可以称为产品外观造型的创新，产品的造型创新不仅要用到逻辑思维，更是需要突发的灵感和大脑丰富的联想。比如，我们在看到汽车前脸时，会联想到自然界中各种各样的动物表情，大自然丰富多彩的自然形态也成为设计师进行创新设计的灵感源泉。

一般而言，产品的创新设计可以分为：外观形态创新、功能创新、文化时尚创新。本文主要针对外观形态进行创新。

2.修改性规则：修改性规则表示对原有形态的变形、调整，如果说生成性规则对应于遗传学中的变异，修改性規则对应于遗传，它表示对某产品品牌基因的继承，如果没有对品牌元素的继承，产品的品牌继承性和延续性就无从谈起。面对这样的问题，本文提出仿射变换和贝塞尔曲线变换分别对产品的组件、部件以及外形轮廓进行变形。

1）仿射变换表示在二维平面内的线性变换，易保持其形状的平直性。在本文中，仿射变换主要针对电动汽车前脸中的各个造型元素进行变化，如前大灯、进气格栅、充电口等，仿射变换主要包括平移、缩放、旋转和错切，用形状表示可以描绘如下：

平移变换，如图3：缩放变换，如图4：旋转变换，如图5：错切变换，如图6：

2）贝塞尔曲线变换适用于产品外形轮廓的非精确变形，它最早是由法国数学家Pierre Bezier提出并应用于雷诺汽车的造型设计中，它表示的是一种数学的计算方式，通个给定节点来定义自由曲线。贝塞尔曲线通常用来描述不规则的产品造型曲线，如汽车的外轮廓线、咖啡机的装饰线等，通过改变节点的位置从而实现对产品造型的改变。贝塞尔曲线具有几何不变性和仿射不变性，这些性质保证了产品形态不会产生过大的变化，贝塞尔曲线可以在任意节点分割为两条或多条的子曲线，每一条曲线又都是贝塞尔曲线，这个性质可以根据产品特征而进行灵活运用，从而保持了产品造型特征设计的精确度。

根据节点的数目，贝塞尔曲线可分为2次方、3次方或n次方曲线，在计算机辅助设计下，多以3次方贝塞尔曲线为基础建立平滑曲线模型，3次方的贝塞尔曲线的数学表达式可表示为

（三）确定约束关系

在具体的产品设计开发中，企业会根据公司策略、产品定位、品牌战略等通过市场调研提出设计规范。对于电动汽车的形态设计而言，首先要了解对应用户的生活方式、消费方式、审美心理以及认知方式等，在设计中要提出风格和文化风尚的要求，将风格和文化风尚用对应的意象形容词来描述，如科技的、前卫的、新颖的、简洁的等，通过建立这些形容词与电动汽车形态设计之间的关系，可以得出创新设计方案。

另外，在运用形状文法进行创新设计的过程中，会受到一些约束规则的限制，列举出3种约束规则如下：

1.尺寸约束。根据人机工程学，产品的整体及部件设计都要符合人体尺寸，如通过测量得到人体尺寸相关数据和一些其他相关技术标准，得到汽车外廓尺寸、通过性尺寸、最小离地间隙、汽车驾驶员以及成员头部空间尺寸等相应的强制性标准。

2.技术约束。在进行汽车外形设计时，要考虑空气动力学的因素，风阻和汽车外形因素息息相关，在进行整车设计时，去除一些棱角，多采用一些圆滑过渡将有利于减小风阻，同样流线型的汽车造型也赋予了电动汽车优雅、流畅的美感。

3.空间关系约束。在进行整车设计时要考虑部件与整体、部件之间的空间约束关系，如保险杠的宽度要小于汽车的整体宽度，进气格栅的面积要小于整个汽车前脸的面积等。

（四）方案评价

经过上述操作，可以得到大量满足设计要求的设计方案，最后要通过语义差异法对这些方案进行筛选。首先，与已有的车型进行对比，看是否继承了该车型的品牌基因，然后，对用户进行感性意象调查，看与电动汽车的感性意象词汇的契合关系。综合以上两种因素进行评价，最后得到符合条件的优选方案。

三、电动汽车形态设计研究

电动汽车代表了一个国家先进的生产力和先进的文化，研究电动汽车的视觉形象对于一个国家的汽车行业具有重要意义，在进行电动汽车的造型设计时要体现出它特别的气质和身份。

（一）结构对电动汽车造型的影响

1.电动汽车没有燃油车复杂的传动系统，电动机可以按照总布置的要求安置在电动汽车的前部、驱动轴或者轮毂中，电池也可以安在汽车前部、后部或座位下，因此，它的内部构造相对简单，其造型也有更多自由发挥的空间，可以体现与燃油汽车截然不同的风格，比如小型化、轻量化、流线型等特点。

2.空气阻力是严重影响汽车速度的一个重要因素，为了保证电动汽车的速度，需要降低空气阻力系数，由于电动汽车的发动机比较小，占据空间小，则可以将发动机向下倾斜，将车头下部修圆，使之更有流线型。由于电动汽车不再需要散热器和冷却系统，因此其进气格栅可以简化成一条线，起到装饰作用。

（二）电动汽车的形态分析

电动汽车的形态分析包括了车的外观造型、内饰等，涉及到形状、色彩及质感。本文主要分析电动汽车的外观造型，具体从体量感、线条感、表情特征、情感体现等方面进行分析。

1.体量感。电动汽车的体量感是指电动汽车的外形要体现饱满圆润的特点，一般而言，体积越大其体量感越强，充分的体量感能给人带来放松、舒适和稳定的感觉，缺点是削弱了速度感。

2.电动汽车的线条美。直线的造型体现了一种阳刚之美，富有力量感，直角几何的形态能显示出结构的严谨性，营造高贵、庄严的氛围，体现出正直、权威和尊严的性感，然而在电动汽车的形态中，纯粹的直线是不存在的，相对而言，曲线造型能营造一种柔美、富有生命力的情感，曲线更能表现造型的动态美，有利于营造热烈、自由的氛围。流畅的曲线张弛有度，收放自如，适宜于现代设计所为求得律动美和简约美，曲线的造型能给人更大的视觉冲击力，适当地运用变异和对称的造型方式则可以使造型风格更加前卫。

3.电动汽车的表情化特点。我们常常称电动汽车的前部造型为前脸，是因为汽车的前部特征像一张能表达丰富情感特征的脸，车灯对应“眼睛”，散热窗对应“嘴巴”。电动汽车的情感化特征有微笑、友好、自信、尊贵、平实、神秘等，圆润的造型特征能让人感到可爱温暖，细长而尖锐的车灯造型让人感到神秘冷酷和威严。电动汽车另一个能显现表情特点的特征是散热窗——“嘴巴”，上翘的散热窗造型给人以友好、善良的感觉。

4.电动汽车的整体感。电动汽车的整体感是要塑造整体的和谐和美感，而不是局部的车灯、格栅等，要控制好线、面、体，使造型和谐，也就是设计美学的同一、整齐、合一、程序化。最后，要注意整体与局部“度”的把握，获得较好的设计美感。

（三）电动汽车的设计

结合形状文法，本次的电动汽车设计任务可以从以下一些方面着手：1.若要体现科技感，可以通过多变的型面来表现，也可以通过增加线条断点，或者通过点阵排布来表现，也可以通过车身高科技的零部件设计来表现。2.若要体现运动感，则可以通过上扬的线条来表现，若体现稳重感，则可采用方正的型面造型。3.流线型的造型风格能带来前卫、科技和速度感，方正、硬朗的设计能带来庄重感。4.通过大面积地运用玻璃材质，可以在视觉上增大汽车的内部空间。5.LED灯的运用能增加电动汽车的科技感和未来感。6.电动汽车的整体比例要符合视觉习惯和审美的内在要求。

四、形状文法在电动汽车设计中的应用

对于电动汽车而言，品牌的主要特征包括整车造型、侧身、前脸、尾部以及内饰等几个方面，其中前脸集中了品牌主要的形态识别特征，是设计的重点和品牌遗传的着力点，也是形状文法提取初始形状的重要部位，前脸位于整车最前端，位置最瞩目，同时，前脸分布着发动机盖板、翼子板、进气格栅、车头灯和雾灯等可造型原件，影响着电动汽车整体的造型风格。可将前脸复杂的空间型面结构转换为平面形式的特征线进行研究。

（一）特斯拉电动汽车造型研究

由于特斯拉在电动汽车领域有着举足轻重的影响力，对特斯拉的造型特征研究具有重要意义，特斯拉是一家电动汽车和能源公司，其第一款车型是Roadster，一款两门运动型跑车，发布于2008年，第二款跑车是一款四门纯电动豪华轿跑——Modeal S，第三款汽车是豪华纯电动SUV——Model X，接下来一款是Model 3。如图了为特斯拉电动汽车的发布时间线路图。

现邀请50名从事汽车造型设计的设计师和在校师生对特斯拉前脸造型中的各个元素的重要性进行评分，按照0～3进行打分，最后求取平均值，将特斯拉前脸特征元素的重要性列表如表1。

如图8，（图中灰色的线用来表示型面大致的转折关系，并不是代表造型线）将特斯拉近年的几款车型进行特征线提取处理，对前脸中的引擎盖、大灯、雾灯、进气口分别提取，总结其造型变化规律如图9、10。

（二）形状文法规则的确定和应用

形态变化规则的提取是造型创新的重点，规则主要来源于品牌基因遗传、电动汽车新技术和用户期望意象3个方面。在应用形状规则时，对于影响因子较大的特征，应在保持原有形态的基础上进行微变形，采取修改性规则，从而保持了产品设计的基因延续性;相反，对于影响因子较小的特征其变形规则的自由度较大。由上图可以明显看到，特斯拉前脸的典型特征是模仿车标的T形造型的进气口，因此，在总结形状变化规则时，可将这一特征保留，保持其品牌识别度。同时，规则可以依据电动汽车的用户期望意向进行适当调整和添加，比如，要体现“运动的”意象，可以增加线条的上升趋势，体现出线条的起伏感，打破水平趋势，“科技的”意象可以通过增加线条断点或进行点阵设计来实现。

本次设计车型定位为轿车，因此以Model S和Model 3的设计特征为例，根据一定的规则进行变换。

由表1可以看出，Model S和Model 3前脸中各造型元素的重要程度存在先后差别，因此，可根据各特征元素重要程度和对整车影响程度的不同，选择相应的生成性规则和修改性规则，可列表如表2。

（三）方案筛选和确定

依据形状文法理论，经过相应的规则变换，得到前脸各个特征新的形状，对这些元素进行随机组合，可以得到若干造型方案，从大量的造型方案中根据电动汽车造型的若干原则进行筛选，最后，得到方案l和方案2，如图13所示。

接下来邀请30名用户从两个方面对这两个方案进行评估，回收有效评价问卷2了份，分别是品牌识别度和感性意象匹配，其中评价表中的感性意象词汇采用下表的3对形容词，所有评价通过七点李克特量表（3～-3）进行打分，平均分数如表3。

由调查结果可以看出，按照本文提出的方法进行设计，产生的方案l和方案2都能很好地满足设计要求，品牌识别性良好，且造型感觉与用户期望意象匹配度良好。其中方案1的品牌识别度以及科技性、运动性方面由于方案2，相对而言，方案2更加个性化，看起来更简洁，雾灯的设计比较独特，有中国传统的如意造型意象，方案1的前脸线条更具动感，但大灯和进气口的配合不是很完美，略显赘余，后期需要进行改进。经综合评分，最终选择方案1进一步深入设计，造型见图14和图15。

结语

本文提出将形状文法应用于电动汽车的造型设计，这种方法能大大地减少设计流程，并且能够得到大量符合品牌特征与感性意象的设计方案，并以特斯拉车型进行了验证。该方法对于面向品牌识别的电动汽车造型设计具有一定的指导作用，但汽车的造型设计是一个较为复杂的过程，由于篇幅有限，本文仅以前脸的造型设计为例，在进行汽车侧身及尾部的设计时，还应该考虑整车造型的一致性，也就是在形状文法规则的制定和提取时保持整体的统一风格。随着设计的不断深入以及电动汽车造型特征的丰富，电动汽车一定能沉淀出识别性更强的特征，并逐渐摆脱燃油汽车的造型特征，从而創造出崭新的风格并延续下去。