基于形状语法的乡村住宅生成设计方法研究＊

王江 范伟 赵伯伦 齐俊哲 杨阳 赵继龙

我国乡村聚落是一种可自我生长、自我组织、自我管理的“有机生命体”，通过不断地进行修正、优化和协同，可以形成具有开放性、多元性、可持续性的自组织空间系统。在形态学上，住宅的“和而不同”具有体小、量大、多样、复杂的特征。然而，随着近年“设计下乡”热潮，规划师或建筑师在一部分项目或计划的执行过程中并没有合理回应这些显性特征，而是不断依据城镇住区或住宅的建设经验，将若干相同的住宅单元正交拼接，减少单元间的错落关系，形成“兵营式”、同质化的新村规划效果，割裂了乡村聚落的基因传承。本文立足于高质量乡村建设的行业需求，直面新村规划中普遍存在的住宅布局呆板等问题，提出基于形状语法的乡村住宅生成设计方法，为我国乡村设计理论、方法与技术进一步凝练和创新提供新的思路。

1 形状语法

形状语法（Shape Grammar）是一种以几何形状为基本单位，通过制定形状转换规则对初始形状进行变形、组合、递归，从而得到目标形状的模型生成方法。1972年，George Stiny和James Gips提出形状语法[1]，能够直观地操控点、线、面、体，并以图示的方式演示形状的生成变化过程，受到许多研究者的关注，并逐渐成为设计理论、计算机辅助设计和其他相关领域的既定范式。形状语法的基本推理过程如图1所示，通常用箭头表示“变换”，箭头左侧是初始形状，右侧是变换后的形状[2]。

自形状语法提出至今的五十年间，同源科学领域的学者已经在先前研究基础上扩展出了大量语法，建筑设计、分析和建模领域的成果尤其丰富，集中在对建筑或城市典型空间的抽象研究，推理其既有风格特征的生成过程[3]。一方面，在建筑设计领域，George Stiny和Willian J.Mitchell是最早利用形状语法的研究者，他们建立了帕拉迪奥式别墅的平面功能组织语法[4]；李以康出于专业教学目的，利用形状语法对《营造法式》中的宋代传统建筑语言进行了解析[5]；王江等开发了基于形状语法的AutoCons可持续住区生成模型[6]。另一方面，在城市设计领域，为了提高设计的灵活性，José P.Duarte和José Beirão提出了一种能够生成多样化设计解决方案而非单一、刚性布局的语法规则[7]。总体而言，不管是系列化的建筑布局组织还是复杂的城市街区肌理，经形状语法整理后均能被归纳为简明的形态规则，为后续科学、理性地开展建筑或城市设计提供依据。

2 乡村住宅形状语法构建

基于上述对形状语法的分析，本文从语料库建立及规则预定义、宅基地布局组织规则、住宅院落组织规则、试验性生成设计四方面展开研究。

2.1 语料库建立及规则预定义

通过实地调研北方平原地区若干村庄并分析其风貌、形态特征，提取典型宅基地和住宅院落的相对空间关系，将其“降维”并建立关联宅基地与住宅院落二维形态特征的初始语料库。在定义语料库的基本形状单元时，考虑到宅基地之间的组合关系（图2）以及宅基地与住宅院落的嵌套关系（图3），首先定义了南北长13.2m、东西宽9.9m的标准宅基地形状，即预定义的初始形状。其次，为了探索标准宅基地与道路的相对关系，从若干典型空间样本中抽取4户关联的宅基地，结合预定道路宽度（车行道6.6m、步行路3.3m）进行规则化组织，作为宅基地布局组织的最小研究单元。

2.2 宅基地布局组织规则

2.2.1 针对4户宅基地布局的一级规则

对4户宅基地与人行路的相对关系展开研究，能够更好地明晰折线路或尽端路对宅基地布局组合多样性的重要意义。一级规则主要包括：1）标签规则，用于在最小研究单元中标注宅基地可能发生的位移关系；2）轴线规则，用于在最小研究单元中置入二维平面网格，以确定宅基地的相对位置；3）平移规则，仅允许对标签标记过的宅基地进行操作，且该动作只能使用一次；4）减法规则，用于删除在宅基地平移过程中可能出现的重叠或嵌入等不合理结果。基于以上语法规则得到79种宅基地组合结果（图4）。

2.2.2 针对16户宅基地布局的二级规则

将以上研究对象以“四象限”的方式进行组合，考量组团中心的可达性，并对可能出现的组团公共空间结果进行评估。二级规则主要包括：1）组合规则，是组合4组一级规则生成结果时的约束条件，选取中心位置上任意2户宅基地作为公共开放空间或服务设施用地，提升住宅组团空间的开放性；2）删除规则，是为改善住宅组团可达性而制定的控制尽端路出现的约束条件，尽量避免研究对象外围边界上的某一点与其中心点之间不能通过步行道连通，并排除此情况（图5）。

2.2.3 针对既有用地范围的三级规则

在一级规则和二级规则的综合作用下，面向给定用地范围填充以上生成的组团样本。一方面，需要增加车行路以加强内外交通联系，另一方面，需要减少宅基地数量以控制建筑密度（图6）。三级规则主要包括：1）填充规则，用于识别用地范围边界，调取一级规则和二级规则的样本结果进行填充；2）减法规则，在使用时若删除临近车行路的宅基地，可用作组团出入口，若删除其他位置的宅基地，可进一步增加并优化组团内部开放空间。

1 形状语法的基本原理

2.3 住宅院落组织规则

住宅院落组织规则主要用于住宅及其院落形态的生成，暂不涉及更为微观的房间划分。基于先前的标准宅基地形状，定义了以下四阶段的语法规则：1）以3.3m为模数对标准宅基地进行网格划分，确定上方（北侧）正房以及下方（南侧）辅房和庭院的位置，尺寸均为6.6m×9.9m；2）在正房二层平面退让出南侧或北侧阳台，尺寸为1.2m×9.9m；3）预先定义了多种辅房模块，在形态上可划分为单坡屋顶、双坡屋顶、平屋顶等，用于拼合成不同的辅房布局关系；4）根据组团中宅基地的组合方式，调取宅基地布局组合结果，探讨2户、3户、4户及以上宅基地组合时可能出现的正房之间、辅房之间及正房与辅房之间“露台连通”的情景，以多户共用“晒台”的形式营造更多的生产空间，增强邻里联系。图7以树形图的形式列举以上四阶段的规则推理过程。

2 宅基地布局组织的最小研究单元

3 宅基地与住宅院落的相对关系

4 形状语法规则和推理

5 二级规则应用列举

6 三级规则应用列举

7 住宅院落组织规则的应用示意

8 试验性设计的总平面图

9 试验性设计的鸟瞰图

2.4 试验性生成设计

综合宅基地布局和住宅院落的空间组织规则，首先基于AutoCAD平台，编写Python代码，将规则参数化表达；其次，将规则驱动下的结果随机填充至给定用地范围，生成乡村住宅设计的总平面图，根据房间功能的模块组织，填充代表相应功能（如正房、辅房、内院、活动空间等）的色块，并为了加强住宅功能的混合性，额外定义了温室、艺术家工坊、民宿、商业等功能（图8）；最后，基于功能模块的三维形态特征，将总平面布局“升维”，完成给定用地的数字化试验性设计。总体生成结果表现出乡村住宅“和而不同”“统一与多样”“重复与异质”的愿景，传承了乡村聚落的风貌特征（图9）。

3 结语

乡村住宅设计面临着很多挑战，不仅要继承乡村聚落的传统风貌特征和住宅建筑形制，还要适应未来乡村宅基地“三权分置”下住宅产业化的可能性。形状语法因其操作对象是基本形状，规则的定义及推理过程简明易懂，可以帮助规划师和建筑师在应对体小、量大类设计任务时提高设计效率和方案质量能有效解决乡村住宅布局呆板等问题[8]，诚然，本研究也存在一定不足，一方面为了减少形状生成的计算量，简化了乡村住宅的设计条件和影响因素，未能考虑宅基地布局和住宅院落可能存在的所有形态变化；另一方面，最小研究单元的矩形边界并不能很好地适应不规则的用地边界。在未来研究中需进一步丰富语料库，完善并优化既有规则，更高效地适应复杂地形条件，进而拓展其应用范围。

图片来源

1来源于文献[3]

2-4，6 作者自绘

5，7-9来源于山东建筑大学建筑城规学院建筑学毕业设计作品《Reshape the Grammars of Chinese Countryside——Discover the Vernacular Genetic Code》