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| 初探設計運算之形狀文法BY洪翠鎂 | ||
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| 建築設計的數位化─初探設計運算之形狀文法BY洪翠鎂 前言 隨著電腦科技的發達，電腦已經是不可或缺的應用工具，在建築設計這個行業中，目前電腦在設計程序中使用的部份大致可以分為：1、圖面繪製〈設計最後階段〉；2、運算〈設計發展〉；3、思考設計〈A.I.〉。想要賦予電腦思考能力，需要經過長時間的努力與試驗，目前常使用的不外乎是各種繪圖軟體的使用，對於設計者來說，更重要的是如何透過電腦來幫助設計思考及發展。 一、設計運算 一般來說，對於電腦輔助設計大多指的是，針對設計的視覺模擬，也就是3D模擬、動畫及最後圖面繪製的部份，而設計運算，廣泛的說就是在探討如何將數位科技運用於設計理論、設計應用、設計知識工程與設計整合等範圍的一門學科，有別於電腦輔助設計。任何可被電腦辨識、運算的，都可稱為運算設計。設計的可運算性〈computability〉，在於將設計的元素、資料等數位化，轉譯成可被電腦辨識的資訊，透過演算的機制，產生數種設計的可能性結果。 電腦設計運算，將設計過程邏輯化、透明化。 二、形狀文法 在電腦科學中，形式語言是某個字母表上一些有限長字串的集合，而形式文法是描述這個集合的一種方法。形式文法之所以這樣命名，是因為它與人類自然語言中的文法相似的緣故。 形式文法描述形式語言的基本想法是，從一個特殊的初始符合出發，不斷的應用一些產生式規則，從而生成出一個字串的集合。產生式規則指定了某些符號組合如何被另外一些符號組合替換。 2-1 緣由 形狀文法的發展，開始於1971年，正式的論文則是由George Stiny於1972年發表問世。從語言結構的研究面來看，是受到語言學的影響，特別是語言學家Noam Chomsky的句法結構〈Syntactic Structure〉。 Chomsky將語言中的句子是為具有表層結構〈Surface Structure〉與深層結構〈Deep Structure〉的關係。他認為所有的語言，不論其表層形式〈表層結構〉為何，其背後都隱含了相同的意義〈深層結構〉。深層結構透過「變換法則」〈Transformational Rules〉可以衍生出不同的表層結構。 在建築設計上，Peter Eisenman認為Chomskyk的表層結構並不等同於建築的形式與空間，所有的建築表現都應同時包括「表層結構」和「深層結構」的衍生過程，這樣的建築形式才具有內涵。 形狀文法的啟蒙者─William Mitchill及George Stiny等人認為，可以經由對一個設計的形式與機能概念化邏輯分析後，了解設計者的設計推論過程，或是藉由正規語言[1]〈Formal Language〉的方式來進行建築設計的分析與創作。 2-2 基本概念 形狀文法是一種以「形」的運算為主的設計文法，以「形的認知」與「形的可能取代」為主要核心部份。其架構如圖。  2-2-1 形 George Stiny對「形」的定義為：「形〈Shape〉是由在歐幾里得空間〈Euclidean Space〉中，笛卡爾〈Rene Descartes〉直角座標系統下一組直「線段」〈Line〉的有限排列；而「線段」是由任意兩個不同「端點」〈end point〉所定義之集合。」 形狀文法對「形」的討論與運算是建構在解析幾何學[2]〈Analytic Geometry〉的基礎上。 副形：副形〈subshape〉是本體形的相似形，另外，在數學集合〈set〉規定中，每一個空形〈empty shape〉都是本體形的副形。 形的布林運算：兩個形，在形態上交會時，會產生如數學上的聯集〈union〉、交集〈intersection〉與差集〈difference〉三種情形。 形的變化：在幾何學中，形的變化則是藉由改變形的位置、方向、反射與尺寸，而產生新的形；所以在形狀文法上，「形」〈Shape〉，的產生是由位移〈translation〉、旋轉〈orientation〉、鏡射〈reflection〉、縮放〈scale〉所構成。我們以「τ」來表示。 形的集合：形的有限集合以S+、S*表示，S+、S*是由構成形的「基本形」與「基本形的變化」所集合而成的。 2-2-2 符號形 符號形〈Labelled shape〉σ包含兩個部份─一個「符號形」與「符號點」〈labelled point〉。 2-2-3 形狀文法的規範〈Shape Grammar Formalism〉 其主要目的是建立『符號形』與「符號參數形[3]」的演算法；而每一種演算法即定義一形式語言〈Language of Shapes〉。 一形狀文法G必須包含： S：一組「形」的有限集合 L：一組「符號」的有限集合 R：一組「造形規則」的有限集合，且每一造形規則都已『α→β』的方式表達。 I：「初始形」〈Initial Shape〉，且必須是集合中的一個符號形。 2-3 例證 形狀文法一開始是以平面2D的發展為主，探討各種形經過替換規則及形變而產生新的形的衍生過程，以右圖為例。  一個內接正方形的形狀語法。 三、運用 在形狀文法提出至今，以約莫20幾個年頭了，從原先探討的是在平面上2D的形的衍生變化過程及方法。現今，已有將此方法運用在建築空間的生成，或是建築細部語彙的形狀文法，透過語法的建立，產生更多排列組合的可能性。  如圖，我們可以看到，基本的柱頭形式，經過規則的轉換替代，其形式變化越趨複雜及多元。 形狀文法，透過規則〈Rule〉的定訂，確立了各個元素間的替代衍生關係。 在設計是解決問題的觀念上，形狀文法不諦是一個具有邏輯，且設計過程明晰的設計方法。在空間的構成上，可以建立一文法規則，設定機能空間之間彼此的轄制關係，以探討各種不同機能間在空間上的配置關係。 在建築設計上，我們可以透過透過類型學的歸納，將案例的分析與探討，找出其建築師設計的過程、規則，以及將各建築元素抽象化，轉譯成為一套可被電腦辨識的符號，並定訂出一套形狀語法，透過電腦的運算，這個文法規則，可以重現出具有該建築師設計風格的新的建築。 如圖，萊特的文法，透過電腦對於文法規則的運算，可以產生出許多具有萊特草原式風格的新的建築設計。  四、形狀文法的困境 關於形狀文法的發展，主要包含了三個面向：1、形狀文法的理論或規範；2、利用形狀文法來進行設計風格的探討及衍生；3、形狀文法編譯系統建構實作等。 形狀文法，對於設計者或研究者在探討設計風格上有新的觀點及方法，其中國內目前多傾向於第二個面向的研究，但是在研究的過程中，雖然制定說明的該設計風格的文法規則，卻無一套針對該規則所設計的一套運算系統。面臨了電腦輔助設計在實際操作上困境。 目前除了 五、小結 形狀文法，將複雜的設計過程，透過規則的建立，轉換成明晰的演算法，產生多種可能性地新的形式，不僅在平面設計上使用，更發展到了建築空間上設計風格的研究與衍生及產生新的思考設計。 形狀文法的提出，在電腦輔助設計方面，使電腦的運用不再侷限於繪圖工具，而能夠產生類似思考設計的運用模式，讓設計者在思考設計時，有一個新的切入點。或許在不久的將來，藉由程式設計師之手，撰寫出狀文法專屬的運算程式，讓目前無法實際操作的紙上研究，能夠實踐。 |
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六、參考書目 書目 01. 《概說喬治•史坦尼的形狀語法》。邱上嘉。CAAD TALK2。田園城市文化事業有限公司。2003年04月。臺北。 02. 《當建築遇上電腦》。邱茂林。CAAD TALK2。田園城市文化事業有限公司。2003年04月。臺北。 03. 《試探建築創新的可能性》。邱茂林。CAAD TALK1。田園城市文化事業有限公司。2003年04月。臺北。 04. 建築的設計思考。William J. Mitchell。胡氏圖書。2002年01月。臺北。 05. 以形狀文法建構宋式枓栱系統。黃瑞菘。雲林科技大學空間設計碩士論文。2002年06月。雲林。 網站 01. http://www.bp.ntu.edu.tw/WebUsers/ ftlin/course/CAAD/ 形狀文法.doc 雲科大設計運算所網站 /%E5%BD%A2%E5%BC%8F%E6%96%87%E6%B3%95 維基百科 |
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