基于Affordance的建筑设计知识建模方法研究

张晓霓

(上海交通大学基建处，上海 200240)

基于Affordance的建筑设计知识建模方法研究

张晓霓

(上海交通大学基建处，上海 200240)

在建筑设计中，设计人员通常需要考虑来自全生命周期的各种因素。由于这些因素通常是隐藏在最终详细设计结果(建筑设计图纸等)背后，这给建筑设计知识的重用带来了较大的困难。本文提出了基于设计方法学中的新概念——Affordance，来解决建筑设计中隐性设计知识的建模与应用问题。首先，本文将探索建筑设计中的Affordance概念，将目前主要用于概念设计的Affordance概念应用于建筑设计的详细设计阶段；接着，将提出基于形状-行为-Affordance(Form-Behavior-Affordance，FBA)信息模型，使得设计人员可以对设计结果的全生命周期内所需要考虑的各种隐性因素进行建模；然后，将借助于遗传编程(Genetic-Programming)技术对建筑设计知识进行建模；最后，通过某教学楼扩建案例来展示本文提出方法的可行性。

建筑设计；设计知识；知识表示；设计重用；Affordance

1 引言

在激烈的市场竞争环境中，建筑企业的设计部门通常被要求在很短的时间内快速地设计出客户满意的方案。为了应对这种挑战，一种比较理想的策略是设计重用(Design Reuse，DR)或者设计知识重用(Design Knowledge Reuse，DKR)。设计重用通常指的是在设计组织内部，从已有的方案设计实例库中检索到类似的设计实例，根据客户的当前要求，对检索到的设计实例进行适当的修改后，来完成新的设计方案设计[1]。这类设计通常称为适应性设计(Adaptive Design)，是目前建筑设计界中常用的设计方法。

然而，大量工业实践调查表明：设计人员在进行设计重用的过程中却往往会面临到较大的困难[2]。导致这种情况的主要原因是：设计人员虽然可以检索到相似设计的建筑设计图纸，但是，却难以获取隐藏在这些设计图纸背后的建筑设计知识，在没有设计图纸背后的上下文知识的支撑下，设计人员就难以参考这些隐性设计知识对已有的设计图纸进行适当合理的修改。现有的计算机辅助设计(Computer-Aided Design，CAD)软件虽然可以对设计方案的几何模型和数据进行管理，但是，它们却难以支撑设计人员对设计图纸背后隐藏的设计知识进行有效的建模和管理。目前国内许多学者对建筑领域中知识管理的重要性进行了深入的研究[3-6]。隐藏在建筑设计图纸背后的设计知识主要与详细设计相关，而在目前设计人员通常误认为建筑详细设计是几何建模或者绘图的过程。建筑设计的详细设计阶段不仅需要考虑上游概念设计阶段的需求(功能需求、布局要求等)，还需要考虑下游的生命周期阶段(建造、安装、维修等)的要求。因此，建筑设计的详细设计阶段是一个复杂的知识密集型决策过程，需要综合考虑设计方案的全生命周期的各种需求，最终提出满足各种要求的设计方案。

建筑设计知识的建模不仅与设计方案重用相关，而且还可以有效地促进设计知识在设计组织内部的共享与传递。同时，设计人员完成设计后，通常需要将设计结果(通常是设计图纸)提交给上层的设计管理者进行审核，而设计结果背后的设计知识并没有随着设计图纸传递给设计管理者，因此，由于缺乏相关的设计知识支撑，设计管理者在审核过程中存在一定程度的盲目性，从而很可能无法做出合理的判断。这种盲目性使得设计缺陷没有及早被发现，可能会导致设计方案在后期的实施过程中存在严重问题，进而给建筑企业带来经济损失。

2 Affordance概念

Affordance指的是一个实体对象实际上用来实现何种用途，或者被认为具有什么用途。也就是说，实体对象在某个方面，具有让用户明显感觉到该如何使用它的特性。比如，门提供了“打开”的Affordance，椅子提供了“支撑”的Affordance。人们得知如何使用实体对象，有一部分是来自于感知心理学，另外一部分是来自实体对象的外形。Affordance中文翻译为“可供性”会比较容易理解。它的意思是指实体对象所具有的物理特性，以及我们所能够理解该实体对象可使用方式之间的关系，其最主要的核心概念就是实体对象的特性决定了行为的可能性。

首次提到Affordance概念的是心理学家James Gibson[7]，他认为，自然环境中的所有的实体对象，本身物理属性的组合能与生物之间存在某种对应关系。而首次将Affordance概念应用于设计(主要是交互设计)的Donald A. Norman[8]，他提出两种Affordance，一种是物体实际上承担的Affordance，另一个是用户察觉到物体的提示性特质。而最早将Affordance概念引入到工程设计是Clemson大学的Maier &Fadel教授，他们借此提出了关系型设计理论[9]。这里，Affordance指的是两个系统之间为了保证某种作用而存在的相互关系，如图1所示。因此，Affordance能够考虑各种全生命周期因素，于是，采用Affordance概念来帮助设计人员进行建筑设计知识建模是可行的。

3 设计方案信息模型

设计方案信息模型是进行建筑设计知识建模的基础。设计方案信息模型包括三个方面: 形状(Form)、行为(Behavior)和Affordance。采用面向对象(Object-Oriented，OO)的方法来表示建筑元素的基本信息：形状和行为。形状信息描述的是建筑元素的几何信息，通过基于特征的方式和描述逻辑(Descriptive Logic)来表示，它可以形式化地表示为：。比如，支撑大梁的形状信息可以通过大梁特征来表示，并且大梁特征可以进一步由一系列设计参数来表示，包括高度、宽度和长度等。

图1 设计人员-产品-用户系统中的Affordance交互关系

根据Bunge的科学本体论[10]，一个实体对象的行为(Behavior)指的是它在全生命周期内自身状态或者状态变化，它可以形式化地表示为：。为了得到明确的行为概念，必须向它施加一定的本体约束。首先，任何行为都是属于某个实体的。比如，支撑大梁受压而变形，其中，大梁的“变形”就是其行为。其次，行为可以跟物理状态变量直接关联。比如，大梁的变形程度(δ<10mm)。第三，行为可以分为静态行为和动态行为。大梁的变形就是一个动态行为。第四，由于行为概念描述的是实体本身的状态或者状态变化，因此，在表示行为的时候，应该采用非及物动词。最后，根据本体论的观点，行为可以继续划分为诱导行为和自然行为。诱导行为指的是由其他实体的作用而直接导致的自身状态被动变化的行为，上述大梁的变形就是这种行为。与此对应的是自然行为，自然行为指的是实体自身的不随其它实体的影响而变化的行为。

在设计科学，功能的概念设计理论和设计方法学中非常重要的概念。Affordance信息描述的是一个实体(功能主体)在其全生命周期内与另一个实体(功能客体)的意向交互关系。采用基于主客体关系和本体论的方式来表示Affordance信息，它可以形式化地表示为：。其中，aff_sub指的是Affordance主体；aff_verb指的是描述Affordance关系的功能动词；aff_obj指的是Affordance客体。这里的Affordance与上述的本体行为具有较大的区别。首先，因为功能行为应该与客观物理世界相关联，所以它应该通过物理状态变量这方面来描述。这个约束是区分功能行为与纯粹的主观行为的关键，主观行为不能够通过可感知的物理状态来描述。其次，与简单的物理行为不同的是，功能行为不仅可以是一个系统内多个物理行为的一般化，而且还可以通过一些自觉行为，甚至物理作用和行为的组合来实现。第三，功能行为的结果必须能够与关注的物理世界的直接期望的要实现的状态相对应。这个约束对于区分系统的功能和客观行为具有重要作用，同时，它也能够保证功能描述与人们需求的一致性。第四，与仅仅处理实体对象的物理状态变化的物理行为不同的是，功能行为处理的是世界的状态变化，世界是有多个实体对象组成的，因此，功能行为也就更复杂。最后，功能行为的表示应该不依赖任何要实现它的具体的物理过程。因此，根据Affordance客体对象的不同，Affordance可以分为内部Affordance和外部Affordance。内部Affordance指的是aff_sub和aff_obj都处在同一个建筑单元中。同时，根据关注重点不同，内部Affordance可以继续分为内部静态Affordance和内部动态Affordance，前者关注的是aff_obj的结构信息，后者关注的是aff_obj的动态行为信息。比如，墙面容纳门，是一个内部静态Affordance；而电梯井容纳电梯上下移动(行为)，则是内部动态Affordance(<电梯，移动，[{移动速度，1m/s}, {行程，30m}…]>)。

4 设计知识表示方法

根据上述设计方案信息模型，设计人员可以对设计图纸背后隐藏的设计知识进行建模。建筑单元中一个设计参数的设计知识可以概念化为一个三元组(pi, Ci, ACi)，其中，pi指的是一个设计参数；Ci指的是施加到该参数的约束(Constraint)；ACi指的是与该约束相关的Affordance组合(Affordance Combinations)。pi和ACi都来自于上述设计方案信息模型，因此，设计知识表示的主要任务是对Ci进行表示。设计约束主要包括两类，规则类约束和公式类约束。其中，规则类约束可以用产生式规则来表示。公式类约束的表示则比较复杂，同时也是本文的重点。区别于目前常规的知识工程师和专家系统中用字符串来表示设计约束，本文采用基于遗传编程(Genetic Programming)的方式来对设计约束进行结构化表示。

遗传编程的核心思想可以通过二叉树来表示为：{左边节点，父级节点，右边节点}。其中，左边节点，右边节点可以是变量，常数，或者数学操作符(+，-，*，/，等等)；父级节点仅仅是数学操作符。另外，值得注意的是，二叉树表示的可计算公式中的每个参数都在结构、行为和Affordance模型中定义过，因此，这些参数具有各自的本体含义。比如，建筑中通常采用简支梁来支撑重物，在设计过程中，往往采用简支梁模型的相关理论来对梁的强度进行求解计算，如公式1所示。其中，d表示梁的直径；Gb表示重物的重量；l表示梁的长度；E表示梁的弹性模量；[vm]表示梁允许的最大形变量。该公式类设计约束知识通过遗传编程的方式表示如图2所示。

(1)

图2 基于遗传编程方法表示的公式类设计约束知识

图3 某教学楼的扩建方案局部示意图

5 案例

在某教学楼扩建案例(如图3所示)中，采用本文提出的建筑设计知识建模方法，对其中的主要设计图纸的重点设计参数进行知识建模。这里以阅览室的扩建为例，来展示该方法的可行性。通常情况下，设计人员根据要在阅览室大约摆放桌子的数量，采购的桌子和椅子的宽度，对阅览室的长度进行初步的预估计。从而得出初步计算阅览室长度为：l>n*(wd+2*wc+m)，其中，l是阅览室的长度设计参数，n是桌子的数量，wd是桌子的宽度参数，wc是椅子的宽度参数，m是两排桌子之间的间隙距离。当设计人员将由该公式而计算获得的设计图纸提交给设计管理者进行审核的时候，设计管理者看到的是最终设计结果，而并不清楚阅览室长度最终取值的由来，因此，难以对该取值的有效性进行合理的判断。而根据本文提出的基于Affordance的设计知识表示方法，设计人员首先应该考虑的是阅览室的Affordance，即容纳桌子，容纳椅子。除了这两个基本的Affordance，实际上，阅览室还具有这些Affordance：容纳阅览者(便于用户通过桌子之间的过道间隙)，容纳空调(两端放置空调)，容纳书架(两端放置书架)，容纳多功能吸尘器(便于保洁人员在桌子过道间隙穿过进行卫生打扫)。然后，有这些Affordance，设计人员可以衍生出许多基本的Affordance约束，通过遗传编程方法，将基本Affordance约束组合成复杂的公式类设计约束，比如，l>n*(wd+2*wc+m+wx+wb)+2(ts+ta)，其中，wx是吸尘器的宽度；wb是成年人的身体平均宽度；ts是书架的厚度；ta是空调的厚度。更值得考虑的是，如果后来阅览室的桌子不是图示的沿Y轴平行排列，而是沿X轴平行排列，阅览室的长度应该能够容纳合适数量的桌子，并且不存在较大的空间浪费或者空间拥挤。

通过这种方式，不仅可以帮助设计人员重用设计组织内部的其它设计图纸，提高企业内部知识共享和知识资产积累，而且还能够帮助设计管理者理性地审核最终的设计图纸，避免盲目性。

6 结论与展望

本文采用设计学中的新概念Affordance来帮助设计人员对隐藏在建筑设计图纸背后的设计知识进行建模。设计人员不仅能够理解施加到设计参数上的各种基于遗传编程方式表示的公式类设计约束，而且还能够明白这些可计算公式背后的上下文知识和考虑到的全生命周期因素。通过某教学楼扩建案例，表示该方法可以帮助设计人员提高设计效率，并且保证设计质量。在此基础上，笔者将继续探索如何系统化地捕获设计图纸背后的设计知识，以及如何有效地重用这些设计知识。

[1]Demian, P. and R. Fruchter. An ethnographic study of design knowledge reuse in the architecture,engineering, and construction industry. Research in Engineering Design, 2006. 16(4):184-195.

[2]Busby, J.S. The Problem with Design Reuse: An Investigation into Outcomes and Antecedents. Journal of Engineering Design, 1999. 10(3): 277-296.

[3]周榕. 知识经济时代建筑师角色解放与价值回归. 建筑学报, 2000(01): 53-55+71.

[4]翟贤, 晏敏, 胡平. 建筑模式语言与基于知识的设计系统. 新建筑, 1990(04): 51-53.

[5]李湘桔. 基于知识管理的建筑设计企业项目管理研究. 2009, 天津大学.

[6]张哲颖. 大型建筑企业知识管理应用研究. 2012, 山东大学.

[7]Gibson, J. The concept of affordances. Perceiving, acting, and knowing, 1977: 67-82.

[8]Norman, D.A. Affordance, conventions, and design. interactions, 1999. 6(3): 38-43.

[9]Maier, J.R.A., G.M. Fadel, and D.G. Battisto. An affordance-based approach to architectural theory, design, and practice. Design Studies, 2009. 30(4): 393-414.

[10]Bunge, M. Treatise on basic philosophy: Ontology I: the furniture of the world. Vol. 1. 1977: Springer.

An Affordance-based Approach for Architectural Design Knowledge Modeling

Zhang Xiaoni

(TheOfficeofCampusConstructionofShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China)

In architectural design, designers often need to consider a variety of factors in the full life cycle. As these factors are usually hidden in the final results of the detailed design (architectural design drawings, etc.), it brings greater difficulties for the reuse of the architectural design knowledge. This paper presents a new concept “Affordance” based on the design methodology to solve the problem in modeling and application of the tacit design knowledge in architectural design. Firstly, this paper will explore the concept “Affordance”which is mainly used in the conceptual design at present and aplly to the detailed design stage of architectural design. Secondly, the information model based on Form-Behavior-Affordance (FBA) is built so that designers can model the whole hidden factors in the final results of the full life cycle. Thirdly, the Genetic-Programming technology is used to model the architectural knowledge. At last, a case of expanding a school building is used to present the feasibility of the method proposed in this article.

Architectural Design; Design Knowledge; Knowledge Representation; Design Reuse; Affordance

张晓霓(1975-)，女，硕士研究生，助理研究员。主要研究方向：工程设计。

TP182:TU17;G250.252

A

1674-7461(2015)01-0060-05