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摘要：通過數字媒體技術在建筑裝飾地坪的藝術設計過程中的介入，一方面使設計師在地坪設計中，更好地體現概念以及進行材料選擇、設計；另一方面也希望為材料生產、施工方提供參數化的設計成果，提高生產工作效率。以環氧水磨石地坪材料的藝術設計為例，基于生成設計的理論和方法，結合材料特性，制定一定的規則、算法和變量，分別嘗試手工和數字兩種設計方法。通過比對進一步明確數字生成方法下新型建筑裝飾性地坪視覺設計改進和研究的目標。
關鍵詞：生成設計;數字設計;環氧水磨石;藝術地坪
生成設計方法最早起源于20世紀60年代的“計算機輔助設計”和“計算機藝術”（ComputerArt），至今已經在藝術創作、建筑、視覺傳達、產品設計等領域被廣泛使用，并且從輔助設計的工具發展成為一種新的設計方法和思維[1]。意大利米蘭理工大學建筑系教授、國際生成藝術會議創辦人及主席切萊斯蒂諾•索杜（CelestinoSoddu）對其的定義：“就像自然界那樣，生成設計是一個形態建成的過程。通常由一套預設的規則驅動，使用非線性系統的算法結構，其目標是生成無限不循環而獨特的結果。”[2]因此，生成設計是指制定一套規則或者算法，并通過一個計算機程序，最終輸出圖形、圖像、聲音、建筑模型、動畫、產品等成果。大多數生成設計都基于一個參數化模型展開，通常包含一套設計規則、一個創造變量的手段和一種選擇所需結果的方法。隨著建筑行業的發展，新的建筑功能、建筑美學、建造工藝、建筑智能化等對建筑材料和施工工藝提出了新的更高的要求。對國內建筑師以及建筑材料生產商來說，從早先直接選用或引進國外產品，到近年大量需要自主研發具有自身文化特色的新型建筑材料已是必經之路。再次轉型過程中，新的數字技術和設計方法的介入，將改變設計師、材料生產商及最終用戶的原有關系。本文嘗試將這一方法和新型環氧水磨石材料的視覺設計相結合，探索在數字媒體時代新材料開發設計應用的可能性。
1研究背景
與本文重點研究的環氧水磨石材料相類似的材料如新型馬賽克，在設計以及生產過程中已開始將生成設計方法和3D打印技術相結合，初步實現計算機輔助視覺設計，由設計師、用戶參與定制和選擇，系統自動生成配方，材料生產方即可自動生產，盡最大可能實現設計的創意[3]。然而相比之下，環氧水磨石材料的這一進展則存在更大的難度。根據美國國家水磨石與馬賽克協會（TheNationalTerrazzoandMosaicAssociation，縮寫為NTMA）的定義：環氧水磨石材料（EpoxyTerrazzo，又稱環氧樹脂水磨石或人造石）是近年開發的一種在環氧樹脂中摻入打磨成多邊形的玻璃、石料或其他材料的無縫裝飾性新型復合水磨石材料。水磨石，英文名terrazzo，起源于意大利語“Terrace”或“Terrazza”。傳統的水磨石地坪具有悠久的歷史，最早可以追溯到16世紀中期，因威尼斯的大理石馬賽克施工工人利用廢邊角料鋪裝他們自己居住的露臺地面而聞名。到19世紀20年代，美國裝飾藝術風行，建筑師第一次發現了光滑平整的水磨石地面的巨大藝術潛力。伴隨著同時期研磨和移動電力設備的發明，水磨石地面成為了裝飾藝術風格的建筑和室內地面的最佳表現媒介。發展至今，由于全球勞動力成本上漲，費工、費時的傳統水磨石也正經歷著新材料、新工藝的技術革新時期[4]。相比傳統的水磨石材料，環氧水磨石除繼承了易清理和平整光滑等特點外，還具有更好的耐磨耐壓特性、更長的使用壽命，另外色彩的選擇更豐富和搭配更自由，拼接工藝和施工更靈活、方便，在裝飾性方面更勝一籌，施工時間更短。這一材料很好地滿足了現代城市建筑所特有的通透、界面連續、風格獨特等特性，并且相比大理石更環保，現已被廣泛應用于商業空間、候機大廳、會展中心、體育館、酒店、學校、咖啡館、辦公樓入口大廳等高人流量的場所（圖1）。它的產量和應用水平也可以從側面反映一個國家工業技術的發達程度[5]。在2008年北京奧運會和2010年上海世博會等大型國際活動后，國內環氧水磨石地坪開始在建筑領域被廣泛接受和使用。由于最初由國外引進，大多使用國外設計師設計的色彩和材料配方，生產過程中通過人工反復試驗來調配材料的比例、色彩、大小等，以達到所需視覺要求。因此，在環氧水磨石材料的開發設計過程中，至少存在兩種需求：（1）這一材料的需求量隨著近年國內大量公共建筑的興建急速上升，應用領域已不再局限在地坪，也開始向室內外墻面、家具等領域不斷擴展，研發具有獨特視覺效果以及自主知識產權的產品成為國內材料生產商的迫切需求。（2）數字時代下，計算機技術已經廣泛介入產品的設計、生產、管理等各個環節。在材料設計過程中應用計算機算法，一方面為建筑師、室內設計師、最終用戶等在確定地坪視覺概念時提供可參與和互動的、所見即所得的計算機輔助設計工具；另一方面也希望為材料生產商開發產品系列提供參數化的、操作簡單的工具，并使得生產過程最大程度地數字化，提高生產效率。生成設計方法的應用正好滿足了材料視覺設計過程中設計師、用戶、材料生產商的各方需求。
2研究方法與過程
2.1材料視覺特征分析
基于生成設計方法進行環氧水磨石視覺設計，基本前提是要對其材料特性進行研究，才能對設計要素進一步分析和提取特征，進而制定生成規則。如圖2所示，環氧水磨石材料的施工過程包括：首先將混凝土基面無塵打磨，保證其平整性；隨后在混凝土基體上一層底涂材料使其上下層堅固結合，依次覆蓋3個選擇性層：3mm的水性環氧自流平防潮層、1mm的柔性環氧防裂膜，以及用來平衡柔性環氧膜延伸性的玻璃纖維網；然后開始定點找平鑲嵌銅條，接著鋪涂環氧水磨石并找平進行粗磨、細磨以及精磨；最后涂刷高亮度環氧透明面漆。系統整體地坪厚度為4~40mm。其中決定材料最終視覺效果的即為最上層的環氧水磨石材料，而其從外觀來看就是一系列不同材質和色彩的多邊形碎片平鋪在具有特定色彩的環氧樹脂中。其中環氧樹脂被稱為基料，而鑲嵌其中的碎片被稱為骨料，類似于印象派繪畫作品中，色彩和光影是經由不同顏料的疊加和混合后產生的視覺效果。如圖3所示，環氧水磨石材料的最終視覺效果決定于以下六大要素。（1）基料色彩：基料即為有機化合物的環氧樹脂材料。固化后具有良好的物理、化學性能，附著力強，施工簡易，理論上可以調配出任意需要的色彩，是決定材料基本色彩走向的主要載體。（2）骨料材質：選擇范圍廣。除了常用石材，還可根據肌理及質感的需要選擇其他特殊材料作為骨料，如陶瓷顆粒、金屬顆粒、透明玻璃、鏡面玻璃、天然貝殼，或最新的熒光材料、發光二極管等。（3）骨料色彩：骨料材質的選擇決定了色彩及其肌理和質感。（4）骨料形狀：為了使骨料能夠更穩固地黏附于基料中，骨料大多被分割成大小各異的多邊形，然后按照一定比例平鋪于樹脂基料之中，總體呈現為分散的小顆粒狀。（5）骨料大小：目前骨料顆粒通常被打磨成為大、中、小三個尺寸的多邊形色塊，以常用的篩選器作為測量單位，分別為1~3mm、3~6mm、6~9mm。（6）骨料配比：材料配比通常指單位面積的地坪材料中基料和骨料的配比、不同骨料的配比，以及同種骨料不同大小的配比。材料生產商在生產時，往往按歷史數值將符合比例的骨料數量和基料放入機器中進行調和制作。如圖3中所示，其材料配比為：環氧樹脂10%、黑色石料30%、白色石料60%。
2.2生成設計方法應用
基于上述視覺設計要素分析研究，可以看到這六大要素共同作用，最終形成了材料的視覺特征。本研究主要從色彩入手，嘗試將這六大要素進行數字化和參數化后作為基礎變量，并尋找這些因素之間的關系，從而定義一套生成規則。對色彩的認知和審美，研究者已經探索出一些規律，如綠色代表和平、希望、成長，黑色代表凝重、死亡、黑暗、沉默，白色代表純潔、高尚，藍色代表海洋、天空、冷靜等。瑞士藝術家、理論家約翰內斯•伊頓（JohannesItten）在《色彩的藝術》一書中提出了色彩構成基本理論，即色彩的組合構成表現不僅受到色相、明度、純度的影響，也同時受到色彩面積大小、形狀、紋理的影響。日本色彩研究所的色彩分析則結合心理學、人文學，并以孟塞爾色彩體系等為基礎，收集了130種色彩數據及RGB值，繪制了配色形象坐標，以冷暖、軟硬等形象詞匯對色彩進行定義，為色彩的實際運用提供指導工具[6]。同時，不同材質具有不同的視覺形象[7]。因此在水磨石材料的設計中，骨料的材質、大小以及配比（或稱分布密度）都將影響水磨石材料的最終視覺效果。圖4將環氧水磨石中骨料的常用材質映射在配色形象坐標系統中，作為本研究中產品設計時配色、選擇骨料的理論基礎。但是對色彩的認知和審美又受到年齡、文化、地域等客觀條件的制約，因此開發設計具有文化特征的材料在全球化、網絡化的時代依然有市場需求和必要性[8]。筆者在受委托設計的具有中國傳統文化特征的環氧水磨石地坪材料系列產品中，進行了初步嘗試，并同時試驗了手動色彩及圖形匹配和基于生成設計方法的色彩和圖形匹配。
2.2.1方法一：手動色彩、圖形匹配
這次設計的環氧水磨石產品系列分別以“節氣、民族、瓷器、墨色、地貌、建筑、城市、詠物、京劇、昆曲”等為主題，每一系列包括約10個子產品，設計過程如圖5所示。（1）明確基料色彩：設計開始時首先明確這一主題的基本視覺特性，并為每一子產品尋找合適的主要參考圖片，手動提取圖片中某一顏色的RGB值作為基料色彩的基本色相。（2）選擇骨料材質：參考圖4中的材質形象映射圖，選擇能夠表現主題形象特征的骨料材質，骨料的種類限定不超過3種。（3）確定骨料密度分布：骨料密度基本分為細密、中密、粗疏等密度圖樣。設計時根據主題形象特征，選擇合適密度的圖案。手動分配不同骨料的分布，模擬不同骨料的色彩、肌理等。圖6是所設計的“京劇”和“昆曲”兩個主題產品的最終效果圖。在設計過程中充分考慮了這兩大劇種的特色，并將其轉化為色彩、材質、密度等要素。“京劇系列”磨石材料以中國影響最大的戲曲劇種之一京劇為主題，材料設計以京劇中較為著名、識別度較廣的人物角色的視覺形象為參考，從中提取其主色調以及色彩構成；骨料以顆粒較大、不同顏色的石材為主；骨料密度為中密，以整體突出京劇厚重、濃郁的視覺特點[9]。“昆曲系列”設計時則基于中國最為古老的曲種之一的昆曲，其最大特點是抒情、動作細膩，歌唱與舞蹈的身段結合得巧妙而和諧。“昆曲系列”磨石材料以昆曲中廣為流傳的曲目來命名，同時基料的色彩大多比較柔和；骨料以彩色玻璃為主，輔以貝殼；骨料密度為中密，從而在材質和色彩上區別于“京劇系列”，形成淡雅、輕盈、通透之感。
2.2.2方法二：數字生成的色彩匹配
在上述研究和實踐的基礎上，筆者進一步嘗試開發設計師和材料開發者能夠實時互動的參數化水磨石材料的計算機輔助設計工具，其基本功能和流程如圖7所示。首先輸入任意參考圖像，由計算機遍歷圖片的每個像素，自動提取圖片中色彩，并統計數值；取所有顏色的加權平均值為基料的顏色；然后根據不同顏色的比值，并結合多邊形的大小，分配不同顏色多邊形的數量來模擬不同骨料的組成；最后輸出不同色彩的配比數值表和效果圖。計算機輔助設計的軟件界面如圖8所示，使用者可以輸入任何參考圖片，軟件自動像素化，并根據默認值生成最終效果圖；使用者還可以稍后通過拖動多邊形數量（PolygonAmount）和色彩閥值（Threshold）兩個滑動條，實時調節骨料整體密度和骨料所含色彩（代表不同材質）的下限這兩個變量，直至達到滿意的視覺效果[10]。
3研究結論
比較圖6和圖8的最終效果圖，可以看到手動設計的效果更生動、逼真，數字方法生成的效果則顯生硬、不自然。這其中涉及到數字生成規則設定的多樣性和不確定性，主要體現在：（1）色彩提取和匹配：在上述應用程序中，基料色彩的RGB值取自參考圖片所有色彩的加權平均，但權重的不同分配方法、基料色彩的不同取值方法（如確定數值最高的顏色為基料色彩，或者手動選擇基料色彩等）都將影響產品的最終視覺效果。（2）骨料幾何形狀生成和分布：由于實際環氧水磨石材料中的骨料是隨機、離散分布的不規則多邊形，而計算機圖形學中，平面多邊形情況復雜，可以分為簡單多邊形與非簡單多邊形。簡單多邊形是指邊之間除頂點外不相交，形成可明確分辨內外的封閉區域；而非簡單多邊形則不然。簡單多邊形又可分為凸多邊形和任意多邊形，而如何找到合適算法生成均勻分布且不相交的多邊形是最大的難點[11]。（3）骨料材質模擬：上述應用程序中沒有模擬骨料材質和肌理的算法，取而代之的是以不同的顏色映射不同材質，因此整體效果的寫實程度不高，并且后期還需通過人工選擇相應材料。綜上所述，筆者手工方法設計的系列產品已由委托研發的生產商實際生產出部分樣品，在測試中深受建筑師、室內設計師及業主的喜愛。而基于數字生成設計方法所開發的應用程序，也已經在設計過程中使用，獲得了較好的反饋。雖然其結果尚不能直接應用到實際生產中，但普遍認為這一方法具有巨大的發展潛力：一方面可以在前期設計階段為建筑或室內設計師快速、直觀、實時地設計與選擇符合其設計理念的材料，提供實時互動的設計工具；另一方面，產生的色彩配比可以直接為材料生產提供最初參數，從而提高設計、生產的效率，有利于最大可能實現設計的創意。
4結語
未來可以結合感性工學、色彩形象、材質形象理論，更好地優化和改進生成設計過程色彩映射、多邊形繪制、材質模擬等算法，進一步優化應用程序圖形界面，增加更多功能模塊等，從而更好地輔助環氧水磨石地坪材料的視覺設計和生產。生成設計方法在建筑設計和建造中的應用因其可以最大程度幫助設計師在一定概念和規則基礎上自動產生同質下又具有無限差異性的方案而受到關注，但最終如何在無限中進行有限的選擇，是當前生成設計方法研究的重點，也是本研究的后續研究目標之一。
作者:吳潔 邱子恒 陳光曦 錢卓韻 單位:同濟大學設計創意學院 南京藝術學院
