造型设计的复杂性问题与设计计算

摘要

造型设计是个历久弥新的人文技术领域，尽管设计的对象与手法随时间不断变迁，然而设计产品中的人文情感与价值内涵却是相对稳定而具有生命力的。而拥有生命力的事物总会带上一圈神秘的光环，不论是如互联网这样的科学技术，还是如蚁群一样的社会组织，其神秘性背后都有着简单而稳定的结构，服务着一个单纯而直接的价值目标。因此，造型设计的神秘性背后是否也潜藏着稳定的逻辑结构与核心的价值规律，成为本文研究的主要内容，它关系到造型设计在信息社会中的存在方式、价值表达、创新模式以及发展方向，是设计研究与应用不得不认真对待的问题。
　　本文以复杂性问题和理论的视角来看待设计与造型问题，而造型设计的复杂性问题是指：设计是一个多因素作用的设计活动的网络，不存在完整和完全理性的中央控制；设计通过一定运作规则产生出多样的行为和大量的信息，而设计活动内部的信息交流频繁、广泛且不对称；设计主体（或设计师）能够通过对环境信息的学习以及造型对象的进化使设计产生适应性。以复杂性的视角研究设计问题，要求从整体上将设计活动理解为一个“活”系统，而设计对象与组分元素间的层次关系和作用规则是系统活力（也即创造性）的源泉。因而，设计中由（设计师的）智识产生的创造性是蕴含于造型元素所组成的复杂系统之中，并通过系统的宏观行为表现出来的。进而，设计师（或计算机）可以通过对系统元素的掌握来产生系统整体层面的复杂性，也即创造性。基于以上几点，本文研究认为存在针对复杂性问题的设计研究。
　　针对论文的研究问题，研究主张以计算机辅助作为研究的应用目标，而不只是从哲学和价值意义的层面来探讨造型设计的本质与结构问题，这是论文研究的重要基础，也为研究的展开提供了理性分析的视角。因此，论文研究在传统设计研究基于“案例分析”、“问卷调研”等研究方法的基础上，还加入了“设计实验研究”，以便从实践的角度更加客观而直接的反映设计中的问题。其中包括：造型空间与属性映射实验、造型共相的认知实验、造型对象的网络度实验等，其目的是从定性的角度分析造型设计的内在结构和价值认知关系，为提出造型设计的逻辑结构提供基础，并为计算机辅助应用做准备。
　　论文的主要内容包括：第一章从复杂性问题、复杂系统、CAD研究出发，揭示造型设计活动与复杂性问题之间的内在联系及其对于计算机设计辅助的应用价值，提出了论文研究的对象、关键问题、组织结构以及本文的选题背景和意义。第二章研究通过案例分析、文献研究与设计观察分析，明确了造型设计内在的复杂性问题及其特殊性，以及通过计算机来处理造型设计复杂性问题的方式，指出了本文后续研究的重点。第三章通过实验研究的方式，从造型设计外在形态的表达映射中分析设计的映射表达关系和设计复杂性的根源。第四章研究结合造型设计内在与外在的研究结果，提出了造型对象的逻辑深度框架的概念，用以表征设计对象的系统结构，为计算机辅助设计提供模型基础。第五章研究将造型设计的逻辑深度框架运用于设计过程与对象的分析，从复杂性研究的角度，回答了在模型框架下设计辅助的价值判断与可信问题，并给出了对象可信的评价方法和辅助系统的框架。第六章在逻辑深度框架的基础上，针对当前CAD领域的发展趋势，提出了造型设计辅助系统的设计思路，并完成了两个不同应用领域的原型系统的设计与实现。
　　研究的重要成果有以下3个方面：
　　首先，发展了造型（语义）空间的概念并提出了造型设计的逻辑结构。造型（语义）空间（以下简称造型空间）的概念是一个设计实践中普遍使用，但含义与用法并不明晰的设计概念。由于设计对象本身的复杂以及认知感受的模糊性，在面对不同设计问题时，对于造型空间这一操作概念会存在着不同的定义与解读，其本身并没有形成一个统一的定义，也没有如此做的必要。然而从一维的语义差异再到二维的意象尺度图的发展过程中，一个关键点却被忽视或者说误解了，本文通过实验研究发现造型设计对形态美的追求（本文称之为造型对象的美学属性）并不是一个线性的、低维度空间问题，而是构成了一个多维度、非线性的网状空间，并且同种属性在这个空间中的表现存在着多向性、差异化发展的特点。这一发现从根本上丰富和细化了对于造型空间的认识，其本质上是对造型设计多样性的还原。此外，造型设计一直是经验知识占主导的领域，造型知识被认为是隐性知识，而通过现代的复杂理论来分析，造型设计问题是一个比较典型的复杂性问题。造型对象内在张力（工程技术与美学表达，市场需求与品牌基因等的相互作用）的博弈使得产品对象如同一个有机生命体一样，具有创生、发展和消亡的生命历程，而造型本身由于这些力量的共同作用而具有一种内在的逻辑结构，本文通过案例分析、认知实验与设计观察分析等方法深入研究了造型设计的逻辑结构，并结合计算机处理与造型表达的需求，提出了以特征线和形面为基础，以体量、造型手法与图式为核心的设计深度模型概念，并将其应用于CAD系统设计之中。
　　其次，阐明了在造型设计的逻辑结构下，造型设计价值判断与可信的问题。当以对造型设计的“技术性理解”来解决设计实践中的“感性问题”时，其价值判断的依据和保障，是设计的可信问题。这个问题本质上是造型设计认知解释的回归，也是造型设计所应该肩负的社会责任——造型设计的过程应该追求积极的价值意义，并将这种价值有效的传达给大众。研究指出可信包含设计行为与设计输出物可信两个方面，并针对造型设计的逻辑结构从设计的过程和对象两个层面详细分析了设计的可信问题。在设计过程上提出了以概念完整性（一致性）为核心价值，以工程可信、设计可信与品牌可信构成的可信保障机制；而设计对象的可信则分为对象表达可信与可信验证两部分。对象表达部分通过对逻辑结构 VTG三个层面的剖析并结合造型对象的自然（语义）属性以及数字化表达方式形成了可信设计表达的一体化数据模型——造型原型。而设计对象的可信验证则主要通过角色间的认知关系，构建了一个便于操作而又相对客观的设计对象可信的评价方法。造型设计的可信问题，是设计的价值判断与价值选择的问题，本身也是一个上升到哲学层面的科学问题，但其本质又关系到设计研究的理论成果如何应用的实践问题。本文就这一问题的思考与研究立足于设计活动的实践经验，并努力尝试从科学的角度对人为事物的意义与可信进行分析，目的是为了得出一套相对客观与可靠的可信操作方法。
　　最后，提出了智能化造型设计辅助系统的设计思路，并完成了两类原型系统的设计与实现。CAD要进入智能化辅助的时代，就必然要求造型设计领域内部研究出将造型设计的经验知识与形面表达统一结合起来的理论模型，并且软件系统的核心将越来越多的向系统使用者和设计开发流程倾斜，而不仅仅只是关注目标对象与数据结构。本文正是出于这样的思考，并且在国家973计划项目的支持下，研究开发了基于逻辑深度框架的概念设计辅助系统。系统能够受语义条件的驱动实现特征线与形面的统一变化，从而为快速的概念设计开发与频繁的设计迭代提供支持。此外，由于市场与技术的快速变化，产品开发也在发生着深刻的变化，出现了许多新的模式与挑战。因此，在 NOKIA中国研究院的支持下，针对产业模式创新下的产品设计需求，设计开发了基于网络的大规模定制平台。其本质是通过大规模定制来重组设计流程与设计对象，将对设计的创新问题，转化为对设计可能性的挖掘与选择，以价值选择的方式来应对设计复杂性问题。研究针对这些新的问题在数据模型和系统流程上都进行了大量的研究工作。两个系统的设计分别从主流和未来趋势两个方面探讨了CAD发展的方向，给出了解决方案。
　　本文从科学与哲学的双重视角，运用理性工具来分析感性的造型设计及其价值问题。在多样而具生命力的造型形态背后，必然潜藏着合乎逻辑而又稳定高效的结构形式，其本质上是通过造型形态来服务于设计信息的有效传达。对这一结构的研究与探寻为智能化设计辅助提供了基础，指明了设计创新与设计计算的方向，必然会推动造型设计的发展。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 研究背景与文献综述

1.3 论文课题来源

1.4 论文研究内容与组织

第2章 设计复杂性问题及其表现

2.1 设计复杂性的表现

2.2 设计复杂性的计算

本章论点小结

第3章 造型设计复杂性的来源

3.1 设计中的殊相与共相

3.2 造型设计的殊相研究

3.3 造型设计的共相研究

本章论点小结

第4章 造型设计复杂性问题的求解逻辑

4.1 造型设计的网络特性

4.2 造型对象的结构关系

4.3 造型设计的逻辑深度框架

本章论点小结

第5章 造型设计复杂性的价值判断与可信评价

5.1 复杂性的价值

5.2 造型设计的价值判断与可信

5.3 设计活动的可信问题

5.4 造型复杂性的系统求解

本章论点小结

第6章 造型设计的创新计算

6.1 概述

6.2 面向对象的创新

6.3 面向过程的创新

本章论点小结

结论

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录B 攻读学位期间所完成的主要科研项目

附录C 攻读学位期间所获得的软件著作权

附录D 造型的共相与殊相的实验问卷及部分数据

附录E 轿车造型网络度实验问卷及部分数据

致谢