融合遺傳算法與感性工學的苗族聚落民居設計

謝明澈 呂健 潘偉杰

摘要：為了提高聚落民居外觀設計意象風格的一致性，本文提出融合遺傳算法與感性工學的聚落民居設計方法。通過模塊化思想將聚落民居外觀組成元素分解并編號，通過里克特量表獲取聚落民居的意象特征，使用隨機森林回歸構建意象與造型模塊間的映射關系，分析聚落意象特征以獲取設計目標，以意象特征明確程度為約束條件，通過遺傳算法快速生成多個具有相似意象的外觀模塊組合，從而產生新的聚落民居外觀設計方案。苗族民居建筑驗證了本文方法的可行性。結果表明，通過該方法生成的多個外觀設計方案意象傾向統(tǒng)一、特征明顯，能夠提高聚落民居設計的效率，同時保證了聚落中民居意象特征的統(tǒng)一。

關鍵詞：聚落;民居設計;苗族民居;感性工學;遺傳算法

中圖分類號：TU253 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2021）13-000-04

0 引言

傳統(tǒng)聚落是在特定的自然條件下，按照一定的組織規(guī)律形成的生產生活居所，蘊含豐富的文脈價值[1]。隨著社會對傳統(tǒng)文化重視程度的提高，人們對傳統(tǒng)聚落的關注度逐漸提高，傳統(tǒng)聚落建筑的設計也開始受到人們的重視。

為了通過建筑設計保護傳統(tǒng)聚落的文脈價值與地域特色，學者周穎悟等[2]提出保護鄉(xiāng)土風貌和民族建筑、新舊景觀肌理統(tǒng)一、新老空間均質化等舉措;學者朱玉凱等[3]提出以突出地方性為核心、建設選材本地化等方面的景觀設計與規(guī)劃舉措;學者趙燁等[4]將性能化設計思路引入傳統(tǒng)聚落保護中，從確定目標、分級保護、規(guī)劃措施三個方面對傳統(tǒng)聚落規(guī)劃進行了分析。這些研究重點分析了聚落現有建筑與開發(fā)的緊密關系，并從宏觀角度提出了相應的開發(fā)措施?？梢姡瑢F有聚落特征融入新增建筑的設計過程當中，使新增建筑與已有聚落風格相統(tǒng)一，對保留聚落民居的地域特色和文化價值非常重要。

隨著建筑工業(yè)化的推進[5]，將現有聚落特征融入新增建筑的設計過程的研究日益豐富。例如，學者孫琳[6]結合形狀文法和紋樣重用方法，實現了面向用戶需求的木制民居裝飾構件方法，進而開發(fā)了木制民居裝飾構件矢量定制系統(tǒng);學者汪倫杰[7]通過可拓符號學將苗族、侗族的文化符號應用于民居部件的創(chuàng)新設計中，并開發(fā)了木制民居快速造型系統(tǒng);學者單軍軍等[8]以黔東南木制民居構建為研究對象，通過對設計特征進行可拓表征并借助發(fā)散樹構建思維發(fā)散模型輔助產生設計方案。但是，上述研究大多聚焦于民居的局部設計方案，缺乏對聚落中多個建筑組成的整體的風格意象的分析，容易造成聚落建筑意象風格不統(tǒng)一的問題。

為了使傳統(tǒng)聚落中民居的風格意象更加統(tǒng)一，凸顯其地域性風格與文化價值，本文針對聚落民居設計中的風格統(tǒng)一問題開展研究，提出融合遺傳算法與感性工學的苗族聚落民居設計方法，試圖使聚落民居的設計方案匹配當前聚落的風格，為實現具有統(tǒng)一意象的聚落民居設計提供支持。

1 苗族聚落民居外觀設計流程

本文通過感性工學方法分析木制民居整體風格意象與建筑模塊間的映射關系，針對現有苗族聚落的風格意象，通過遺傳算法生成多個具有相似意象特征的木制民居設計方案。首先，基于感性工學方法，采集聚落民居樣本，通過用戶訪談獲取民居樣本的代表性感性意象詞匯，將民居樣本分解為建筑造型模塊并進行編碼，進而分析感性意象詞與造型模塊之間的映射關系;隨后結合遺傳算法，對現有聚落的影像資料進行調查以獲取現有聚落的意象特征，將生成的民居設計方案的意象特征與現有民居的意象特征的關系作為約束條件，結合遺傳算法生成滿足意象需求的設計方案。

2 苗族民居造型編碼分解

2.1 模塊層級劃分

通過對黔東南郎德上寨進行考察，選擇其中30個結構完整、風格明顯的苗族木制民居，構建三維模型對其進行數字化還原，將其作為分析樣本。

為了實現計算機輔助的民居建筑設計，需要將民居建筑的組成元素分解為建筑模塊。苗族民居建筑大多為穿斗式干欄木樓，房屋架構類型相似，模塊間的多樣化、個性化組合，能夠有效滿足不同的意象風格需求，同時可以降低成本、提高效率[9]。因此，本文以滿足意象風格需求為目標，結合面向設計的部件模塊化方法[10]，對民居的設計過程進行設計部件模塊化，在保證模塊獨立性和替代性的同時，兼顧模塊的拓展性。

結合苗族木制民居的外觀特點，根據模塊粒度適中原則，結合文獻[11]，將苗族木制民居建筑模塊分為布局結構、組成部件、零部件，將其作為一級模塊;隨后，對一級模塊進行細分，形成二級模塊;最后，對二級模塊進行分析，將主要設計特征歸類，形成三級模塊。

2.2 造型模塊編碼

根據元素間的層級關系，分析提取常見的建筑設計特征模塊并編號，如表1所示，并在此基礎上提取樣本的造型特征編碼。本文按照表1對樣本進行分析，使用11位數組來表示建筑樣本的模塊化編碼，通過每一位上的數字表示相應的二級模塊造型，從而實現樣本模塊編碼。樣本編碼部分結果如表2所示。

3 意象風格與造型模塊間映射關系的構建

3.1 目標意象確定

首先通過訪談，獲取了12個感性意象詞。從考察過程中拍攝的其他苗族木制民居影像中選取了10個作為問卷樣本，基于五點里克特量表設計感性意象詞調查問卷，對問卷結果進行因子分析，將感性意象詞分為3組，并從每組中選取一個詞作為該組的代表性詞匯，參與進一步分析，最終選取了牢固、民族、簡潔作為代表性詞匯。

3.2 傾向獲取

使用代表性詞匯，結合苗族木制民居樣本，基于調查問卷，獲得被試人員對民居樣本的意象偏好信息。將某一樣本在同一感性意象詞匯上的評分均值作為該樣本在該感性意象上的得分，從而獲得樣本的感性意象參數。本研究邀請了26名設計學專業(yè)研究生參與問卷調查，共收到有效問卷21份，部分結果見表3。

3.3 關聯關系分析

本文中建筑模塊參數較多，難以確定建筑模塊參數與感性意象參數間的關系類型。隨機森林回歸是一種基于決策樹分類器的融合型算法，對輸入變量之間的關系不敏感，能夠處理非線性映射關系，且不需要對輸入參數進行特征選擇[12]，因此本文使用決策樹回歸作為造型模塊與感性意象間映射關系的構建方法。設定隨機森林回歸模型中每棵回歸樹的最大深度為4，回歸樹的數量為30，將樣本中70%的數據作為訓練集，30%的數據作為驗證集，以均方誤差值作為評價指標，得到牢固、民族、簡潔三個目標感性意象的均方誤差分別為0.3183、0.4213、0.1824。結合問卷參數設置進行分析，三個回歸樹模型的均方誤差較低，通過隨機森林回歸構建的映射模型較為可靠。

4 基于遺傳算法的聚落外觀設計

遺傳算法是一種基于生物種群進化思想進行問題求解的優(yōu)化算法[13]，能夠快速獲得解空間中的全體解[14]。在聚落民居設計方案的生成過程中，將設計方案作為種群個體，將設計方案的感性意象參數作為判斷個體適應能力的標準，將感性意象之間的差異程度作為約束條件，通過遺傳算法獲得具有較強適應性、滿足約束條件的個體，從而獲得具有較為明顯的感性意象傾向的設計方案。

4.1 目標意象獲取

為了使聚落中的新增民居建筑的意象特征與聚落現有意象特征相匹配，需要確定當前聚落所具有的意象特征，并將其作為設計目標意象。將黔東南郎德上寨作為有新建筑需求的聚落，結合調研照片資料，設計里克特量表以調查聚落在牢固、民族、簡潔三個感性意象上的傾向。邀請6名具有3年以上建筑設計經驗的設計師參與問卷調查，得到三個意象詞的得分分別為0.5000、1.3333、0.1667，可見民族意象的得分最高，感性意象最為突出，因此確定新建筑的目標意象為民族。

4.2 遺傳算法參數設置

將設計方案的造型特征編碼視為個體的表現型，并將其表示為染色體。本研究采用二進制編碼方式對表現型進行編碼，使用3位二進制串表示一個設計特征。

為了使遺傳算法最終生成的設計方案的感性意象特征更加明確，需要判斷遺傳算法中個體感性意象的明確程度，進而對遺傳算法運行結果進行控制。由于感性意象均采用相同的量綱進行計算，感性意象參數能夠反映個體在相應感性意象上的傾向。當不同感性意象的參數相近時，個體在相應的感性意象上具有相近的傾向;當不同感性意象的參數相差較大時，個體在相應的感性意象上的傾向具有較大的差異。因此，可以通過計算個體的感性意象參數之間的差值，并設定差值的最小值作為約束條件，判斷是否具有突出的感性意象。計算公式如下：

其中，表示違反約束的程度，為設計方案的第個意象維度上的評價值。若為0，則表示在設計方案的感性意象評價值中，最大值與最小值相差大于1.5，意象突出，滿足約束條件;否則，的值越小，說明感性意象參數值的最大最小值之間的差異越小，設計方案的目標意象明確程度越低。

4.3 外觀設計參數生成

設定設計目標意象為民族，設定遺傳算法的種群規(guī)模為50，設定交叉概率為0.7，變異概率為1，通過3.3節(jié)中構建的隨機森林回歸模型計算個體表現型的感性意象參數，將其中民族意象的傾向值作為遺傳算法的目標函數值;同時，結合個體表現型的感性意象參數計算結果，根據上式設定約束函數。為了避免因進化代數過多導致方案趨同，設定進化代數為50，完成進化后，去除重復方案，選取其中目標函數值較高的3個方案，結果如表4所示。

4.4 民居設計與驗證

根據表4中生成的各造型模塊的特征編號，結合表1轉換為對應的建筑設計模塊，由設計師根據建筑設計模塊形成苗族聚落民居建筑設計方案，結果見下圖。

為了驗證設計方案是否滿足聚落民居設計的風格意象目標，通過五點里克特量表設計問卷，邀請12名設計學專業(yè)學生參與調查，共收回有效問卷12份。根據問卷結果，在牢固、民族、簡潔三個意象上，設計方案1的意象參數分別為0.2500、1.4167、0.4167，設計方案2的意象參數分別為0.3333、1.5833、0.1667，設計方案3的意象參數分別為-0.4167、1.7500、-0.5000。可見，各個設計方案在感性意象民族上的得分較高，說明設計方案能夠較好地實現設計目標;在感性意象牢固、簡潔上的得分較低，說明設計方案的風格意象較為集中。因此，通過本文方法獲得的木制民居建筑設計方案與聚落民居設計目標較為一致，同時能夠避免建筑設計方案所具有的其他風格意象對聚落民居設計目標產生干擾。

5 結語

針對傳統(tǒng)聚落中新增建筑難以匹配現有聚落意象特征的問題，本文以苗族聚落的木制民居設計為載體，提出了融合遺傳算法與感性工學的民居設計方法。通過實地調研和三維建模獲取苗族木制民居樣本并將其分解為建筑造型模塊，使用感性工學方法獲取意象詞并分析意象與造型模塊間的映射關系，通過分析當前聚落建筑意象特征并從中獲取設計意象目標，使用遺傳算法快速生成多個具有相似意象特征的木制民居設計方案的模塊編碼，實現對聚落民居設計的輔助。實驗結果表明，本文方法生成的設計方案能夠與聚落當前意象特征相匹配，意象風格明顯，驗證了方法的有效性。本文方法不僅提高了聚落民居設計與聚落意象特征的統(tǒng)一性，同時提高了聚落木制民居設計的效率，具有一定的價值與借鑒意義。

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作者簡介：謝明澈（1994—），男，湖南長沙人，碩士在讀，研究方向：非物質文化遺產數字化保護與傳承。

呂健（1983—），男，河北承德人，博士，副教授，研究方向：數字圖像處理與模式識別。

潘偉杰（1983—），男，河南漯河人，博士，副教授，研究方向：數字化設計與藝術。