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摘要：通过数字媒体技术在建筑装饰地坪的艺术设计过程中的介入，一方面使设计师在地坪设计中，更好地体现概念以及进行材料选择、设计；另一方面也希望为材料生产、施工方提供参数化的设计成果，提高生产工作效率。以环氧水磨石地坪材料的艺术设计为例，基于生成设计的理论和方法，结合材料特性，制定一定的规则、算法和变量，分别尝试手工和数字两种设计方法。通过比对进一步明确数字生成方法下新型建筑装饰性地坪视觉设计改进和研究的目标。
关键词：生成设计;数字设计;环氧水磨石;艺术地坪
生成设计方法最早起源于20世纪60年代的“计算机辅助设计”和“计算机艺术”（ComputerArt），至今已经在艺术创作、建筑、视觉传达、产品设计等领域被广泛使用，并且从辅助设计的工具发展成为一种新的设计方法和思维[1]。意大利米兰理工大学建筑系教授、国际生成艺术会议创办人及主席切莱斯蒂诺•索杜（CelestinoSoddu）对其的定义：“就像自然界那样，生成设计是一个形态建成的过程。通常由一套预设的规则驱动，使用非线性系统的算法结构，其目标是生成无限不循环而独特的结果。”[2]因此，生成设计是指制定一套规则或者算法，并通过一个计算机程序，最终输出图形、图像、声音、建筑模型、动画、产品等成果。大多数生成设计都基于一个参数化模型展开，通常包含一套设计规则、一个创造变量的手段和一种选择所需结果的方法。随着建筑行业的发展，新的建筑功能、建筑美学、建造工艺、建筑智能化等对建筑材料和施工工艺提出了新的更高的要求。对国内建筑师以及建筑材料生产商来说，从早先直接选用或引进国外产品，到近年大量需要自主研发具有自身文化特色的新型建筑材料已是必经之路。再次转型过程中，新的数字技术和设计方法的介入，将改变设计师、材料生产商及最终用户的原有关系。本文尝试将这一方法和新型环氧水磨石材料的视觉设计相结合，探索在数字媒体时代新材料开发设计应用的可能性。
1研究背景
与本文重点研究的环氧水磨石材料相类似的材料如新型马赛克，在设计以及生产过程中已开始将生成设计方法和3D打印技术相结合，初步实现计算机辅助视觉设计，由设计师、用户参与定制和选择，系统自动生成配方，材料生产方即可自动生产，尽最大可能实现设计的创意[3]。然而相比之下，环氧水磨石材料的这一进展则存在更大的难度。根据美国国家水磨石与马赛克协会（TheNationalTerrazzoandMosaicAssociation，缩写为NTMA）的定义：环氧水磨石材料（EpoxyTerrazzo，又称环氧树脂水磨石或人造石）是近年开发的一种在环氧树脂中掺入打磨成多边形的玻璃、石料或其他材料的无缝装饰性新型复合水磨石材料。水磨石，英文名terrazzo，起源于意大利语“Terrace”或“Terrazza”。传统的水磨石地坪具有悠久的历史，最早可以追溯到16世纪中期，因威尼斯的大理石马赛克施工工人利用废边角料铺装他们自己居住的露台地面而闻名。到19世纪20年代，美国装饰艺术风行，建筑师第一次发现了光滑平整的水磨石地面的巨大艺术潜力。伴随着同时期研磨和移动电力设备的发明，水磨石地面成为了装饰艺术风格的建筑和室内地面的最佳表现媒介。发展至今，由于全球劳动力成本上涨，费工、费时的传统水磨石也正经历着新材料、新工艺的技术革新时期[4]。相比传统的水磨石材料，环氧水磨石除继承了易清理和平整光滑等特点外，还具有更好的耐磨耐压特性、更长的使用寿命，另外色彩的选择更丰富和搭配更自由，拼接工艺和施工更灵活、方便，在装饰性方面更胜一筹，施工时间更短。这一材料很好地满足了现代城市建筑所特有的通透、界面连续、风格独特等特性，并且相比大理石更环保，现已被广泛应用于商业空间、候机大厅、会展中心、体育馆、酒店、学校、咖啡馆、办公楼入口大厅等高人流量的场所（图1）。它的产量和应用水平也可以从侧面反映一个国家工业技术的发达程度[5]。在2008年北京奥运会和2010年上海世博会等大型国际活动后，国内环氧水磨石地坪开始在建筑领域被广泛接受和使用。由于最初由国外引进，大多使用国外设计师设计的色彩和材料配方，生产过程中通过人工反复试验来调配材料的比例、色彩、大小等，以达到所需视觉要求。因此，在环氧水磨石材料的开发设计过程中，至少存在两种需求：（1）这一材料的需求量随着近年国内大量公共建筑的兴建急速上升，应用领域已不再局限在地坪，也开始向室内外墙面、家具等领域不断扩展，研发具有独特视觉效果以及自主知识产权的产品成为国内材料生产商的迫切需求。（2）数字时代下，计算机技术已经广泛介入产品的设计、生产、管理等各个环节。在材料设计过程中应用计算机算法，一方面为建筑师、室内设计师、最终用户等在确定地坪视觉概念时提供可参与和互动的、所见即所得的计算机辅助设计工具；另一方面也希望为材料生产商开发产品系列提供参数化的、操作简单的工具，并使得生产过程最大程度地数字化，提高生产效率。生成设计方法的应用正好满足了材料视觉设计过程中设计师、用户、材料生产商的各方需求。
2研究方法与过程
2.1材料视觉特征分析
基于生成设计方法进行环氧水磨石视觉设计，基本前提是要对其材料特性进行研究，才能对设计要素进一步分析和提取特征，进而制定生成规则。如图2所示，环氧水磨石材料的施工过程包括：首先将混凝土基面无尘打磨，保证其平整性；随后在混凝土基体上一层底涂材料使其上下层坚固结合，依次覆盖3个选择性层：3mm的水性环氧自流平防潮层、1mm的柔性环氧防裂膜，以及用来平衡柔性环氧膜延伸性的玻璃纤维网；然后开始定点找平镶嵌铜条，接着铺涂环氧水磨石并找平进行粗磨、细磨以及精磨；最后涂刷高亮度环氧透明面漆。系统整体地坪厚度为4~40mm。其中决定材料最终视觉效果的即为最上层的环氧水磨石材料，而其从外观来看就是一系列不同材质和色彩的多边形碎片平铺在具有特定色彩的环氧树脂中。其中环氧树脂被称为基料，而镶嵌其中的碎片被称为骨料，类似于印象派绘画作品中，色彩和光影是经由不同颜料的叠加和混合后产生的视觉效果。如图3所示，环氧水磨石材料的最终视觉效果决定于以下六大要素。（1）基料色彩：基料即为有机化合物的环氧树脂材料。固化后具有良好的物理、化学性能，附着力强，施工简易，理论上可以调配出任意需要的色彩，是决定材料基本色彩走向的主要载体。（2）骨料材质：选择范围广。除了常用石材，还可根据肌理及质感的需要选择其他特殊材料作为骨料，如陶瓷颗粒、金属颗粒、透明玻璃、镜面玻璃、天然贝壳，或最新的荧光材料、发光二极管等。（3）骨料色彩：骨料材质的选择决定了色彩及其肌理和质感。（4）骨料形状：为了使骨料能够更稳固地黏附于基料中，骨料大多被分割成大小各异的多边形，然后按照一定比例平铺于树脂基料之中，总体呈现为分散的小颗粒状。（5）骨料大小：目前骨料颗粒通常被打磨成为大、中、小三个尺寸的多边形色块，以常用的筛选器作为测量单位，分别为1~3mm、3~6mm、6~9mm。（6）骨料配比：材料配比通常指单位面积的地坪材料中基料和骨料的配比、不同骨料的配比，以及同种骨料不同大小的配比。材料生产商在生产时，往往按历史数值将符合比例的骨料数量和基料放入机器中进行调和制作。如图3中所示，其材料配比为：环氧树脂10%、黑色石料30%、白色石料60%。
2.2生成设计方法应用
基于上述视觉设计要素分析研究，可以看到这六大要素共同作用，最终形成了材料的视觉特征。本研究主要从色彩入手，尝试将这六大要素进行数字化和参数化后作为基础变量，并寻找这些因素之间的关系，从而定义一套生成规则。对色彩的认知和审美，研究者已经探索出一些规律，如绿色代表和平、希望、成长，黑色代表凝重、死亡、黑暗、沉默，白色代表纯洁、高尚，蓝色代表海洋、天空、冷静等。瑞士艺术家、理论家约翰内斯•伊顿（JohannesItten）在《色彩的艺术》一书中提出了色彩构成基本理论，即色彩的组合构成表现不仅受到色相、明度、纯度的影响，也同时受到色彩面积大小、形状、纹理的影响。日本色彩研究所的色彩分析则结合心理学、人文学，并以孟塞尔色彩体系等为基础，收集了130种色彩数据及RGB值，绘制了配色形象坐标，以冷暖、软硬等形象词汇对色彩进行定义，为色彩的实际运用提供指导工具[6]。同时，不同材质具有不同的视觉形象[7]。因此在水磨石材料的设计中，骨料的材质、大小以及配比（或称分布密度）都将影响水磨石材料的最终视觉效果。图4将环氧水磨石中骨料的常用材质映射在配色形象坐标系统中，作为本研究中产品设计时配色、选择骨料的理论基础。但是对色彩的认知和审美又受到年龄、文化、地域等客观条件的制约，因此开发设计具有文化特征的材料在全球化、网络化的时代依然有市场需求和必要性[8]。笔者在受委托设计的具有中国传统文化特征的环氧水磨石地坪材料系列产品中，进行了初步尝试，并同时试验了手动色彩及图形匹配和基于生成设计方法的色彩和图形匹配。
2.2.1方法一：手动色彩、图形匹配
这次设计的环氧水磨石产品系列分别以“节气、民族、瓷器、墨色、地貌、建筑、城市、咏物、京剧、昆曲”等为主题，每一系列包括约10个子产品，设计过程如图5所示。（1）明确基料色彩：设计开始时首先明确这一主题的基本视觉特性，并为每一子产品寻找合适的主要参考图片，手动提取图片中某一颜色的RGB值作为基料色彩的基本色相。（2）选择骨料材质：参考图4中的材质形象映射图，选择能够表现主题形象特征的骨料材质，骨料的种类限定不超过3种。（3）确定骨料密度分布：骨料密度基本分为细密、中密、粗疏等密度图样。设计时根据主题形象特征，选择合适密度的图案。手动分配不同骨料的分布，模拟不同骨料的色彩、肌理等。图6是所设计的“京剧”和“昆曲”两个主题产品的最终效果图。在设计过程中充分考虑了这两大剧种的特色，并将其转化为色彩、材质、密度等要素。“京剧系列”磨石材料以中国影响最大的戏曲剧种之一京剧为主题，材料设计以京剧中较为著名、识别度较广的人物角色的视觉形象为参考，从中提取其主色调以及色彩构成；骨料以颗粒较大、不同颜色的石材为主；骨料密度为中密，以整体突出京剧厚重、浓郁的视觉特点[9]。“昆曲系列”设计时则基于中国最为古老的曲种之一的昆曲，其最大特点是抒情、动作细腻，歌唱与舞蹈的身段结合得巧妙而和谐。“昆曲系列”磨石材料以昆曲中广为流传的曲目来命名，同时基料的色彩大多比较柔和；骨料以彩色玻璃为主，辅以贝壳；骨料密度为中密，从而在材质和色彩上区别于“京剧系列”，形成淡雅、轻盈、通透之感。
2.2.2方法二：数字生成的色彩匹配
在上述研究和实践的基础上，笔者进一步尝试开发设计师和材料开发者能够实时互动的参数化水磨石材料的计算机辅助设计工具，其基本功能和流程如图7所示。首先输入任意参考图像，由计算机遍历图片的每个像素，自动提取图片中色彩，并统计数值；取所有颜色的加权平均值为基料的颜色；然后根据不同颜色的比值，并结合多边形的大小，分配不同颜色多边形的数量来模拟不同骨料的组成；最后输出不同色彩的配比数值表和效果图。计算机辅助设计的软件界面如图8所示，使用者可以输入任何参考图片，软件自动像素化，并根据默认值生成最终效果图；使用者还可以稍后通过拖动多边形数量（PolygonAmount）和色彩阀值（Threshold）两个滑动条，实时调节骨料整体密度和骨料所含色彩（代表不同材质）的下限这两个变量，直至达到满意的视觉效果[10]。
3研究结论
比较图6和图8的最终效果图，可以看到手动设计的效果更生动、逼真，数字方法生成的效果则显生硬、不自然。这其中涉及到数字生成规则设定的多样性和不确定性，主要体现在：（1）色彩提取和匹配：在上述应用程序中，基料色彩的RGB值取自参考图片所有色彩的加权平均，但权重的不同分配方法、基料色彩的不同取值方法（如确定数值最高的颜色为基料色彩，或者手动选择基料色彩等）都将影响产品的最终视觉效果。（2）骨料几何形状生成和分布：由于实际环氧水磨石材料中的骨料是随机、离散分布的不规则多边形，而计算机图形学中，平面多边形情况复杂，可以分为简单多边形与非简单多边形。简单多边形是指边之间除顶点外不相交，形成可明确分辨内外的封闭区域；而非简单多边形则不然。简单多边形又可分为凸多边形和任意多边形，而如何找到合适算法生成均匀分布且不相交的多边形是最大的难点[11]。（3）骨料材质模拟：上述应用程序中没有模拟骨料材质和肌理的算法，取而代之的是以不同的颜色映射不同材质，因此整体效果的写实程度不高，并且后期还需通过人工选择相应材料。综上所述，笔者手工方法设计的系列产品已由委托研发的生产商实际生产出部分样品，在测试中深受建筑师、室内设计师及业主的喜爱。而基于数字生成设计方法所开发的应用程序，也已经在设计过程中使用，获得了较好的反馈。虽然其结果尚不能直接应用到实际生产中，但普遍认为这一方法具有巨大的发展潜力：一方面可以在前期设计阶段为建筑或室内设计师快速、直观、实时地设计与选择符合其设计理念的材料，提供实时互动的设计工具；另一方面，产生的色彩配比可以直接为材料生产提供最初参数，从而提高设计、生产的效率，有利于最大可能实现设计的创意。
4结语
未来可以结合感性工学、色彩形象、材质形象理论，更好地优化和改进生成设计过程色彩映射、多边形绘制、材质模拟等算法，进一步优化应用程序图形界面，增加更多功能模块等，从而更好地辅助环氧水磨石地坪材料的视觉设计和生产。生成设计方法在建筑设计和建造中的应用因其可以最大程度帮助设计师在一定概念和规则基础上自动产生同质下又具有无限差异性的方案而受到关注，但最终如何在无限中进行有限的选择，是当前生成设计方法研究的重点，也是本研究的后续研究目标之一。
作者:吴洁 邱子恒 陈光曦 钱卓韵 单位:同济大学设计创意学院 南京艺术学院
