基于形状文法的电动汽车设计研究

2023年12月8日发(作者：轿车省油排行榜前十名)

基于形状文法的电动汽车设计研究RESEARCH ON SHAPE DESIGN OF ELECTRIC VEHICLE BASED ON SHAPE GRAMMAR江苏大学艺术学院韩蕴晖沙强摘要：将形状文法应用于电动汽车形态设计的研究方法。为了在短时间内产生大量符合设计要求和技术要求的设计方案，首先，对电动汽车的典型性提出了特征进行分析，应用一系列的文法规则，然后提取最能体现电动汽车特征的前脸作为初始形状，车造型特征的遗传和变异，文法规则可以分为生成性规则和修改性规则，对于具有品牌继承性的特征应用修改性规则变换，对应汽对其而对于创新性特征则可运用生成性规则进行添加和删除，法规则要根据相应的感性意象与约束规则进行确定。特斯x汽车为例进行验证，用语义差异法检验最终方案。最后，同时指出具体的文形状文法可以适用于以具有代表性的电动汽车的造型创新设计。关键词：形状文法文法规则遗传变异电动汽车中图分类号：TB47 文献标识码：A文章编号：1003-0069（2021）06-0014-04Abstract：design and technical requirements in a short timeIn order to produce a large number of design schemes that meet the

shape grammar to the shape design of electric vehicles is of all，the research method of applying

typical features of electric vehicles are analyzed，the

best re?ect the features of electric vehicles is extracted as the initial shape，and then the front face which can

series of grammar rules are applied to it，and a

divided into generative rules and modi?able rules，among which the grammar rules can be

and variation of vehicle modeling features. For the characteristics with brand

，corresponding to the inheritance

inheritancefeatures，pointed out that the speci?c grammar rules should be determined according to the

，the generative rule can be used to add and delete. At the same timethe modi?ed rule transformation can be applied，while for the innovative

，it is

corresponding perceptual image and constraint yvehicle is taken as an example to verify the ?nal scheme with semantic difference

，a typical Tesla electric

grammar can be applied to the innovative design of electric ds：Shape grammar Grammar rules Heredity Variation Electric vehicle引言日趋严重的问题，近年来，能源危机以及使用化石燃料而造成的环境污染已成为的生存，大气污染、全球气温加剧等正在严重地危害着人类决内燃机汽车带来的环境污染及能源危机问题，而造成这些严重问题的一大罪魁祸首就是燃油汽车，为了解于研究噪音低，以及新颖的审美取向。无污染的电动汽车。电动汽车代表了先进的生产技术各个国家开始致力计逐渐成为许多学者关注的问题。为了体现与燃油车的区别，电动汽车的造型设有创新性又体现品牌继承性的基础上，如赵静、张琳在保证电动汽车即具方法研究；造型的情感化因素；

[1]

再如李祥文从情感设计出发，对电动汽车造型进行了创新引入电动汽车造型设计中；[2]

班婧婕创新性地将情感心理创意的设计方法研究分析了影响电动汽车电动汽车造型的影响并分析了造型趋势。[3]

徐飞、李彦龙等人研究了空气动力学对型设计提出了新思路，[4]

以上研究为电动汽车的造市场上量产的电动汽车存在一些问题，但未形成一套完整的设计流程和方法。其一很多电动汽车仍然沿袭目前，014传统燃油车的造型，动汽车的创新设计时，并未形成自身独特的设计风格，的设计概念，丢失了品牌继承性，对此，其二，在进行电体现电动汽车自身独特风格的造型设计方法。在考虑品牌因素的基础上，引入感性意象，本文引入形状文法提出一套能一、形状文法简述James Gips提出，[5]

形状文法SG拓展到工业设计领域，最初在绘画、（shape grammer）雕塑领域应用较多，最早是由George Stiny和以形状算法为主的设计方法。指导产品的创新设计并用于品牌识别，后来逐渐被人们一定的规律的，[6]

在形状文法中，人们认为形状都是有是一种定位的基准点。形状是有限的线性排列，过系列规则变换而得到新的形状，[6]

形状文法具有一些主要的特点，通过标记形作为形态转换后它是由原始形状经可用于产品的创新设计。S表示形状的有限集合；形状文法可以用一个四元组来表示，[7]

因此能够保持原有形状的延续性，即SG=（S，L，合，L表示符号的有限集合；R表示规则的有限集R，I），其中，由形状规则运算变换而得到的，规则可以表示为：α→β；I 表示的是初始形状，如图1。最终的形状都是经构成规则R1（中心缩放）：构成规则R2（顺时针旋转90°）：形状文法执行过程R1R1R2R2R2初始形状符号图1 形状文法的变换过程承演变而形成的比较稳定且具有代表性的形态特征的有限集合，在电动汽车的造型设计中，S可表示为某品牌汽车经过多代的继些能体现品牌要素的基本形态特征也是某汽车品牌的造型基因，这宝马汽车的双肾进气格栅，型特征。奥迪的“大嘴”以及甲壳虫圆润可爱的造如规则的有限集合，R表示某品牌造型特征在遗产进化的过程中运用到的形状汽车造型特征的遗传和变异。形状规则包括了修改性规则和生成性规则，源，I表示某品牌特征的最初形态，对应于用规则的着力点，随着品牌特征的发展，是S的起承下去，在L的标记下，该初始形状是可以不断扩充的。L表示运心点和对称轴的位置。L会受到相对位置及比例尺寸的约束，汽车的品牌特征可以不断扩充并传大多数符号标记在中形状文法的优点在于，[1]

在确定了初始形状以及明确了形状规则后，计师对产生的设计方案进行筛选判断，所产生的设计成果都是在形状文法定义的求的方案，得到符合设计要求及技术要“形状语言”之内。设形状文法可以大大地节约人力，然后进一步地调整和细化。设计要求的方案，缩短整个设计周期，另外，随着计算机技术的推广产生一系列符合，境下赋予产品新的内涵。更为重要的是，[8]

形状文法可以传承文脉、在新的环二、应用步骤被应用在工业设计领域，形状文法最初被广泛应用于建筑领域，近年来，形状文法逐渐的的成果。不少学者和设计师运用形状文法取得了不错形状文法，石元伍和卫璐在进行设计医院消毒机器人的造型时运用到了鞋靴的造型特征并得到推理模型;产生了许多创新方案;[9]

运用在智能手表的设计中，设计出满足不同消费者需求的产品。[10]

胡志刚等人基于形状文法研究女士陈满儒等人将形状文法创造性地[11]

循以下几个步骤，在将形状文法应用于产品设计或者汽车造型设计的过程中要遵如图2所示。图2 形状文法的应用步骤（一）取产品的典型特征，指对于某一品牌的产品，确定基本形状即显性特征进行分析。收集大量的设计案例，[12]

从这些案例中提图片，1.收集样本：选取某一品牌的产品进行研究，收集大量该产品的代表性的典型特征提取出来，分析总结以往的产品形态特征，利用形态分析法，将产品具有的专业人士，2.专家访谈：谈对象对目标产品的造型特征的看法，或是学习工业设计的师生，邀请业内人士进行访谈，对这些样本特征进行分类处理。明确访谈的目的，多为从事在工业设计行业即了解访归类，对目标产品的造型特征进行的权重比值。并对不同类别的特征元素的重要度给出主观评价，面造型、就电动汽车而言，其典型特征包括整车轮廓、确定各因子前脸、侧前端，内饰和尾部等几个区域。其中，电动汽车的前脸位于整车最牌的主要形态识别特征，最易受关注，而且，前脸的造型元素比较密集，集中了汽车品主要流程包括1）3.造型形态分析：设计形态分析法最早由荷兰学者Warell提出，是分析研究的重点。出的产品显性特征汇总成调查表。将选取的案例样本进行去色分类整理，并将专家列征的重要性进行判断。2）按照权重因子对产品的各个特型性特征进行归纳分析。3）对于调查结果进行统计分析，对提取的典（二）除初始形状，1.生成性规则：总结形状的变化规则生成性规则可以归纳为两种：换，就是以一种全新的形状替换原来的形状。是一种从无到有或是从有到无的变换过程；第一种，第二种，增加或删置当于遗传学中的变异，这两种生成性规则表示产品显性特征的增添、删除和置换，这相品的外观发生突破性的改变，在外界环境或者人文等因素的强烈影响下，这种改变可以称为产品外观造型的创产新，脑丰富的联想。产品的造型创新不仅要用到逻辑思维，种各样的动物表情，比如，我们在看到汽车前脸时，更是需要突发的灵感和大会联想到自然界中各创新设计的灵感源泉。大自然丰富多彩的自然形态也成为设计师进行文化时尚创新。一般而言，产品的创新设计可以分为：外观形态创新、功能创新、说生成性规则对应于遗传学中的变异，2.修改性规则：本文主要针对外观形态进行创新。修改性规则表示对原有形态的变形、调整，如果示对某产品品牌基因的继承，牌继承性和延续性就无从谈起。如果没有对品牌元素的继承，修改性规则对应于遗传，产品的品它表和贝塞尔曲线变换分别对产品的组件、面对这样的问题，部件以及外形轮廓进行变形。本文提出仿射变换直性。1）进行变化，在本文中，仿射变换表示在二维平面内的线性变换，易保持其形状的平缩放、如前大灯、仿射变换主要针对电动汽车前脸中的各个造型元素进气格栅、充电口等，仿射变换主要包括平移、换，如图6：平移变换，旋转和错切，如图3：用形状表示可以描绘如下缩放变换，如图4：旋转变换，：如图5：错切变图3平移变换图4缩放变换图5旋转变化图6错切变换是由法国数学家Pierre Bezier提出并应用于雷诺汽车的造型设计中，2）贝塞尔曲线变换适用于产品外形轮廓的非精确变形，它最早它表示的是一种数学的计算方式，塞尔曲线通常用来描述不规则的产品造型曲线，通个给定节点来定义自由曲线。贝咖啡机的装饰线等，如汽车的外轮廓线、变。通过改变节点的位置从而实现对产品造型的改形态不会产生过大的变化，贝塞尔曲线具有几何不变性和仿射不变性，这些性质保证了产品多条的子曲线，品特征而进行灵活运用，每一条曲线又都是贝塞尔曲线，贝塞尔曲线可以在任意节点分割为两条或这个性质可以根据产在计算机辅助设计下，根据节点的数目，贝塞尔曲线可分为2次方、从而保持了产品造型特征设计的精确度。3次方或n次方曲线，型，3次方的贝塞尔曲线的数学表达式可表示为多以3次方贝塞尔曲线为基础建立平滑曲线模B该贝塞尔曲线起始点是P在上式中，（t）=P0（1-a）P0，P31+3P，P21，a（1-a）P23分别表示3次方贝塞尔曲线的4个节点，+3P2t2（1-t）+P3t3t∈[0，1] （1）都可以改变曲线的形状。0，终止点是P3，任意调整其中任一个节点，（三）牌战略等通过市场调研提出设计规范。在具体的产品设计开发中，确定约束关系企业会根据公司策略、产品定位、品言，方式等，首先要了解对应用户的生活方式、对于电动汽车的形态设计而用对应的意象形容词来描述，在设计中要提出风格和文化风尚的要求，消费方式、审美心理以及认知将风格和文化风尚通过建立这些形容词与电动汽车形态设计之间的关系，如科技的、前卫的、新颖的、简洁的等，新设计方案。可以得出创规则的限制，另外，在运用形状文法进行创新设计的过程中，列举出3种约束规则如下：会受到一些约束015图7特斯拉电动汽车的发布时间线路图人体尺寸准，成员头部空间尺寸等相应的强制性标准。得到汽车外廓尺寸、1.尺寸约束。，如通过测量得到人体尺寸相关数据和一些其他相关技术标根据人机工程学，通过性尺寸、产品的整体及部件设计都要符合最小离地间隙、 [12]

汽车驾驶员以及素，角，也赋予了电动汽车优雅、风阻和汽车外形因素息息相关，多采用一些圆滑过渡将有利于减小风阻，2.技术约束。在进行汽车外形设计时，在进行整车设计时，要考虑空气动力学的因去除一些棱间的空间约束关系，栅的面积要小于整个汽车前脸的面积等。3.空间关系约束。流畅的美感。[14]

同样流线型的汽车造型通过语义差异法对这些方案进行筛选。（四）如保险杠的宽度要小于汽车的整体宽度，在进行整车设计时要考虑部件与整体、部件之进气格比，经过上述操作，方案评价查，行评价，看是否继承了该车型的品牌基因，可以得到大量满足设计要求的设计方案，看与电动汽车的感性意象词汇的契合关系。最后得到符合条件的优选方案。然后，首先，对用户进行感性意象调与已有的车型进行对最后要综合以上两种因素进三、电动汽车形态设计研究汽车的视觉形象对于一个国家的汽车行业具有重要意义，动汽车的造型设计时要体现出它特别的气质和身份。电动汽车代表了一个国家先进的生产力和先进的文化，在进行电研究电动的要求安置在电动汽车的前部、（一）汽车前部、1.电动汽车没有燃油车复杂的传动系统，结构对电动汽车造型的影响电动机可以按照总布置有更多自由发挥的空间，小型化、后部或座位下，可以体现与燃油汽车截然不同的风格，因此，驱动轴或者轮毂中，它的内部构造相对简单，电池也可以安在其造型也汽车的速度，小，2.空气阻力是严重影响汽车速度的一个重要因素，轻量化、有流线型。需要降低空气阻力系数，流线型等特点。比如由于电动汽车的发动机比较为了保证电动栅可以简化成一条线，占据空间小，由于电动汽车不再需要散热器和冷却系统，则可以将发动机向下倾斜，将车头下部修圆，因此其进气格使之更状、感、色彩及质感。（二）电动汽车的形态分析包括了车的外观造型、电动汽车的形态分析起到装饰作用。本文主要分析电动汽车的外观造型，内饰等，涉及到形圆润的特点，线条感、人带来放松、1.体量感。表情特征、具体从体量一般而言，电动汽车的体量感是指电动汽车的外形要体现饱满情感体现等方面进行分析。量感，围，粹的直线是不存在的，命力的情感，体现出正直、2.电动汽车的线条美。直角几何的形态能显示出结构的严谨性，舒适和稳定的感觉，体积越大其体量感越强，权威和尊严的性感，直线的造型体现了缺点是削弱了速度感。然而在电动汽车的形态中，一种阳刚之美，充分的体量感能给营造高贵、庄严的氛富有力纯氛围。动美和简约美，曲线更能表现造型的动态美，相对而言，曲线造型能营造一种柔美、有利于营造热烈、富有生自由的异和对称的造型方式则可以使造型风格更加前卫。

流畅的曲线张弛有度，曲线的造型能给人更大的视觉冲击力，收放自如，适宜于现代设计所为求得律适当地运用变016前脸，3.电动汽车的表情化特点。我们常常称电动汽车的前部造型为对应友好、“眼睛”是因为汽车的前部特征像一张能表达丰富情感特征的脸，车灯暖，自信、尊贵、，散热窗对应平实、神秘等，“嘴巴”圆润的造型特征能让人感到可爱温。电动汽车的情感化特征有微笑、个能显现表情特点的特征是散热窗——细长而尖锐的车灯造型让人感到神秘冷酷和威严。给人以友好、善良的感觉。“嘴巴”，上翘的散热窗造型电动汽车另一和美感，4.电动汽车的整体感。谐，而不是局部的车灯、电动汽车的整体感是要塑造整体的和谐与局部也就是设计美学的同一、格栅等，要控制好线、面、体，使造型和（三）“度”的把握，获得较好的设计美感。整齐、合一、程序化。最后，要注意整体着手：结合形状文法，电动汽车的设计增加线条断点，1.若要体现科技感，本次的电动汽车设计任务可以从以下一些方面可以通过多变的型面来表现，的零部件设计来表现。或者通过点阵排布来表现，也可以通过车身高科技也可以通过来表现，2.若要体现运动感，则可以通过上扬的线条风格能带来前卫、若体现稳重感，4.通过大面积地运用玻璃材质，科技和速度感，则可采用方正的型面造型。方正、硬朗的设计能带来庄重感。3.流线型的造型灯的运用能增加电动汽车的科技感和未来感。可以在视觉上增大汽车的内部空间。体比例要符合视觉习惯和审美的内在要求。6.电动汽车的整四、形状文法在电动汽车设计中的应用尾部以及内饰等几个方面，对于电动汽车而言，品牌的主要特征包括整车造型、侧身、前脸、征，的重要部位，是设计的重点和品牌遗传的着力点，其中前脸集中了品牌主要的形态识别特也是形状文法提取初始形状动机盖板、电动汽车整体的造型风格。翼子板、前脸位于整车最前端，进气格栅、车头灯和雾灯等可造型原件，位置最瞩目，同时，前脸分布着发影响着面形式的特征线进行研究。可将前脸复杂的空间型面结构转换为平（一）特斯拉电动汽车造型研究造型特征研究具有重要意义，由于特斯拉在电动汽车领域有着举足轻重的影响力，第一款车型是Roadster，款跑车是一款四门纯电动豪华轿跑——Modeal S，一款两门运动型跑车，特斯拉是一家电动汽车和能源公司，对特斯拉的发布于2008年，第二其纯电动SUV——Model X，第三款汽车是豪华动汽车的发布时间线路图。接下来一款是Model 3。如图7为特斯拉电脸造型中的各个元素的重要性进行评分，现邀请50名从事汽车造型设计的设计师和在校师生对特斯拉前取平均值，将特斯拉前脸特征元素的重要性列表如表1。按照0~3进行打分，最后求表1 特斯拉前脸各元素重要性分值表表造型线）如图8，（图中灰色的线用来表示型面大致的转折关系，中的引擎盖、将特斯拉近年的几款车型进行特征线提取处理，并不是代图9、10。大灯、雾灯、进气口分别提取，总结其造型变化规律如对前脸图8特斯拉车型特征线图图9特斯拉车标图10特征元素特征线（二）基因遗传、形态变化规则的提取是造型创新的重点，形状文法规则的确定和应用规则主要来源于品牌则时，微变形，对于影响因子较大的特征，电动汽车新技术和用户期望意象3个方面。在应用形状规反，采取修改性规则，从而保持了产品设计的基因延续性；应在保持原有形态的基础上进行相明显看到，对于影响因子较小的特征其变形规则的自由度较大。由上图可以因此，特斯拉前脸的典型特征是模仿车标的T形造型的进气口，度。加，同时，在总结形状变化规则时，可将这一特征保留，保持其品牌识别线条的起伏感，比如，规则可以依据电动汽车的用户期望意向进行适当调整和添要体现“运动的”点或进行点阵设计来实现。打破水平趋势，意象，可以增加线条的上升趋势，体现出征为例，本次设计车型定位为轿车， [1]

“科技的”意象可以通过增加线条断根据一定的规则进行变换。因此以Model S 和Model 3的设计特度存在先后差别，由表1可以看出，Model S和Model 3前脸中各造型元素的重要程度的不同，选择相应的生成性规则和修改性规则，因此，可根据各特征元素重要程度和对整车影响程可列表如表2。表2 各特征元素的应用规则如图11、12为各特征元素的具体应用规则。图11特征元素规则变换图12特征元素规则变换图13方案图图14方案1前视图图15方案1立体图（三）的形状，依据形状文法理论，方案筛选和确定经过相应的规则变换，的造型方案中根据电动汽车造型的若干原则进行筛选，对这些元素进行随机组合，可以得到若干造型方案，得到前脸各个特征新案1和方案2，最后，从大量得到方有效评价问卷27份，接下来邀请30名用户从两个方面对这两个方案进行评估，如图13所示。回收中的感性意象词汇采用下表的3对形容词，分别是品牌识别度和感性意象匹配，量表（3~-3）所有评价通过七点李克特其中评价表由调查结果可以看出，进行打分，平均分数如表3。按照本文提出的方法进行设计，产生的方表3李克特量表案1和方案2都能很好地满足设计要求，与用户期望意象匹配度良好。品牌识别性良好，且造型感觉运动性方面由于方案2，洁，相对而言，其中方案1的品牌识别度以及科技性、线条更具动感，雾灯的设计比较独特，方案2更加个性化，看起来更简需要进行改进。但大灯和进气口的配合不是很完美，有中国传统的如意造型意象，方案1的前脸见图14和图15。[12]

经综合评分，最终选择方案1进一步深入设计，略显赘余，后期造型结语大大地减少设计流程，本文提出将形状文法应用于电动汽车的造型设计，的设计方案，并且能够得到大量符合品牌特征与感性意象这种方法能的电动汽车造型设计具有一定的指导作用，并以特斯拉车型进行了验证。该方法对于面向品牌识别较为复杂的过程，进行汽车侧身及尾部的设计时，由于篇幅有限，本文仅以前脸的造型设计为例，但汽车的造型设计是一个在是在形状文法规则的制定和提取时保持整体的统一风格。还应该考虑整车造型的一致性，也就的不断深入以及电动汽车造型特征的丰富，随着设计识别性更强的特征，电动汽车一定能沉淀出新的风格并延续下去。

并逐渐摆脱燃油汽车的造型特征，从而创造出崭参考文献[1]

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