基于案例推理的苗侗木制民居定制方法研究

袁濤 呂健

摘要：為了滿足貴州苗侗少數民族地區新農村建設中木制民居的文化傳承以及快速建造的需求，重點從面向用戶的個性化定制模式出發，提出了基于案例推理的木制民居產品配置設計方法。通過對木制民居案例進行解構分析，構建了基于結構樹的產品配置表征模型，并針對該方法中民居構造模型的建立、產品配置設計流程以及相似案例的檢索方法等關鍵技術開展了研究。最后以木制民居的配置設計為例，對該方法進行了驗證。

關鍵詞：案例推理;木制民居;大規模定制;配置設計

中國分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2018}07-0151-02

裝配式技術在建筑行業中的運用得到了業界廣泛的認同和重視，其生產模式逐漸由大批量生產轉變為大規模定制生產。目前，關于產品定制設計的理論方法主要有案例推理（Case-basedReasoning，CBR）理論[1]、參數化方法[2]、模塊化方法[3]、可拓學理論等[4]。CBR理論是實現定制設計的重要手段之一，得到了國內外多個領域的廣泛關注，尤其是應用在產品配置設計中。本文重點針對在木制民居配置流程以及相似案例檢索方式，結合CBR理論，對貴州黔東南少數民族木制民居進行構造特征解構，提出基于CBR的產品配置設計方法，并對該方法進行了驗證。

1 木制民居案例解構及表征模型

1.1 案例解構分析

干欄是南方少數民族住宅建筑形式之一[5]。隨著人們生活水平的發展，已經從單純的兩層發展為三層、四層。民居的構架一般由“排架”、“開間枋”和“檁條”構成，“排架”根據瓜柱的數量可分為五柱四瓜、五柱六瓜、五柱八瓜，瓜柱越多，房屋的建筑規模越大（圖1）。在民居建造時，通常根據房屋的建筑規模決定排架的數量，一般有四排三間、六排五間[6]。其屋面形式主要有懸山頂、歇山頂、硬山頂，屋檐形式分為單檐和重檐，屋面材料主要有小青瓦、樹皮和茅草。根據屋面倒水形式，可分為兩面倒水、三面倒水和四面倒水，其中以兩面倒水運用最多。除以上一些必要的建筑構造形式，還包括偏廈、谷倉、廊道、美人靠、吊柱及柱頭、欄板與窗欞等附屬建筑和裝飾構件[7]。

1.2 民居案例庫建設

通過對貴州省黔東南州的實地調研，對苗侗木制民居數據資料進行采集、整理、分類、統計、分析，建立了苗侗木制民居原始案例庫。結合民居的結構特性對其構造部件進行系統的分類與形態解構，分析房屋部件的使用規律及在不同場景的應用狀態，構建用于CBR實例推理的案例庫，案例內容包括：民居戶型庫、功能結構庫、文化資源庫、數據資源庫等，為研究者及使用者提供精準、可靠的案例資源。

1.3 基于結構樹的產品配置表征模型

根據苗侗木制民居案例解構分析建立的民居案例庫，將木制民居形態構成以一定的規則映射為一個多元化的產品結構樹，每一個樹狀結點根據層級不同代表不同的產品要素。在產品配置過程中從最底層的結點進行約束匹配，根據結點層級結構依次進行不同配置的選擇，最后將所有結點以預先定義好的配置約束條件進行組合，再通過知識和經驗的修正，實現不同需求的配置結果輸出。

2 基于CBR的木制民居配置設計

2.1 相關概念

1）構造單元是指對某一構件進行修改就可以用在不同產品上面的可以實現一種或幾種構造功能的產品裝配件。

2）構造載體是將眾多構造單元集合而成的產品案例集。

2.2 木制民居配置流程

在配置設計過程中，可以在民居案例庫中查找滿足客戶基本功能需求的構造單元集合，并將其組合成一個木制民居的產品構造載體。然后通過相似性算法在案例庫中檢索與該產品構造載體最相近的一個案例，并將其作為木制民居的構造原型，使得在詳細設計階段只需要根據目標產品構造載體與相似案例產品的不同之處，對相似案例加以修正，就可以獲得用戶需要的產品。

2.3 相似民居案例的查找

木制民居構造載體的構建只是處于概念設計階段，需經過詳細設計才能轉變為能夠生產的產品。因此，從已有的民居案例庫中提取出與所需構建的民居構造載體最相似的設計方案，從而為詳細設計階段提供一個合適的可參照案例，是將基于結構樹的案例推理方法在產品配置設計中推向實用化的重要途徑。

根據基于結構樹的產品配置設計表征模型，將木制民居構造載體中的構造單元案例化，構建出如圖2所示的木制民居結構樹。

因為木制民居結構樹是一棵無規則樹，同層級的結點能夠相互置換，結點在樹中的位置可以由該結點到根結點所經歷的各結點形成的鏈表來表示[8]。

木制民居案例結構樹可表達為上述結點的集合：

木制民居案例檢索相似度計算公式如下：

其中，num（nodl⌒nod2）與num（nod1∪nod2）分別表示產品p1和產品p2所包含結點交集與并集中的元素數目;S_n表示結點交集中成對的兩個結點之間的相似度。

式中，Consist（nodi）表示對成對結構結點的比較，當產品p1和產品p2都包含有該結構結點時，其數值為1，反之為O;num（nod1i⌒nod2i）與num（num（nod1i⌒nod2i）分別表示成對結構結點在結構樹中所涵蓋的位置結點交集與并集中的元素數目。

3 應用實例

本文將貴州苗族侗族木制民居大規模個性化定制作為設計案例，對其進行民居產品的配置設計，驗證基于結構樹與CBR理論的產品配置方法的可行性。假設客戶需要構建一座木制民居A，對其功能和結構要求為“五柱四瓜前后吊瓜”、“四排三間”、“兩層”、“底層架空”、“單檐懸山頂”、“有廊道”等一些房屋構造特征。首先對民居案例庫中所有構造單元進行檢索和篩選，獲得如圖3所示的民居構造結構樹。

其次檢索與民居A構造載體結構樹最類似的案例。假設案例庫中有如圖4（a）和4（b）所示的兩項案例。按照公式（1）和公式（2）求得其與木制民居A的相似程度。

民居A與民居B的相似度為：

因此，對于民居A來說，民居C比民居B更接近目標產品，設計師可以將其作為設計雛型。在接下來的詳細設計階段，以構建民居A的構造載體為目標，以民居C作為設計雛型，就可以對民居A進行詳細設計，之后輸出案例，最后通過方案評價來最終確定是否符合客戶要求，未符合要求的方案重新進行詳細設計，符合客戶要求的方案輸出案例結果，完成設計任務，并將新案例歸置于木制民居產品案例庫中。

4 結語

本文針對貴州苗侗少數民族木制民居的個性化定制，為企業提供了一種基于案例推理的木制民居配置設計方法。以民居的構造特征作為配置設計的基本屬性，采用案例推理理論，在目標案例與設計案例構造不同的情況下，通過案例檢索，查找到與目標案例在結構特征上最為相似產品的一種配置設計方法。并對該方法進行了驗證，取得了良好的效果。

本文系國家科技支撐計劃（2014BAH05F01）;貴州省科技基金項目（重大專項字[2015]6008，[2015]6014，LH字[2016]7467，[2016]2327，[2013]4005，[2012]2747，[201212484）;貴大（人基合字[2016]12）。

參考文獻

[1]WANG Pengjia，GONG Yadong，XIE Hualong， et al Applying CBR to Machine Tool ProductConfiguration Design Oriented to Customer Requirements[J] Chinese Journal ofMechanical Engineering， 201 7，（01）：60-76

[2]王宗彥，虞國軍，吳淑芳，等，面向并行工程的機械產品參數化協同設計[J].中南大學學報（自然科學版），2013， （02）：552 557.

[3]高文斌，王洪光，姜勇，等，模塊化可重構機器人標定方法研究[J].機械工程學報，2013，（17）：92-100.

[4]周建強，趙燕偉，王歡，等，基于知識的大規模定制產品可拓配置設計[J]，機械設計，2012，（09）：14-21.

[5]張春曉，嚴愛軍，王普，一種改進的案例推理分類方法研究[J].自動化學報，2014， （09）：2015-2021.

[6]孟潔，基于案例推理的建筑方案設計流程研究[D]，哈爾濱工業大學，2015.

[7]羅德啟.貴州民居[M]，北京：中國建筑工業出版社，2008.

[8]張雷，劉光復，胡迪，基于實例推理的產品配置設計研究[J]，合肥工業大學學報（自然科學版），2008， （06）：847-850.