SUBDIVISION建模在室内有机形态的应用研究

谢华 龚鹏辉

摘要：通过探索Subdivision建模技术在室内设计中的潜力，提高室内设计有机形态的吸引力和竞争力，并且有效提高设计师在有机形态设计中的效率。通过分析Subdivision建模原理，介绍其在室内运用的可能性、高效性、调节性、仿生性的特点。对其Subdivision建模在室内设计应用中的有机拓扑形态、空间界面软化、泰森多边形应用、渐消面的运用等几点优势展开讨论。结合乐嘉伦敦展厅和BarinSkiResort、Batwings案例，阐述其非线性美学和有机形态，解读其设计特点。进一步分析Subdivision建模的有机形态表达优势与局限性，探讨Subdivision建模在室内设计中的有机结构建模的可行性。探析出Subdivision建模技术能够更好设计具有非线性美学的有机形态，更有助于创造出独特的艺术形式和空间感受。为相关室内空间有机形态的设计提供了创新的设计思路。

关键词：Subdivision建模；有机拓扑形态；空间界面软化；泰森多边形；渐消面

中图分类号：TU-85 文献标识码：A文章编号：1003-0069（2024）11-0148-04

Abstract：To explore the potential of Subdivision modeling technology in interior design， improve the attraction and competitiveness of organic form of interior design， and effectively improve the efficiency of designers in organic form design.Firstly， by analyzing the principle of Subdivision modeling， the possibility， efficiency， adjustability and imitation characteristics of Subdivision in indoor application were introduced. Secondly， several advantages of Subdivision modeling in interior design are discussed， such as organic topology structure， spatial interface resolution， Tyson polygon application and fading surface application. Combined with the London exhibition hall of Legica and the cases of BarinSkiResort and Batwings， this paper expounds its nonlinear aesthetics and organic form， and explains its design characteristics. And it is connected with the theory of plastic arts to explore the relationship between art form and space art. Finally， the advantages and limitations of organic form expression of Subdivision modeling are further analyzed， and the feasibility of organic structure modeling of Subdivision modeling in interior design is discussed.It is analyzed that Subdivision modeling technology can better design organic forms with nonlinear aesthetics， and also help to create unique art forms and space feelings.It provides an innovative design idea for the organic form of related interior space.

Keywords：Subdivision modeling；Organic topological morphology；Spatial interface softening；Tyson polygon；Fading surface

引言

随着室内市场的竞争日益激烈，设计师和委托方越来越注重于寻求独特而前卫的设计元素，以满足市场对于非线性风格差异化的追求。同时元宇宙、赛博朋克等潮流的兴起，室内空间设计作为展示时代风貌与文化底蕴的关键，其设计方法和形式的革新成为了业界的热点。然而，在室内设计领域，Subdivision建模尚处于起步阶段，其应用方法和设计标准还未完全建立。因此，深入探索和拓展Subdivision建模技术在室内设计中有机形态的应用引领室内设计行业朝着更加生动、自然的方向发展，打开了创新设计的新篇章。

一、Subdivision建模概述

Subdivision建模即细分曲面建模，是一种兼具Polygon（多边形建模）和NURBS（曲面建模）特性的独特曲面建模方式，Subdivision也是一套融合建模技术，既能以Subdivision的方式兼容Mesh，也能以顺滑的Subdivision曲面来和NURBS曲面相互转换。细分建模通过一组低分辨率的原始控制网格，按照特定的细分规则，经过反复迭代，最终形成一种极限曲面。这种极限曲面的形成，实际上是依赖于这种规则对多边形网格进行不断的离散化处理[1]。与NURBS曲面建模方法相比（图1），细分曲面的优势在于其无需经过组合、切割、融合、适配等复杂操作，就具有与NURBS曲面相似的连续性、局部控制性和几何不变性，同时也能够适应多边形网格的几何拓扑。

二、Subdivision建模在室内有机形态下的优势分析

有机建筑思想主要的表现为“机能形式”与“浪漫形式”[2]。追求的不只是外在形式的模仿，更是内在精神与自然的联结，同时是对生命和自然形态的情感表达。Subdivision建模在空间有机形态中的属性优势主要表现在4个方面：1.高度整体性，Subdivision建模在全局上保持整体性，但也允许对局部细节进行精细的控制。2.定制人本性，结合Subdivision建模，将人的需求、偏好和行为考虑进建模过程中，以创造符合人类感知和体验的设计。3.高效调试性，Subdivision建模能够以高效的方式进行调试和优化，以确保最终模型的质量和性能。4.独特仿生性，Subdivision技术更容易生成多样化的曲面形态与曲面结构，更利于通过调整参数和自然规则来创造出不同类型的有机模型。这4种特性并不是孤立存在的，它们之间相互交织、相互影响。

（一）Subdivision的高度整体性

有机形态的概念源自生物学领域，其中“有机”一词对应于“有机体”，指代自然界中所有生命体的总称[3]。有机体通过其生化过程展现出生命的多种特征，并与周围的自然环境融为一体，形成了一个不可分割的整体。在建筑结构设计时融入室内装修设计的考虑，增加了建筑与室内装修的协调性，这种一体化设计理念强调空间的流动性与连续性，实现了空间之间的无缝贯穿与联通，打破了传统建筑设计中空间相互孤立的局面。Subdivision在整个设计过程中体现出重要的整体性，一体化的理念制作下演化生成模型，同时通过合理划分空间实现空间的形态有机与功能有机，使得打破传统的线性空间的僵化，获得更为空间整体性与空间多样性的需求。

（二）Subdivision的定制人本性

有机设计不仅仅关注形式，更注重以人为本的原则。人本主义设计观强调对人的需求的理解，关注人类行为和体验，并将其视为设计过程的核心，它涉及到设计的人性化、个性化和多元化，以及设计所传达的深层理念和情感，以人为本的定制化设计理念得以充分运用。人本主义设计观注重灵活性、适应性和可变性，这与Subdivision建模自身特性不谋而合，设计师可以根据客户的个性化需求和特定偏好，真正关心人的需求，灵活地调整空间布局、形态和细节，从而打造出独一无二的空间体验。

（三）Subdivision的高效调试性

Subdivision技术展现出强大的调试性与多种建模方式的转化能力。Subdivision建模中可以随意切换smooth视图模式与多边形视图模式，这在处于创意形成与发展的概念设计前期创意阶段有很大的优势，设计师可以充分发挥Subdivision建模的易调试性快速建立概念化的三维基础模型，实现三维空间中多角度、多形态的分析观察。在视图的灵活切换中反复移动控制点，持续优化调整模型，感知其体量关系，直至确定最终合适的比例和姿态，再进一步深化特征设计。灵活操作UV方向对于实现贴图等操作至关重要，也使得贴图工作变得更为便捷和高效。此外，Subdivision建模输出的数据占用的内存相对较小，这对于保证工作流程流畅性。这种高效调试性不仅能够提高设计师的工作效率，还能快速为项目的最终实现提供更加符合客户期待的设计方案。

（四）Subdivision的独特仿生性

大自然中的有机生物基本上是由曲面构成的，曲面形态更适应自然界的多样性和复杂性。通过借鉴自然界的智慧和优秀生物特性，找到自然界中有机仿生元素的独特的韵律与功能特性，将具有生命的特质、有机的形态和复杂的结构的有机仿生元素融入设计之中，建筑不单单是形式上的模仿，也可从中获得更高效、可持续和符合功能与结构需求的解决方案。Subdivision建模的核心是形成能任意拓扑的、高分辨率的、光滑的曲面，这在有机曲面形体中有着很大优势，通过寻找相似关系、组合关系、函数关系搭建创建模型[4]，利用Subdivision建模突出的曲面优势仿生生物非线性结构的主要特点，实现模型更为的直观、高效的元素模仿与表达。

三、Subdivision在室内设计有机形态中的应用策略与手法

在空间设计中，追求自然、有机的形态已成为一个普遍的趋势。设计者们不再局限于传统的直线和尖角，而是寻求通过流畅的曲线和有机的结构，营造出更具温馨、舒适的室内环境。区别于传统的建模方式，Subdivision建模在室内设计行业中有4个主要的应用策略与手法（图2），Subdivision建模技术渐消面的运用、有机拓扑结构的运用，以及空间界面的有机融合、泰森多边形的运用，4种策略相互配合、融会贯通，为室内空间增加更为丰富的有机形态与非线性空间魅力。

（一）Subdivision建模下的有机拓扑结构

1.有机拓扑形态：拓扑学最早作为数学的一个分支，其核心在于研究几何图形在连续变形下保持不变的性质，这种性质使得拓扑的形态变化具有种类并可被归纳和运用。拓扑的形态变化被分为3个层次：（1）微分同胚变化（2）同胚变化（3）非同胚变化。相比传统的设计手法，在室内设计中运用拓扑手法，设计师们可以增加空间视觉统一性，维持设计元素的和谐在整个空间中起着统率主导的作用，展现出和谐完整的空间形象。拓扑设计的研究对象涵盖整体室内空间各种界面以及家具、装饰等，为设计师创造了更多的创作可能性。

拓扑学在空间组织领域内的核心分类可细分为6个基本的相互作用类型：点对点、点对线、点对面、线对线、线对面、面对面。在拓扑学理论的引导下，构建一个双轴线的室内设计框架，其包含一主要拓扑轴线与一辅助拓扑轴线。其中主要拓扑轴线作为室内设计的骨架性角色，不仅是空间组织的核心导向，而且是功能分区与流线优化的基础。当它在空间内形成交叉并产生不同功能的内部结构时，便从中衍生出辅助拓扑轴线，强化和补充空间的功能性与视觉效果，促进了空间的多样化和复杂化[5]。Subdivision技术的自带的自由拓扑性使形体在经过优化运算后，能快速应用空间拓扑之中，赋予形体更具科学性与合理性的艺术美感[6]。

2.BarinSki Resort案例分析：伊朗北部Shemshak城市的酒店BarinSki Resort（如图3）。在此项目中，充分利用了拓扑的原理，以创造一个与外部感官世界截然不同的新空间，空间中大部分的家具与墙面形成拓扑形态，墙面也是由拓扑变形而来。运用了大量的同坯变化和非同坯变化的拓扑形态，造型上具有随机性与偶然性，如拉伸、扭转、弯曲、放大、缩小及其组合作用的形态。空间中的各种群家具如床、柜子、倒台等，都充分进行拓扑变形，桌子与墙面形成起伏，突出的部分顺理成章的形成台面，床头柜则是墙面的内凹形成置物面，倒台部分进行方向的延申扩展与断裂，断裂的部分形成台面，其他形体依旧向上融合至顶部，继续产生拓扑变化。一系列的变化中，连续不断变化中功能与形式实质是没有发生变化的，只是将原本拆分为个体的家具与分离界面融合成了统一的有机整体。

整个有机整体也形成空间母形，空间母形是互相粘连的有机整体，连续的变换拓扑结构，整体与局部之间往往属于同构的关系，它们拥有自我相似性，对其形态方向发展做出改变，但是不改变其性质，各个部分仍然属于原本的结构具有其原本的功能。再通过切片（横切）的形式使之割裂形成节奏韵律，通过简单切片形态的累积，基于分解与重组原理的设计思维，其中大量基本的单元形态——切片单位，通过预定的组织逻辑被整合，以塑造出一种整体的、连续的非线性结构，形成视觉和结构上的复杂性与审美性[7]。拓扑结构赋予了空间流动与有机性的融合能力，确保即便在形态经历变迁之后，空间原始形态之间仍旧维系着一种模糊而明晰的连续性。这种连续性不仅保留了空间之间的内在联系，还使得各种形态转换过程中具有传承与演变关系。

（二）Subdivision建模下的空间界面消解

1.空间软化与界面融合：建筑空间作为满足人类需求的客观表现，由内部与外部空间组成，其中墙、地、顶构成了室内的三大面。有机建筑的设计理念包括将建筑与环境融为一体，注重空间流线和内外一致性，使空间具有定制化、整体化的外观和内部空间布局。建筑设计大师采用大量非线性设计方式软化空间的界面，展现独特的空间形式语汇，赋予建筑空间以更多灵动性和通透性[8]，且曲面的光顺过度消解了界面之间的对立。在空间软化的形态中极小曲面的运用相当广泛，在数学中极小曲面是一种特殊的曲面，其曲率在某些点为零，或者在整个曲面上保持常数。在建筑空间领域，不同类型数学公式得出不同形态的极小曲面，这也可以为建筑师提供了丰富灵感（图4），探索不同的极小曲面形式，使得室内与室外的统一，以及室内三大界面的消解与软化。Subdivision建模技术结合参数化在极小曲面设计手法上具有独特优势[9]，设计者可通过不同的函数算法编写形成不同的极小曲面形态，使得空间的界面更加柔和、自然，从而产生更富有流动感和舒适感的空间。

2.蝙蝠翼batwings案例分析：蝙蝠翼（如图5）是由比利时的生态建筑师文森特·卡勒宝（VincentCallebaut）所设计，整个建筑都体现了空间界面消解特征，打破传统线性结构体，将极小曲面形态与结构结合设计。在具象的空间环境中将界面与界面的融合发挥到极致，让建筑与环境、人、物构成鲜明的对比，虽然扭曲的建筑体看似无序，实则内部的功能空间由规律的极小曲面依次划分开来，实现了功能与形式的有机、整体与细部的有机、建筑与装饰的有机。整个建筑的结构表皮，光滑的曲面效果配以洁白的纯色打底，让整个空间形态处于一个合理的空间秩序当中，即无序变有序，而有序则制约着无序。有机设计理念加上极小曲面的应用从场地延伸至室内空间，将界面间边缝融合软化维持形体空间的整体和谐，构建内外整体化的有机系统，实现了空间设计在不同尺度和环境中的统一与协调。

（三）Subdivision建模下的泰森多边形设计应用

1.泰森多边形：泰森多边形是分形几何中的代表性结构，被称为“大自然的几何学”[10]，泰森多边形是一种普遍的形体结构，常见于昆虫翅膀、生物细胞、蜥蜴表皮纹路、蜘蛛网、冰裂纹路等各种生物表皮及自然形态中，表现了自然界物质之间的距离关系。在建筑、景观和城市设计中多采用封闭型态、变异的椭球形或卵形结构，展现出丰满的轮廓与紧凑、圆润的弧线。泰森多边形的形式表达体现了生命孕育过程中的动态张力和生命的活力，表现了复杂多变的生命有机体的视觉特征。随着不同领域越来越多学者对其研究的深入，泰森多边形的应用也逐渐从二维扩展到三维甚至更高维度的空间，在不同领域发挥着关键作用。通过Subdivision建模和Grasshopper平台以及辅助工具（如Kangaroo）优化造型结果[11]，设计师可以实现形态的拟合和实现，为室内设计带来更丰富的可能性。

2.Roca乐家伦敦艺术廊内部空间案例分析：Roca乐家伦敦艺术廊（图6）是Zaha Hadid建筑事务所的室内空间作品，灵感源自自然岩层中溪流俯冲的动态形态，精妙地将水流的动态融入建筑设计，展现出自然流动的造型与独特魅力以及有生命有机质自由流泻和随机排列组合的效果。室内设计中广泛运用了泰森多边形的表现形式，不仅形式感统一融合，还具形式与功能的统一结合。其中一些泰森多边形结构融入了家具的功能，是吊顶灯、前台桌、展示柜以及座椅，这些具有功能性的泰森多边形结构参杂其中，表现出强大的视觉吸引力。空间布局上也呈现出来泰森多边形的分割与互联，空间被划分为产品展示、会议室、咖啡吧和阅览室等不同区域，这些区域相互联系又相对独立，泰森多边形穿插其中提供自然流动的空间体验。由泰森多边形设计的“水滴”点缀整个空间，使得整个空间具有了动态生命力，运用“塑性流动”理论设计出内部空间，使艺术廊展现出平和流畅的动态感[12]，同时把水流的质感和力度、随机方向感表现得淋漓尽致。营造出和谐统一、流动生动的空间氛围，展现出强烈的空间交互性和生命力，泰森多边形的运用在其中起到了画龙点睛的作用。

（四）Subdivision建模下的渐消面运用

1.渐消面：渐消面，指的是一种特殊的曲面处理方式，它使得某个部位的曲面从显著到逐步与周围界面融合，直至消失形成一个平滑的过渡。其独特的形式魅力可以使空间具有产品模型的精致感和科技感。渐消面的运用不仅仅是丰富了空间造型，而且在理论上强调有机融合的概念，旨在强化空间的流动性、连续性和整体性。渐消面需要满足3个条件，（1）主体曲面的构建，（2）特征截面的形成，（3）界面边界的过渡。传统的NURBS建模在制作渐消面时精确且可控，Subdivision建模展现出更出色的整体连续性与高效性。

2.Roca乐家伦敦艺术廊外立面案例分析：以乐嘉伦敦展厅外墙（如图7）为例子，展示墙采用灰色外观，其设计灵感来源于自然界中的岩洞，经过自然力量侵蚀雕琢而成，其表面设计呈现出连续性正是运用了大量的渐消面，通过融入动态与静态的非线性形态来增强视觉流动性。曲线之间相互影响但并不交叉，突出渐消面从锐边到平滑逐渐消失表现出流水侵蚀后的有机痕迹，不断强化设计立意描绘自然间的构造平衡。通过外墙玻璃窗户框景出室内发光的水滴造型的同时，室内的光漫反射映射到外墙渐消曲面上，形成朦胧、优雅的光影关系。整个墙面采用了3种渐消面的方式灵活运用，在形态程度上增强了曲面的流动性和多变性，以现代“超前”感来展示人与自然的关系科技与环境的关系。整个墙面的空间氛围的营造主要由虚面来拟合，介于开敞空间的性质是外向性的，私密性相对较小，主要通过借景、还景、对比、强弱等手法来展示与室内外空间的交融性。

经过建模分析（图8），乐嘉伦敦展厅门头的渐消面主要分为三个形式（图9），（1）独立存在的渐消面（2）伴随分离存在的渐消面（3）由倒圆角产生的渐消面。红色线条是独立存在的渐消面，这种渐消面从始至终是光滑的连续曲面，为墙壁增添柔和感和流动感。黄色为伴随分离存在的渐消面，这种渐消面一部分是凸显轮廓感一部分是凸显平滑度，与其他元素相隔一定的距离，形成了一种有层次感的设计效果。蓝色为由倒圆角产生的渐消面，这些倒圆角的渐消面主要是突出界面的平滑与过渡，使整个展示墙更具有立体感和细节丰富度。这种设计方式非常独特，让人在欣赏展品的同时也能感受到墙面的设计之美。伦敦乐嘉展厅通过不同形式的渐消面相互配合，营造出了一种独特而现代的展览环境，给人们带来了一种全新的视觉体验。

四、Subdivision建模在室内设计的局限性

Subdivision（SUBD）建模综合了多种的优势，在设计初期阶段展现出了较高的灵活性与效率，但在室内空间设计全流程的应用依然面临特定限制。这首先是因为其建模方法及现有工具的局限性，缺乏高级几何体的表示，不适合于实时交互式应用，影响了与对接施工部门之间的数据交换及准确性。一些施工技术与建模技术的脱节导致最终落地效果不佳，依据现有的数字化3D建造技术虽然已经可以支撑大面积的曲面建造，但其建造成本也是昂贵的，在室内空间的推广与应用仍旧是需要一定时间。其次，修改Subdivision模型中顶点的操作可能引发问题，因为模型的细分可能会导致顶点之间出现不可预测的连接方式，增加了建模数据的不确定性。再有，并非所有渲染引擎和软件都兼容Subdivision建模技术，这一现状限制了模型的可移植性和跨平台应用能力。

结语

Subdivision建模技术的广泛应用为室内设计带来了创新与发展，赋予室内空间更为有机、复杂的形态。依照整体性、人本性、调试性以及仿生性等多重优势，给予设计师更丰富的创作手段和空间表现形式。通过对渐消面、有机拓扑结构等特性的灵活运用，设计师在设计有机形态中突破传统范式，打造出更具多元、多变、多功能的空间环境。尽管Subdivision建模仍然存在不足，但这也是得以改善的方向。在有机形态空间设计中最大限度地发挥Subdivision建模工具的创造性，需要根据特定项目、特定位置和特定阶段的要求，巧妙灵活运用Subdivision建模工具，方能充分释放其在有机形态空间设计领域所具备的创新潜能。

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