淺談混沌與分形對應用型建筑設計的影響

摘 要：介紹了混沌的三個方面及適用的對象，即建筑設計的復雜性與混沌的內在隨機性，建筑設計真實性與混沌的敏感性，建筑設計的規劃設計與混沌的奇怪吸引子，針對每個要點探討了對應用型建筑設計的影響。論述了分形中自相似和無標度性對建筑設計的影響。

關鍵詞：混沌 應用型建筑設計 復雜性與內在隨機性 真實性與敏感性 規劃設計與奇怪吸引子 分形

一、引言

非線性科學中最大的兩方面是混沌和分形，在現代的建筑設計這個領域，建筑設計的應用型離不開混沌和分形的支撐。混沌和分形會給應用型建筑設計帶來怎樣的影響呢？混沌理論與分形理論給應用型的建筑設計會帶來什么樣的影響呢？首先混沌理論研究是的非線性復雜的動力系統。經常提到的有關線性問題是可以用微分方程去解決。不常見的是非線性的，非線性與線性問題最重要的區別就是突變。比如，一個事物的斷裂或者爆炸現象用線性方程是無法解釋的，然而用非線性的方程去描述。非線性問題與線性問題的區別之二是反饋。反饋即秩序與混沌之間的一種形式的張力，剛好非線性方程解決這個難題，非線性方程本身具有自我重復性，具有迭代性質，這個性質可以對反饋進行描述。另外，分形的出現為建筑設計帶來了新的契機，被一些建筑師自覺地把它應用到建筑設計中去，采用分形原理，產生了一批 “分形建筑”的作品。分形中的“尺度伸縮性”、“自相似性”、“無限性”，這些屬性豐富建筑設計文化內涵。作為建筑設計的新看法，混沌和分形帶來了重大的變化，促使建筑師去重新定位建筑設計的本質問題。但是有關混沌與分形在建筑設計中應用研究卻寥寥無幾，甚至在國內這個研究領域內無人問津。本文在整理研究國內外相關資料[1-8]的基礎上，嘗試從混沌和分形兩方面內容出發，去論述了混沌與分形對建筑設計的影響。

二、建筑設計與混沌

人們現在已意識到建筑設計不能孤立地去研究，但是可以換個角度去思考，把建筑設計看做非線性的復雜系統去研究。將混沌的有關理論引入應用型建筑設計的嘗試，具有非常關闊的探索空間。下面我將從混沌理論的三個方面探索對應用型建筑設計的影響。

1.建筑設計的復雜性與混沌的內在隨機性。在應用型建筑設計方面，混沌理論在它的領域發揮了非常大的作用。相比建筑設計而言，城市設計所具有的復雜性與混沌的內在隨機性似乎有著可以印證混沌對世界的描述，人們已認識到建筑作為復雜的非線性系統，不能再用線性的思維去思考，而應深入去思考建筑設計層次的復雜性。亞歷山大和簡·雅各布他們摒棄以前的思維方式，重新意識到建筑設計的內在復雜性，他們的研究主要切中建筑設計的復雜性與混沌理論中的內在隨機性之間的聯系。混沌的內在隨機性呈現在建筑設計形態上的“無序”與“混亂”，然而這種“無序”與“混亂”用在歐幾里德的幾何空間里。建筑設計的復雜性因它自然就形成的這種內在的“有序”。

2.建筑設計真實性與混沌的敏感性。一座建筑的設計到它的建成是受它周圍的環境、氣候等等這些因素影響的，因此只有在它的精確計算上達到最小的失誤，繼而讓建筑設計作為非線性科學的一種表現形式，讓它與大自然相融合，讓它達到詩一樣的韻律：飄逸的悉尼歌劇院，豪放的艾菲爾鐵塔，沉郁的帕提儂神廟，清遠的徽派建筑。“蝴蝶效應”我們經常看到，這個現象告訴我們，若給一個極其的微小影響，則將會對系統產生非常巨大的影響。我們來看早期的建筑設計，它們的差距并不太大，早期的居所、工作場所、街巷等建這些筑設計，結構非常簡單，而且它們的差異不大。后來的建筑設計由于各種不同的因素，盡管起初這些建筑設計是微不足道的，但是在人類的進步，建筑設計被放大，以及逐的步分化，從而導致了建筑設計的結果真實性及形式多樣化。

3.建筑設計的規劃設計與混沌的奇怪吸引子。混沌理論的內容是無序中存在有序，那么它的有序性主要表現在一個固定的吸引子，即系統在相空間是收斂于這個吸引子上，對混沌來說這意味著即便收集了比較多的信息，但是也無法作長期的預測。于是這個特性對于應用型建筑設計影響就在于，比如一個規劃方案先前規劃的地域比較廣闊、時間的跨度也比較大，那么實施起來是不可能完整的，但是對于建筑實際的風格來說，它的確存在著一個奇怪吸引子。比如“大屋頂”和“歐陸風”現象，都可以被理解成這個效應--奇怪吸引子。“大屋頂”和“歐陸風”現象中吸引子是非良性的，若要人為地去消除它們卻是徒勞的。但是我們能夠做的是盡最大努力去發揮創造性，并且可以在風格上去尋找一些特點，強化更多的良性奇怪吸引子，采取這種方法只才能把非良性的奇怪吸引子弱化掉。

三、建筑設計與分形

建筑設計的分形特征主要表現在建筑布局的結構上和形態上的自相似，這種分形特征在中國傳統的建筑設計中表現的最為突出。建筑設計并不是嚴整的數學分形，僅僅是從直觀上來考察局部的和整形體的自相似性去分析建筑設計的。除了自相似這個性質外，我們可以看分形的另外一個非常重要的特征——“無標度性”，從這個角度上將建筑設計納入廣義的分形范疇，這個“無標度性”的特征是指對象復雜的程度和不規則性，它是不隨觀察比例變化而改變，也即說在任意比例上將局部放大，新的細節將會出現。

四、結語

非線性科學作為新興的一門科學，非線性中的混沌理論告訴人們世界是隨機的、混亂的，混亂也即是系統自身所固有的，從混沌理論中追求建筑設計整體的協調美與秩序的真諦變成了可能。非線性中的分形描述建筑設計的復雜性和不規則性，也揭示了這種復雜性得背后所包含的動力學機制，對處理建筑設計的整體與局部，提供了量化手段，生成復雜的和有韻律的工具，給建筑設計的創新提供了新的契機。

參考文獻：

[1]鄭建平，林蒼山.混沌理論在建筑設計中的應用[J].福建建筑，2014（11）：022-0025.

[2]高偉.基于“非線性理論”的建筑創作觀淺析[D].青島：青島理工大學，2008.

[3]楊杰.建筑學中的數學理性與數學美[D].昆明：昆明理工大學，2006.

[4]張慶華，楊峰，劉筱. 混沌理論對城市規劃設計的啟示[J].山西建筑，2010，36（24） ： 11-13.

[5]李世芬、趙遠鵬. 空間維度的擴展—分形幾何在建筑領域的應用[J].新建筑，2003，（2） ： 55-57.

[6]董軒.混沌理論在形態設計中的應用研究[J].大眾文藝，2010，（13） ： 225-225.

[7]趙遠鵬.分形幾何在建筑中的應用[D].大連：大連理工大學，2003.

[8]龔曉文，王小凡.非線性理論在建筑設計中的應用[J].山西建筑，2007，33（36）：0023-0024.

作者簡介：魏炎炎（1984—）女。民族：漢。湖北隨州人。碩士，講師，主要從事非線性動力學方向研究。

※基金項目：云南省教育廳科學研究基金項目 2016ZDX273.