基于分形幾何的擬態建筑設計研究

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引言

在上個世紀七十年代,曼德爾布洛特通過對海岸線的研究之后,提出最早的分形學的概念,當時只是對自然界中無法用幾何學進行描述的事物就行研究,如:彩虹、冰雹、河流等。隨著時間的推移,分形學逐漸被應用到建筑設計上,形成一種獨特的設計理念、設計方法和評價手段,再加上計算機的應用使得分形幾何的建筑設計體系更加完善,充分將環境與建筑緊密聯系起來,創造出一種新的建筑形態。

一、樹狀分支的結構擬態分形

在計算機圖形學中,計算機強大的計算能力為分形圖案的迭代生成提供了強有力的支撐,但分形迭代多數涉及簡單的形式重復疊加與迭代表象的描述,分形迭代的建筑圖案、圖形設計居多,適用性、可行性設計研究相對較少。隨著分形算法被提出,其具有自我迭代和自我相似的特點被放大,能夠極大的促進應用性,在發展之初主要是應用到植物學中。樹狀分支擬態分形作為分形算法中之一,其由通過自然界中的樹木枝杈演變而來,不僅形態和結構都具有樹枝的美感,而且其具備良好的結構性。

(一)古典建筑結構中的分支分形。從古自今,無論是西方還是東方的建筑結構,都存在一些分支分形的設計理念,例如:我國古典建筑的斗拱,或者西方哥特式建筑中的教堂肋架拱頂,都能看到一些樹枝形態的影子。如果將斗拱進行拆分之后,可以更加明顯的發現其存在的分形迭代特點,并具有很強的結構性和層次性,可以在第一跳和第二跳體現出來,以第一跳的的華拱與橫拱為起始層,然后第二跳在第一跳的基礎上,迭代為一個華拱并在左右兩側分別添加一個橫拱。而肋架拱頂也具有同樣的迭代方式,肋架拱頂是以柱頭為基礎,添加一定數量的肋架并向上延伸,然后從兩個肋架之間開始迭代,生成一條新的次級肋架,就這樣一層層的迭代完成肋架拱頂的建設。

(二)樹狀結構的仿生分形模擬。在1968年,林登邁耶首次提出用于生成分形圖形的理念,用于植物生長的模擬,這也是模擬樹木枝干的分形形態的前身。經過多年發展,仿生分形模擬理念已經完善和具有一定優勢,其通過模擬樹狀結構不僅具有自然的美感,而且還具有大樹的結構穩定性。例如:在印度孟買的TOTE餐廳,其設計靈感就是房屋周圍的樹木來為人們遮風擋雨,然后使用分形分支系統模擬樹狀結構進行設計的。

二、自相似嵌套和并置的立面擬態分形

自相似嵌套和并置的立面擬態分形理念來源于大自然中有關聯的物體,如:蜂巢、泡沫各種晶體等,其特點是具有一定的規則排列和關聯。自相似嵌套和并置方法在此基礎上,通過與分形自相似對稱的理論進行結合,從而實現將根據功能或空間要求進行重復嵌套或并置,能夠將觀眾帶入到韻律的節奏變化之中,使得建筑設計更加賦有感染力。

(一)自相似嵌套立面設計。自相似嵌套以建筑中分形單元為基底,根據建筑空間和功能的需求來進行迭代設計,主要是通過不同尺寸和方向的縮放來完成不同層次的建筑設計。為了達到建筑空間的層次感和節奏感,在進行每一個小空間和大空間設計時,要將其進行由大到小的嵌套組合,每一個大空間或者小空間都要有其獨特的嵌套排列方式。

(二)自相似并置表皮設計。自相似并置與自相似嵌套主要的區別在于,對于圖形的生成方式不同。分形自相似并置不通過應用嵌套方式來進行控制圖形尺寸,從而迭代生成圖案,而且通過對某一類具備分形自相似的圖形進行分類,然后對一定區域內進行并置排列,每一個分形單元不具有嵌套聯系,主要是通過迭代來實現建筑表皮設計。

三、環境要素擬態分形

在進行建筑設計的時候,要重視對周圍環境的利用與保護,將建筑對環境所造成的破壞降到最低,最好能夠使得建筑與環境融為一體。因此,作為一名建筑設計師來說,要不斷提升自身的設計理念,加強對分形概念的理解,將不同的事物或者元素能夠聯系起來,不要根據主觀意識來舍棄每一個元素,將環境與建筑形成分形同構的狀態,使二者能夠緊密聯系在一起。

(一)地形擬態設計。在利用地形擬態進行建筑設計時,其設計原理就是應用分形自相似,首先從建筑內部或者外部出發,根據建筑的形態或者結構來模擬建筑周圍的環境,進而使得建筑能夠與外部環境緊密相連。其次,在進行地形擬態設計過程中,要對建筑進行分形元復現,選取建筑周圍的某一點最為初始分形元,可以是樹木、石頭或者河流等提,然后進行迭代處理得到合適的尺度層級,從而加強建筑與環境之間的聯系。

(二)環境融合度評價。分形學認為分形圖案是由不同的分維數構成,所以可以用分維數表現分形圖案在空間中的變化趨勢。因此,分維數同樣適用于表征建筑設計與環境之間的融合度,分維數通過對建筑結構與城市街道進行分析之后,將很復雜的環境進行量化,進而表現為較為直觀的數據結果,能夠協助建筑設計師完成建筑的設計與檢驗,為建筑與環境的融合設計提供方向。

四、結束語

分形擬態設計應用到建筑設中有很多優勢,由于分形擬態設計可以對建筑整體或者部分結構設計,從而可以保證建筑結構的合理性,減少不必要的設計和支出,滿足人們對于建筑功能的需求。其次,分形幾何的擬態建筑設計理念,保證建筑空間和功能的基礎上,使建筑與環境融為一個整體,提高建筑設計的實用性。