混沌理論對城市規(guī)劃設(shè)計的啟示

張慶華 楊峰 劉筱

0 引言

混沌理論是繼量子力學(xué)、相對論后的第三次革命,物理學(xué)家福特說:“相對論消除了關(guān)于絕對空間與時間的幻想;量子力學(xué)則消除了關(guān)于可控測量過程的牛頓式的夢;而混沌則徹底消除了拉普拉斯關(guān)于確定論式可預(yù)測性的幻想[1]。”在相對論、量子論和混沌三大理論中,唯有混沌適用于大到天體、小到微觀粒子的研究,因此是一次范圍更廣、規(guī)模更大的科學(xué)飛躍?；煦缋碚摻沂玖艘粋€動態(tài)開放的耗散系統(tǒng)在不確定、復(fù)雜多變的環(huán)境中呈現(xiàn)出隨機(jī)行為背后的非線性動力問題。它的基本原理是自然界和人類社會中普遍存在著的“無序”中的“有序”,“隨機(jī)”中的“確定”的統(tǒng)一[2]。

城市建設(shè)系統(tǒng)是一個混沌系統(tǒng),具有典型的非周期的、貌似無規(guī)律的無序穩(wěn)態(tài)運(yùn)動形態(tài)。城市規(guī)劃設(shè)計(Urban Planning)是研究城市的未來發(fā)展、城市的合理布局和綜合安排城市各項工程建設(shè)的綜合部署,本質(zhì)上是對城市建設(shè)系統(tǒng)優(yōu)化的一個動態(tài)的過程設(shè)計。傳統(tǒng)城市規(guī)劃設(shè)計觀是基于拉普拉斯確定論,視城市規(guī)劃設(shè)計過程為線性的封閉系統(tǒng),具有確定性和可預(yù)見性等,事實(shí)上城市規(guī)劃設(shè)計過程是動態(tài)的,不僅有預(yù)設(shè),還有生成,而且生成具有非常重要的發(fā)展價值。

目前,混沌理論已經(jīng)逐步滲透到自然科學(xué)和社會科學(xué)的各個方面。從混沌的角度思考傳統(tǒng)城市規(guī)劃設(shè)計,可以帶來一些新的啟示,也大大拓展了現(xiàn)代城市規(guī)劃設(shè)計研究的思維視野。

1 混沌系統(tǒng)的主要特征及對城市規(guī)劃設(shè)計的啟示

1.1 內(nèi)在隨機(jī)性和非線性——注重動態(tài)規(guī)劃設(shè)計

內(nèi)在隨機(jī)性指的是對于一個確定的系統(tǒng),在一定的條件下,能夠自發(fā)的產(chǎn)生某些隨機(jī)行為。傳統(tǒng)科學(xué)認(rèn)為,引發(fā)系統(tǒng)隨機(jī)行為的隨機(jī)因素都是非本質(zhì)、非內(nèi)在的東西,而混沌理論認(rèn)為系統(tǒng)的內(nèi)在隨機(jī)性是事物內(nèi)在固有的本質(zhì)屬性。非線性是典型的混沌運(yùn)動矢量特征,是對混沌運(yùn)動軌跡的描述。系統(tǒng)內(nèi)的非線性變因(內(nèi)隨機(jī)變因)是混沌產(chǎn)生的根本。具有內(nèi)隨機(jī)變因的系統(tǒng)稱之為非線性系統(tǒng)(混沌系統(tǒng)),否則就是線性系統(tǒng)[3]。

認(rèn)識系統(tǒng)的內(nèi)在隨機(jī)性和非線性對城市規(guī)劃設(shè)計有著重要的啟示意義。傳統(tǒng)的城市規(guī)劃設(shè)計觀是基于拉普拉斯確定論,一般是一種線性的一維過程,認(rèn)為只要確定了初始的城市規(guī)劃目標(biāo)和具體的控制措施,就可以確定城市未來的運(yùn)動狀態(tài)。特別是近年來,許多城市規(guī)劃部門將城市總體規(guī)劃做到控制性詳細(xì)規(guī)劃深度,甚至對城市幾十年后的建設(shè)也做了具體的規(guī)劃和控制措施,然而,城市建設(shè)系統(tǒng)作為混沌系統(tǒng)的一種表現(xiàn)形式,不可避免的受到這樣或那樣的環(huán)境擾動,由于非線性作用,初始條件的不確定性會隨時間成指數(shù)式放大,因此,大范圍的控制性詳細(xì)規(guī)劃和遠(yuǎn)景規(guī)劃是不可能做到的。正確的規(guī)劃思想應(yīng)該是實(shí)行動態(tài)規(guī)劃設(shè)計,將“自上而下”和“自下而上”相結(jié)合,并建立有效的反饋機(jī)制。大范圍的控制性詳細(xì)規(guī)劃沒有意義,但是可以宏觀的做出一些規(guī)劃要求,這是一個“自上而下”的過程。同時還需要來自一個城市內(nèi)部,充分調(diào)動個體創(chuàng)造性的城市自組織過程,這是一個“自下而上”的過程。這兩個過程應(yīng)該不斷的往復(fù)循環(huán),逐漸達(dá)到共識,以此為基礎(chǔ)再制定較為詳細(xì)的可行方案[4]。

1.2 對初始狀態(tài)的敏感依賴性——注重城市規(guī)劃設(shè)計的細(xì)節(jié)和初始定位

對初始狀態(tài)的敏感依賴性又稱“蝴蝶效應(yīng)”,它是美國麻省理工學(xué)院教授E.N.洛倫茲于1972年12月29日在美國科學(xué)發(fā)展學(xué)會第139次會議上提出的,E.N.洛倫茲提出一個貌似荒謬的論斷:在巴西亞馬遜河一只蝴蝶煽動翅膀,三個月后能夠在美國得克薩斯州產(chǎn)生一場龍卷風(fēng),并由此提出了天氣的不可準(zhǔn)確預(yù)報性?！昂?yīng)”說明了在確定的非線性系統(tǒng)內(nèi),初始條件的微小偏差能夠引起系統(tǒng)結(jié)果的極大差異。城市作為非線性的復(fù)雜系統(tǒng),“蝴蝶效應(yīng)”也必然發(fā)揮著巨大的作用。

注重城市規(guī)劃設(shè)計的初始定位就是要將城市規(guī)劃設(shè)計與當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境因素和歷史文化因素相融合,才能產(chǎn)生和諧的效果。這些對城市初始定位的因素差異,將會在城市的長期發(fā)展和演化過程中被逐步放大,從而導(dǎo)致各個城市的發(fā)展結(jié)果大相徑庭。中國城市表現(xiàn)出來的北雄南秀、西獷東精以及早期城市形態(tài)江浙地區(qū)的小橋流水、豫魯?shù)貐^(qū)的雄渾凝重正是城市早期的初始差異因素不斷被放大的結(jié)果。

“蝴蝶效應(yīng)”這一特性還要求我們必須認(rèn)真對待每一項設(shè)計以及設(shè)計中的每一細(xì)節(jié)。城市作為一個復(fù)雜系統(tǒng),不可能分解和還原成部分,因?yàn)椴糠滞ㄟ^迭代和反饋彼此不斷相互包容而成為了整體,每一設(shè)計細(xì)節(jié)的實(shí)施都有可能對整個城市產(chǎn)生難以估量的影響。我們每一個設(shè)計都在真實(shí)地改變著整個城市[5]。

1.3 奇異吸引子(Strange attractors)——注重增長極和生長點(diǎn)

吸引子是對應(yīng)于混沌運(yùn)動的物理過程的一個抽象數(shù)學(xué)概念,是系統(tǒng)被吸引并最終固定于某一狀態(tài)的性態(tài)。有三種不同的吸引子控制和限制物體的運(yùn)動程度,即吸引不動點(diǎn)、極限環(huán)和奇異吸引子(即混沌吸引子或洛倫茲吸引子)。前兩者起著限制的作用以便系統(tǒng)的性態(tài)呈現(xiàn)出靜態(tài)的、平衡性特征,故它們也叫做收斂性吸引子。奇異吸引子則與前兩者不同,它使系統(tǒng)偏離收斂性吸引子的區(qū)域而導(dǎo)向不同的性態(tài)。它通過誘發(fā)系統(tǒng)的活力,使其變?yōu)榉穷A(yù)設(shè)模式,從而創(chuàng)造了不可預(yù)測性。一個系統(tǒng)的兩個相反行為(收斂性吸引子與奇異吸引子)之間的相互作用與張力觸發(fā)了一個局部豐富多樣的復(fù)雜的巨大模式[3]。奇異吸引子的這一重要特征要求我們在城市規(guī)劃設(shè)計中要注重促進(jìn)增長極和生長點(diǎn)。

從空間角度分析,城市的發(fā)生和發(fā)展就是在擇優(yōu)的區(qū)位所進(jìn)行的空間集聚。城市空間的發(fā)展首先是在優(yōu)質(zhì)區(qū)位形成生長點(diǎn),然后逐步分化。當(dāng)生長點(diǎn)地區(qū)發(fā)展產(chǎn)生了主導(dǎo)產(chǎn)業(yè),則該地區(qū)通過極化和擴(kuò)散過程,形成增長極。增長極所在區(qū)域?qū)ζ渲苓厖^(qū)域的影響與奇異吸引子的效應(yīng)相似。非平衡是有序之源,適度的區(qū)位差是城市向有序化發(fā)展的動力。為保證城市空間能夠可持續(xù)發(fā)展,規(guī)劃在宏觀上應(yīng)促進(jìn)增長極的形成和發(fā)展,微觀上應(yīng)優(yōu)先生長點(diǎn)的建設(shè),并根據(jù)不同時期的發(fā)展特點(diǎn),采用不同的策略[6]。

1.4 分形(Fractals)——注重城市結(jié)構(gòu)的整體性和局部性的統(tǒng)一

分形是著名數(shù)學(xué)家曼德爾布諾特(Mandelbrot)于1975年提出的新概念。所謂分形是指外表極其豐富多姿或破碎雜亂,但其內(nèi)部卻有層次性、自相似性、遞歸性及仿射變換不變性等確定性特征的一類現(xiàn)象或體系[5]。

混沌系統(tǒng)的自相似結(jié)構(gòu),可以通過遞歸法來生成。遞歸運(yùn)算的表達(dá)式稱為遞歸式或迭代式。遞歸函數(shù)表示為:f(xn+1)=f(xn)。此遞歸函數(shù)的特點(diǎn)是計算的結(jié)果不斷的代回方程本身,影響下一次計算的結(jié)果,這不僅反映了系統(tǒng)的反饋特性,而且反映了系統(tǒng)級遞歸的分形特征和生成潛能。可見,城市的發(fā)展演化遵循迭代機(jī)制,因此,也具有分形的特征[7]。

分形具有自相似性,它可以通過認(rèn)識局部來映像整體,局部和整體間具有辯證統(tǒng)一的關(guān)系?；煦缦到y(tǒng)的這一特征要求我們在城市規(guī)劃設(shè)計中要注重城市結(jié)構(gòu)的整體性和局部性的統(tǒng)一。在城市規(guī)劃設(shè)計中宏觀上保持城市的整體性,合理的布置整個城市的功能分區(qū)和資源分配,有利于優(yōu)化城市局部結(jié)構(gòu),促進(jìn)局部功能的發(fā)揮。在注重城市結(jié)構(gòu)的整體性原則的基礎(chǔ)上,合理布置城市的局部結(jié)構(gòu)也是至關(guān)重要的一環(huán)。由于城市的發(fā)展演化遵循迭代機(jī)制,城市局部的每次突破都被繼承下來,并被逐步的迭代放大,因此,局部也影響著整體。

2 結(jié)語

混沌理論是繼量子力學(xué)、相對論后的第三次革命,適用于大到天體、小到微觀粒子的研究,因此是一次范圍更廣、規(guī)模更大的科學(xué)飛躍。目前,混沌理論已經(jīng)逐步滲透至自然科學(xué)和社會科學(xué)的各個領(lǐng)域,極大的改變了我們傳統(tǒng)的思維方式。Henry Adams說“有序培養(yǎng)習(xí)慣,混沌塑造生命”[3]。有效地運(yùn)用混沌學(xué)原理于城市建設(shè)系統(tǒng),從混沌的角度重新思考傳統(tǒng)城市規(guī)劃設(shè)計,有助于我們從傳統(tǒng)城市規(guī)劃設(shè)計的藩籬中解放出來,真正進(jìn)入到創(chuàng)造性的非線性城市規(guī)劃設(shè)計活動中。

[1] 鄧宗琦.混沌學(xué)的歷史和現(xiàn)狀[A].國家數(shù)學(xué)天元基金資助課題報告[R].1997.

[2] 高素春.混沌理論在企業(yè)項目管理中的應(yīng)用探討[J].項目管理技術(shù),2007(6):15-16.

[3] 申傳勝.混沌的基本特征及其在教學(xué)設(shè)計中的應(yīng)用[J].安慶師范學(xué)院學(xué)報,2008(6):76-77.

[4] 方 可.“復(fù)雜”之道——探求一種新的舊城更新規(guī)劃設(shè)計方法[J].城市規(guī)劃,1997(7):28-33.

[5] 劉 洋.混沌理論對建筑與城市設(shè)計領(lǐng)域的啟示[J].建筑學(xué)報,2005(6):32-33.

[6] 段 進(jìn).城市空間發(fā)展論[M].南京:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,2000:80-87.

[7] 蘇宏志,陳永昌.混沌和分形理論解釋了建筑和城市演化的圖景[J].新建筑,2008(2):75-77.