分形建筑的理論內(nèi)涵

李 燕

(南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226300)

分形被證明是大自然的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，分形體能夠最有效地利用空間?；诜中嗡枷氚l(fā)展建筑學(xué)的理論和方法具有非常現(xiàn)實(shí)的意義。在開(kāi)發(fā)分形建筑設(shè)計(jì)方法之前，首先必須建立分形建筑基礎(chǔ)理論體系。

1 分形建筑概念構(gòu)建

第一次主動(dòng)將以往對(duì)于“大自然的幾何學(xué)”的認(rèn)識(shí)系統(tǒng)地整合到一起是1977年數(shù)學(xué)家曼德勃羅特在《分形:形式、機(jī)遇和維數(shù)》(Fractal:Form，Chance and Dimension)一書(shū)中提出的，而且首次將藝術(shù)和建筑歷史及評(píng)論與分形幾何聯(lián)系在一起，并進(jìn)行了理論性的探討，隨后先鋒建筑師和建筑理論家們很快對(duì)這種新興的幾何學(xué)投入了極大的熱情，分形建筑概念就此逐步開(kāi)始構(gòu)建，并影響至今。

1995年～1997年查爾斯·詹克斯(Charles Jencks)先后發(fā)表的《突變的世界之建筑學(xué)》(The Architecture of the Jumping Universe)及《非線性建筑——新科學(xué)=新建筑》(Nonlinear Architecture—— New Science=New Architecture)等專(zhuān)著中提倡建筑界應(yīng)對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)符號(hào)化，從而塑造全新的分形美學(xué)范式。此后分形建筑的研究呈現(xiàn)欣欣向榮之態(tài)。1994年巴迪(M.Batty)博士和隆雷(P.Longley)博士發(fā)表了《Fractal Cities:A Geometry of Form and Function》首次提出運(yùn)用分形計(jì)盒維數(shù)的方法計(jì)算城市和建筑的分維值，但Batty博士和Longley博士的觀點(diǎn)偏重于城市分形建模和分維測(cè)算方法的研究。

對(duì)分形建筑概念的構(gòu)建產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的，一位是美國(guó)數(shù)學(xué)家、建筑理論家尼克斯·A·塞靈格勒斯(Nikos A.Salingaros)，他在1995年發(fā)表的《一個(gè)物理學(xué)家眼里的建筑法則》(The Laws of Architecture From a Physicist’s Perspective)，文章中塞靈格勒斯試圖以一個(gè)科學(xué)家的角度探求建筑和城市的基本法則，致力于將綜合復(fù)雜理論、分形理論、熱力學(xué)理論的研究成果進(jìn)入建筑學(xué)。在這之后的幾年中他又陸續(xù)發(fā)表了數(shù)十篇關(guān)于復(fù)雜科學(xué)、分形理論在城市和建筑研究中應(yīng)用的論文;另一位是卡爾·巴維爾(Carl Bovill)，他在1996年發(fā)表了著作《建筑設(shè)計(jì)中的分形幾何》(Fractal Geometry in Architecture and Design)，卡爾·巴維爾認(rèn)為，建筑形態(tài)中表現(xiàn)出分形特征，反映了建筑的局部與整體特性及人的視覺(jué)信息層級(jí)性……，對(duì)于建筑設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，分形幾何學(xué)是一種強(qiáng)有力的工具。而作為數(shù)學(xué)測(cè)量工具的這種觀點(diǎn)被業(yè)界廣泛接受，原因在于由于分形幾何學(xué)中的分維數(shù)是相似變換中的不變量，有了分維這個(gè)測(cè)量的數(shù)學(xué)工具就可以描述建筑立面的幾何特征，并對(duì)它們的不規(guī)則程度作定量比較。例如作為建筑背景的山脈，其輪廓線的分維數(shù)可以成為建筑的分維數(shù)的一種參照或是引導(dǎo)。

2001年，邁克爾·J·奧斯特瓦爾德(Michael J.Ostwald)發(fā)表《分形建筑:二十世紀(jì)晚期建筑與分形之間的關(guān)系》(Fractal Architecture:Late Twentieth Century Connections Between Architecture and Fractal Geometry)，文章闡述了建筑和分形幾何之間的復(fù)雜的守恒映射關(guān)系，而這種映射是離散的，并且理論對(duì)應(yīng)的模式是微妙的，具有象征性和邏輯性的[1]。

幾年之后，由來(lái)自三個(gè)不同學(xué)科的專(zhuān)家共同研究并發(fā)表了《分形幾何學(xué)及其應(yīng)用軟件在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用》(Fractal Geometry and its applications in the field of construction)，為分形形態(tài)在建筑設(shè)計(jì)應(yīng)用中開(kāi)發(fā)了智能架構(gòu)分形建筑模型的應(yīng)用軟件，這為分形建筑造型提供了非常實(shí)用而且易于表達(dá)的工具[2]。

2 分形建筑概念界定

早期關(guān)于分形建筑的研究中，研究對(duì)象的主體多集中在對(duì)已有建筑所具有的分形特征的分析，而后建筑中的分形理論作為一種新的世界觀和方法論逐漸與其他一些學(xué)科相交融。1996年，卡爾·巴維爾在他的研究著作《建筑設(shè)計(jì)中的分形幾何》(Fractal Geometry in Architecture and Design)[3]中提出了“廣義分形”的概念。按照他的理論來(lái)詮釋已有建筑，我們不僅可以從建筑空間形態(tài)和表皮上的自相似來(lái)研究建筑的分形特征，還可以從信息論和系統(tǒng)論的角度探討建筑造型傳遞給人視覺(jué)信息系統(tǒng)的無(wú)標(biāo)度性的層級(jí)空間，以及建筑與環(huán)境、建筑的局部與整體間關(guān)系中表現(xiàn)出的分形特征。雖然卡爾·巴維爾在其著作中沒(méi)有明確給出分形建筑的概念，但是可以看出卡爾·巴維爾把建筑所具有的廣義和狹義的分形特征稱(chēng)為分形的建筑，他的研究是基于已有建筑，而這種已有建筑中體現(xiàn)的分形特征(狹義和廣義)是建筑師無(wú)意識(shí)形態(tài)下的產(chǎn)物，因此卡爾·巴維爾對(duì)分形建筑概念的闡述具有局限性。幾年之后，由來(lái)自三個(gè)不同學(xué)科的專(zhuān)家共同研究并發(fā)表了《分形幾何學(xué)及其應(yīng)用軟件在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用》(Fractal Geometry and its applications in the field of construction)[4]一文，文章立足于建筑形態(tài)構(gòu)成法則，并結(jié)合分形生成原理，利于迭代算法和計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)了智能架構(gòu)分形建筑模型的應(yīng)用軟件，這為分形建筑造型提供了非常實(shí)用而且易于表達(dá)的工具。這是一種有意識(shí)地應(yīng)用分形理論進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)的軟件，不僅具有分形的特征，而且最終的建筑物是由分形的迭代原理生成的。

基于以上對(duì)分形建筑概念的分析，論文認(rèn)為分形建筑可以分為兩類(lèi):一類(lèi)是無(wú)意識(shí)分形建筑，一類(lèi)是有意識(shí)分形建筑。無(wú)意識(shí)分形建筑是指在分形理論產(chǎn)生之前的具有分形特征的歷史建筑，這類(lèi)建筑表現(xiàn)出分形的特征，但是從建筑構(gòu)思開(kāi)始并沒(méi)有應(yīng)用分形原理，或者沒(méi)有有意識(shí)地應(yīng)用分形原理。已有建筑之所以有著驚人的內(nèi)關(guān)系，一個(gè)明顯的原因是在古典的視覺(jué)藝術(shù)法則中包含著豐富的尺度層級(jí)和自相似性，這些同分形是類(lèi)似的，已有建筑造型試圖通過(guò)模仿自然來(lái)探索自然的法則，它們來(lái)自對(duì)美的真實(shí)追求。有意識(shí)分形建筑是指分形理論產(chǎn)生以后，刻意應(yīng)用分形理論而產(chǎn)生的建筑，這類(lèi)建筑從構(gòu)思開(kāi)始就有意識(shí)地應(yīng)用分形理論的思想和原理，建筑也明顯體現(xiàn)出分形特征。如同現(xiàn)代主義建筑師借助歐式幾何學(xué)里的形狀(線和面、圓和球、三角形和錐)，建立建筑構(gòu)成法則一樣，作品中體現(xiàn)了精簡(jiǎn)的尺度變化。但是，不管是無(wú)意識(shí)分形建筑還是有意識(shí)分形建筑它們都可以用有效的度量方法測(cè)定建筑分形自相似和自組織的內(nèi)在尺度。

有意識(shí)分形建筑和無(wú)意識(shí)分形建筑都表現(xiàn)出分形的特征，但是這兩類(lèi)建筑存在一定的區(qū)別:

第一，從構(gòu)思造型上有一定的區(qū)別，無(wú)意識(shí)分形建筑沒(méi)有應(yīng)用，或者沒(méi)有有意識(shí)應(yīng)用分形理論，這類(lèi)建筑同時(shí)可以體現(xiàn)建筑構(gòu)思的其他特征，甚至超過(guò)了分形思想。有意識(shí)分形理論從構(gòu)思開(kāi)始就應(yīng)用分形理論，造型更加體現(xiàn)分形思想。

第二，從分形特征上有一定的區(qū)別。無(wú)意識(shí)分形建筑，體現(xiàn)無(wú)限層級(jí)性的自相似性的特征，廣義上，體現(xiàn)視覺(jué)信息的無(wú)標(biāo)度性特征。通過(guò)研究分析，將分形建筑的自相似性主要?dú)w納為三個(gè)方面:單體建筑立面造型的自相似性、建筑平面布局上的自相似性以及建筑的細(xì)部結(jié)構(gòu)與裝飾圖案的自相似性，如法國(guó)埃菲爾鐵塔、林伽圣殿祭壇、Pokrov大教堂、科隆大教堂、Dharmaradscha石雕、悉尼歌劇院都被業(yè)界認(rèn)為是無(wú)意識(shí)分形建筑的代表作品，它們的共同特征是具備有限層次的“自相似性”或“不盡相似”;有意識(shí)分形建筑包含了無(wú)意識(shí)分形建筑的特征，并運(yùn)用某種分形元，通過(guò)有限次的線性迭代而生成的建筑形態(tài)。

一直以來(lái)建筑師致力于從線性邏輯思維創(chuàng)作方式中解脫出來(lái)，以期改造和創(chuàng)造一些新的建筑語(yǔ)匯，探尋建筑所能達(dá)到的新境界，隨著分形建筑理論研究的系統(tǒng)化，拓展了建筑師的創(chuàng)作視野、發(fā)展新的創(chuàng)作理念，為更充分地發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力提供新的理論基礎(chǔ)。本文對(duì)分形建筑的理論內(nèi)涵進(jìn)行初步的探討，還需進(jìn)一步沉淀和積累，也需在設(shè)計(jì)過(guò)程中不斷的總結(jié)和驗(yàn)證，未來(lái)分形建筑必將成為建筑師創(chuàng)作的一種重要方法和手段。文章在對(duì)分形建筑概念的界定，得到的結(jié)論是初步的、探索性的，因此，還有待于學(xué)者做進(jìn)一步研究。

[1] Michael J.Ostwald.Fractal Architecture:Late Twentieth Century Connections Between Architecture and Fractal Geometry，2001.

[2] “Fractal Architecture”:Late Twentieth Century Connections Between Architecture and Fractal Geometry，by Michael J Ostwald，Nexus Network Journal，vol.3，no.1 Winter2001，http://www.nexusjournal.com.

[3] Fractal Geometry in Architecture and Design.by Carl Bovill，Springer Verlag.ISBN:0817637958，1995.

[4] Prof.P.Buser，Dr.E.Tosan，Prof.Y.Weinand.Fractal Geometry and its applications in the field of construction，http//:www.plan de recherche.htm.

[5] [法]曼德布羅特.分形:形式、機(jī)遇和維數(shù)[M].文志英，蘇虹，譯.北京:世界圖書(shū)出版社，1999.

[6] M Batty，P Longley.Fractal Cities:A Geometry of Form and Function[M].London:Academic Press，1994.