中國古典園林的分形思想

林濤　林小松

摘要：本文對分形的由來與定義進行了簡單介紹，并列舉了兩種經(jīng)典分形實例；論述了中國古典園林整體指導思想——“天人合一”具有分形思想；論證了它的具體造園手法——筑山、理水、植物布置、建筑設(shè)計、路線組織中均包含分形的特征；最后指出中國古典園林具有樸素的分形思想。

關(guān)鍵詞：古典園林；分形；天人合一

中圖分類號：TU-098.4

文獻標識碼：A

文章編號：1008-0422（2013）09-0033-03

1 前言

中國古典園林是中國文化遺產(chǎn)中極其珍貴的一個組成部分。中國古典園林從殷、周朝代就已起源，它不可避免的與中國古代的哲學思想有著深刻的淵源，是“道法自然”、“天人合一”等道家哲學思想在造園和建筑中的體現(xiàn)。中國古典園林與西方古典園林和近代建筑風格迥異：近代建筑講究功能、效率，多崇尚線條的簡潔、流暢；而西方古典園林，講究整齊一律，均衡對稱，具有明確的軸線引導，是幾何式園林；中國園林則講究“雖由人作，宛白天開”，講究“本于自然、高于自然”，藝術(shù)地再現(xiàn)自然，強調(diào)與自然的相似和曲折而自由的布局。既然自然風景具有多樣性、曲折性和自由性，因而中國古典園林也是豐富復雜、蜿蜒曲折和自由變化的，這種風格完全有別于西方園林的均衡一律和近代建筑的簡潔明快。我們發(fā)現(xiàn)，前者的構(gòu)圖特征與近四十年發(fā)展起來的分形幾何存在著驚人相同之處。

2 分形的由來與定義

2.1分形的由來

為了說明中國古典園林中所蘊含的分形思想，有必要先把分形科學作一簡要介紹。分形是近四十多年來興起的一門新學科，分形的概念是美籍數(shù)學家曼德布羅特（B.B.Mandelbort）首先提出的，1967年他在美國權(quán)威的《科學》雜志上發(fā)表了題為《英國的海岸線有多長？》的著名論文，這篇論文可認為是分形理論的發(fā)端。海岸線作為曲線，其特征是極不規(guī)則、極不光滑的，呈現(xiàn)極其蜿蜒復雜的變化。我們不能從形狀和結(jié)構(gòu)上區(qū)分這部分海岸與那部分海岸有什么本質(zhì)的不同，這種幾乎同樣程度的不規(guī)則性和復雜性，說明海岸線在形貌上是自相似的，也就是局部形態(tài)和整體形態(tài)的相似。在沒有建筑物或其他東西作為參照物時，在空中拍攝的100km長的海岸線與放大了的10km長海岸線的兩張照片，看上去會十分相似。事實上，具有自相似性的形態(tài)廣泛存在于自然界中，如：連綿的山川、飄浮的云朵、巖石的斷裂口、布朗粒子運動的軌跡、樹冠、花菜、大腦皮層……曼德布羅特把這些部分與整體以某種方式相似的形體稱為分形（fractal）。1975年，他創(chuàng)立了分形幾何學（fractal geometry）。在此基礎(chǔ)上，形成了研究分形性質(zhì)及其應用的科學，稱為分形理論。

2.2分形的定義

既然要介紹分形，就不得不說明分形的定義。其實用簡單的幾句話來描述分形的定義幾乎是不可能的事情。實際上，對于什么是分形，到目前為止還不能給出一個確切的定義。英國數(shù)學家法爾科內(nèi)建議如生物學中對“生命”的定義一樣，即列出生命體的一系列特性未定義“生命”，對分形的定義也可同樣的處理。他所給出的分形定義如下：

分形是具有如下性質(zhì)的集合F：

（1）F具有精細的結(jié)構(gòu)，即在任意x的尺度之下，它總有復雜的細節(jié)；

（2）F是不規(guī)則的，它的整體與局部都不能用傳統(tǒng)的幾何語言來描述；

（3）F通常具有某種自相似性，這種自相似可以是近似的或者統(tǒng)計意義下的；

（4）F的某種定義下的分形維數(shù)通常大于其拓撲維數(shù)；

（5）F常常是以非常簡單的方法確定，可能由迭代過程產(chǎn)生。

2.3歷史上著名的分形命題

為了更具體的了解分形的特征，以便下文中與中國古典園林中的構(gòu)圖相聯(lián)系，我們回顧幾個歷史上的著名的分形命題。

2.3.1KOCH曲線

設(shè)E0是單位長的直線段；E1是由E0除去中間1/3的線段、而代之以底邊在被除去的線段上的等邊三角形的另外兩條邊所得到的圖形，它包含四條線段；對E1的

每條線段都進行同一過程來構(gòu)造E2，依此類推，于是得到一個曲線序列（Ek）；其中Ek是把Ek-1的每一條直線段中間的1/3用等邊三角形的另外兩條邊取代而得到的。當k充分大時，曲線Ek和Ek-1只在精細的程度上不同，而當時，曲線序列（Ek）趨于一個極限曲線F，稱F為KOCH曲線。

KOCH曲線的特性：（1）KOCH曲線F是自相似的，其曲線Ek中的每個局部放大三倍即得到Ek-1；（2）F具有精細結(jié)構(gòu)，即在任意小的比例尺度內(nèi)包含整體；（3）F具有無窮操作的迭代過程；（4）F是不規(guī)則的，不能用傳統(tǒng)的幾何語言來描述；（5）F的長度為，而面積為0。（6）由于F的長度為，而面積為0，因此它的維數(shù)既不是1，也不是2，而是一個介于1與2之間的分數(shù)。因此KOCH曲線是分形曲線。

2.3.2皮亞諾曲線

皮亞諾曲線是對直線段（a）不斷施以同一種變換構(gòu)成的：以（a）為初始元，在構(gòu)造的每一步都將上一級圖中所有的線段三等分，以中間一段為一邊向線段兩旁各作一正方形，逐次生成（b）、（c）、（d），至無窮。

皮亞諾曲線的前4個特點與KOCH曲線相同的特點，它與KOCH曲線還有一個共同的特點：處處連續(xù)但處處不可微，它是一條可以填滿整個平面的曲線，因此它的維數(shù)是2（一般分形曲線的曲線都是分數(shù)，皮亞諾曲線是特例）。

歷史上著名的分形命題還有康德三分集、謝爾平斯基地毯、門格爾海綿等。

通過上面對分形定義的介紹與兩個例子，我們可以歸納出分形的構(gòu)圖特點是：整體與局部的相似，也就是自相似。在KOCH曲線中，每一個局部，如圖中的ABCDE段曲線，放大3倍，即得到原來的曲線皮亞諾曲線也具有同樣的特點。

對于大自然的構(gòu)圖特點，分形的研究者們經(jīng)過研究，也認為是具有自相似性的。如卷曲的云彩，起伏的山脈，蜿蜒的河流，洶涌的波濤等，它們的局部與整體之間都具有自相似性。當然前面所舉KOCH曲線和皮亞諾曲線是嚴格的自相似，而大自然構(gòu)圖中的自相似是近似的。

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中國古典園林的整體指導思想——“天人合一”

我國自商代就有了園林的最初形式——“囿”，至今已存在和發(fā)展了3600多年，這么長的時間跨度，其風格特點隨著歷史的推移自有很多的變化。而在同一時期的園林也有各種不同的類型，如皇家園林、私家園林、寺廟園林、公共園林等，每種不同的園林因其類型不同而具有不同的特性，同時也因地域的不同而各具特色。僅以洛陽為代表的北方私家園林為例：西漢時期的私家園林特點是范圍大，有延綿起伏的山丘或筑土為山，有大片樹林和溪澗，放養(yǎng)珍禽異獸，代表有梁孝王之兔園（今河南商丘東）和梁翼苑囿；南北魏晉時期的北方私家園林以洛陽的茹園為代表，其風格華麗考究，有魚池釣臺、土山、樓閣，長廊，既有輝煌殿閣的富貴氣象，也有山池花藥的居閑情懷，其竹林花藥之美味皇家苑囿所不及；到了唐代，洛陽的私家園林則多以水景取勝，城內(nèi)私園纖麗清雅兩種格調(diào)并存，郊野別墅分貴戚官僚別墅和一般文人別墅兩種，前者華麗纖濃，后者樸素無華，富村野意趣；據(jù)《洛陽名園記》的記載，宋代洛陽的私家園林以單獨建置的游憩園居多，以蒔栽花木著稱，以大片樹林而成景，以竹林為多，筑土山，建筑形象豐富，但數(shù)量不多，布局疏朗。此處僅簡述了自西漢至宋代的北方私家園林，在風格上就有如此豐富而多樣的變化，可見中國古典園林完全可用琳瑯滿目、異彩紛呈來形容。面對如此豐富多彩、千姿百態(tài)的中國古典園林，作者關(guān)心的問題是它們有沒有共同遵循的規(guī)律，即共有特性？如果有，是什么？作者的看法是：中國古典園林的共同特征是“天人合一”，是“雖由人作，宛白天開”。即園林必須與大自然渾然一體，是對自然風景的藝術(shù)再造和微縮。但中國古典園林又絕非一般地利用或者簡單模仿自然風景的原始狀態(tài)，而是有意識地加以改造、調(diào)整、加工、剪裁，從而表現(xiàn)出一個精煉概括的自然、典型化的自然。中國古典園林的造園風格不管是纖濃還是疏朗，是華麗還是古樸，都遵循了與自然相融合，回歸自然環(huán)境的原則，就算是人工建筑，也盡可能的注意了“因山就水、高低錯落、以運動千變?nèi)f化的手法強化建筑與自然環(huán)境的嵌合關(guān)系，同時還利用建筑內(nèi)部空間和外部空間的通透，流動的可能性，把建筑的小空間與自然界的大空間溝通起來?！?/p>

正因為如此，中國古典園林與大自然風景環(huán)境形成了自相似的構(gòu)圖特點，因而它具備了分形構(gòu)圖的基本特征。

4 中國園林的構(gòu)景手法具有多方面、多層次的自相似結(jié)構(gòu)

4.1筑山

在古典園林的地形整治工作中，筑山是一項最重要的內(nèi)容，歷來造園都十分重視。筑山即堆筑假山，包括土山、土石山、石山。園林內(nèi)使用天然石塊堆筑為石山的這種特殊技藝叫做“疊山”。南北各地現(xiàn)存的許多優(yōu)秀的疊山作品，一般最高不過八九米，無論模擬真山的全貌或截取真山的一角，都能以小尺度而創(chuàng)造峰、巒、嶺、岫、洞、谷、懸?guī)r、峭壁等形象。從它們的堆疊章法和構(gòu)圖經(jīng)營上，可以看到天然山岳構(gòu)成規(guī)律的概括、提煉。園林假山都是真山的抽象化、典型化縮移摹寫，能在很小的地段上展現(xiàn)咫尺山林的局面、幻化干巖萬壑的氣勢。筑山手法在地形整治上形成了與自然山岳的自相似關(guān)系。

4.2理水

園林內(nèi)開鑿的各種水體都是自然界的河、湖、溪、澗、泉、瀑等的藝術(shù)概括。哪怕再小的水面亦必曲折有致，并利用山石點綴岸、磯，有的還故意做出一灣港漢、水口以顯示源流脈脈，疏水若為無盡。稍大一些的水面，則必堆筑島、堤，架設(shè)橋梁。在有限的空間內(nèi)盡量模仿天然水景的全貌，這就是“一勺則江湖萬里”之意。這就造成了園林中局部微縮的水系與自然界水系的相似關(guān)系。

4.3中國古典園林的植物布置

植物不再像山水一樣可以小比例的再現(xiàn)自然，因此中國園林中的植物不再要求是自然的微縮，它所強調(diào)的是順乎自然、尊重自然、自然得體。

4.3.1林木

一是樹木，無論松、柏、柳、梧、梅、竹、樟、槐等都按它們自己生長之姿態(tài)植之，幾乎不加修飾。二是多株樹木的組合遵循自然組合的原則，不像西方園林那樣把樹木列隊而植，總是自然而然的散植于園中，表現(xiàn)著大自然之林木狀態(tài)。

4.3.2花草

中國園林之花卉，不同于西方園林之規(guī)則構(gòu)圖，西方園林往往將玫瑰、郁金香之類植于一處，形成一大片艷麗的幾何圖案之花。紅、黃、藍、紫固然好看，但這顯然是人工所為。中國園林則主要是點綴，籬前屋后、溪邊徑旁、順其自然，與建筑、林木形成整體，相偕成趣。

草的處理也不一樣，西方園林多做成幾何圖案的地毯式的大草坪；中國傳統(tǒng)園林則不同，多為分散的、點綴式的，在土坡表面植些草皮，而且往往還要植些灌木，置幾塊石頭。

總之中國園林的植物布置是與自然相宜的，是隨意的，而不是西方園林的規(guī)則幾何圖案，因此而更接近分形的概念。

4.4園林建筑

中國園林中的建筑追求室內(nèi)外空間層層疊套、相互融合的天人合一空間。

中國園林建筑，不僅它的形象之豐富在世界范圍內(nèi)算得上首屈一指，而且還把傳統(tǒng)的建筑化整為零、由個體組合為建筑群體的可變性發(fā)揮到極致。它一反宮廷、壇廟、衙署、邸宅的嚴整、對稱、均齊的格局，完全自由隨宜、因山就水、高低錯落、以這種千變?nèi)f化的面上的鋪陳更強化了建筑與自然環(huán)境的嵌合關(guān)系。同時還利用建筑內(nèi)部空間和外邊空間的通透，流動的可能性，把建筑的小空間與自然界的大空間溝通起來。正如《園治》所謂：“軒楹高爽，窗戶虛鄰，納干傾之汪洋，收四時之爛漫”。中國園林所講究的內(nèi)外空間疊套、滲透及相互融合顯然是分形的空間才具有的特點。

4.5中國園林的路線組織特點——曲徑通幽

文獻中把中國園林的曲徑通幽手法與西方園林及古代宮殿、寺院的平直、規(guī)則路線組織作了比較：“近代建筑講究功能、效率，多崇尚線條的簡潔、流暢；古代的殿宮、寺院建筑，為營造莊嚴肅穆的氣氛，通常沿著一條筆直的中軸線排列建筑，自然沒有什么曲線可言；而西方古典園林，講究整齊一律，均衡對稱，具有明確的軸線引導，是幾何式園林。唯有中國古典園林，既鄙薄功利，又不炫耀氣魄，在格局上忌平直而求曲折?！蓖瑫r把中國古典園林的曲折性歸納為曲廊、曲橋、曲岸、曲蹊四種形式。

自然界中直線規(guī)整的幾何形體幾乎是不存在的。中國古典園林崇尚自然，追求自然美，自然構(gòu)造出曲徑通幽的路線組織特點。再看看分形的KOCH曲線和皮亞諾曲線，它們都是是在平面上無限蜿蜒的曲線，它具有無窮疊套的精細結(jié)構(gòu)，任何局部都與整體嚴格的自相似前者的面積為零，而長度為，它的維數(shù)是介于0和1之間的分數(shù)；后者的維數(shù)為2。在視覺上這樣一種無限曲折蜿蜒的曲線具有引人入勝的特質(zhì)，用英國美學家威廉，荷加斯的話來說，就是“一切直線只是在長度上有所不同，因而最少裝飾性。曲線由于互相之間在曲度和長度上都可不同，因此而具有裝飾性。直線與曲線結(jié)合形成復雜的線條，比單純的曲線更多樣，因此也更有裝飾性。波狀線，作為美的線條，變化更多，它由兩種對立的曲線組成，因此更美。”由此可看出，中國園林的曲徑通幽是符合分形美學的。

5 結(jié)語

通過與分形的構(gòu)圖特征的比較，中國古典園林無論是整體的設(shè)計思想還是具體的造園手法，都具有分形的特點，因此可得出結(jié)論——中國古典園林具有分形的思想。需要說明的是，這種分形特點并非前述嚴格的自相似，它只是近似的自相似；并沒有無窮的圖形疊套關(guān)系（精細結(jié)構(gòu)），而只有有限的精細結(jié)構(gòu)。我們可認為中國古典園林所具有的是樸素的分形思想。目前已形成的一種共識是，分形是描述大自然的最合適的數(shù)學工具，自然本身也只是近似地符合分形的特征。因此中國古典園林作為大自然的微縮，它具有分形的思想也是順理成章的。