關于分形學在建筑設計應用方面的探索

【摘要】分形學是數(shù)學中非線性科學的重要組成部分，其中的數(shù)學思想在建筑設計方面得到了充分的應用，本文首先給出分形學的相關概念及分形幾何圖形所具有的一些重要特點，然后，就分形學在建筑設計方面的應用進行探索，分析其在建筑設計方面的具體應用，最后，對分形學在建筑設計方面的應用進行展望。

【關鍵詞】分形學；建筑設計；應用分析

隨著我國經(jīng)濟建設的飛速發(fā)展，人們對建筑物的審美觀念也發(fā)生了很多變化，不再單純的注重建筑的實用價值，更注重其視覺的美感。分形學在建筑設計的很多方面都有所應用，比如說表皮的分形、體的分形、細部構(gòu)造分形等等。

一、分形學的相關概念及其特點

（一）分形學的概念

作為非線性科學中重要概念之一的分形學，其“分形”的含義字面上理解為“破碎”和“不規(guī)則”。分形理論作為現(xiàn)代數(shù)學的一個分支，本質(zhì)上闡述了一種新的世界觀和方法論。

（二）分形幾何的特點

1、分形幾何其實一直都存在于自然之中，比如：著名的KOCH曲線，給出一條直線段，將這條線段中間的二分之一部分替換為等邊三角形的兩條邊，并且，在新的圖形中，將圖形中各個直線段的三分之一部分繼續(xù)用等邊三角形的兩條邊進行替換，反復的進行操作，就形成了KOCH曲線，這條曲線的構(gòu)成主要利用了分形學的原理。

2、分形幾何學主要的研究對象就是具有自相似性質(zhì)的無限精細結(jié)構(gòu)，將事物的自然形態(tài)看作是擁有無限的嵌套層次的邏輯構(gòu)造，并且不因為尺度的變化而改變其相似性。

二、分形學在建筑設計方面的具體應用

建筑設計的好壞不僅僅關系到建筑的美觀，更關系到建筑的整體安全性問題，因此，建筑設計是一項非常講究科學性的研究性工作。分形學作為數(shù)學的一個研究領域，其科學性是毋庸置疑的。其在建筑設計方面的應用相當廣泛，下面就具體的介紹一下其在建筑設計方面的主要應用。

（一）分形學在建筑的表皮設計應用

在這個方面的應用，北京奧運會的游泳比賽場館水立方是非常具有代表性的，水立方以其簡約大方的形象設計為廣大的中外游客留下了很深的印象，其設計理念源于Wearie Phelan提出的“無限等體積肥皂泡陣列幾何圖形學”的問題解答。首先，需要生產(chǎn)一個與建筑物相比更大的Wearie Phelan泡沫結(jié)構(gòu)陣，然后，將這個生成陣以其中的某一個矢量為中心進行旋轉(zhuǎn)，最后將建筑的外部空間和內(nèi)部空間中的泡沫結(jié)構(gòu)剪切下去，之后剩下的部門作為建筑的屋面以及墻體構(gòu)成。這樣，基本的“水立方”就宣告完成了，其中，泡沫構(gòu)成的建筑結(jié)構(gòu)按照三個正交的坐標軸規(guī)律的進行重復構(gòu)建，從而形成整體的建筑模型。分形的理念在水立方的墻體建筑以及屋面的設計應用中得到了充分的體現(xiàn)。其基本的結(jié)構(gòu)體是利用了旋轉(zhuǎn)和切割等方法加以實現(xiàn)的，給人的感覺就是整體觀極強并且還很微妙。

（二）分形學在建筑的“體”的設計應用

1、建筑的三維分形設計

建筑的三維分形通常被稱為是“體”分形，就是建筑的“體”通過適當?shù)男D(zhuǎn)、縮放和線性轉(zhuǎn)譯等相關的分形操作，把一個簡單的單元變?yōu)楹芏鄠€相似或相同的元素，并將這些元素合理的組合在一起，進而組成了更高一級的粒子單元，工作完成之后，繼續(xù)進行新一輪的轉(zhuǎn)譯，不斷的重復這樣的過程，最終形成了很多無線多層級的單元組合。

2、彼得·埃森曼的尺度縮放

美國著名的前衛(wèi)建筑是彼得·艾森曼設計的的住宅是復雜性科學在建筑設計領域的首次正式應用，他充分利用了分形幾何中的比例縮放原理，運用立體‘L’形的復雜旋轉(zhuǎn)構(gòu)造成建筑的體量，是建筑師第一次有意識的運用分形幾何來表現(xiàn)建筑的復雜與多元。

（三）綜合體分形設計

建筑師禎文彥設計的螺旋大廈（Sprial Building，1985），以“正方形”作為其建筑的“生成元”，通過縮放的方法構(gòu)造出一系列的不同大小的正方形，并將其用于建筑當中，實現(xiàn)了建筑的分形構(gòu)造，并且，除了利用分形維度理論之外，還融入了很多異質(zhì)元素，進行有序的拼接混合，充分體現(xiàn)出建筑物與城市之間，整體與部分之間，混沌與秩序之間的同構(gòu)原理。建筑師本人聲稱：“螺旋大廈的建筑設計理念同城市的理念有很多相似的地方，是要將自身完全的奉獻出來，讓人們隨意的進行切割，在被完全的肢解之后，重新獲取生命”。設計師就是要有建筑本身的復雜多元性來體現(xiàn)社會的復雜性與多元性。

三、分形學在建筑設計發(fā)展中的展望

自從上個世紀二十年代開始，世界各國的建筑設計師們就在不斷的尋求建筑設計方面的突破，希望能夠?qū)υ械慕ㄖZ言進行改革與創(chuàng)新，從而有個質(zhì)的飛躍?，F(xiàn)代數(shù)學中的分形理論以其所具有的“自相似性”、“無尺度性”、“尺度層次”、“尺度變換”等特性，引起了建筑設計領域?qū)W者的極大關注，并且不斷的在建筑設計方面予以大膽嘗試，并取得了非常令人滿意的效果，設計出的建筑物更加的貼近大自然，并與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)。符合人們的審美觀念。但是，畢竟還是發(fā)展的時間較短，很多方面都需要進一步的摸索和嘗試，在取得成績的同時，也必須認清國內(nèi)的經(jīng)濟建設發(fā)展狀況和社會對其的認識程度，不能單憑自己的想法，隨意的進行設計，否則設計出來的作品一旦不能與社會環(huán)境相互協(xié)調(diào)，將會造成不良的社會影響，對此方面的設計發(fā)展也將產(chǎn)生不利影響，因此，要注重設計方案的可操作性，發(fā)揮其最大的設計優(yōu)勢。

結(jié)束語

如今的時代，為新形式、新思維創(chuàng)造了優(yōu)越的生長環(huán)境，尤其是在當今的中國建筑市場，正處于異?；钴S時期，要牢牢把握機會，為建筑設計的質(zhì)的飛躍努力奮斗。

參考文獻

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基金項目：重慶科創(chuàng)職業(yè)學院教育教學改革研究項目（13KC01）