基于耗散結(jié)構(gòu)理論的生態(tài)型室內(nèi)設(shè)計研究

摘 要：所謂耗散結(jié)構(gòu)，指的是開放系統(tǒng)在離平衡態(tài)非常遠(yuǎn)的時候，所產(chǎn)生的一種有序的時空結(jié)構(gòu)。隨著社會的發(fā)展，人們對建筑設(shè)計的質(zhì)量要求也越來越高。尤其是在生態(tài)背景下，生態(tài)化的室內(nèi)設(shè)計更是獲得了人們的青睞。將耗散結(jié)構(gòu)和生態(tài)室內(nèi)設(shè)計進(jìn)行結(jié)合，能減少室內(nèi)設(shè)計中的增熵現(xiàn)象，為人們塑造一個更加舒適的家居環(huán)境。

關(guān)鍵詞：耗散結(jié)構(gòu);質(zhì)量;生態(tài);室內(nèi)設(shè)計

課題項目：本文系江西省高校人文社會科學(xué)研究課題“基于生態(tài)文明建設(shè)視野下的生態(tài)型室內(nèi)設(shè)計的應(yīng)用研究”（JC1527 ）研究成果。

早在20世紀(jì)60年代末期，比利時物理學(xué)家普利高津便提出了耗散結(jié)構(gòu)理論。所謂耗散結(jié)構(gòu)，指的是遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)下的多元化系統(tǒng)，和外界能量流、物質(zhì)流進(jìn)行交換，并維持一定的狀態(tài)。

一、耗散結(jié)構(gòu)必須具備的條件

為了促使耗散結(jié)構(gòu)的運行更加有序，必須具備三個條件。第一，開放性。這是耗散結(jié)構(gòu)產(chǎn)生和繼續(xù)維持的基礎(chǔ)。在開放性的基礎(chǔ)上，和外部環(huán)境進(jìn)行能量、物質(zhì)交換，從而抵消系統(tǒng)中的正熵流。第二，非平衡狀態(tài)。耗散結(jié)構(gòu)并非固定的結(jié)構(gòu)，其變化性、動態(tài)性很強(qiáng)[1]。第三，非線性互動作用。在這樣的背景和條件下，內(nèi)部各個元素會相互影響、相互協(xié)作，從而促使耗散結(jié)構(gòu)處于有序的狀態(tài)。

二、遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)和熵

多元化系統(tǒng)在一定的影響下，通過動態(tài)變化，產(chǎn)生一種全新的有序結(jié)構(gòu)。同時，普利高津也將開放系統(tǒng)、遠(yuǎn)離平衡態(tài)、非線性作用當(dāng)作是產(chǎn)生耗散結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。因此，耗散結(jié)構(gòu)屬于研究遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)，從無序到有序的狀態(tài)。

（一）開放系統(tǒng)

耗散結(jié)構(gòu)包括了兩種含義，一種是消耗，一種是有序。為了維持有序的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)必須消耗一些能量、物質(zhì)。在這個過程中，怎樣實現(xiàn)系統(tǒng)有序狀態(tài)，屬于非常重要的問題。這里說的有序，指的是系統(tǒng)中很多要素之間產(chǎn)生的有規(guī)律的變化。有序分為兩種，一種是靜態(tài)的，一種是動態(tài)的。動態(tài)的結(jié)構(gòu)大多來自于孤立系統(tǒng)，少數(shù)來自開放系統(tǒng)。在耗散結(jié)構(gòu)理論中，人們都想要實現(xiàn)動態(tài)有規(guī)律的開放系統(tǒng)。這是由于在孤立系統(tǒng)里，沒有物質(zhì)和能量方面的交換，物質(zhì)非常容易形成有序的狀態(tài)。然而來源于孤立系統(tǒng)的有序狀態(tài)，則是靜態(tài)平衡狀態(tài)。但在開放系統(tǒng)里，系統(tǒng)和外部環(huán)境會互相影響，同時進(jìn)行能量和物質(zhì)的交換。因此要站在耗散結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上來對室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行生態(tài)化設(shè)計，自然界、社會都需要和外部環(huán)境進(jìn)行能量交換。若是阻止了開放系統(tǒng)和外界之間的能量、物質(zhì)交換，那么系統(tǒng)的生命就會停止。與此同時，開放系統(tǒng)也會變成孤立的。

（二）和平衡態(tài)進(jìn)行疏離

耗散結(jié)構(gòu)理論中，對系統(tǒng)的平衡態(tài)、非平衡態(tài)的理解是開放的。在人類歷史上，一直在追尋人和人、人和物、物和物之間的系統(tǒng)平衡[2]。然而，這里的平衡也包括靜態(tài)和動態(tài)兩種。隨著社會的不斷發(fā)展，人們對世界的追求也逐漸趨于動態(tài)化。但耗散結(jié)構(gòu)理論認(rèn)為，只有和平衡態(tài)進(jìn)行疏離，才能更好地發(fā)展。在普利高津看來，一個非平衡的混亂的無序狀態(tài)里，能產(chǎn)生新的結(jié)構(gòu)，也就是耗散結(jié)構(gòu)。其對于理解關(guān)聯(lián)性以及非平衡社會的組織作用，具有重要的作用。

（三）生命系統(tǒng)和非平衡態(tài)

分析耗散結(jié)構(gòu)理論，發(fā)現(xiàn)有機(jī)體全部是開放性的系統(tǒng)，而且遠(yuǎn)離了平衡態(tài)。這主要是因為生命系統(tǒng)擁有一個和平衡系統(tǒng)相背離的本質(zhì)特征，其來自于生命系統(tǒng)的動態(tài)性。也就是說，生命過程只能在非平衡狀態(tài)中運行。普利高津認(rèn)為，所有的生命活動都有特征，這些特征表示生命中擁有超過熱力學(xué)分支平衡閾值以及和平衡態(tài)相背離的現(xiàn)象。

（四）開放系統(tǒng)和熵

在耗散結(jié)構(gòu)中，熵屬于非常重要的一個理念。19世紀(jì)末期，克勞修斯對熱機(jī)的循環(huán)進(jìn)行研究，提出了熵這個概念。熱機(jī)系統(tǒng)在每一次循環(huán)結(jié)束時，其中的狀態(tài)函數(shù)——熵，都會回到初始值?？藙谛匏箤㈧赜迷谙到y(tǒng)無序狀態(tài)下的動態(tài)性函數(shù)中，從而闡述系統(tǒng)能力的轉(zhuǎn)化過程。系統(tǒng)里的熵逐漸減少，有效能量也會增多。后來的研究者認(rèn)為，熵可以用來描述系統(tǒng)的無序程度。在孤立系統(tǒng)中，狀態(tài)會由非平衡態(tài)逐漸朝著平衡態(tài)轉(zhuǎn)變，使得熵函數(shù)越來越多。待系統(tǒng)完全變?yōu)槠胶鈶B(tài)，其內(nèi)部也會完全處于無序的狀態(tài)，熵函數(shù)逐漸增加。

三、生態(tài)設(shè)計理念

（一）生命以負(fù)熵為生

人體屬于開放的生命系統(tǒng)，其怎樣維持自身的生命特征呢？或者說，一個活的生命有機(jī)體是如何維持生命呢？這需要依靠生命系統(tǒng)的新陳代謝。換句話說，人通過吃、喝、呼吸或者另外的一些途徑，獲得人體生存必須的營養(yǎng)物質(zhì)，從而替換人體損耗的元素，從而完成人體的物質(zhì)交換。薛定諤認(rèn)為這樣的觀點是錯誤的，他認(rèn)為新陳代謝的本質(zhì)并非能量交換。這是因為人體所含的能力和物質(zhì)是相同的，都不會產(chǎn)生變化。如果體內(nèi)的卡路里和體外的卡路里價值相同，那么單純的交換沒有任何用處。

如果生命系統(tǒng)的延續(xù)和新陳代謝無任何關(guān)系，那么根據(jù)薛定諤的熵理論，則可以得出這樣的結(jié)論：若僅僅將重點放在系統(tǒng)方面，不考慮系統(tǒng)和外界之間的能量、物質(zhì)交換，則自然界中所有事物的發(fā)生，都會產(chǎn)生系統(tǒng)的熵，所以，一個生命系統(tǒng)也會不斷產(chǎn)生熵，逐漸趨于系統(tǒng)最大熵。這樣一來，系統(tǒng)會變得無序甚至很危險。為此，可以將重點放在開放系統(tǒng)的熵變化的其他因素方面，也就是系統(tǒng)外的熵傳遞。薛定諤認(rèn)為，解決的方法是不斷獲得負(fù)熵，有機(jī)體需要依靠負(fù)熵而存在。新陳代謝的存在促使有機(jī)體減少了很多的熵[3]。

（二）生態(tài)設(shè)計要引入負(fù)熵觀念

人體屬于開放的體系，會和外界產(chǎn)生物質(zhì)、能量方面的交換。若是上面所說的污染物由于人體系統(tǒng)的交換進(jìn)入人體，便會增加人體系統(tǒng)的熵，給健康帶來極大的危害。只有引進(jìn)負(fù)的熵流，促使人體系統(tǒng)產(chǎn)生原理平衡狀態(tài)的有序結(jié)構(gòu)，才能使得室內(nèi)環(huán)境更加和諧。

（三）生態(tài)設(shè)計的宗旨

薛定諤提出，在生態(tài)設(shè)計過程中，要促使生命體系中的熵被減少，就要找到傳遞至生命系統(tǒng)的負(fù)熵之源。必須在不違背自然規(guī)律的前提下，減少其中的熵，這是非常大的難題?？纱偈乖摾砟畋煌茝V到生態(tài)設(shè)計中，人體屬于一個開放的系統(tǒng)，房屋建筑則屬于人體系統(tǒng)依賴的外部環(huán)境，要將建筑變成人體系統(tǒng)的負(fù)熵之源，解決的方法有兩個：第一，房屋的功能是為人遮風(fēng)擋雨、保暖，除了要滿足這樣的功能，也不能阻止人體系統(tǒng)和外界進(jìn)行能量、物質(zhì)方面的交換;第二，要促使房屋建筑和人體系統(tǒng)產(chǎn)生能量、物質(zhì)方面的交換。

四、基于耗散結(jié)構(gòu)理論的生態(tài)型室內(nèi)設(shè)計

（一）生態(tài)型室內(nèi)設(shè)計

耗散結(jié)構(gòu)理論的特點是開放性，同時這也是耗散結(jié)構(gòu)維持的基礎(chǔ)。孤立系統(tǒng)的熵會產(chǎn)生變化，根據(jù)熱力學(xué)中的定律，這個系統(tǒng)不會產(chǎn)生新的有序結(jié)構(gòu)。也就是說，開放性并非產(chǎn)生耗散結(jié)構(gòu)的充分條件，其屬于必要條件。此外，若是開放系統(tǒng)中沒有引進(jìn)負(fù)熵流，引進(jìn)的是正熵流，那么就無法產(chǎn)生新的有序結(jié)構(gòu)，僅僅只能維持系統(tǒng)的無序狀態(tài)。在對室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行設(shè)計的過程中，要開發(fā)出有序的體系，從而自動輸入能量、物質(zhì)等，使其被轉(zhuǎn)化為新的形式輸出。生態(tài)型室內(nèi)環(huán)境具有開放性的特點，在設(shè)計完畢之后進(jìn)行裝修，室內(nèi)系統(tǒng)是封閉的。這樣一來，系統(tǒng)不能和外界進(jìn)行物質(zhì)、能量方面的交換。進(jìn)行裝修時，如果室內(nèi)的甲醛物質(zhì)不斷累積，而內(nèi)部環(huán)境又是封閉的，那么就容易威脅到人體健康。對室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行開放性設(shè)計，具體包括下面這幾個方面的內(nèi)容：

第一，促使室內(nèi)空氣流通。為了提高室內(nèi)環(huán)境的開放性，設(shè)計時要遵循流動性、通透性的原則，使得外界的空氣和室內(nèi)進(jìn)行交換。而且陽光屬于非常重要的負(fù)熵，所以室內(nèi)設(shè)計必須保證透光性，有充足的陽光。

第二，科學(xué)使用空氣凈化技術(shù)。目前，世界上出現(xiàn)了很多的空氣凈化技術(shù)。這些技術(shù)能起到改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的作用，常見的有HEPA過濾技術(shù)、活性炭凈化技術(shù)、嫁接高分子聚合技術(shù)、臭氧消毒技術(shù)、負(fù)離子凈化技術(shù)等[4]。在進(jìn)行應(yīng)用的時候，要根據(jù)室內(nèi)的實際情況，選擇適宜的空氣凈化技術(shù)，使得室內(nèi)環(huán)境更加開放。

第三，空氣混合對流設(shè)計。室內(nèi)空氣混合對流的設(shè)計方法，最常用的方法有兩種：第一種是合理設(shè)計室內(nèi)的空調(diào)體系，其中包括了變通型變風(fēng)量系統(tǒng)和定風(fēng)量一次、二次回風(fēng)系統(tǒng)，從而促使室外的新鮮空氣流通到室內(nèi)，最終實現(xiàn)室內(nèi)室外的空氣混合對流;第二種是經(jīng)常打開窗戶通風(fēng)，促使室內(nèi)和室外空氣實現(xiàn)混合對流。不僅如此，室內(nèi)環(huán)境的舒適度也受到相對濕度、溫度的影響。在促使室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)運行或打開門窗通風(fēng)時，必須對室內(nèi)的溫度、濕度進(jìn)行合理控制。

（二）種植一些植物，增加負(fù)熵

首先，可以通過植物來調(diào)節(jié)室內(nèi)的濕度。綠色植物能起到蒸騰的作用，增加室內(nèi)濕度。栽培植物的介質(zhì)也能增加水分，調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣。尤其是陽光充足的情況下，室內(nèi)綠色植物的光合作用、蒸騰作用會更強(qiáng)，帶來更多水分。這對于人體皮膚的保濕、呼吸保持等，都具有良好的作用。

其次，通過綠色植物來減少室內(nèi)的微生物。在裝修和居住時，室內(nèi)的細(xì)菌、病毒數(shù)量會逐漸增多。如果室內(nèi)擁有一些綠植，那么便會產(chǎn)生抗菌成分，抑制室內(nèi)微生物，減少細(xì)菌、病毒的產(chǎn)生。

然后，室內(nèi)的綠植能減少可吸入顆粒物的數(shù)量。人體若是吸入過多顆粒物，則會對健康造成一定的威脅。為此，可以在室內(nèi)種植金邊吊蘭、馬蹄蓮等植物，塑造一個良性的低熵環(huán)境，減少對人體健康的威脅。

最后，可以通過綠色植物來減少室內(nèi)的氣體污染。因為綠植在光合作用的狀態(tài)下，會形成很多的氧氣，和室內(nèi)的二氧化碳進(jìn)行交換，調(diào)節(jié)室內(nèi)的碳氧比。不僅如此，綠植還能增加空氣負(fù)離子的濃度，使得室內(nèi)空氣環(huán)境更加優(yōu)良。

五、結(jié)語

綜上所述，基于耗散結(jié)構(gòu)的生態(tài)室內(nèi)設(shè)計，不但要促使室內(nèi)環(huán)境更加開放，而且要在室內(nèi)種植一些植物。隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，負(fù)熵也在不斷增加。只有開展了科學(xué)合理的生態(tài)設(shè)計，在其中融入耗散結(jié)構(gòu)理論，才能真正實現(xiàn)人體系統(tǒng)的熵減。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：

鐘朝玲，江西環(huán)境工程職業(yè)學(xué)院工業(yè)與設(shè)計學(xué)院，副教授。研究方向：平面設(shè)計、工藝美術(shù)。