城市規(guī)劃中的分形思想與方法初探

田達(dá)睿+周慶華

內(nèi)容提要 分形理論作為研究復(fù)雜系統(tǒng)自相似規(guī)律的前沿理論，為城鎮(zhèn)空間規(guī)劃研究提供了新的視角和方法。分形理論與城鎮(zhèn)空間規(guī)劃設(shè)計的結(jié)合目前仍處于發(fā)展與積累階段，理論基礎(chǔ)和技術(shù)方法尚不成熟，應(yīng)用實踐亦較為缺乏。另外，對于陜北黃土高原等復(fù)雜地形地貌區(qū)而言，傳統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計方法難以充分應(yīng)對自然環(huán)境對城鎮(zhèn)空間發(fā)展的特殊制約，在該地域進(jìn)行分形規(guī)劃設(shè)計實踐比在平原地區(qū)城市更加合適，也更加緊迫。因此，本文圍繞分形思想、分形城市與現(xiàn)有城鎮(zhèn)空間規(guī)劃設(shè)計的協(xié)同關(guān)系，重點論述了分形城市的哲學(xué)內(nèi)涵、分形規(guī)劃的主導(dǎo)思想以及如何開展分形規(guī)劃設(shè)計工作等，這有助于對陜北黃土高原溝壑地區(qū)城鎮(zhèn)空間規(guī)劃的思維與方法進(jìn)行優(yōu)化與完善。

關(guān)鍵詞 分形 城鎮(zhèn)空間 規(guī)劃 陜北黃土高原

〔中圖分類號〕TU984 〔文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕A 〔文章編號〕0447-662X（2017）07-0125-04

作為研究復(fù)雜系統(tǒng)非線性特征的重要方法，分形理論始于1967年美國法裔數(shù)學(xué)家B.B.Mandelbort關(guān)于英國海岸線的研究；隨后在其發(fā)展40多年間，該理論逐漸擴展到了數(shù)學(xué)、地理學(xué)、經(jīng)濟學(xué)等多個學(xué)科的應(yīng)用中。分形理論認(rèn)為，分形體是大自然優(yōu)化結(jié)構(gòu)的體現(xiàn)，例如地貌、葉脈、河網(wǎng)、雪花等都具有典型的分形特征。大量模擬和實測研究表明，城鎮(zhèn)形態(tài)與結(jié)構(gòu)大都具有某種分形性質(zhì)和特征，可以用分維進(jìn)行刻畫。①但是現(xiàn)實中大部分城鎮(zhèn)的分形狀態(tài)離理想的分形優(yōu)化要求相距甚遠(yuǎn)，因此將分形理論引入城鎮(zhèn)空間規(guī)劃設(shè)計具有重要的研究價值。

在城鎮(zhèn)化浪潮還未席卷陜北黃土高原溝壑區(qū)之前，數(shù)千年來陜北黃土高原的城鄉(xiāng)空間都沿襲著尊重自然地形而自發(fā)建設(shè)的形式，歷經(jīng)時間洗禮最后形成了人與自然和諧的空間模式，并呈現(xiàn)出人居環(huán)境空間格局與自然地貌形態(tài)上的某種相似性。但近20年來，在陜北快速城鎮(zhèn)化建設(shè)過程中，由于過度依賴平原地區(qū)的城鎮(zhèn)化建設(shè)經(jīng)驗，黃土高原上流傳千年的風(fēng)土人文與自然環(huán)境特色被逐漸湮沒；同時，從該地區(qū)多年的規(guī)劃建設(shè)實踐中可以發(fā)現(xiàn)，以系統(tǒng)論為主導(dǎo)的城市規(guī)劃方法缺少足夠的適應(yīng)性應(yīng)對復(fù)雜的黃土高原地貌區(qū)的城鎮(zhèn)空間建設(shè)。因此，在陜北黃土高原地貌區(qū)進(jìn)行結(jié)合分形思想的城鎮(zhèn)空間規(guī)劃，能夠充分考慮空間分布的復(fù)雜性和高效性，改善其現(xiàn)有問題，對該地區(qū)的城鎮(zhèn)空間建設(shè)具有十分重要的意義。

一、分形城市的哲學(xué)內(nèi)涵

分形理論中充滿著辯證法思想，利用分形理論進(jìn)行城市規(guī)劃與建設(shè)，應(yīng)剖析分形理論與分形城市的哲學(xué)內(nèi)涵，從而將其有效地應(yīng)用到城鎮(zhèn)空間規(guī)劃設(shè)計中去。

1. 確定與隨機統(tǒng)一：分形自組織性

城市空間的形成過程一直被兩種不同的機制所影響，一種是自組織機制，即城市根據(jù)自身所處環(huán)境和特征自發(fā)衍生形成；另一種為他組織機制，是根據(jù)人們的期望來規(guī)劃設(shè)計城市并引導(dǎo)其建設(shè)。分形城市規(guī)劃是這兩種影響城市發(fā)展空間因素的結(jié)合，其既包含著偶然性，也包含著規(guī)律性。具體而言，分形主要是從事物的內(nèi)在組織角度出發(fā)，重視自然所形成的規(guī)律，這是從自組織角度進(jìn)行分析；而城市規(guī)劃建設(shè)是通過外力干預(yù)進(jìn)行控制與引導(dǎo)的。因此，基于分形理論的城市建設(shè)是將自然規(guī)律與外部干預(yù)作用統(tǒng)一起來，通過動態(tài)發(fā)展模式使城市在建設(shè)過程中融入很多偶然性的因素，從而保留自然隨機的特色，使城市空間得到更有效的調(diào)節(jié)和修正。

2. 簡單與復(fù)雜統(tǒng)一：分形迭代秩序

對于城市這一巨系統(tǒng)，認(rèn)知其中更深層次的簡單和復(fù)雜關(guān)系，對于城市規(guī)劃設(shè)計具有重要作用。 “分形迭代法則”是有效詮釋簡單和復(fù)雜這一辯證關(guān)系的重要依據(jù)。分形是由遞歸迭代等邏輯關(guān)系演變而來的、具有多變性和冗余性的一類特別形體，在自然界當(dāng)中，任何形態(tài)復(fù)雜但形成規(guī)律嚴(yán)謹(jǐn)有序的物體，例如樹葉的脈絡(luò)、雪花以及晚霞等，都呈現(xiàn)出典型的分形特征。同樣，人居環(huán)境的空間特征也是高度復(fù)雜多樣的，但運用分形理論分析，能夠幫助我們了解城鎮(zhèn)復(fù)雜化層面下所隱藏的簡單化，同時啟示我們尊重人類構(gòu)建生活空間的內(nèi)在規(guī)律與傳統(tǒng)法則。

3. 整體與局部統(tǒng)一：分形自相似性

從系統(tǒng)論上講，整體與局部差別顯著，且局部難以表征整體。但分形理論強調(diào)整體與局部、局部與局部的自相似性，對于局部與整體的關(guān)系做出了另一種詮釋，就是整體與局部、局部與局部的自相似性。一般來說，系統(tǒng)論依托于整體，通常由宏觀到微觀逐級進(jìn)行，從而對整體構(gòu)造進(jìn)行全面考察，并逐漸深入各系統(tǒng)和具體細(xì)節(jié)；而分形自相似性則以局部為起始點，從微觀到宏觀逐級組建系統(tǒng)構(gòu)造，經(jīng)過詳細(xì)解析局部進(jìn)而明確整體特點。系統(tǒng)論與分形論完整地反映了整體與部分之間的雙向過程，共同構(gòu)成了辯證的思維方法。

二、分形城市規(guī)劃的主導(dǎo)思想

依據(jù)上述分形城市的內(nèi)涵，本文從空間組織、規(guī)劃思路、傳統(tǒng)傳承三個方面提出了借鑒分形理論進(jìn)行城市規(guī)劃工作的思路，以實現(xiàn)分形思維在城市空間規(guī)劃與設(shè)計中的應(yīng)用。

1. “分形元”與“迭代秩序”相結(jié)合

分形形態(tài)的生成就是最小單元 “分形元”按照一定邏輯秩序逐級地累加和演變，整個過程都反映了自相似與自組織的思想。由此可以發(fā)現(xiàn)，分形元與迭代秩序是構(gòu)成分形的兩大基本元素。因此，對于基于分形思想的城市規(guī)劃而言，這兩大元素也是構(gòu)成分形城市空間的兩大核心元素。

分形元的建構(gòu)是分形城市空間組織的首要工作。通過解析本地自然環(huán)境因素與人工環(huán)境因素，尋找具有人性化且與環(huán)境相互協(xié)調(diào)的最小尺度的人居單元；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)?shù)厝藗儗ΜF(xiàn)代生活方式、習(xí)慣的訴求，對從圖紙中抽象出的原始分形元和空間肌理進(jìn)行重構(gòu)、優(yōu)化與完善，完成構(gòu)建分形元的核心工作。只有經(jīng)過解構(gòu)和重構(gòu)過程生成的“分形元”才能夠被應(yīng)用于分形城市的空間設(shè)計當(dāng)中。

明確分形元之后要解決的另一個核心問題就是其應(yīng)該依照哪種原則與規(guī)律來組織發(fā)展、存在差別的尺度等級間怎樣銜接等，也就是理清城市空間的迭代秩序。一般來說，根據(jù)分形幾何遞歸的特點可以推導(dǎo)出城市空間的迭代秩序：分形元作為迭代秩序組織的起始點，按照某一遞歸規(guī)律進(jìn)行擴張生長，例如院落嵌套院落的組織模式。陜北黃土高原地區(qū)的地貌本就具有一定的迭代秩序，因此城鎮(zhèn)建設(shè)更應(yīng)尊重歷史與自然環(huán)境，探究并且總結(jié)出區(qū)域地形和現(xiàn)有城鎮(zhèn)的層級迭代特點與復(fù)雜特征，通過對現(xiàn)有迭代秩序的更正與完善，引導(dǎo)城鎮(zhèn)空間合理有序發(fā)展。endprint

2. “自上而下建構(gòu)”與“自下而上衍生”相結(jié)合

構(gòu)建分形城市形態(tài)，首先應(yīng)從大尺度入手逐級加密填充，其次就是在小尺度通過要素的增加與鏈接，完成對更高層級的構(gòu)建。自上而下的“添加式”規(guī)劃作為一個全方位的事前計劃，具備整體掌控與戰(zhàn)略指導(dǎo)的必須性；而自下而上逐級生長的有機模式則更具備動態(tài)性、漸進(jìn)性和操作性?；诜中嗡季S的現(xiàn)代城鎮(zhèn)規(guī)劃設(shè)計不僅需要在最大尺度層級對整體分形結(jié)構(gòu)的層級秩序、結(jié)構(gòu)框架和衍生途徑加以明確，奠定分形空間填充的基本范圍與尺度，并展示出宏觀形態(tài)；還要在最小尺度層級確定怎樣連接和關(guān)聯(lián)分形元，進(jìn)而形成較為完整的空間生長路徑。

3. “地域傳統(tǒng)基因”與“現(xiàn)代形式”相結(jié)合

現(xiàn)代城鎮(zhèn)與傳統(tǒng)城鎮(zhèn)展現(xiàn)出了兩種截然不同的城鎮(zhèn)空間組織原則，各自特征區(qū)別顯著，但各有優(yōu)劣。傳統(tǒng)城鎮(zhèn)強調(diào)與自然的融合，而現(xiàn)代城鎮(zhèn)規(guī)劃制約的特征更加顯著。分形城市規(guī)劃希望將傳統(tǒng)人居環(huán)境基因與現(xiàn)代城市功能性空間進(jìn)行融合統(tǒng)一，并將城鎮(zhèn)現(xiàn)代布局與傳統(tǒng)因素完美結(jié)合。

因此，立足于分形理論，城鎮(zhèn)規(guī)劃工作對于傳統(tǒng)肌理與現(xiàn)代空間的解析與重構(gòu)，應(yīng)防止兩個極端模式：一是過度崇拜和復(fù)制空間原型，不僅不能滿足現(xiàn)代城市的發(fā)展需要，而且很難掌握傳統(tǒng)城鎮(zhèn)的精髓；二是完全無視原型，忽視了人居環(huán)境的地域特點以及空間要素的適應(yīng)程度，從而產(chǎn)生了很多城市問題。分形城市規(guī)劃能夠綜合地域傳統(tǒng)基因與現(xiàn)代形式的各自優(yōu)點，引導(dǎo)空間融入當(dāng)代城市發(fā)展的格局中。

三、分形城市規(guī)劃的方法

在明確了分形城市規(guī)劃的基本思路之后，如何進(jìn)一步探討分形城市規(guī)劃設(shè)計的程序與內(nèi)容，實現(xiàn)分形思想對于規(guī)劃設(shè)計方法的指導(dǎo)成為當(dāng)務(wù)之急。分形城市規(guī)劃設(shè)計將拓展當(dāng)前城市規(guī)劃設(shè)計的內(nèi)容，改進(jìn)傳統(tǒng)的思維方式與技術(shù)方法，其步驟既被整合于現(xiàn)有規(guī)劃設(shè)計程序中，又有其特殊性。

1. 當(dāng)前城市空間規(guī)劃設(shè)計的主線

現(xiàn)階段城市空間的規(guī)劃設(shè)計和操作路徑可歸納為以下三個階段：首先是前期分析，在規(guī)劃城市空間發(fā)展方案之前，要對目標(biāo)對象的基本特點和基礎(chǔ)資料進(jìn)行定性與定量分析，這是開展城市規(guī)劃設(shè)計工作的前提。其次就是規(guī)劃設(shè)計方案的生成?；诂F(xiàn)狀調(diào)查與分析研究工作，梳理關(guān)鍵問題、揭示影響城鎮(zhèn)空間生成與發(fā)展的重要因素，并以此為切入點進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計。在此過程中，構(gòu)建合理的城市空間結(jié)構(gòu)是重點。最后則是方案比選、后續(xù)評估及反饋。城市規(guī)劃方案的評價結(jié)果能夠揭示方案的優(yōu)點和不足，便于不同方案之間的對比與擇取，有利于最終形成綜合完善的優(yōu)化方案。

基于當(dāng)前以“前期分析、中期方案、后期評價”為主線的城市規(guī)劃設(shè)計程序，結(jié)合分形理論的核心思想與測度方法，搭建“前期分析解構(gòu)分形秩序、中期規(guī)劃重構(gòu)分形形態(tài)、后期評估優(yōu)化分形方案”的分形規(guī)劃設(shè)計程序與方法，從而將分形思維導(dǎo)向下的城市空間設(shè)計融入現(xiàn)有的城市規(guī)劃設(shè)計方法體系中，如圖1所示。

2. 規(guī)劃前期：現(xiàn)狀研究中加入“分析解構(gòu)分形秩序”

在現(xiàn)有的城鎮(zhèn)空間現(xiàn)狀調(diào)研與分析工作中增加“自然環(huán)境與城鎮(zhèn)空間的分形特征分析”的環(huán)節(jié)，對于復(fù)雜地形區(qū)的城市規(guī)劃工作有著十分積極的作用。通過這一環(huán)節(jié)的工作，完成對地形地貌、城鎮(zhèn)歷史信息以及現(xiàn)狀空間要素和系統(tǒng)的分形分析，尋找地域原生態(tài)基因的分形元和迭代秩序，使規(guī)劃師對當(dāng)?shù)氐牡赜蚧卣髁私飧忧逦瑸楹罄m(xù)設(shè)計中地域傳統(tǒng)基因與現(xiàn)代形式的結(jié)合奠定良好的基礎(chǔ)。

（1）區(qū)域自然景觀的分形解構(gòu)：城鎮(zhèn)用地擴展的基礎(chǔ)

陜北黃土高原千溝萬壑的地形地貌奠定了該地區(qū)城鎮(zhèn)空間呈現(xiàn)分枝狀的特征，這一獨特性是陜北黃土高原人居環(huán)境發(fā)展的重要脈絡(luò)。因此，在現(xiàn)狀分析中，除了對高程、坡向等分析外，還要充分了解對象區(qū)域溝壑地貌、水系網(wǎng)絡(luò)等自然要素的分形特征，并應(yīng)擴展到城市外部更大空間內(nèi)的地域自然特征，這些內(nèi)容將成為探討城鎮(zhèn)未來發(fā)展路徑的重要依據(jù)和影響因素。

（2）傳統(tǒng)街區(qū)建筑基因的分形解構(gòu)：城鎮(zhèn)肌理設(shè)計的“分形元”

此外，利用自上而下的城市空間設(shè)計方式所形成的居住單元因缺乏實用性、歸屬性和地域性而往往難以滿足當(dāng)?shù)鼐用竦男枨螅绕湓陉儽秉S土高原地區(qū)，特殊的地理單元形成的具有半公共半私密性的街坊居住形式很容易被一般的現(xiàn)代住宅模式所取代。因此，通過對歷史和現(xiàn)狀街區(qū)單元和建筑要素的解析，提煉人居環(huán)境空間的地域特點與組織模式，以這些基因精華作為重要前提和依據(jù)進(jìn)行街區(qū)空間的自組織設(shè)計。

總之，規(guī)劃前期對自然環(huán)境、城鎮(zhèn)歷史空間等要素的“分形解構(gòu)”并非簡單地模仿某一具體空間形態(tài)，而是在進(jìn)行城鎮(zhèn)空間規(guī)劃設(shè)計之前充分挖掘和分析城鎮(zhèn)市空間組織的內(nèi)在邏輯與歷史脈絡(luò)、自然環(huán)境的獨特肌理與構(gòu)成，以此作為指導(dǎo)后續(xù)城鎮(zhèn)空間布局與設(shè)計的關(guān)鍵因素，從而使制定的方案符合當(dāng)?shù)鼐用裨V求、滿足城市發(fā)展要求，使工程設(shè)計彰顯人文內(nèi)涵。

3. 規(guī)劃中期：方案設(shè)計中加入“重構(gòu)再生分形結(jié)構(gòu)”

分形城市規(guī)劃設(shè)計希望發(fā)揮分形自組織與規(guī)劃他組織的各自優(yōu)勢，構(gòu)建主動營造城市秩序的積極導(dǎo)控方法，而非消極被動地自我調(diào)控。分形理論主張通過自下而上的形式實現(xiàn)城市的自我調(diào)整并尊重自身發(fā)展規(guī)律，但這種形式并不是一味地放任城市無序擴張或盲目建設(shè)，而是構(gòu)建一套合理的城市空間發(fā)展路徑、結(jié)構(gòu)與模式，并在此引導(dǎo)下展開空間“生長”。因此，應(yīng)把“自上而下的整體結(jié)構(gòu)框架與自下而上的局部空間填充”共同納入規(guī)劃方法與過程中。其中所說的結(jié)構(gòu)框架是指在城市特定基礎(chǔ)上形成的包括城市規(guī)模等級、用地形態(tài)和空間體系秩序在內(nèi)的整體框架，能保證城市建設(shè)朝著準(zhǔn)確的方向進(jìn)行，例如陜北黃土高原地區(qū)的城鎮(zhèn)建設(shè)中，應(yīng)適應(yīng)當(dāng)?shù)靥厥獾牡匦蔚孛箔h(huán)境，以分形優(yōu)化的生態(tài)基底系統(tǒng)作為城市總體空間格局設(shè)計的前提。

4. 規(guī)劃后期：方案比選與優(yōu)化中加入“分形指標(biāo)評估”

該評估工作是在城市規(guī)劃設(shè)計的中、后期，以分形理論及分形指標(biāo)體系為依據(jù)對城鎮(zhèn)空間方案的合理性和效果進(jìn)行綜合研判。在多個設(shè)計方案比較中，根據(jù)分形理論中的指標(biāo)數(shù)據(jù)可提取出不同方案的優(yōu)缺點，并反饋到設(shè)計方案中進(jìn)行調(diào)整，從而提煉出最適宜的規(guī)劃策略并由此得到最完善的方案設(shè)計?；诜中我暯堑姆桨冈u估改變了單向、線性的規(guī)劃設(shè)計流程，形成了漸進(jìn)式、螺旋上升的動態(tài)工作進(jìn)程?？傊?，分形評價指標(biāo)體系的建立將推動城市規(guī)劃設(shè)計的定量化、科學(xué)化與數(shù)字化的進(jìn)程。

四、結(jié)語

分形規(guī)劃設(shè)計是將分形理論引入城鎮(zhèn)空間規(guī)劃后的產(chǎn)物，強調(diào)人工環(huán)境與自然生態(tài)環(huán)境相融合。以陜北黃土高原地區(qū)為例，其自然空間與人居空間都具有特殊性，如果該地區(qū)的規(guī)劃建設(shè)局限于歐式幾何學(xué)的思維與方法中，很可能造成城鎮(zhèn)空間分形性質(zhì)的衰退、人與自然的矛盾對立加劇。因此，將分形思維與方法引入陜北黃土高原地區(qū)的城市規(guī)劃設(shè)計更為必要且更具優(yōu)勢性。陜北黃土高原地區(qū)的城市分形規(guī)劃設(shè)計有利于該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境和歷史脈絡(luò)的保護(hù)、恢復(fù)，也有利于凸顯其自身的地域特點，實現(xiàn)現(xiàn)代城鎮(zhèn)與自然生態(tài)環(huán)境、歷史人文環(huán)境相互融合。

作者單位：田達(dá)睿，西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院；周慶華，西安建筑科技大學(xué)城市規(guī)劃設(shè)計研究院endprint