基于分形幾何的擬態(tài)建筑設(shè)計(jì)研究

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引言

在上個(gè)世紀(jì)七十年代,曼德?tīng)柌悸逄赝ㄟ^(guò)對(duì)海岸線的研究之后,提出最早的分形學(xué)的概念,當(dāng)時(shí)只是對(duì)自然界中無(wú)法用幾何學(xué)進(jìn)行描述的事物就行研究,如:彩虹、冰雹、河流等。隨著時(shí)間的推移,分形學(xué)逐漸被應(yīng)用到建筑設(shè)計(jì)上,形成一種獨(dú)特的設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)方法和評(píng)價(jià)手段,再加上計(jì)算機(jī)的應(yīng)用使得分形幾何的建筑設(shè)計(jì)體系更加完善,充分將環(huán)境與建筑緊密聯(lián)系起來(lái),創(chuàng)造出一種新的建筑形態(tài)。

一、樹(shù)狀分支的結(jié)構(gòu)擬態(tài)分形

在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中,計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力為分形圖案的迭代生成提供了強(qiáng)有力的支撐,但分形迭代多數(shù)涉及簡(jiǎn)單的形式重復(fù)疊加與迭代表象的描述,分形迭代的建筑圖案、圖形設(shè)計(jì)居多,適用性、可行性設(shè)計(jì)研究相對(duì)較少。隨著分形算法被提出,其具有自我迭代和自我相似的特點(diǎn)被放大,能夠極大的促進(jìn)應(yīng)用性,在發(fā)展之初主要是應(yīng)用到植物學(xué)中。樹(shù)狀分支擬態(tài)分形作為分形算法中之一,其由通過(guò)自然界中的樹(shù)木枝杈演變而來(lái),不僅形態(tài)和結(jié)構(gòu)都具有樹(shù)枝的美感,而且其具備良好的結(jié)構(gòu)性。

(一)古典建筑結(jié)構(gòu)中的分支分形。從古自今,無(wú)論是西方還是東方的建筑結(jié)構(gòu),都存在一些分支分形的設(shè)計(jì)理念,例如:我國(guó)古典建筑的斗拱,或者西方哥特式建筑中的教堂肋架拱頂,都能看到一些樹(shù)枝形態(tài)的影子。如果將斗拱進(jìn)行拆分之后,可以更加明顯的發(fā)現(xiàn)其存在的分形迭代特點(diǎn),并具有很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性和層次性,可以在第一跳和第二跳體現(xiàn)出來(lái),以第一跳的的華拱與橫拱為起始層,然后第二跳在第一跳的基礎(chǔ)上,迭代為一個(gè)華拱并在左右兩側(cè)分別添加一個(gè)橫拱。而肋架拱頂也具有同樣的迭代方式,肋架拱頂是以柱頭為基礎(chǔ),添加一定數(shù)量的肋架并向上延伸,然后從兩個(gè)肋架之間開(kāi)始迭代,生成一條新的次級(jí)肋架,就這樣一層層的迭代完成肋架拱頂?shù)慕ㄔO(shè)。

(二)樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的仿生分形模擬。在1968年,林登邁耶首次提出用于生成分形圖形的理念,用于植物生長(zhǎng)的模擬,這也是模擬樹(shù)木枝干的分形形態(tài)的前身。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展,仿生分形模擬理念已經(jīng)完善和具有一定優(yōu)勢(shì),其通過(guò)模擬樹(shù)狀結(jié)構(gòu)不僅具有自然的美感,而且還具有大樹(shù)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。例如:在印度孟買(mǎi)的TOTE餐廳,其設(shè)計(jì)靈感就是房屋周圍的樹(shù)木來(lái)為人們遮風(fēng)擋雨,然后使用分形分支系統(tǒng)模擬樹(shù)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

二、自相似嵌套和并置的立面擬態(tài)分形

自相似嵌套和并置的立面擬態(tài)分形理念來(lái)源于大自然中有關(guān)聯(lián)的物體,如:蜂巢、泡沫各種晶體等,其特點(diǎn)是具有一定的規(guī)則排列和關(guān)聯(lián)。自相似嵌套和并置方法在此基礎(chǔ)上,通過(guò)與分形自相似對(duì)稱的理論進(jìn)行結(jié)合,從而實(shí)現(xiàn)將根據(jù)功能或空間要求進(jìn)行重復(fù)嵌套或并置,能夠?qū)⒂^眾帶入到韻律的節(jié)奏變化之中,使得建筑設(shè)計(jì)更加賦有感染力。

(一)自相似嵌套立面設(shè)計(jì)。自相似嵌套以建筑中分形單元為基底,根據(jù)建筑空間和功能的需求來(lái)進(jìn)行迭代設(shè)計(jì),主要是通過(guò)不同尺寸和方向的縮放來(lái)完成不同層次的建筑設(shè)計(jì)。為了達(dá)到建筑空間的層次感和節(jié)奏感,在進(jìn)行每一個(gè)小空間和大空間設(shè)計(jì)時(shí),要將其進(jìn)行由大到小的嵌套組合,每一個(gè)大空間或者小空間都要有其獨(dú)特的嵌套排列方式。

(二)自相似并置表皮設(shè)計(jì)。自相似并置與自相似嵌套主要的區(qū)別在于,對(duì)于圖形的生成方式不同。分形自相似并置不通過(guò)應(yīng)用嵌套方式來(lái)進(jìn)行控制圖形尺寸,從而迭代生成圖案,而且通過(guò)對(duì)某一類具備分形自相似的圖形進(jìn)行分類,然后對(duì)一定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行并置排列,每一個(gè)分形單元不具有嵌套聯(lián)系,主要是通過(guò)迭代來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑表皮設(shè)計(jì)。

三、環(huán)境要素?cái)M態(tài)分形

在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)的時(shí)候,要重視對(duì)周圍環(huán)境的利用與保護(hù),將建筑對(duì)環(huán)境所造成的破壞降到最低,最好能夠使得建筑與環(huán)境融為一體。因此,作為一名建筑設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō),要不斷提升自身的設(shè)計(jì)理念,加強(qiáng)對(duì)分形概念的理解,將不同的事物或者元素能夠聯(lián)系起來(lái),不要根據(jù)主觀意識(shí)來(lái)舍棄每一個(gè)元素,將環(huán)境與建筑形成分形同構(gòu)的狀態(tài),使二者能夠緊密聯(lián)系在一起。

(一)地形擬態(tài)設(shè)計(jì)。在利用地形擬態(tài)進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí),其設(shè)計(jì)原理就是應(yīng)用分形自相似,首先從建筑內(nèi)部或者外部出發(fā),根據(jù)建筑的形態(tài)或者結(jié)構(gòu)來(lái)模擬建筑周圍的環(huán)境,進(jìn)而使得建筑能夠與外部環(huán)境緊密相連。其次,在進(jìn)行地形擬態(tài)設(shè)計(jì)過(guò)程中,要對(duì)建筑進(jìn)行分形元復(fù)現(xiàn),選取建筑周圍的某一點(diǎn)最為初始分形元,可以是樹(shù)木、石頭或者河流等提,然后進(jìn)行迭代處理得到合適的尺度層級(jí),從而加強(qiáng)建筑與環(huán)境之間的聯(lián)系。

(二)環(huán)境融合度評(píng)價(jià)。分形學(xué)認(rèn)為分形圖案是由不同的分維數(shù)構(gòu)成,所以可以用分維數(shù)表現(xiàn)分形圖案在空間中的變化趨勢(shì)。因此,分維數(shù)同樣適用于表征建筑設(shè)計(jì)與環(huán)境之間的融合度,分維數(shù)通過(guò)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)與城市街道進(jìn)行分析之后,將很復(fù)雜的環(huán)境進(jìn)行量化,進(jìn)而表現(xiàn)為較為直觀的數(shù)據(jù)結(jié)果,能夠協(xié)助建筑設(shè)計(jì)師完成建筑的設(shè)計(jì)與檢驗(yàn),為建筑與環(huán)境的融合設(shè)計(jì)提供方向。

四、結(jié)束語(yǔ)

分形擬態(tài)設(shè)計(jì)應(yīng)用到建筑設(shè)中有很多優(yōu)勢(shì),由于分形擬態(tài)設(shè)計(jì)可以對(duì)建筑整體或者部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),從而可以保證建筑結(jié)構(gòu)的合理性,減少不必要的設(shè)計(jì)和支出,滿足人們對(duì)于建筑功能的需求。其次,分形幾何的擬態(tài)建筑設(shè)計(jì)理念,保證建筑空間和功能的基礎(chǔ)上,使建筑與環(huán)境融為一個(gè)整體,提高建筑設(shè)計(jì)的實(shí)用性。