混沌理論對城市規劃設計的啟示

張慶華 楊峰 劉筱

0 引言

混沌理論是繼量子力學、相對論后的第三次革命,物理學家福特說:“相對論消除了關于絕對空間與時間的幻想;量子力學則消除了關于可控測量過程的牛頓式的夢;而混沌則徹底消除了拉普拉斯關于確定論式可預測性的幻想[1]。”在相對論、量子論和混沌三大理論中,唯有混沌適用于大到天體、小到微觀粒子的研究,因此是一次范圍更廣、規模更大的科學飛躍。混沌理論揭示了一個動態開放的耗散系統在不確定、復雜多變的環境中呈現出隨機行為背后的非線性動力問題。它的基本原理是自然界和人類社會中普遍存在著的“無序”中的“有序”,“隨機”中的“確定”的統一[2]。

城市建設系統是一個混沌系統,具有典型的非周期的、貌似無規律的無序穩態運動形態。城市規劃設計(Urban Planning)是研究城市的未來發展、城市的合理布局和綜合安排城市各項工程建設的綜合部署,本質上是對城市建設系統優化的一個動態的過程設計。傳統城市規劃設計觀是基于拉普拉斯確定論,視城市規劃設計過程為線性的封閉系統,具有確定性和可預見性等,事實上城市規劃設計過程是動態的,不僅有預設,還有生成,而且生成具有非常重要的發展價值。

目前,混沌理論已經逐步滲透到自然科學和社會科學的各個方面。從混沌的角度思考傳統城市規劃設計,可以帶來一些新的啟示,也大大拓展了現代城市規劃設計研究的思維視野。

1 混沌系統的主要特征及對城市規劃設計的啟示

1.1 內在隨機性和非線性——注重動態規劃設計

內在隨機性指的是對于一個確定的系統,在一定的條件下,能夠自發的產生某些隨機行為。傳統科學認為,引發系統隨機行為的隨機因素都是非本質、非內在的東西,而混沌理論認為系統的內在隨機性是事物內在固有的本質屬性。非線性是典型的混沌運動矢量特征,是對混沌運動軌跡的描述。系統內的非線性變因(內隨機變因)是混沌產生的根本。具有內隨機變因的系統稱之為非線性系統(混沌系統),否則就是線性系統[3]。

認識系統的內在隨機性和非線性對城市規劃設計有著重要的啟示意義。傳統的城市規劃設計觀是基于拉普拉斯確定論,一般是一種線性的一維過程,認為只要確定了初始的城市規劃目標和具體的控制措施,就可以確定城市未來的運動狀態。特別是近年來,許多城市規劃部門將城市總體規劃做到控制性詳細規劃深度,甚至對城市幾十年后的建設也做了具體的規劃和控制措施,然而,城市建設系統作為混沌系統的一種表現形式,不可避免的受到這樣或那樣的環境擾動,由于非線性作用,初始條件的不確定性會隨時間成指數式放大,因此,大范圍的控制性詳細規劃和遠景規劃是不可能做到的。正確的規劃思想應該是實行動態規劃設計,將“自上而下”和“自下而上”相結合,并建立有效的反饋機制。大范圍的控制性詳細規劃沒有意義,但是可以宏觀的做出一些規劃要求,這是一個“自上而下”的過程。同時還需要來自一個城市內部,充分調動個體創造性的城市自組織過程,這是一個“自下而上”的過程。這兩個過程應該不斷的往復循環,逐漸達到共識,以此為基礎再制定較為詳細的可行方案[4]。

1.2 對初始狀態的敏感依賴性——注重城市規劃設計的細節和初始定位

對初始狀態的敏感依賴性又稱“蝴蝶效應”,它是美國麻省理工學院教授E.N.洛倫茲于1972年12月29日在美國科學發展學會第139次會議上提出的,E.N.洛倫茲提出一個貌似荒謬的論斷:在巴西亞馬遜河一只蝴蝶煽動翅膀,三個月后能夠在美國得克薩斯州產生一場龍卷風,并由此提出了天氣的不可準確預報性。“蝴蝶效應”說明了在確定的非線性系統內,初始條件的微小偏差能夠引起系統結果的極大差異。城市作為非線性的復雜系統,“蝴蝶效應”也必然發揮著巨大的作用。

注重城市規劃設計的初始定位就是要將城市規劃設計與當地的自然環境因素和歷史文化因素相融合,才能產生和諧的效果。這些對城市初始定位的因素差異,將會在城市的長期發展和演化過程中被逐步放大,從而導致各個城市的發展結果大相徑庭。中國城市表現出來的北雄南秀、西獷東精以及早期城市形態江浙地區的小橋流水、豫魯地區的雄渾凝重正是城市早期的初始差異因素不斷被放大的結果。

“蝴蝶效應”這一特性還要求我們必須認真對待每一項設計以及設計中的每一細節。城市作為一個復雜系統,不可能分解和還原成部分,因為部分通過迭代和反饋彼此不斷相互包容而成為了整體,每一設計細節的實施都有可能對整個城市產生難以估量的影響。我們每一個設計都在真實地改變著整個城市[5]。

1.3 奇異吸引子(Strange attractors)——注重增長極和生長點

吸引子是對應于混沌運動的物理過程的一個抽象數學概念,是系統被吸引并最終固定于某一狀態的性態。有三種不同的吸引子控制和限制物體的運動程度,即吸引不動點、極限環和奇異吸引子(即混沌吸引子或洛倫茲吸引子)。前兩者起著限制的作用以便系統的性態呈現出靜態的、平衡性特征,故它們也叫做收斂性吸引子。奇異吸引子則與前兩者不同,它使系統偏離收斂性吸引子的區域而導向不同的性態。它通過誘發系統的活力,使其變為非預設模式,從而創造了不可預測性。一個系統的兩個相反行為(收斂性吸引子與奇異吸引子)之間的相互作用與張力觸發了一個局部豐富多樣的復雜的巨大模式[3]。奇異吸引子的這一重要特征要求我們在城市規劃設計中要注重促進增長極和生長點。

從空間角度分析,城市的發生和發展就是在擇優的區位所進行的空間集聚。城市空間的發展首先是在優質區位形成生長點,然后逐步分化。當生長點地區發展產生了主導產業,則該地區通過極化和擴散過程,形成增長極。增長極所在區域對其周邊區域的影響與奇異吸引子的效應相似。非平衡是有序之源,適度的區位差是城市向有序化發展的動力。為保證城市空間能夠可持續發展,規劃在宏觀上應促進增長極的形成和發展,微觀上應優先生長點的建設,并根據不同時期的發展特點,采用不同的策略[6]。

1.4 分形(Fractals)——注重城市結構的整體性和局部性的統一

分形是著名數學家曼德爾布諾特(Mandelbrot)于1975年提出的新概念。所謂分形是指外表極其豐富多姿或破碎雜亂,但其內部卻有層次性、自相似性、遞歸性及仿射變換不變性等確定性特征的一類現象或體系[5]。

混沌系統的自相似結構,可以通過遞歸法來生成。遞歸運算的表達式稱為遞歸式或迭代式。遞歸函數表示為:f(xn+1)=f(xn)。此遞歸函數的特點是計算的結果不斷的代回方程本身,影響下一次計算的結果,這不僅反映了系統的反饋特性,而且反映了系統級遞歸的分形特征和生成潛能。可見,城市的發展演化遵循迭代機制,因此,也具有分形的特征[7]。

分形具有自相似性,它可以通過認識局部來映像整體,局部和整體間具有辯證統一的關系。混沌系統的這一特征要求我們在城市規劃設計中要注重城市結構的整體性和局部性的統一。在城市規劃設計中宏觀上保持城市的整體性,合理的布置整個城市的功能分區和資源分配,有利于優化城市局部結構,促進局部功能的發揮。在注重城市結構的整體性原則的基礎上,合理布置城市的局部結構也是至關重要的一環。由于城市的發展演化遵循迭代機制,城市局部的每次突破都被繼承下來,并被逐步的迭代放大,因此,局部也影響著整體。

2 結語

混沌理論是繼量子力學、相對論后的第三次革命,適用于大到天體、小到微觀粒子的研究,因此是一次范圍更廣、規模更大的科學飛躍。目前,混沌理論已經逐步滲透至自然科學和社會科學的各個領域,極大的改變了我們傳統的思維方式。Henry Adams說“有序培養習慣,混沌塑造生命”[3]。有效地運用混沌學原理于城市建設系統,從混沌的角度重新思考傳統城市規劃設計,有助于我們從傳統城市規劃設計的藩籬中解放出來,真正進入到創造性的非線性城市規劃設計活動中。

[1] 鄧宗琦.混沌學的歷史和現狀[A].國家數學天元基金資助課題報告[R].1997.

[2] 高素春.混沌理論在企業項目管理中的應用探討[J].項目管理技術,2007(6):15-16.

[3] 申傳勝.混沌的基本特征及其在教學設計中的應用[J].安慶師范學院學報,2008(6):76-77.

[4] 方 可.“復雜”之道——探求一種新的舊城更新規劃設計方法[J].城市規劃,1997(7):28-33.

[5] 劉 洋.混沌理論對建筑與城市設計領域的啟示[J].建筑學報,2005(6):32-33.

[6] 段 進.城市空間發展論[M].南京:江蘇科學技術出版社,2000:80-87.

[7] 蘇宏志,陳永昌.混沌和分形理論解釋了建筑和城市演化的圖景[J].新建筑,2008(2):75-77.