基于分形幾何的擬態(tài)建筑設計研究

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引言

在上個世紀七十年代,曼德爾布洛特通過對海岸線的研究之后,提出最早的分形學的概念,當時只是對自然界中無法用幾何學進行描述的事物就行研究,如:彩虹、冰雹、河流等。隨著時間的推移,分形學逐漸被應用到建筑設計上,形成一種獨特的設計理念、設計方法和評價手段,再加上計算機的應用使得分形幾何的建筑設計體系更加完善,充分將環(huán)境與建筑緊密聯(lián)系起來,創(chuàng)造出一種新的建筑形態(tài)。

一、樹狀分支的結構擬態(tài)分形

在計算機圖形學中,計算機強大的計算能力為分形圖案的迭代生成提供了強有力的支撐,但分形迭代多數(shù)涉及簡單的形式重復疊加與迭代表象的描述,分形迭代的建筑圖案、圖形設計居多,適用性、可行性設計研究相對較少。隨著分形算法被提出,其具有自我迭代和自我相似的特點被放大,能夠極大的促進應用性,在發(fā)展之初主要是應用到植物學中。樹狀分支擬態(tài)分形作為分形算法中之一,其由通過自然界中的樹木枝杈演變而來,不僅形態(tài)和結構都具有樹枝的美感,而且其具備良好的結構性。

(一)古典建筑結構中的分支分形。從古自今,無論是西方還是東方的建筑結構,都存在一些分支分形的設計理念,例如:我國古典建筑的斗拱,或者西方哥特式建筑中的教堂肋架拱頂,都能看到一些樹枝形態(tài)的影子。如果將斗拱進行拆分之后,可以更加明顯的發(fā)現(xiàn)其存在的分形迭代特點,并具有很強的結構性和層次性,可以在第一跳和第二跳體現(xiàn)出來,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上,迭代為一個華拱并在左右兩側分別添加一個橫拱。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,添加一定數(shù)量的肋架并向上延伸,然后從兩個肋架之間開始迭代,生成一條新的次級肋架,就這樣一層層的迭代完成肋架拱頂?shù)慕ㄔO。

(二)樹狀結構的仿生分形模擬。在1968年,林登邁耶首次提出用于生成分形圖形的理念,用于植物生長的模擬,這也是模擬樹木枝干的分形形態(tài)的前身。經(jīng)過多年發(fā)展,仿生分形模擬理念已經(jīng)完善和具有一定優(yōu)勢,其通過模擬樹狀結構不僅具有自然的美感,而且還具有大樹的結構穩(wěn)定性。例如:在印度孟買的TOTE餐廳,其設計靈感就是房屋周圍的樹木來為人們遮風擋雨,然后使用分形分支系統(tǒng)模擬樹狀結構進行設計的。

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)分形理念來源于大自然中有關聯(lián)的物體,如:蜂巢、泡沫各種晶體等,其特點是具有一定的規(guī)則排列和關聯(lián)。自相似嵌套和并置方法在此基礎上,通過與分形自相似對稱的理論進行結合,從而實現(xiàn)將根據(jù)功能或空間要求進行重復嵌套或并置,能夠將觀眾帶入到韻律的節(jié)奏變化之中,使得建筑設計更加賦有感染力。

(一)自相似嵌套立面設計。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進行迭代設計,主要是通過不同尺寸和方向的縮放來完成不同層次的建筑設計。為了達到建筑空間的層次感和節(jié)奏感,在進行每一個小空間和大空間設計時,要將其進行由大到小的嵌套組合,每一個大空間或者小空間都要有其獨特的嵌套排列方式。

(二)自相似并置表皮設計。自相似并置與自相似嵌套主要的區(qū)別在于,對于圖形的生成方式不同。分形自相似并置不通過應用嵌套方式來進行控制圖形尺寸,從而迭代生成圖案,而且通過對某一類具備分形自相似的圖形進行分類,然后對一定區(qū)域內進行并置排列,每一個分形單元不具有嵌套聯(lián)系,主要是通過迭代來實現(xiàn)建筑表皮設計。

三、環(huán)境要素擬態(tài)分形

在進行建筑設計的時候,要重視對周圍環(huán)境的利用與保護,將建筑對環(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,作為一名建筑設計師來說,要不斷提升自身的設計理念,加強對分形概念的理解,將不同的事物或者元素能夠聯(lián)系起來,不要根據(jù)主觀意識來舍棄每一個元素,將環(huán)境與建筑形成分形同構的狀態(tài),使二者能夠緊密聯(lián)系在一起。

(一)地形擬態(tài)設計。在利用地形擬態(tài)進行建筑設計時,其設計原理就是應用分形自相似,首先從建筑內部或者外部出發(fā),根據(jù)建筑的形態(tài)或者結構來模擬建筑周圍的環(huán)境,進而使得建筑能夠與外部環(huán)境緊密相連。其次,在進行地形擬態(tài)設計過程中,要對建筑進行分形元復現(xiàn),選取建筑周圍的某一點最為初始分形元,可以是樹木、石頭或者河流等提,然后進行迭代處理得到合適的尺度層級,從而加強建筑與環(huán)境之間的聯(lián)系。

(二)環(huán)境融合度評價。分形學認為分形圖案是由不同的分維數(shù)構成,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。因此,分維數(shù)同樣適用于表征建筑設計與環(huán)境之間的融合度,分維數(shù)通過對建筑結構與城市街道進行分析之后,將很復雜的環(huán)境進行量化,進而表現(xiàn)為較為直觀的數(shù)據(jù)結果,能夠協(xié)助建筑設計師完成建筑的設計與檢驗,為建筑與環(huán)境的融合設計提供方向。

四、結束語

分形擬態(tài)設計應用到建筑設中有很多優(yōu)勢,由于分形擬態(tài)設計可以對建筑整體或者部分結構設計,從而可以保證建筑結構的合理性,減少不必要的設計和支出,滿足人們對于建筑功能的需求。其次,分形幾何的擬態(tài)建筑設計理念,保證建筑空間和功能的基礎上,使建筑與環(huán)境融為一個整體,提高建筑設計的實用性。