基于分形理論的龍南地域性建筑創作研究
——以贛州南部旅游集散中心為例

冒亞龍 ，徐小娟

（1 華南理工大學 建筑學院，廣東廣州 510641； 2 華南理工大學建筑設計研究院有限公司，廣東廣州 510641；3 亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣東廣州 510640）

0 引言

分形理論是20 世紀70 年代迅速發展起來的學科，是當今三大非線性科學前沿理論之一，自其誕生以來就被廣泛地應用到各學科研究中。在建筑學領域，分形理論相關研究成果較多，大概分為以下四類：一是側重對分形理論相關概念的建筑化延伸以及對建筑分形現象的解析，如沈源[1]利用幾何學相關知識，研究空間形式設計的客觀構成法則，總結建筑空間的構成邏輯，對建筑設計具有指導價值；二是利用分形自相似、尺度層級等理論對建筑設計手法進行探討，如林秋達[2]以分形理論為指導，探討適用于建筑生形和建筑設計的算法系統，具有一定的創新；三是利用分形的維數理論對傳統民居展開定性和定量分析， 重新解讀傳統文化，如李彥潼、朱雅琴等人[3]運用分形理論對廣西南寧市村落空間形態進行量化分析，為以后當地鄉村規劃提供參考；四是利用分形美學特征對建筑進行分析評價， 為建筑審美提供科學的方法，如林小松、吳越[4]提出分形美學是超越傳統的統一與變化原則的全新的建筑形式美的基本法則。

歸納和分析現有的研究結果，本文運用分形自相似、尺度層級、迭代生成思維等進行龍南地域性建筑創作，延續當地的文化分形基因，探討龍南分形地域性設計策略和創作邏輯，并總結其中的非線性思維方式，旨在為地域性建筑創作提供借鑒。

1 分形與建筑設計

1.1 分形理論

“分形”的概念是由本華·曼德勃羅1（B.B.Mandelbrot）在 1970年代首先提出的。 分形理論是以分形幾何為數學基礎的，與歐式幾何描述簡單規則的對象不同，它可以用來描述自然界中很多無法用歐氏幾何描述的不規則物體。 分形理論主要是由維數理論、自相似理論、尺度層級理論和迭代理論組成。

1.2 分形在建筑學中的應用

分形反映事物局部與整體的辯證關系，提供一種從微觀認識宏觀的新的方法論，它所體現的哲學思想與形式美學原則對建筑學具有指導價值。 在建筑設計方面，除了可以運用維數理論作為建筑測量和評價的工具外，還可以利用簡單的分形規則生成復雜的空間韻律，拓展建筑師的創新思路。在建筑評價方面，分形為觀察事物提供了新的角度和方法，利用分形美學原則可以對建筑進行量化分析，為建筑評價提供科學的方法和手段。

2 龍南傳統圍屋的分形特質與文脈傳承

龍南縣位于贛州南部，下轄8 鎮5 鄉，94 個村落[5]。贛南圍屋分布以龍南縣最為集中，據不完全調查統計，龍南現存圍屋200余座，以方形為主，還有半圓形、八卦形及一些不規則村圍，蘊含著深厚的歷史文化底蘊[6]。龍南地區為丘陵山地地形，屬于亞熱帶季風氣候，日照充足，溫暖多雨。 客家人結合贛南獨特的地理環境構建了極具地域特色的聚落形式，無論是聚落還是建筑空間形態都無意識地運用了分形的手法。

2.1 聚落整體空間形態

以關西圍屋群聚落為例，它是聚族而居的建筑群體，自相似性是其空間形態所體現的重要分形特征之一。 建筑呈散狀布局，整體是隨地形特征分布的聚落空間組織形式，聚落的道路組織隨地形等高線有機分布，呈現一定的自相似性和鑲嵌特征。 同時關西圍屋群聚落亦是分形單元自相似迭代的結果，通過“間-各功能房間-基本構成單元-各式民居-建筑群落-圍屋聚落” 的迭代過程，緊密結合當地環境，經過不斷地適應性調整，形成了一個有機統一、相互關聯的相似性整體（圖1）。 建筑對場地和氣候的分形適應使整體呈現豐富性，對功能結構的需求和宜人居住環境的自組織性使整體呈現一定的秩序感，兩者相互聯系，最終形成建筑空間與自然環境在維度和形態上的高度相似。

圖1 圍屋聚落的分形迭代

2.2 建筑單體空間形態

圍屋單體均運用“建筑+院落”的組織原則進行建構，整體呈現異質同構的自相似的空間形態，從而演繹出聚落空間形態的規則性和復雜性。 此外，圍屋單體還呈現出尺度層級豐裕的建筑立面形態，圍屋建筑外立面雖然簡潔樸實，但是卻蘊含著豐富的建筑細節，給觀者構建了完整連續的立面尺度層級系統。 以關西新圍為例（圖2），結合計盒維數法2對圍屋立面形態進行分析，選取基本柵格單元尺度為3m，劃分格數為8、16、32 和64，立面圖形所占格數對應為27、86、278 和916，分別代入維數公式計算可得：

圖2 關西圍屋立面柵格劃分

根據以上計算所得數據，取三者的平均數（D1+D2+D3）/3 得出平均維數值為1.695，對比羅比住宅立面的盒維數1.441[7]，關西圍屋立面具有較高的分形維數值。 且隨著觀者距離的減小，可觀察的立面細節越多，從立面整體尺度劃分到門窗開洞，再到尺度更小的門窗裝飾、材料紋理等，表達了尺度層級的豐富性，體現了圍屋建筑立面獨特的分形美。

2.3 贛南圍屋的分形美

贛南地區獨特的自然文化和社會人文文化不斷被吸收沉淀，融入在當地民居建筑和場地環境的營造過程中，那些隱藏在圍屋深層的文化因子便被延續下來， 體現了傳統建筑美學的特征，如對稱性、向心性、秩序性等，具有極高的歷史藝術價值。 總體布局上，圍屋聚落整體空間形態呈現自然有序的分形美。 建筑呈散狀布局，建筑及其交通組織都隨地形等高線布置，所以聚落整體空間組織與自然地形在維度和形態上高度相似。 空間上，圍屋具有自相似對稱的分形美。 以祖堂為中心，對稱分布各功能房間，形體沿內部層層跌落，主次分明，呈現贛南地區獨特的向心有序的空間布局形式，這亦是中國傳統文化及客家崇宗敬祖的道德禮儀的體現。功能上，圍屋是集家、祠、堡于一體的聚居式建筑。圍屋封閉厚實的外墻、建筑立面的梯形窗、炮眼及建筑四角的炮樓等防御結構，都是地域文化與社會文化二者碰撞后迭代融合的結果。 而圍屋采用挑檐、回廊、天井等被動式設計手段進行通風遮陽處理，則是地域文化在建筑上的體現。

綜上，贛南圍屋聚落及其建筑雖沒有明確運用分形思維進行建構，但是在各個層面都表現出無意識的隨機分形思想。 近年來，建筑在形式、材料及建造技術等方面呈現出趨同現象，立足本土文化，研究傳統建筑的空間特征多樣性及形態美學價值變得至關重要。 圍屋獨特的空間形態及其所體現的分形美學特征為當代地域性建筑創作提供了新思路，具有極高的借鑒價值。

3 龍南地域性建筑創作分形解析

旅游集散中心設計(圖3 a）是在分形思維下進行的地域性建筑創作嘗試。 項目位于龍南縣里仁鎮高鐵新區，東臨栗園圍路，南臨同文路與高鐵站，西鄰高鐵南路，北臨文景路，其中東側的栗園圍是龍南占地面積最大、歷史最悠久的圍屋村落，人文氣息濃厚(圖3 b）。 項目總用地面積為64385㎡，總建筑面積為73866㎡，由旅游集散中心、博覽中心和會展中心三大塊組成，承旅游集散、會議接待、文化博覽等綜合功能于一體。 設計結合自相似迭代、尺度層級等手法來闡述分形建筑創作邏輯， 總結分形具體應對策略，并將圍屋建筑空間與文化這一普遍性的抽象基因植入其中，打造具有龍南精神的時代新地標。

圖3 項目概況

3.1 建筑與環境的“異質同構”分形策略

維數理論是分形的關鍵內容之一，定量刻畫分形特征的參數是分形維數，它是貫穿分形理論的主線[8]。不僅在總平面設計時要考慮植入建筑與用地邊界、周邊環境等的維數值的近似性，而且在豎向設計中， 也要考慮場地地形與場地剖切線維度值的近似性。 項目所處地理位置優越，但是在項目規劃構思時卻遇到一些挑戰：一是高鐵站站前廣場的主要人流方向與栗園圍景觀節點軸線相銜接的矛盾；二是相對較小的建筑面積與營造氣勢恢宏的龍南新地標的矛盾；三是客家文化元素的轉譯與建筑時代性的矛盾等。

通過運用分形自相似構成和嵌套的設計原理來生成復雜韻律。 首先，在總平面規劃時以植入建筑不破壞整體環境的維度為前提， 使建筑和場地內關聯的各元素與周邊環境形成分形同構（圖4a），兩者維數值保持一致；其次，結合高鐵新區與栗園圍的空間架構和轉成關系，形成“一軸一心一帶二組團”的空間結構（圖4 b），與基地周邊環境取得聯系，建筑與環境有機統一；再次，結合場地高差處理，考慮場地豎向空間分形設計，使規劃后的場地豎向關系與原有場地地形具有近似的維度值（圖4c）。同時在進行場地規劃設計時，以時間維度來塑造場地的空間序列，并植入地域特征鮮明的客家文化元素，使場地與文脈之間形成互含式的持續迭代[9]。

圖4 旅游集散中心總體規劃構思

3.2 建筑形體的“自相似迭代”分形策略

分形的自相似性反映自然界中物質的局部與局部、局部與整體之間在形態、功能、信息、時間與空間等方面具有統計意義上的自相似性[10]。 項目不僅在總體布局與城市空間形態上有一定的相似性， 而且在建筑形式上也與圍屋文化之間形成相似性同構，呼應了客家傳統圍屋建筑的內向性、對稱性、秩序性等分形美學特征，延續圍屋建筑的分形基因。

以旅游博覽中心為例， 通過提取客家傳統圍屋層層嵌套的“空間分形元”， 再將其作為初始條件輸入分形迭代系統而生成。首先，結合功能和朝向等需求，對提煉元素旋轉得到建筑基本分形空間單元，并將基本分形元進行并置迭代，組合得到建筑基本平面，這是建筑形體的第一次迭代；將分形元等比例縮放到原來的0.5 倍，形成庭院空間，完成建筑形體的第二次迭代；在保持內部結構邏輯不變的情況下對其進行仿射性分形變換，對體量斜切處理，這是建筑形體的第三次迭代；對自相似變換得到的庭院按0.8 比例縮放形成中庭空間，到此建筑形體分形迭代完成。 最后，結合綠色建筑設計完善建筑形體細部構件，形成“圍屋兄弟”的建筑形態（圖5a）。 同理，會展中心（圖5b）和集散中心（圖5c）形體亦是通過基本單元分形迭代生成的，二者分別是對“圍屋建筑原型”“小武當山山體原型”進行提煉，得到建筑基本分形單元，再通過對其進行迭代而生成的。 運用分形自相似迭代的思想，使建筑形態與龍南地域文化形成呼應，從而建立起與客家圍屋相似的邏輯性關聯，形成有層次的、自相似和諧的建筑形態。

圖5 旅游集散中心形體“自相似迭代”

3.3 功能空間組織的時空分形策略

通過運用時空分形來塑造豐富變化的空間序列，使觀者感受不同的時間維度和空間豐度，引導他們進入設計者所營造的有著不同時期歷史文化感受的精神世界。 以博覽中心為例（圖6），首先空間上借鑒圍屋“建筑+院落”的組織模式，通過對其進行異質同構轉換，形成“建筑+中庭”的平面布局。然后在相同的邏輯建構下進行相似性迭代，生成一系列功能房間和交通空間，通過這些空間的有機組合，最終形成了時空關聯的圍屋文化展覽館。 在空間秩序營造上，參觀者沿臺階拾級而上，進入門廳，從寬大的入口視覺空間到相對狹小的室內門廳，二者空間尺度上的對比給觀者帶來不同的心理感受。 借助豎向交通，圍繞中庭空間，參觀不同主題的文化展館，當參觀者置身于建筑空間時，圍屋文化是按照時間分形展開的，建筑空間序列展現了時間和空間的豐度，觀者的內在體驗是豐富多元的。 在參觀路徑的設計上，以中庭為核心布置不同時間主題的文化展廳，按照“過去-現在-未來”的時序組織展覽路徑。 在觀展過程中，觀者不僅能時時與場地景觀庭院進行視線交流， 還能眺望周邊栗園圍人文景觀和龍南高鐵新時代建筑，與歷史和未來進行對話，引發觀者無限的暢想和回憶。

圖6 博覽中心主要平面圖

3.4 空間尺度的比例控制分形策略

尺度層級理論是分形理論的另一個重要特征，是結構秩序的一種體現[11]。 自然界中無論生命體還是非生命體都有其內在結構和生成邏輯，蘊含著豐富的尺度層級，整體和局部呈現層層相似嵌套的關系。 在建筑設計中亦是如此，當人接近建筑時，只有出現連續相似的建筑細部才能讓人感知到建筑的親切感和尺度感，才會吸引人們前進。

在旅游集散中心項目中，結合分形美學尺度層級原理，關注人與空間尺度之間的關系， 加強人與建筑之間的感知度和親切度。 比如總平規劃時，除了維系場地各要素間的“異質同構”關系，在尺度把控上也有一定的考慮，場地整體與局部以及局部更下一層級細部的比例近2.7。 相關尺度層級的分形設計如下（圖7）：（1）基地縱深尺度294m；（2） 場地的中心景觀庭院尺度 120×90m；（3） 中心廣場尺度 42mx30m， 入口廣場半徑約 42m；（4） 城市道路寬15m，景觀水池寬14m，入口臺階跨度16m；（5） 場地內步行道路寬 5m；（6） 景觀步行道路寬 2m，臺階平臺寬 2m；（7） 綠化景觀 帶 0.8m； ⑧ 臺 階 寬 0.3m。 這 樣 得 到 一 個 集 合 Xn{294，120，42，15，5，2，0.75，0.3}，通過計算相鄰兩級比率 Xn+1/Xn得到結果為{2.5，2.9，2.8，3，2.5，2.6，2.5}。顯然總圖各層級的尺度比例約2.7，場地整體與局部各元素之間連續且相互關聯，隨著人的距離改變，會有不同層次的空間感受。

圖7 總平尺度層級

4 文脈關聯的地域建筑分形策略

文化的發展是一個地方文化與時代文化不斷迭代的過程，包含傳承與創新的雙重屬性。 設計通過挖掘客家圍屋的“文化原型”，結合時代文化， 展現建筑的地域性、文化性和時代性。 在項目創作中，主要通過以下兩種分形設計手法完成文化分形：一是地域文化元素的分形轉譯， 以旅游展覽中心為例，在建筑立面的設計構思中，通過提取圍屋立面的防御孔這一文化元素，結合分形對其原型進行現代化的轉譯，將其組織在立面形態設計中，形成與圍屋文化邏輯相一致的、相關聯的自相似的建筑形態；二是文化信息的分形迭代，運用文化分形來整合場地文脈，將文化信息組織在場地的空間序列中，形成“一軸一心一帶二組團”的空間規劃結構（圖8）。以位于南北軸線上的中心廣場陽明心苑為核心，統領整體，從南到北依次布置燕翼林丘——關西廣場——陽明心苑——太平橋塢——龍灘碧臺——武當丹庭這一融合龍南地域文化和歷史文化的廣場空間序列，烘托旅游博覽中心的主體建筑形象。 其中，“一帶”為寫意百丈龍灘的淺水池，隱喻藏龍；“二節點”為建筑主體入口空間景觀節點，整體形成“圍屋之韻，山水之靈”的設計意向。 在設計過程中，充分挖掘龍南地域文化和人文文化特征，運用分形的思維方式將文化元素或信息重復組織在空間序列中，體現了“龍南之神，圍屋之韻，山水之靈，聚合之氣”的龍南文化精神，豐富了觀者文化與空間的體驗維度。

圖8 歷史文化景觀軸線

5 結語

結合和借鑒圍屋建筑的分形特質，利用分形自相似、尺度層級等理論，對分形的地域性建筑創作進行探討，并總結設計中分形應對策略。 首先，建筑與環境的“同質異構”分形策略，以植入建筑不破壞整體的維度為前提， 維持場地各元素的分維一致性，形成異質同構，達到建筑與環境的和諧統一；其次，建筑形體的“自相似迭代”分形策略，通過挖掘龍南圍屋的“空間分形元”“小武當山山體分形元”，運用分形自相似迭代的手法，回應龍南圍屋與小武當山自然景觀特征， 打造具有龍南文化精神的地域性建筑；第三，功能空間組織的時空分形策略，利用時間維度塑造建筑空間序列，放大并再現龍南客家建筑與文化，給觀者帶來豐富多元的圍屋文化空間體驗；第四，空間尺度的比例控制分形策略，利用分形構建豐富連續的尺度層級系統，關注人與建筑尺度的適宜性關系，使建筑與人之間產生良好的互動體驗和情感共鳴，加強人對建筑的感知度；第五，文脈關聯的地域建筑分形策略，通過對文化元素的轉譯和文化信息分形迭代，將地方文化信息組織在場地空間建構中，彰顯地域特征，完成龍南客家文化在建筑空間形態中的迭代與更新。