基于分形几何的拟态建筑设计研究

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引言

在上个世纪七十年代,曼德尔布洛特通过对海岸线的研究之后,提出最早的分形学的概念,当时只是对自然界中无法用几何学进行描述的事物就行研究,如:彩虹、冰雹、河流等。随着时间的推移,分形学逐渐被应用到建筑设计上,形成一种独特的设计理念、设计方法和评价手段,再加上计算机的应用使得分形几何的建筑设计体系更加完善,充分将环境与建筑紧密联系起来,创造出一种新的建筑形态。

一、树状分支的结构拟态分形

在计算机图形学中,计算机强大的计算能力为分形图案的迭代生成提供了强有力的支撑,但分形迭代多数涉及简单的形式重复叠加与迭代表象的描述,分形迭代的建筑图案、图形设计居多,适用性、可行性设计研究相对较少。随着分形算法被提出,其具有自我迭代和自我相似的特点被放大,能够极大的促进应用性,在发展之初主要是应用到植物学中。树状分支拟态分形作为分形算法中之一,其由通过自然界中的树木枝杈演变而来,不仅形态和结构都具有树枝的美感,而且其具备良好的结构性。

(一)古典建筑结构中的分支分形。从古自今,无论是西方还是东方的建筑结构,都存在一些分支分形的设计理念,例如:我国古典建筑的斗拱,或者西方哥特式建筑中的教堂肋架拱顶,都能看到一些树枝形态的影子。如果将斗拱进行拆分之后,可以更加明显的发现其存在的分形迭代特点,并具有很强的结构性和层次性,可以在第一跳和第二跳体现出来,以第一跳的的华拱与横拱为起始层,然后第二跳在第一跳的基础上,迭代为一个华拱并在左右两侧分别添加一个横拱。而肋架拱顶也具有同样的迭代方式,肋架拱顶是以柱头为基础,添加一定数量的肋架并向上延伸,然后从两个肋架之间开始迭代,生成一条新的次级肋架,就这样一层层的迭代完成肋架拱顶的建设。

(二)树状结构的仿生分形模拟。在1968年,林登迈耶首次提出用于生成分形图形的理念,用于植物生长的模拟,这也是模拟树木枝干的分形形态的前身。经过多年发展,仿生分形模拟理念已经完善和具有一定优势,其通过模拟树状结构不仅具有自然的美感,而且还具有大树的结构稳定性。例如:在印度孟买的TOTE餐厅,其设计灵感就是房屋周围的树木来为人们遮风挡雨,然后使用分形分支系统模拟树状结构进行设计的。

二、自相似嵌套和并置的立面拟态分形

自相似嵌套和并置的立面拟态分形理念来源于大自然中有关联的物体,如:蜂巢、泡沫各种晶体等,其特点是具有一定的规则排列和关联。自相似嵌套和并置方法在此基础上,通过与分形自相似对称的理论进行结合,从而实现将根据功能或空间要求进行重复嵌套或并置,能够将观众带入到韵律的节奏变化之中,使得建筑设计更加赋有感染力。

(一)自相似嵌套立面设计。自相似嵌套以建筑中分形单元为基底,根据建筑空间和功能的需求来进行迭代设计,主要是通过不同尺寸和方向的缩放来完成不同层次的建筑设计。为了达到建筑空间的层次感和节奏感,在进行每一个小空间和大空间设计时,要将其进行由大到小的嵌套组合,每一个大空间或者小空间都要有其独特的嵌套排列方式。

(二)自相似并置表皮设计。自相似并置与自相似嵌套主要的区别在于,对于图形的生成方式不同。分形自相似并置不通过应用嵌套方式来进行控制图形尺寸,从而迭代生成图案,而且通过对某一类具备分形自相似的图形进行分类,然后对一定区域内进行并置排列,每一个分形单元不具有嵌套联系,主要是通过迭代来实现建筑表皮设计。

三、环境要素拟态分形

在进行建筑设计的时候,要重视对周围环境的利用与保护,将建筑对环境所造成的破坏降到最低,最好能够使得建筑与环境融为一体。因此,作为一名建筑设计师来说,要不断提升自身的设计理念,加强对分形概念的理解,将不同的事物或者元素能够联系起来,不要根据主观意识来舍弃每一个元素,将环境与建筑形成分形同构的状态,使二者能够紧密联系在一起。

(一)地形拟态设计。在利用地形拟态进行建筑设计时,其设计原理就是应用分形自相似,首先从建筑内部或者外部出发,根据建筑的形态或者结构来模拟建筑周围的环境,进而使得建筑能够与外部环境紧密相连。其次,在进行地形拟态设计过程中,要对建筑进行分形元复现,选取建筑周围的某一点最为初始分形元,可以是树木、石头或者河流等提,然后进行迭代处理得到合适的尺度层级,从而加强建筑与环境之间的联系。

(二)环境融合度评价。分形学认为分形图案是由不同的分维数构成,所以可以用分维数表现分形图案在空间中的变化趋势。因此,分维数同样适用于表征建筑设计与环境之间的融合度,分维数通过对建筑结构与城市街道进行分析之后,将很复杂的环境进行量化,进而表现为较为直观的数据结果,能够协助建筑设计师完成建筑的设计与检验,为建筑与环境的融合设计提供方向。

四、结束语

分形拟态设计应用到建筑设中有很多优势,由于分形拟态设计可以对建筑整体或者部分结构设计,从而可以保证建筑结构的合理性,减少不必要的设计和支出,满足人们对于建筑功能的需求。其次,分形几何的拟态建筑设计理念,保证建筑空间和功能的基础上,使建筑与环境融为一个整体,提高建筑设计的实用性。