基于分形理论的龙南地域性建筑创作研究——以赣州南部旅游集散中心为例

冒亚龙 ，徐小娟

（1 华南理工大学 建筑学院，广东广州 510641； 2 华南理工大学建筑设计研究院有限公司，广东广州 510641；3 亚热带建筑科学国家重点实验室，广东广州 510640）

0 引言

分形理论是20 世纪70 年代迅速发展起来的学科，是当今三大非线性科学前沿理论之一，自其诞生以来就被广泛地应用到各学科研究中。在建筑学领域，分形理论相关研究成果较多，大概分为以下四类：一是侧重对分形理论相关概念的建筑化延伸以及对建筑分形现象的解析，如沈源[1]利用几何学相关知识，研究空间形式设计的客观构成法则，总结建筑空间的构成逻辑，对建筑设计具有指导价值；二是利用分形自相似、尺度层级等理论对建筑设计手法进行探讨，如林秋达[2]以分形理论为指导，探讨适用于建筑生形和建筑设计的算法系统，具有一定的创新；三是利用分形的维数理论对传统民居展开定性和定量分析， 重新解读传统文化，如李彦潼、朱雅琴等人[3]运用分形理论对广西南宁市村落空间形态进行量化分析，为以后当地乡村规划提供参考；四是利用分形美学特征对建筑进行分析评价， 为建筑审美提供科学的方法，如林小松、吴越[4]提出分形美学是超越传统的统一与变化原则的全新的建筑形式美的基本法则。

归纳和分析现有的研究结果，本文运用分形自相似、尺度层级、迭代生成思维等进行龙南地域性建筑创作，延续当地的文化分形基因，探讨龙南分形地域性设计策略和创作逻辑，并总结其中的非线性思维方式，旨在为地域性建筑创作提供借鉴。

1 分形与建筑设计

1.1 分形理论

“分形”的概念是由本华·曼德勃罗1（B.B.Mandelbrot）在 1970年代首先提出的。 分形理论是以分形几何为数学基础的，与欧式几何描述简单规则的对象不同，它可以用来描述自然界中很多无法用欧氏几何描述的不规则物体。 分形理论主要是由维数理论、自相似理论、尺度层级理论和迭代理论组成。

1.2 分形在建筑学中的应用

分形反映事物局部与整体的辩证关系，提供一种从微观认识宏观的新的方法论，它所体现的哲学思想与形式美学原则对建筑学具有指导价值。 在建筑设计方面，除了可以运用维数理论作为建筑测量和评价的工具外，还可以利用简单的分形规则生成复杂的空间韵律，拓展建筑师的创新思路。在建筑评价方面，分形为观察事物提供了新的角度和方法，利用分形美学原则可以对建筑进行量化分析，为建筑评价提供科学的方法和手段。

2 龙南传统围屋的分形特质与文脉传承

龙南县位于赣州南部，下辖8 镇5 乡，94 个村落[5]。赣南围屋分布以龙南县最为集中，据不完全调查统计，龙南现存围屋200余座，以方形为主，还有半圆形、八卦形及一些不规则村围，蕴含着深厚的历史文化底蕴[6]。龙南地区为丘陵山地地形，属于亚热带季风气候，日照充足，温暖多雨。 客家人结合赣南独特的地理环境构建了极具地域特色的聚落形式，无论是聚落还是建筑空间形态都无意识地运用了分形的手法。

2.1 聚落整体空间形态

以关西围屋群聚落为例，它是聚族而居的建筑群体，自相似性是其空间形态所体现的重要分形特征之一。 建筑呈散状布局，整体是随地形特征分布的聚落空间组织形式，聚落的道路组织随地形等高线有机分布，呈现一定的自相似性和镶嵌特征。 同时关西围屋群聚落亦是分形单元自相似迭代的结果，通过“间-各功能房间-基本构成单元-各式民居-建筑群落-围屋聚落” 的迭代过程，紧密结合当地环境，经过不断地适应性调整，形成了一个有机统一、相互关联的相似性整体（图1）。 建筑对场地和气候的分形适应使整体呈现丰富性，对功能结构的需求和宜人居住环境的自组织性使整体呈现一定的秩序感，两者相互联系，最终形成建筑空间与自然环境在维度和形态上的高度相似。

图1 围屋聚落的分形迭代

2.2 建筑单体空间形态

围屋单体均运用“建筑+院落”的组织原则进行建构，整体呈现异质同构的自相似的空间形态，从而演绎出聚落空间形态的规则性和复杂性。 此外，围屋单体还呈现出尺度层级丰裕的建筑立面形态，围屋建筑外立面虽然简洁朴实，但是却蕴含着丰富的建筑细节，给观者构建了完整连续的立面尺度层级系统。 以关西新围为例（图2），结合计盒维数法2对围屋立面形态进行分析，选取基本栅格单元尺度为3m，划分格数为8、16、32 和64，立面图形所占格数对应为27、86、278 和916，分别代入维数公式计算可得：

图2 关西围屋立面栅格划分

根据以上计算所得数据，取三者的平均数（D1+D2+D3）/3 得出平均维数值为1.695，对比罗比住宅立面的盒维数1.441[7]，关西围屋立面具有较高的分形维数值。 且随着观者距离的减小，可观察的立面细节越多，从立面整体尺度划分到门窗开洞，再到尺度更小的门窗装饰、材料纹理等，表达了尺度层级的丰富性，体现了围屋建筑立面独特的分形美。

2.3 赣南围屋的分形美

赣南地区独特的自然文化和社会人文文化不断被吸收沉淀，融入在当地民居建筑和场地环境的营造过程中，那些隐藏在围屋深层的文化因子便被延续下来， 体现了传统建筑美学的特征，如对称性、向心性、秩序性等，具有极高的历史艺术价值。 总体布局上，围屋聚落整体空间形态呈现自然有序的分形美。 建筑呈散状布局，建筑及其交通组织都随地形等高线布置，所以聚落整体空间组织与自然地形在维度和形态上高度相似。 空间上，围屋具有自相似对称的分形美。 以祖堂为中心，对称分布各功能房间，形体沿内部层层跌落，主次分明，呈现赣南地区独特的向心有序的空间布局形式，这亦是中国传统文化及客家崇宗敬祖的道德礼仪的体现。功能上，围屋是集家、祠、堡于一体的聚居式建筑。围屋封闭厚实的外墙、建筑立面的梯形窗、炮眼及建筑四角的炮楼等防御结构，都是地域文化与社会文化二者碰撞后迭代融合的结果。 而围屋采用挑檐、回廊、天井等被动式设计手段进行通风遮阳处理，则是地域文化在建筑上的体现。

综上，赣南围屋聚落及其建筑虽没有明确运用分形思维进行建构，但是在各个层面都表现出无意识的随机分形思想。 近年来，建筑在形式、材料及建造技术等方面呈现出趋同现象，立足本土文化，研究传统建筑的空间特征多样性及形态美学价值变得至关重要。 围屋独特的空间形态及其所体现的分形美学特征为当代地域性建筑创作提供了新思路，具有极高的借鉴价值。

3 龙南地域性建筑创作分形解析

旅游集散中心设计(图3 a）是在分形思维下进行的地域性建筑创作尝试。 项目位于龙南县里仁镇高铁新区，东临栗园围路，南临同文路与高铁站，西邻高铁南路，北临文景路，其中东侧的栗园围是龙南占地面积最大、历史最悠久的围屋村落，人文气息浓厚(图3 b）。 项目总用地面积为64385㎡，总建筑面积为73866㎡，由旅游集散中心、博览中心和会展中心三大块组成，承旅游集散、会议接待、文化博览等综合功能于一体。 设计结合自相似迭代、尺度层级等手法来阐述分形建筑创作逻辑， 总结分形具体应对策略，并将围屋建筑空间与文化这一普遍性的抽象基因植入其中，打造具有龙南精神的时代新地标。

图3 项目概况

3.1 建筑与环境的“异质同构”分形策略

维数理论是分形的关键内容之一，定量刻画分形特征的参数是分形维数，它是贯穿分形理论的主线[8]。不仅在总平面设计时要考虑植入建筑与用地边界、周边环境等的维数值的近似性，而且在竖向设计中， 也要考虑场地地形与场地剖切线维度值的近似性。 项目所处地理位置优越，但是在项目规划构思时却遇到一些挑战：一是高铁站站前广场的主要人流方向与栗园围景观节点轴线相衔接的矛盾；二是相对较小的建筑面积与营造气势恢宏的龙南新地标的矛盾；三是客家文化元素的转译与建筑时代性的矛盾等。

通过运用分形自相似构成和嵌套的设计原理来生成复杂韵律。 首先，在总平面规划时以植入建筑不破坏整体环境的维度为前提， 使建筑和场地内关联的各元素与周边环境形成分形同构（图4a），两者维数值保持一致；其次，结合高铁新区与栗园围的空间架构和转成关系，形成“一轴一心一带二组团”的空间结构（图4 b），与基地周边环境取得联系，建筑与环境有机统一；再次，结合场地高差处理，考虑场地竖向空间分形设计，使规划后的场地竖向关系与原有场地地形具有近似的维度值（图4c）。同时在进行场地规划设计时，以时间维度来塑造场地的空间序列，并植入地域特征鲜明的客家文化元素，使场地与文脉之间形成互含式的持续迭代[9]。

图4 旅游集散中心总体规划构思

3.2 建筑形体的“自相似迭代”分形策略

分形的自相似性反映自然界中物质的局部与局部、局部与整体之间在形态、功能、信息、时间与空间等方面具有统计意义上的自相似性[10]。 项目不仅在总体布局与城市空间形态上有一定的相似性， 而且在建筑形式上也与围屋文化之间形成相似性同构，呼应了客家传统围屋建筑的内向性、对称性、秩序性等分形美学特征，延续围屋建筑的分形基因。

以旅游博览中心为例， 通过提取客家传统围屋层层嵌套的“空间分形元”， 再将其作为初始条件输入分形迭代系统而生成。首先，结合功能和朝向等需求，对提炼元素旋转得到建筑基本分形空间单元，并将基本分形元进行并置迭代，组合得到建筑基本平面，这是建筑形体的第一次迭代；将分形元等比例缩放到原来的0.5 倍，形成庭院空间，完成建筑形体的第二次迭代；在保持内部结构逻辑不变的情况下对其进行仿射性分形变换，对体量斜切处理，这是建筑形体的第三次迭代；对自相似变换得到的庭院按0.8 比例缩放形成中庭空间，到此建筑形体分形迭代完成。 最后，结合绿色建筑设计完善建筑形体细部构件，形成“围屋兄弟”的建筑形态（图5a）。 同理，会展中心（图5b）和集散中心（图5c）形体亦是通过基本单元分形迭代生成的，二者分别是对“围屋建筑原型”“小武当山山体原型”进行提炼，得到建筑基本分形单元，再通过对其进行迭代而生成的。 运用分形自相似迭代的思想，使建筑形态与龙南地域文化形成呼应，从而建立起与客家围屋相似的逻辑性关联，形成有层次的、自相似和谐的建筑形态。

图5 旅游集散中心形体“自相似迭代”

3.3 功能空间组织的时空分形策略

通过运用时空分形来塑造丰富变化的空间序列，使观者感受不同的时间维度和空间丰度，引导他们进入设计者所营造的有着不同时期历史文化感受的精神世界。 以博览中心为例（图6），首先空间上借鉴围屋“建筑+院落”的组织模式，通过对其进行异质同构转换，形成“建筑+中庭”的平面布局。然后在相同的逻辑建构下进行相似性迭代，生成一系列功能房间和交通空间，通过这些空间的有机组合，最终形成了时空关联的围屋文化展览馆。 在空间秩序营造上，参观者沿台阶拾级而上，进入门厅，从宽大的入口视觉空间到相对狭小的室内门厅，二者空间尺度上的对比给观者带来不同的心理感受。 借助竖向交通，围绕中庭空间，参观不同主题的文化展馆，当参观者置身于建筑空间时，围屋文化是按照时间分形展开的，建筑空间序列展现了时间和空间的丰度，观者的内在体验是丰富多元的。 在参观路径的设计上，以中庭为核心布置不同时间主题的文化展厅，按照“过去-现在-未来”的时序组织展览路径。 在观展过程中，观者不仅能时时与场地景观庭院进行视线交流， 还能眺望周边栗园围人文景观和龙南高铁新时代建筑，与历史和未来进行对话，引发观者无限的畅想和回忆。

图6 博览中心主要平面图

3.4 空间尺度的比例控制分形策略

尺度层级理论是分形理论的另一个重要特征，是结构秩序的一种体现[11]。 自然界中无论生命体还是非生命体都有其内在结构和生成逻辑，蕴含着丰富的尺度层级，整体和局部呈现层层相似嵌套的关系。 在建筑设计中亦是如此，当人接近建筑时，只有出现连续相似的建筑细部才能让人感知到建筑的亲切感和尺度感，才会吸引人们前进。

在旅游集散中心项目中，结合分形美学尺度层级原理，关注人与空间尺度之间的关系， 加强人与建筑之间的感知度和亲切度。 比如总平规划时，除了维系场地各要素间的“异质同构”关系，在尺度把控上也有一定的考虑，场地整体与局部以及局部更下一层级细部的比例近2.7。 相关尺度层级的分形设计如下（图7）：（1）基地纵深尺度294m；（2） 场地的中心景观庭院尺度 120×90m；（3） 中心广场尺度 42mx30m， 入口广场半径约 42m；（4） 城市道路宽15m，景观水池宽14m，入口台阶跨度16m；（5） 场地内步行道路宽 5m；（6） 景观步行道路宽 2m，台阶平台宽 2m；（7） 绿化景观 带 0.8m； ⑧ 台 阶 宽 0.3m。 这 样 得 到 一 个 集 合 Xn{294，120，42，15，5，2，0.75，0.3}，通过计算相邻两级比率 Xn+1/Xn得到结果为{2.5，2.9，2.8，3，2.5，2.6，2.5}。显然总图各层级的尺度比例约2.7，场地整体与局部各元素之间连续且相互关联，随着人的距离改变，会有不同层次的空间感受。

图7 总平尺度层级

4 文脉关联的地域建筑分形策略

文化的发展是一个地方文化与时代文化不断迭代的过程，包含传承与创新的双重属性。 设计通过挖掘客家围屋的“文化原型”，结合时代文化， 展现建筑的地域性、文化性和时代性。 在项目创作中，主要通过以下两种分形设计手法完成文化分形：一是地域文化元素的分形转译， 以旅游展览中心为例，在建筑立面的设计构思中，通过提取围屋立面的防御孔这一文化元素，结合分形对其原型进行现代化的转译，将其组织在立面形态设计中，形成与围屋文化逻辑相一致的、相关联的自相似的建筑形态；二是文化信息的分形迭代，运用文化分形来整合场地文脉，将文化信息组织在场地的空间序列中，形成“一轴一心一带二组团”的空间规划结构（图8）。以位于南北轴线上的中心广场阳明心苑为核心，统领整体，从南到北依次布置燕翼林丘——关西广场——阳明心苑——太平桥坞——龙滩碧台——武当丹庭这一融合龙南地域文化和历史文化的广场空间序列，烘托旅游博览中心的主体建筑形象。 其中，“一带”为写意百丈龙滩的浅水池，隐喻藏龙；“二节点”为建筑主体入口空间景观节点，整体形成“围屋之韵，山水之灵”的设计意向。 在设计过程中，充分挖掘龙南地域文化和人文文化特征，运用分形的思维方式将文化元素或信息重复组织在空间序列中，体现了“龙南之神，围屋之韵，山水之灵，聚合之气”的龙南文化精神，丰富了观者文化与空间的体验维度。

图8 历史文化景观轴线

5 结语

结合和借鉴围屋建筑的分形特质，利用分形自相似、尺度层级等理论，对分形的地域性建筑创作进行探讨，并总结设计中分形应对策略。 首先，建筑与环境的“同质异构”分形策略，以植入建筑不破坏整体的维度为前提， 维持场地各元素的分维一致性，形成异质同构，达到建筑与环境的和谐统一；其次，建筑形体的“自相似迭代”分形策略，通过挖掘龙南围屋的“空间分形元”“小武当山山体分形元”，运用分形自相似迭代的手法，回应龙南围屋与小武当山自然景观特征， 打造具有龙南文化精神的地域性建筑；第三，功能空间组织的时空分形策略，利用时间维度塑造建筑空间序列，放大并再现龙南客家建筑与文化，给观者带来丰富多元的围屋文化空间体验；第四，空间尺度的比例控制分形策略，利用分形构建丰富连续的尺度层级系统，关注人与建筑尺度的适宜性关系，使建筑与人之间产生良好的互动体验和情感共鸣，加强人对建筑的感知度；第五，文脉关联的地域建筑分形策略，通过对文化元素的转译和文化信息分形迭代，将地方文化信息组织在场地空间建构中，彰显地域特征，完成龙南客家文化在建筑空间形态中的迭代与更新。