分形在建筑造型设计中的应用探究

分形在建筑造型设计中的应用探究

陈磊

陈磊（浙江禾泽都林建筑规划设计有限公司杭州分公司，浙江杭州310012）

摘要：将分形理论中的分维数思想应用于建筑造型的设计中，分析了建筑领域经典建筑体的分形维数值。并且，将分形理论中的自相似原理应用于建筑造型的创新设计，提出了具有分形特点建筑造型的生成算法，并用实验进行了证明。

关键词：分形；建筑造型设计；应用

随着科技和建筑工艺艺术的进步，新的建筑设计理念和造型经过建筑师们在实践中的不懈努力而不断产生，给建筑造型设计带来多样化，同时也为人们生活、居住的场所提供了多种选择方式。随着社会的不断发展，建筑造型的设计还在发生变化，也是建筑师们研究探索的重点。新世纪企业技术的新型建筑设计竞争核心会以知识为基础展开角逐。新的建筑造型会从原理、结构、形状、功能、布局等方面进行创新，创造出更有新意的建筑造型，在激烈的竞争中占得先机。

1何谓分形

分形是以非整数维形式充填空间的形态特征。分形来自于思维上的理论存在。分形几何学是一门以非规则几何形态为研究对象的几何学。由于不规则现象在自然界是普遍存在的，因此分形几何又称为描述大自然的几何学。分形几何建立以后，很快就引起了许多学科的关注，这是由于它不仅在理论上，而且在实用上都具有重要价值。

2分形在建筑造型设计中的可行性研究

从已往的研究来看，分形在建筑造型设计中的研究取得了一定的成果，也成为计算机辅助建筑造型设计的研究热点。1987年，PeterEisenman和Yessions建立了分形建筑设计工作室，研究在概念设计阶段如何使用二维生成元生成具有分形特征的二维建筑体。在中国也有一些基于分形的辅助建筑设计研究，并做了很多探索性的工作，如山东师范大学通过与香港理工大学合作，基于复杂性科学对建筑造型进行了有意义的研究，基于分形的辅助设计是合作项目中的一部分。以上的研究都证实了分形在建筑造型设计中的可行性。由于分形的建筑造型设计模型是基于设计方法学，一方面要从设计思维着手，并展现概念设计，运用分形特有的并置、嵌套、拟态、划分的操作使生成的模块具有分形自相似的特性；另一方面，结合计算机自身的特点，扬长避短，使研究者在计算机的辅助下能更加便捷、有效地完成设计的工作。笔者将采用ACIS三维造型几何引擎来实现上述模型。

3用分形方法对建筑造型设计模块

利用分形的原理，一方面，我们不但可以评判建筑的量化程度；另一方面，这些理论也可以作为一种设计手段和依据，让建筑更人性，贴近自然，为后期建筑的造型以及创新设计起到指导作用，使具有分形风格的建筑能与周围的环境更为协调。建筑造型的设计是建筑概念设计的重要组成部分。本文将仿生设计方法用于进行建筑概念的设计，其目的是仿生设计方法基于分形理论，可以对其进行分形理论和生长技术的研究，以实现分形的建筑体造型创新的设计方法。其实现过程：（1）并置。对尺度不同、外观相似的空间形体进行并置操作，是实现一个具有初步自相似群体的实现过程。在单体组成群体之间，它们既可以是简单的连接关系，也能是复杂的穿插关系。在自相似的条件下，偶然的群体往往能诱发更加丰富的空间特效。（2）嵌套。对空间尺度不同的对象采取相同或相似的重复的空间操作，一达到空间上的嵌套，无论是针对实体的操作、还是针对空间的本身和边界，其都是以空间自相似性的形成为目的。（3）拟态。将建筑形态模仿为天然的生长形态，尤其要模仿为有机体形态的生长过程，这也是自相似生成的一种办法。（4）划分。划分是按某一规则对平面进行图案分割。对规则领域进行层层深入划分的过程，也是自相似性的传递过程。

4一个分形建筑造型的实例

4.1单个建筑构件的生成。（1）从底部模型按照建筑体的外观轮廓曲线和中轴线进行造型设计。这里的建筑体外观轮廓曲线和中轴线均采用函数曲线来生成。（2）建筑体轮廓线：建筑体轮廓线及整个建筑体的外观曲线，我们采用的函数有线性函数，非线性函数等等。（3）建筑体的中轴线：建筑体的中轴线即建筑体在建造过程中所遵循的路径曲线。（4）建筑体的轮廓线：建筑体底部轮廓线我们采用典型的分形曲线和多边形曲线。以上步骤完成后，便完成了单个建筑构件的构造。

4.2多建筑间的并置、嵌套与拟态。复制上面生成的建筑构件，进行并置、嵌套和拟态的操作。最简单的并置和嵌套是将两个同样的建筑体进行简单的连接。也可以缩放其中的一栋建筑体，使并置、嵌套操作后的建筑体错落有致。使用本系统提供的实体生成及实体修改工具箱，手工进行并置与嵌套操作。系统提供了一个工具箱，用于生成的基本建筑体之间的操作。实体生成工具箱的功能包括直线、曲线、样条曲线、闭合样条、圆、矩形、闭合折线、折线等；实体修改工具箱的功能包括实体选择、移动、复制移动、删除、布尔并（Union）、布尔差（Subtract）、旋转、扫略、阵列复制、环形复制等。

拟态。此时可以做一些拟态的操作，使建筑体外观发生一些随周围景观变化的操作。并组合已经完成并置和嵌套操作的建筑体，使之达到群体自相似性的效果，如图所示，已经达到了简单意义上的具有分形特征的建筑物特点。

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识别重构修改或进化。通过图形识别器对分形图片识别重构，从而生成具有美感的函数轮廓图，作为底部或者顶部模型。实验证明，利用上述方法生成的图像，满足建筑领域造型的创新设计，是行之有效的。分形的自相似性原理有利于建筑系统构成的整体把握，它启发我们在城市——区域——节点——建筑体——建筑内部等各个尺度层级之间建立起连续的关联，对于强化建筑细部设计、丰富建筑的尺度层级以及扩展设计思想和手法具有重要的意义。本文的创新点在于初步提出了构造具有分形自相似性质的建筑体的实现方法，丰富了建筑绘图工具CAD软件的设计思想，并用实验进行了模拟实现。

结束语：与其他领域相比，计算机辅助的建筑体造型设计对分形思想的引入还相对滞后，也尚未达到足够的深度，更缺少形式结构的数据支持。本文初步提出了一种以引入分形维数理论作为建筑评价的思想，系统地分析了建筑设计领域经典建筑造型的分形维数值；并设计出基于分形理论的建筑造型创新设计系统，将分形理论中的自相似原理应用到建筑造型创新设计之中，使生成的建筑体细节丰富，造型美观新颖。

参考文献

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