混沌理论对建筑学的启示

混沌理论对建筑学的启示文章结构引言混沌的概念混沌理论的对象混沌理论的要点混沌理论的一般性启示混沌理论对建筑与城市可持续发展的启示结语引言作为横断学科的系统科学是20世纪重要的思想文化成就，非线性科学是系统科学中的高级领域。在我国系统科学中的分支学科有“老三论”和“新三论”的提法，“新三论”是指耗散结构理论、协同学和突变论，它们属于非线性科学。非线性科学领域还应包括超循环论和混沌理论。混沌理论与相对论、量子论一起被称为20世纪三大科学革命，如果考虑到混沌理论是非线性科学中的集大成者，那么这样的评价并不过分。相对论和量子论分别在宇观和微观领域改变了人们的传统观念，而混沌理论则在我们日常接触的宏观领域改变着我们的思维方式。现今可持续发展的思想已经被人们广泛接受，如何在可持续发展的建筑观中体现出混沌理论带给我们思维方式上的变革是本文着力探讨的问题。系统科学的四个发展阶段混沌理论是系统科学中非线性理论发展的高级阶段。40年代：组织理论：一般系统论、控制论、信息论60年代：自组织理论（系统如何从无序→有序）：耗散结构理论、协同学、突变论、超循环论集70急年代：非线便性科学（系坛统如何从有似序膛→文混沌和无序荒→沿更高层次的胞有序）色脾挤令尽跑基劫鹊搂郊犬混沌动力学你、分形理论似、孤子理论象正什90接年代：复杂推性科学（复识杂性的定义水及量度，复忠杂系统的行新为及模型）帽育举忙神经网络、且人工生命严混沌的概念增膀原初式混沌番：这是指一怕种未分化的追状态，即运“惜混沌初开冤”亮。也可以认滔为是老子说箭的圆“类有生于无祸”爸中巷“救无异”娱的状态，现慧在我们可以零将其理解为迎一种演化的笛开端邪州。爹布朗式混沌歉：也称为热甚平衡式混沌馋，这是一种碎消极的混沌扭，在微观上栏呈布朗运动眼式的无序状欺态，在宏观间上服从大数估定律，可以己用统计学来舌描述奴万。彩演化式混沌率：这是一种为积极的，有猛创造性的混无沌，是指一沃种包含有序台的特殊状态经，是一种既延有决定性，貌又有随机性聚的二重状态核。混沌理论窄关注的主要戚是这样一种尖状态。捞惑混沌理论的抹对象煮悔混沌理论研雄究的对象是敢非线性复杂邻系统。桑陪线性问题与怕线性思维方漆式晋线性问题是草指用微分方夺程可以描述率和解决的问忌题。初源对线性问题您的成功解决醋使人们形成占了线性思维己方式，它也两被称作机械惯论思维方式赔或简化还原扑式思维产化。咳这种思维的董特点是将动龄态现象作静被态处理，复宰杂现象作简脉化处理，整甩体不平衡作顺局部平衡处售理，机体问涛题作分割处介理，事物的伯发展是决定燕论式的。困非线性系统续的特征政严格的线性游系统在现实辩世界中是特检例，非线性蒜系统才是真皱正普遍存在丽的。摧盾非线性与线仍性的区别之桂一是卷突变创。事物的断聚裂、崩溃、确爆炸等现象拿用线性方程旁无法解释，铺却可以用非哲线性方程来支描述；它们胸的区别之二朱是摩反馈婶。反馈是秩节序与混沌之赔间一种基本论的张力，而插非线性方程申所具有的自马我重复相乘嗽的迭代性质屑可以对反馈暖做出描述。著拴平衡与非平敬衡抱：物理概念匠酸线性与非线云性：甩数学概念线性系统：月散1.整体的味行为或性质储是部分之和姓2.复杂性轧不因叠加产捡生最盒3.只要知略道初始条件扑，即可了解映过去、预测腿未来弃非线性系统用：勾丑1.叠加原扶理失效付是2.整体的庭行为和性质前≠乏∑贤各部分的行文为与性质从3.系统行蛇为对初始条渗件极端敏感鞭依赖、长期敢行为不可预将测、内在随嗓机性茅混沌理论的道要点寒听内在随机性卵芦初值敏感性送阶奇怪吸引子匪项分形与分维数普适性菠内在随机性汇岂在传统科学迁看来，一切炭都是确定的禽，是完备的浊和严格秩序黎的，但由于山任何一个方绩程不能把一躺切因素都反稠映进来，因容而需要把次易要因素舍弃脚，这些次要滥的因素就被屑称之为随机结因素。随机梳性被认为是镇非本质、非附内在的东西溉。与传统科牢学不同，混生沌理论认为班随机性不能薪仅仅被归于仍统计学范围肤，它存在于栽事物自身，仍是事物内在泡固有的本质男属性。鹊怪初值敏感性失闷在非线性系嘴统内，通过巨反馈的作用液，微观的涨铜落可以被放爆大到宏观尺送度。所谓乞“洞蝴蝶效应蚕”缩就是这一特毒征的形象说币法。非线性淋科学把这种卵小原因引起龙大变化结果袖的现象称之帖为初值敏感届性甜,写它成为非线狸性系统进入苏混沌状态的董数学表征。吸引子忧吸引子指一膛种运动的归子宿，是在由赶广义动量和袋广义坐标构坟成的相空间特中，运动轨逗迹经历长时菜间之后所采岭取的终极形贵态。它可能嘱是稳定的平茫衡点未(够不动点吸引类子)或周期隶性的轨道（红极限环吸引熄子），也可泥能是继续不钞断变化但没抛有明显规则填或次序的许钻多回转曲线冈（奇怪吸引烦子）。胸奇怪吸引子趴葵混沌运动虽凡然表现为随膊机性，但又催存在着无序础态整体被导面入某些潜在疑中心的属性刊，从而使混岭沌运动趋于赵极限集合，为有使变量趋轮返的回归线庭特征。这种顽奇异特性被怒命名为奇怪背吸引子。它惰也是决定非衬线性系统演弓化方向的新愧基态。在用锄“榆相空间索”挤来描述混沌脉系统所有可筋能的状态时验，系统在相柏空间中的变顷化轨迹具有秀向奇怪吸引婆子收敛的特调性，这是混侨沌系统有序竹性的体现。阔分形与分维棒性分形是指外淡表极其丰富干多姿或破碎旷杂乱，但其摆内部却有层窄次性、自相冷似性、递归蹲性及仿射变敏换不变性等是确定性特征葡的一类现象窑或体系。哀分维是定量倦描述分形奇扭异形态的参批数，本质上首表示分形元闷生长、发育触的能力及旺妙盛程度，向称往自由和填厅充空间的强准度。欧几里书德几何学中需的维数是整舒数的，分维亚由其发展而紧来，但它是娇非整数的。置田奇怪吸引子热的几何特征弦对奇怪吸引象子的研究表杏明，它的特挂点是在相空正间中的某个轻区域无限次驻地折叠，构恭成一个有无显穷层次的自划相似结构。喉这种结构恰吐好可以用分悠形几何来描代述。奇怪吸训引子是分形颈的，这说明翻混沌运动是碧一种无周期匀性的高级有递序运动，如值果数值或实挠验的分辨率短足够高，可秋以发现它在搞小尺度上的汽有序运动花绘样。在混沌惊的尺度变换图中，会出现疼某种可以用佣一定分维数个表示的标度木不变性。普适性日混沌理论揭笋示了混沌运决动在深层次你上的有序性震，这种有序卫性还有一个甲重要特征是伶在不同系统衫之间跨尺度投的相似性。丛美国物理学拢家费根鲍姆逼发现，两类似完全不同的托反馈函数通麦过迭代计算错出现混沌之岭后，其分岔骨按几何收敛泡，收敛的比献例完全一致苏，这是普适陈性的数学说胃明。几乎所饿有通过倍周饭期分叉达到楼混沌的现象铺都收敛于一浊些重要的比落例常数，这期些常数也被咐称为费根鲍术姆常数。它骑反映了系统墨在趋向于混良沌时不依赖雹于具体系统股结构的共同朗特征。猫混沌理论的见一般性启示魔陈欲永久改变氧一个系统，茅必须改变它岔的结构败翠。役在任何给定宿系统里，都器存在很少几赏个朵“窄高杠杆作用盆点尿”漂，可以干扰押这些点以产侍生系统全局形行为的重大维持久变化糠遗。佳系统愈复杂顶，原因和结隙果在空间和鸽时间上一般免相距愈远岸娇。敢在难以预言使系统行为之想前，别取太异多的反馈环掘初。查无论高杠杆汇作用点，还度是将杠杆推响向期望结果怒的恰当方法厦，都不是显漂而易见的将建。氧“嚷更坏先于更土好朋”砍往往是在间“专正确方向上坚改变高杠杆拾作用策略的庭结果，因此谎，立刻产生海更好结果的且任何策略变绪化几乎总应微当受到怀疑扶。鞭混沌理论蜂充撑胞夕平梦对建筑与城姓市可持续发澡展的启示维适内在随机性辰与城市的复乳杂性盒则初值的敏感犯性与设计的份真实性更调奇怪吸引子提与弹性规划躺设计斧慨分形、分维瞎与城市、建县筑的度量和惹审美笋少普适性与建牢筑仿生学丘赏内在随机性亦与城市的复慢杂性怨抱1933窄年的《雅典渠宪章》提出糟城市规划的什目的是解决鸡好居住、工飘作、游憩、闯交通四大功懒能的问题，填在规划方法痰上强调功能龄分区与用途帆纯化，否定干传统城市功醉能与空间混犁乱无序的状寄态，追求统虫一的视觉空鞭间秩序。这拾种现代主义驰的设计理念棵是典型的简虾化还原思维属方式的体现微。二战后西鹊方许多城市冤在上述思想户指导下进行尊了大规模的歌城市更新运税动，结果造奉成了攀“拳建筑千城一笔面瑞”怀、忌“仓钟摆式交通洒”才、以“晴社区瓦解绸”揉等一系列城慈市问题。有筛识之士在六舍十年代对这阴些现象的反采思与批评已注经暗合了混仗沌理论中的俘一些思想。寻简沉·剩雅各布在《华美国大城市伶的生与死》碗（铸1961阅）一文中指陷出柿“傅城市作为人主类聚居的产滤物，有成千集上万的人聚呢集在那里，汇而这些人的兼兴趣、能力竭、需求、财墨富甚至口味诞又都千差万执别，他们之便间相互关联秘的同时又不煌断地相互适哲应，结果产既生了错综复粱杂并且相互恨支持的城市绑功用，并形摆成富有活力久的丰富多彩灿的城市空间膊。千”瞎她认为这种圈复杂性表现尘为城市的多孩样性，并称选“亩多样性是大池城市的天性遗”浇。捧亚历山大在烈他著名的激患进论文《城坦市并非树形箭》（狐1965药）中提出了伸城市是忌“拉半网络结构生”治而非没“中树形结构庸”聚的重要观点产。通过对早费期自然形成背的城市和规阔划建造的城必市的比较，成亚历山大认叔为，由于规气划建造的城塞市是按树形盈结构规划设担计的，因而趁缺少半网络预结构的自然贝生长城市中患所具有的活绿力和人性。企那种用整齐挎规矩的形体死规划否定现趋状的复杂性饲，并将功能择按照统计学薄的分类方法匪彼此分离来德进行设计是槐荒谬的。外简怜·方雅各布和亚席历山大上述覆思想的深刻截性在于，他钟们认同城市魔复杂性的同咐时就已经切蚊中了城市作盏为混沌系统借所具有的内林在随机性。测内在随机性圆表现在城市候形态上是推“还混乱讨”党和充“挺无序屑”永的，但是这倦种欲“陡混乱谨”凯和依“多无序鸡”壶只是用欧几绘里德几何测苏度的结果。创城市系统的宣复杂性正是宏在于城市自抽然形成的这很种呀“肿混乱现”舌和株“贱无序副”趣是有深刻的突内在依据的喂，是深层次宗秩序所要求塑的外部形态烦，是本质性查的、有意义屠的。我们应择该接纳它、格发展它，而顾不是粗暴地鼻摒弃它、践纹踏它。城市宜的可持续发麻展必须接纳贫这种外在的能“屠无序则”兰，而后它将切演化成新的蚂外在因“肃无序务”夸和更深层次谎的内在户“漫有序搜”兵。强调在旧睁城改造中要退保护旧城肌牛理，就是对遵城市复杂性病的尊重，是惭对城市内在文秩序的继承敲。栏假初值的敏感卧性与设计的罪真实性异寄“岩蝴蝶效应夹”遵告诉我们，闯即使是微妙阅的影响力，亭也会对系统堪产生巨大的悠影响。例如藏，城市早期奇的许多状况估并无太大的认差距。居所鞠，街巷，工麻作场所疲，公共空间诚与地域结合图所构成的社卫区空间创造捆了城市的雏粗形，提供了稻市民城市生芽活的基本保桶障。这种雏珠形城市空间需，结构简单钻，差异不大申。后来各种净不同的因素兼，尽管它们约起初微不足鄙道，但在城咱市的发展与哑进化过程当概中被迭代放薄大，逐步分享化，导致各症个城市发展玻的结果竟大升相径庭。梁混沌系统这出一特性要求臭我们必须认牧真对待每一似项设计以及跑设计中的每已一细节。城凳市作为一个泡复杂系统，赚不可以分解踏和还原成部释分，因为部耳分通过迭代壶和反馈彼此捉不断相互包烂容而成为了茫整体，每一益设计细节的形实施都有可楼能对整个城绑市产生难以虑估量的影响族。罗马俱乐篇部一位建模耗者唐奈留·貌梅多斯曾告均诫人们：总“块人类任何一诚部分与人类嗓其它部分或还全球生态都谜息息相关。投我们共荣共可衰。夫”吗为了实现可晓持续发展的磁目标，额闹“缎勿以恶小而在为之，勿以历善小而不为撇”急仍值得我们割时刻谨记。赏我们每一个骨设计都在真扛实地改变着瓜整个城市。能奇怪吸引子愚与弹性规划圾设计采墙混沌理论研立究的是无序乓中的有序，炸其有序性表腥现为系统在昨相空间中总围是收敛于一袍定的吸引子魔，但对于混捏沌系统来说盈，即使收集燕再多的信息茅，也无法对粘其作长期的壮预测。这一缓特性对于城航市规划的启卧示在于，一异个规划方案轻如果规划的过地域过于广买阔、时间跨桥度过大，那答么它是不可种能被完整实蜻施的。对几定十年后的规胸划以某种主剖观的用地分促块配上几项适控制指标，检企图以此来醉指导几十年崇内的城市建它设，这是全遍然不知城市吧发展在时空享上的混沌性打。当实际建妻设进程打破罩规划后，到嘉下轮规划只损得对此勉强蝴予以承认。数臣怎样的规划屑思想更可取拒呢？四阶“畏自上而下确”受与瓦“居自下而上淹”亡相结合抚：大范围的差控制性详细钉规划没有意仍义，但是可穷以宏观概括哈地做出一些烫规划要求，德这是一个比“寨自上而下贪”赠的过程。同俗时还需要一需个来自城市轨内部，充分澡调动个体创质造性的城市购自组织过程袖，例如实行卷居民参与，堤这就是悉“回自下而上性”葵的过程。这委两个过程应侄该不断地往申复循环，逐问渐达到共识槽，以此为基啄础再制定较宿详细的可行它方案。积火促进增长极秧和生长点滥：从空间角干度分析，城燥市的发生和元发展就是在茄择优的区位梁所进行的空乏间集聚。城溜市空间的发纤展首先是在碍优质区位形笔成生长点，孩然后逐步分代化。当生长睡点地区发展衔产生了主导宰产业，则该设地区通过极攀化和扩散过英程，形成增助长极。增长悟极所在区域逮对其周边区饺域的影响与拿奇怪吸引子优的效应相似旋。非平衡是旧有序之源，腥适度的区位刷差是城市向抢有序化发展酿的动力。为塔保证城市空刮间能够可持臣续发展，规奴划在宏观上违应促进增长测极的形成和杆发展，微观唱上扁应优春先生长点的谜建设，并根颈据不同时期似的发展特点拉，采用不同焰的策略签颂。造简单模型应射用于复杂问烂题往往比复巧杂模型更有宅效介：规划并不搬能够控制城急市运动变化准的全过程，夸但是可以寻沫求对城市运取动过程的正谢确干预并对施干预的结果义做出评价。六因此，规划刚工作的重点牌不应该是细什节的获得和步模型的精确钞，而应该是督系统行为模牛式和模式变笨化的奇点。拒这个农“犯奇点大”浙就是可以使戚系统产生重弱大持久变化吊的屋“忍高杠杆作用勾点赶”砍。返嫩建筑风格与顶奇怪吸引子宝横如今是一个飘风格多元化尝的时代异霸，但是哀“帆大屋顶厨”暑情结和辫“袋欧陆风筛”惰现象依然挥杨之不去，这漆可以理解为犯奇怪吸引子酷效应。超高可层建筑在发但达国家已经怪没落，但在州我国的发展团却是方兴未才艾，即使六“911”吸事件也没有死遏制这一趋书势，这也可浑以用奇怪吸兽引子来解释坟。这里用来厚举例的三个炮吸引子都是贺非良性的，波但是想人为孕地消除它们医却将是徒劳捆的。我们能害够做的是尽蚀最大努力发动挥创造性，霜在风格上寻倚找更多的生染长点，强化摆更多的良性赔奇怪吸引子如，这样非良走性吸引子的榜作用自然就嗓弱化了。立分形、分维橡与城市、建申筑的度量和正审美式耽城市的不同具层次间存在法着跨尺度的列自相似性。毅就功能而言绵，从整个城绪市到各分区彼、各小区都顿具备工作、慈生活、休闲傅、交通这刑“刘四大功能斩”扑；城市道路异网的主干道丹、次干道、晋支路、园路醋也呈现自相夹似特征，这袄说明城市是朋分形的。运暴用分形几何陕来度量城市冒，可以使我稀们对城市的兽描述更准确捆有效。用错1层和星2断之间的分维挡值可以描述蓬城市边界的盐复杂程度，织用服2肆和惊3乌之间的分维业值可以描述摆城市建筑空雨间的紧凑度妇。胡分形理论对贺建筑美学的浸贡献防首先，分形谣理论对形态正复杂而又种炊类各异的自格然美与人工晃美的构成提畅出了简洁有诞力的解释。团这就是由自阅相似模式产润生的分形之迈美，使我们孟看到在极度态复杂的现象麻背后存在着栽意想不到的增简单规则。话在建筑领域炮里，从城市极到建筑装饰蹄的若干层次国中都广泛存赢在着分形现找象，在传统柜城市与建筑喊中表现得尤朗为突出。正番如在音乐中本各个声部都唐没有缺失声涉音听起来才至丰满一样，站在视觉艺术静中尺度层级专越多，跨尺亲度的细部级耳数越大，视郊觉形象越丰桥满生动。德修国物理学家恶爱伦堡曾发微问：锐“鸭为什么一棵乡被狂风摧弯枪的秃树在冬谣天晚空的背磨景上现出的税轮廓给人以皇美感，而不晨管建筑师如壶何努力，任锹何一座综合抵大学高楼的掩相应轮廓则壳不然？购”讽现在知道，喝这是由于自爷然的分形结处构具有比建滴筑丰富得多纱的尺度层级暴。现代建筑旷之所以单调能乏味，就是界由于尺度层岔次和细节表抱现的缺失导袄致分形的匮古乏消耀。哪其次，分形验几何可以成厦为建筑设计怠与评价的量甚化工具。例似如，建筑背遵景环境视觉斩轮廓线的分蔽维数可以成茶为建筑设计乘的参照或导锄引，如果它士能够延伸到分建筑形象之武中，或是与糠建筑的分维练数有某种内刊在联系，那锻么建筑与背棵景环境就会域产生和谐与援共鸣。欣再次，由分巨形理论的文淋化隐喻衍生成出的愁“秋分形时间淘”孩概念，使我羽们对建筑审乒美主体的心吐理过程有了团新的认识。豪例如，中国坏园林的题名刊指引，就是耐引导游人进涛入时间的分秋形维，使其山获得巨大时峡间丰度的有鬼效方法。止普适性与建缎筑仿生学夹青城市系统与挽其他系统存挤在着跨种类例的相似性，聚因而大自然准中的混沌事禾物都是我们脊学习的榜样衡。生物系统紫由于成功地组实现了从混柄沌到有序的虫进化，可以遗成为我们研嘴究建筑与城席市可持续发帜展取之不尽它的思想源泉兼。芬兰建筑反师沙里宁为诞缓解由于城耗市过分集中展所产生的弊护病，提出了喇有机疏散论圈。他用研究补生物和人体残的认识来研家究城市。他世举树木生长滑的例子，大呜树枝从树干姜上生长出来落时就本能地载预留空间，榨以便较小的即分枝和细枝交将来能够生没长。他的理姿论是把无秩户序的集中变胖为有秩序的瞒分散。沙里询宁不自觉地逢应用了混沌川理论的普适须性特征。械兔亚历山大的肥思想比沙里标宁走得更远昂，他不但应害用了普适性抢，而且他已冶经具有了复规杂性的眼光书。嫌“预有机体不能杰创造，它不晨能通过一个歪主观的创造镰活动来想象碎，而后根据扑创造者的这粮一蓝图来建改造。它太复星杂，太微妙待了，不可能蠢从创造者心景灵的闪光中鲁诞生。它有辛亿万个细胞和，每一个完济美地适应其坝条件音——候而这之所以上发生只因为州有机体不是太制造的，而贞是通过一个浩容许这些细饿胞随时间推确移逐级适应蹲的过程产生粗的。宇”“向很明显，没衡有哪个建构俘过程会直接稻产生这种复屿杂性的，惟船有那些秩序扁自身增殖的皱非直接的生椅长过程，惟盈有这样一些馅过程才能产绵生这种生物北的复杂性。说”索联系到城市斤，他认为：开“里一段时间，肾人们认为城闸市必须由规泪划师做出规按划或蓝图。启据说，如果绝城市的秩序碰不是这样产馋生，城市将双不会有秩序串。于是，人甩们竟不顾所联有传统社会屈建造的美丽践的城市和村悔庄都没有规欣划总图的明无显事实而恪仪守这一信条仍，人们已经奥让自由放弃甘自由