关于分形学在建筑设计方面的应用

郭蕾

【摘要】在数学中分形学就是极其重要的非线性科学组成部分，在近年来其思想在建筑结构概念设计中得到了充分利用。如举世瞩目的“水立方”建筑等。本文则深入对分形学在建筑设计方面的应用进行了研究探讨。

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一：“分形学”的概念与特点概述

所谓“分形学”，即非规则几何形态学，起源于上世纪70年代，由曼德勃罗（B.B.Mandelbrot）在法兰西学院讲课时提出，曼德勃罗认为，建筑设计可以秉承“无规则”，“破碎”的设计思想，曼德勃罗曾经为分形下过两个定义：（1）满足下式条件 Dim（A）>dim（A）的集合A，称为分形集。其中，Dim（A）为集合A的Hausdoff维数（或分维数），dim（A）为其拓扑维数。一般说来，Dim（A）不是整数，而是分数。 （2）部分与整体以某种形式相似的形，称为分形。

而分形的特点则表现在：1.从整体性角度分析，空间几何图形处处不规则，呈现无线性排列，2. 在不同尺度上，图形规则又是有序可循的。

二： 建筑设计中分形学的应用

1. 分形学在建筑结构设计中的基本原

1.1 紧抓重点

紧抓重点原则指在建筑结构设计过程中，应分清建筑中各建筑结构的主次关系，确保主要建筑构件结构设计的性稳固和合理性；特别是重点建筑构件的结构设计必须确保其稳固性。

1.2 不规则性

“分形学”设计思想抛弃传统“方正，圆润”设计思想，更突显棱角，个性，在其外形设计中更以“不规则”，“破碎”著称于世。在外形设计中，为体现分行数学思想的多重性和多元化思想，应秉承个性化，自然化设计方式。

1.3 多重预防

虽然分形学设计思想在建筑外形上的美学表现的淋漓尽致，但在确保美学地位和审美的同时，应注重做好建筑结构合理化措施，以安全性和稳固性为建筑设计基本原则，在确保美学设计的同时稳固建筑设计安全性能。

1.4 整体性

所谓整体性的建筑综合体，即为在采用规则形状作为设计单元，并通过旋转，矢量结构的前提下，确保整体建筑衔接或建筑构造中的平时度，避免出现凸节点等影响建筑性能或整体性的因素出现。

1.5 以人为本

分形学设计理念起源于生活，因此在实际建筑设计中，应从自然性角度出发，建筑设计师可以大胆加入个人设计理念，满足居民安全，舒适，品位等各方面生活需求

2. 分形学在建筑造型设计中的应用

2.1整体性

从建筑整体性角度看，分形几何为不规则外形设计，例如：海岸状或山川形状，建筑外形从建筑地基，建筑墙体，建筑穹顶三大部分构成。

建筑墙体分型设计通常被称为建筑“体”分形，即是通过分步构造解析将整体性构件拆分为多个部分与整体相似的形（Fractal），以不同尺度不同规则的图形设计加以适当旋转，缩放等分型操作，变为相似元素，将此种相似元素集结在一起，形成更高级别的例子单元。

最具典型的分形设计案例“水立方”国家游泳中心，“水立方”以简约大气的建筑设计风格被中外游客赞不绝口，而其“蜂巢式”建筑结构设计理念源于“无线等体积泡沫阵列图形学”，首先产生一个整体性，结构性大型泡沫体系，然后通过旋转，分解，形成无线体积的多个不同泡沫因子，将外部和内部产生的泡沫因子去除，最后形成的即为建筑结构墙体设计思想。

2.2 结构优化

高层建筑结构上选择上，经常用到：钢结构，钢筋砼结构。在高层建筑中经常用到钢混结构，但在超高层建设上，由于钢混结构自重太大，不在设计考虑范围内。目前流行的这两种结构，第一种结构自重轻，抗震性能好，施工时间短，但造价太大，在市场经济体制为主导方向的当下用之较少。第二种造价适中，原材料市场广泛，可根据具体需求形成不同结构体系，灵活性强，但缺点是自重较大并且抗压力欠缺。结构概念设计中的结构设计在超高层建筑中具有优化建筑结构，延长建筑使用寿命功能。

2.3 承载力设计

超高层建筑另一重要设计理念是自身承載力负荷的核审。承载力设计体现在地震抗震力，风载承载力等方面。由于建筑商每隔五层风力对建筑物影响会上一个标准，因此在进行结构概念设计时降低了风力作用面积，圆形受力面风力阻力最小，亦可在立面上开洞泄风，更能有效降低风阻力，国际环球金融大厦就是很好例子。

在抗震设计上，采用规则结构，对称性设计能有效合理减少震感传递，例如采用正多边形，圆形平面设计能使整体结构出现多向性，能均和震感，减少地震带来的损失。

3. 建筑设计在项目建设阶段中分形学的应用

3.1 掌握周边市政和生活情况

对于项目工程建设和投入所使用必须具备的“七通一平”原则而言，对于各不同地段应采取不同规划方案。

针对成熟地块，在以现有条件为根本基础进行合理安排建筑内部规划方案。 针对尚未完全开发地段的地块则应要提出整体建筑规划方案，通过分期实施计划，达到不同建筑阶段的不同使用需求。

3.2 合理布置建筑内部空间

建筑工程在内部空间划分上应充分考虑人员结构、相关部门未来发展，部门性质等各项条件。对有特殊需求的场所应事先进行合理规划。

如：建筑工程中重点监控的部位，重点防电磁干扰部位，特殊楼板梁承重部位等，涉及建筑项目重大需求变更的决策，特别是针对整体建筑未来发展有功能需求变更和项目加层可能性的，则要做好基础施工预留，在施工方案设计阶段应提出明确项目需求。

参考文献：

[1] 林秋达.从“师法自然”到“算法自然”——分形法则在建筑设计中的运用[J].福建建筑，2010/1

[2] 韩鹏勃. 高层建筑结构设计的技术要点分析[J]. 建材与装饰（ 中旬） ， 2012（ 4） ： 119-120.