混沌理论对城市规划设计的启示

张庆华 杨峰 刘筱

0 引言

混沌理论是继量子力学、相对论后的第三次革命,物理学家福特说:“相对论消除了关于绝对空间与时间的幻想;量子力学则消除了关于可控测量过程的牛顿式的梦;而混沌则彻底消除了拉普拉斯关于确定论式可预测性的幻想[1]。”在相对论、量子论和混沌三大理论中,唯有混沌适用于大到天体、小到微观粒子的研究,因此是一次范围更广、规模更大的科学飞跃。混沌理论揭示了一个动态开放的耗散系统在不确定、复杂多变的环境中呈现出随机行为背后的非线性动力问题。它的基本原理是自然界和人类社会中普遍存在着的“无序”中的“有序”,“随机”中的“确定”的统一[2]。

城市建设系统是一个混沌系统,具有典型的非周期的、貌似无规律的无序稳态运动形态。城市规划设计(Urban Planning)是研究城市的未来发展、城市的合理布局和综合安排城市各项工程建设的综合部署,本质上是对城市建设系统优化的一个动态的过程设计。传统城市规划设计观是基于拉普拉斯确定论,视城市规划设计过程为线性的封闭系统,具有确定性和可预见性等,事实上城市规划设计过程是动态的,不仅有预设,还有生成,而且生成具有非常重要的发展价值。

目前,混沌理论已经逐步渗透到自然科学和社会科学的各个方面。从混沌的角度思考传统城市规划设计,可以带来一些新的启示,也大大拓展了现代城市规划设计研究的思维视野。

1 混沌系统的主要特征及对城市规划设计的启示

1.1 内在随机性和非线性——注重动态规划设计

内在随机性指的是对于一个确定的系统,在一定的条件下,能够自发的产生某些随机行为。传统科学认为,引发系统随机行为的随机因素都是非本质、非内在的东西,而混沌理论认为系统的内在随机性是事物内在固有的本质属性。非线性是典型的混沌运动矢量特征,是对混沌运动轨迹的描述。系统内的非线性变因(内随机变因)是混沌产生的根本。具有内随机变因的系统称之为非线性系统(混沌系统),否则就是线性系统[3]。

认识系统的内在随机性和非线性对城市规划设计有着重要的启示意义。传统的城市规划设计观是基于拉普拉斯确定论,一般是一种线性的一维过程,认为只要确定了初始的城市规划目标和具体的控制措施,就可以确定城市未来的运动状态。特别是近年来,许多城市规划部门将城市总体规划做到控制性详细规划深度,甚至对城市几十年后的建设也做了具体的规划和控制措施,然而,城市建设系统作为混沌系统的一种表现形式,不可避免的受到这样或那样的环境扰动,由于非线性作用,初始条件的不确定性会随时间成指数式放大,因此,大范围的控制性详细规划和远景规划是不可能做到的。正确的规划思想应该是实行动态规划设计,将“自上而下”和“自下而上”相结合,并建立有效的反馈机制。大范围的控制性详细规划没有意义,但是可以宏观的做出一些规划要求,这是一个“自上而下”的过程。同时还需要来自一个城市内部,充分调动个体创造性的城市自组织过程,这是一个“自下而上”的过程。这两个过程应该不断的往复循环,逐渐达到共识,以此为基础再制定较为详细的可行方案[4]。

1.2 对初始状态的敏感依赖性——注重城市规划设计的细节和初始定位

对初始状态的敏感依赖性又称“蝴蝶效应”,它是美国麻省理工学院教授E.N.洛伦兹于1972年12月29日在美国科学发展学会第139次会议上提出的,E.N.洛伦兹提出一个貌似荒谬的论断:在巴西亚马逊河一只蝴蝶煽动翅膀,三个月后能够在美国得克萨斯州产生一场龙卷风,并由此提出了天气的不可准确预报性。“蝴蝶效应”说明了在确定的非线性系统内,初始条件的微小偏差能够引起系统结果的极大差异。城市作为非线性的复杂系统,“蝴蝶效应”也必然发挥着巨大的作用。

注重城市规划设计的初始定位就是要将城市规划设计与当地的自然环境因素和历史文化因素相融合,才能产生和谐的效果。这些对城市初始定位的因素差异,将会在城市的长期发展和演化过程中被逐步放大,从而导致各个城市的发展结果大相径庭。中国城市表现出来的北雄南秀、西犷东精以及早期城市形态江浙地区的小桥流水、豫鲁地区的雄浑凝重正是城市早期的初始差异因素不断被放大的结果。

“蝴蝶效应”这一特性还要求我们必须认真对待每一项设计以及设计中的每一细节。城市作为一个复杂系统,不可能分解和还原成部分,因为部分通过迭代和反馈彼此不断相互包容而成为了整体,每一设计细节的实施都有可能对整个城市产生难以估量的影响。我们每一个设计都在真实地改变着整个城市[5]。

1.3 奇异吸引子(Strange attractors)——注重增长极和生长点

吸引子是对应于混沌运动的物理过程的一个抽象数学概念,是系统被吸引并最终固定于某一状态的性态。有三种不同的吸引子控制和限制物体的运动程度,即吸引不动点、极限环和奇异吸引子(即混沌吸引子或洛伦兹吸引子)。前两者起着限制的作用以便系统的性态呈现出静态的、平衡性特征,故它们也叫做收敛性吸引子。奇异吸引子则与前两者不同,它使系统偏离收敛性吸引子的区域而导向不同的性态。它通过诱发系统的活力,使其变为非预设模式,从而创造了不可预测性。一个系统的两个相反行为(收敛性吸引子与奇异吸引子)之间的相互作用与张力触发了一个局部丰富多样的复杂的巨大模式[3]。奇异吸引子的这一重要特征要求我们在城市规划设计中要注重促进增长极和生长点。

从空间角度分析,城市的发生和发展就是在择优的区位所进行的空间集聚。城市空间的发展首先是在优质区位形成生长点,然后逐步分化。当生长点地区发展产生了主导产业,则该地区通过极化和扩散过程,形成增长极。增长极所在区域对其周边区域的影响与奇异吸引子的效应相似。非平衡是有序之源,适度的区位差是城市向有序化发展的动力。为保证城市空间能够可持续发展,规划在宏观上应促进增长极的形成和发展,微观上应优先生长点的建设,并根据不同时期的发展特点,采用不同的策略[6]。

1.4 分形(Fractals)——注重城市结构的整体性和局部性的统一

分形是著名数学家曼德尔布诺特(Mandelbrot)于1975年提出的新概念。所谓分形是指外表极其丰富多姿或破碎杂乱,但其内部却有层次性、自相似性、递归性及仿射变换不变性等确定性特征的一类现象或体系[5]。

混沌系统的自相似结构,可以通过递归法来生成。递归运算的表达式称为递归式或迭代式。递归函数表示为:f(xn+1)=f(xn)。此递归函数的特点是计算的结果不断的代回方程本身,影响下一次计算的结果,这不仅反映了系统的反馈特性,而且反映了系统级递归的分形特征和生成潜能。可见,城市的发展演化遵循迭代机制,因此,也具有分形的特征[7]。

分形具有自相似性,它可以通过认识局部来映像整体,局部和整体间具有辩证统一的关系。混沌系统的这一特征要求我们在城市规划设计中要注重城市结构的整体性和局部性的统一。在城市规划设计中宏观上保持城市的整体性,合理的布置整个城市的功能分区和资源分配,有利于优化城市局部结构,促进局部功能的发挥。在注重城市结构的整体性原则的基础上,合理布置城市的局部结构也是至关重要的一环。由于城市的发展演化遵循迭代机制,城市局部的每次突破都被继承下来,并被逐步的迭代放大,因此,局部也影响着整体。

2 结语

混沌理论是继量子力学、相对论后的第三次革命,适用于大到天体、小到微观粒子的研究,因此是一次范围更广、规模更大的科学飞跃。目前,混沌理论已经逐步渗透至自然科学和社会科学的各个领域,极大的改变了我们传统的思维方式。Henry Adams说“有序培养习惯,混沌塑造生命”[3]。有效地运用混沌学原理于城市建设系统,从混沌的角度重新思考传统城市规划设计,有助于我们从传统城市规划设计的藩篱中解放出来,真正进入到创造性的非线性城市规划设计活动中。

[1] 邓宗琦.混沌学的历史和现状[A].国家数学天元基金资助课题报告[R].1997.

[2] 高素春.混沌理论在企业项目管理中的应用探讨[J].项目管理技术,2007(6):15-16.

[3] 申传胜.混沌的基本特征及其在教学设计中的应用[J].安庆师范学院学报,2008(6):76-77.

[4] 方 可.“复杂”之道——探求一种新的旧城更新规划设计方法[J].城市规划,1997(7):28-33.

[5] 刘 洋.混沌理论对建筑与城市设计领域的启示[J].建筑学报,2005(6):32-33.

[6] 段 进.城市空间发展论[M].南京:江苏科学技术出版社,2000:80-87.

[7] 苏宏志,陈永昌.混沌和分形理论解释了建筑和城市演化的图景[J].新建筑,2008(2):75-77.