拓扑结构在现代设计形态中的应用

茹天

（西安美术学院，西安 710065）

科学技术的飞速发展为现代设计搭建了广阔的发展平台，网络和新媒介使信息的交融变得更迅速，这些现象催生了多学科体系的交叉，其他学科中的研究项目被借鉴在现代设计中，丰富了艺术设计的表达形式，具体表现为新颖的、充满形式感的设计形态，拓扑结构就是其中的一种。

拓扑结构来源于拓扑学中对于物体之间相对位置关系的研究，拓扑学最早是指研究地形、地貌的学科，之后拓扑学由几何学和集合论中发展出来，成为了研究空间、维度和变换的学科①。拓扑主要研究几何图形或空间，在连续改变形状后还能保持不变的一些性质，拓扑只考虑物体间的位置关系，而并非它们的形状和大小，因此，各个元素的相对位置和节点之间的连接方式是拓扑结构的核心形式，在实际应用中，拓扑结构主要应用在计算机局域网建立中，其中，拓扑学表述的对于物体间位置和形状变换的研究方式，被放射进现代设计研究中，成为一部分特殊设计形态存在的理论基础。

拓扑结构并非是人的主观创造发明，而是受到自然的启发而发现的，拓扑形式在自然界中也同样大量存在，例如树的分叉生长、蜘蛛网的造型构成、叶脉的形态、蜂窝造型等等，这些形式都是拓扑结构在自然界中的表现，人对自然的认知启发了人的理性思考，将点与线的连接方式统一在一起，构成了多样的点线结构关系。

拓扑结构主要包括树形拓扑、环形拓扑、星形拓扑、网状拓扑、蜂窝状拓扑这几种主要形式，各个形式之间有时在具体的构形实践过程中还有一定的交叉应用，从而构成了混合型拓扑结构，这些具体的带有强烈描述性的拓扑结构，是人对“点线”关系的理性总结。

在现代设计领域，拓扑结构被大量应用在设计形态中，设计师运用拓扑结构表现设计理念，将自然界中特殊的形式特征、数理性的秩序美感以及人文化的设计思想统一起来，构建了多种形式的、具有丰富视觉层次的拓扑结构设计形态。下面就以环形拓扑、星形拓扑、网状拓扑这三种拓扑结构为例，分析这三种拓扑结构在现代设计形态中的应用。

一、环形拓扑结构

环形拓扑是由单一环形作为基本结构，在空间中呈现串联关系的圆形分布，这种形式和几何图形中的圆一样，是最理想的模型形式之一，但环形拓扑侧重于圆形轨迹上各个节点之间前驱、后继的连接关系，而并非环形本身，可以想象，环形拓扑结构如同橡皮圈，无论如何扭曲、变形，环形拓扑依然存在。

自然界中最有规律的环形结构，就是行星的绕行轨迹，例如地球围绕太阳旋转，在公转的过程中所经过路线上的每一个点都在同一平面上，并且构成一个封闭的曲线，这种环形的运动轨迹不仅表现在宏观的宇宙中，甚至存在于每一个微观的原子核中，带正电的质子和不带电的中子聚合在一起使围绕其运动的电子呈现出环形的运动轨迹，并且这些轨迹在空间中交织在一起，形成了多重环形交织的球体结构。

可见，环形拓扑结构是自然界中固有的形式结构，也是在力的作用下物体运动的轨迹，环形拓扑结构代表了运动、引力和聚合，因此在设计中，许多设计形态的构成都是基于环形拓扑结构产生的。

例如，欧洲联盟European Union的会旗图形就采用了环形拓扑结构表现欧盟共同体的概念，它以星形图案为基础形，使其沿环形路径复制后形成一个环形结构，以表现统一、联盟的形式意味，环形拓扑结构为这个图形的构成提供了基本框架，均衡和对称的基础形分布，表达了欧盟内部的平等、团结。与欧盟会旗图形的设计形态类似的还有星空联盟Star Alliance的标志设计，设计者用五个充满立体感的三棱锥体构成整个标志，它们通过环形串联的方式在空间中组成了一颗五角星的大致轮廓，和星空联盟的名称非常吻合。

欧盟会旗图形和星空联盟的标志图形都运用了环形拓扑结构，它们都用基本形围绕某一个虚拟的圆心做环形排列，以增强模块之间凝聚力，为图形整体形态的构成提供基本框架。

有时环形拓扑结构在空间中并非呈现出如欧盟会徽或星空联盟标志一般完美的环形结构，而是表现为具有矛盾空间性质的环形造型，例如国际通用的循环可回收标志，以及Power Architecture的商标设计等等，这些图形如埃舍尔的矛盾空间画作一样，在空间中呈现出既矛盾又合理的视觉效果，这种形式也延伸到建筑形态的设计中，例如哈萨克斯坦国家图书馆的造型，就是一个环形拓扑结构的莫比乌斯环造型。可见，无论形态如何变化，构成设计形态的环形拓扑结构始终没有发生变化，这保证了视觉形态上的稳定性，也从设计结构上切合了主题。

二、星形拓扑结构

在计算机网络结构中，星形拓扑是一种各个节点以点到点的基本形式，连接到一个共同节点上的网络形式，因此星形拓扑结构表现为：一个中心节点和多个外部节点相连，并在空间中形成放射状的发散关系，这些直接和中心节点相连的外部节点和中心节点一起构成一个不可分割的整体，辐射状的发散结构，具有爆炸、萌发、生长的视觉意味。

星形拓扑结构不是人的主观创造，而是普遍存在于自然界中的形式结构，例如蒲公英和仙人球的造型都是非常典型的星形拓扑结构形式，它们都表现为单体模块围绕中心点规律的发散式旋转复制的形态，还有自然界中的雪花冰晶造型也往往呈现出星形拓扑的结构，由此可见，星形拓扑结构隐含在自然的造物法则之中，它构成了一些自然形态特殊的外观形式，并且星形拓扑结构是一种基本的构形框架，对构形模块的替换，可以使设计形态具备永无止境的形式变幻。

星形拓扑结构在现代设计形态中的典型案例是2010年上海世博会英国馆的建筑外观形态，这一建筑造型采用星形拓扑结构形式构建，设计者用6万余根亚克力长杆连接在建筑内部的钢化结构上，塑造出迎风摇曳的透明蒲公英造型，星形拓扑结构代表了充满生命力的造型，基本模块亚克力长杆的点状矩阵式旋转排列，使建筑既严谨、理性又充满了艺术的幻想，同时，星形拓扑结构所具有的萌发、爆炸、飞散等视觉感知效果，也赋予了整个建筑超现实的视觉刺激感受。

在图形设计领域星形拓扑结构也出现在许多现代设计案例中，例如2020年迪拜世博会标志设计方案，采用相互套叠的发散状同心圆形态构成，整体图形在圆形及其变体图形的模块式组合中，构成了星形拓扑结构形式，在空间中表现出一种多层次的丰富性，渐变色和星形拓扑结构中的形式变化，创造出发散、辐射、扩张的视觉效果，在平面空间中创造出深远、空灵的空间感。

三、网状拓扑结构

网状拓扑结构不同于节点连接方式较单一的环形拓扑和星形拓扑，它的起始点和后继节点都不唯一，各节点在空间中呈现出复杂的交错关系。

网状拓扑结构的显著特征是每个节点都对应多个前驱节点和后继节点，在空间中这些节点均匀分布，最终形成均衡的多线条交织形式。网状拓扑形式是由许多形态相同或近似的基本模块按照一定比例复制形成的，这种拓扑形式从结构上看，是由多个节点相互连接构成，它们在空间中呈现出平铺的形状纹理，这种构成方式决定了模块之间的连接方式不会因为形态的变化而发生改变。

网状拓扑形式在动植物的外在形态上都有体现，例如鱼鳞、玉米粒排列、果蝇眼睛的细胞、菠萝的表皮都可以看到网状拓扑结构的影子。网状拓扑结构是人类从自然形态中发现的，早在人类文化的启蒙阶段，先民们就会利用纤维编织网，进行狩猎和捕鱼，对网状结构的认识，使人对工具的使用由功能性的应用，转向审美意义上的装饰性应用，因此在彩陶文化的器皿装饰图案上，网状图形是经常被使用的一种装饰图案。网状结构也大量应用在传统建筑中，如屋顶的瓦片排列、中式窗棂的镂空图案等等。

现代设计形态中网状拓扑结构表现出更强的生命力。例如，在建筑设计中，2015年意大利米兰世博会上的法国馆，用全新的形式对网状拓扑结构进行了重构和再造，巨形木片以相互插接的形式形成了网状的结构，并且巨形木片是构成整个建筑形态的唯一元素，木片和木片之间相互插接，形成了网状拓扑结构，随着建筑局部的凸起和凹陷，这些木片纵横交织的单元格发生了形态的挤压和拉伸，由横、纵轴线交织构成的网状形态被曲线所代替，规则的模块由此发生了扭曲，模块化带来的厚重的形式感，被有机的曲线造型弱化，表现出一种流动中的稳定性。

在装置形态中，2015年米兰国际家具展上，日本设计师隈研吾设计的作品“白色蚕茧”用白色半透明硫化纸创造稳定的网状拓扑结构，纸带的纠缠、扭曲都按照一定的数理比例进行，从而生成了稳定的网状构架，为整体形态提供了支撑。这个规则网状拓扑结构是依靠着经过特殊处理的硫化纸所具有的韧性和灵活性完成的，单一纸质的支撑力度很小，但在编织的过程中，设计者将纸带以网状的形式扭曲、钉合在一起，使其整体的承重能力大大增强，纸本的肌理和规则的网状结构结合在一起，营造出一种安定、柔和的视觉空间。

拓扑结构总体上来说是一个相对宽泛的概念，人为的划分不一定能够涵盖实际存在的所有造型，因为在实际的造形过程中，多种拓扑结构常常会混杂在一起，以各种面貌出现在现代设计形态之中，环形拓扑、星形拓扑、网状拓扑只是其中比较有代表性的三种而已，拓扑结构实质上是计算机技术的介入，催生出的以数理性为典型特征的现代设计，所表现出的形式变化。

拓扑结构来源于人对自然的认识，是人对自然造物中美的形式的理性把握，自然的睿智和科技的辅助能够帮助设计者进一步开拓设计的疆域，创造出更多、更好、更新的视觉形式。

注释：

①〔英〕阿姆斯特朗.基础拓扑学[M].孙以丰，译.北京：人民邮电出版社，2010：17.