喀斯特白云岩肌理特征及在园林假山中的应用

李祖国　黄宗胜　王美权

摘 要：為将喀斯特区白云岩应用于园林假山工程实践中，采用SBE法、空间句法、分形理论，对白云岩肌理特征及如何运用于假山工程进行了系统研究。结果表明：天然白云岩结构面孔裂隙呈随机分布格局，有明显主裂隙特征，走势趋同，次级裂隙数量较大且贯通主裂隙之间，连通性好，肌理破碎，渗透性强、可达性较好、裂隙分布紧密，肌理参数量化程度高的特征;将分形理论和空间句法揭示的岩石肌理分布规律进行逆推，对白云岩假山结构面（立面）孔裂隙肌理进行参数化设计，绘制符合白云岩肌理特征的相关设计图纸，按照图纸成果构建了弘宇·琉森堡居住小区白云岩假山工程，通过参数设计实现了白云岩自然肌理的成功构建，通过实践案例总结由现场分析——岩石调查——参数化设计——施工的系统化园林假山建设理论。并就岩石肌理应用于园林假山工程的应用理论的市场潜力及其推广策略进行了评价和分析，为充分开发和利用喀斯特区白云岩景观资源提供了理论和实践参考，丰富和完善了地域性景观工程建设理论，为更好营建喀斯特地域性特色景观做出突出贡献，对丰富风景园林行业理论体系具有一定的理论意义。

关键词：白云岩;肌理;园林假山;分形理论;空间句法

中图分类号：TU986.2

文献标识码：A

文章编号：1008-0457（2019）04-0039-07 国际DOI编码：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2019.04.008

Texture Characteristics of Dolomite and its Application in Plastic Stone of Garden Rockery

LI Zu-guo1，HUANG Zong-sheng2，*，WANG Mei-quan1

（1.collage of Forestry，Guizhou University，Guiyang，Guizhou 550002，China;2.School of Architecture And Urban Planning，Guizhou University，Guiyang，Guizhou 550025，China）

Abstract：In order to apply the dolomite in Karst area to the practice of rockery project，SBE （Scenic Beauty Estimation），spatial syntax and fractal theory were used to systematically study the texture characteristics of dolomite and how to apply it to rockery project. The results show that the fissures and pores of natural dolomite structural plane are randomly distributed with obvious main fissures，and the trend is similar. There are a large number of secondary fissures and they run through the main fissures with good connectivity，broken texture，strong permeability and good accessibility. The secondary fissures are closely distributed and the quantitative degree of texture parameters is high. The fractal theory and spatial syntax are used to deduce the distribution law of rock texture，which is applied to the parametric design of pore and fissure texture of dolomite rockery facade （elevation）  and relevant design drawings conforming to the characteristics of dolomite texture are obtained. According to the results of the drawings，the dolomite rockery project of Hongyu Liusenbao residential area is constructed，and the successful construction of the natural dolomite texture is realized through parameter design. Through a practical case that rock texture applied to landscape rockery project，we summarized a systematic theory of landscape rockery construction，that is，on-site analysis - rock investigation - parametric design - Construction. It provides a theoretical and practical reference for the full development and utilization of a large number of dolomite resources in the Karst area. The garden rockery theory of the characteristics of the ornamental surface of dolomite has been established，and the existing engineering theory of the regional landscape has been enriched and perfected. It has made outstanding contributions for the construction of Karst landscape features and has a certain theoretical significance to enrich the theory system of landscape garden industry.

Key words：Dolomite; texture; rockery; fractal theory; spatial syntax

中国南方喀斯特世界自然遗产资源包括了独特的地质构造、绝妙的美学景观、罕见的生态环境以及深厚的人文底蕴，其中以石林、金佛山、武隆、施秉、荔波、环江和桂林最具代表，以其独特景观为基础建设的喀斯特国家级地质公园、风景名胜区、森林公园等则更多，这说明喀斯特岩石独特的自然美已经被广泛论证和开发[1-4]。然而散布于喀斯特区的小型单体岩石美学价值高且数量极多，而仅有极少数被作为观赏石被利用，且在现有研究中，仅就白云岩的景观学、旅游学及洞穴探测学等领域中对白云岩景观形态下的景观类型、景观价值和成景模式进行探讨，其艺术价值逐步被大众认可，极少应用于人居环境中，在喀斯特区园林堆山叠石中的应用则更少，极少发挥其真正的艺术价值[5-7]。因此，探索喀斯特岩石在园林堆山叠石中应用途径对喀斯特区岩石资源的利用、社会经济的发展具有重要意义。

中国园林堆山叠石历史悠久，在《园冶》、《长物志》、《一家言》等古典园林著作中均对堆山叠石理论有所阐述[8]，后经张南恒、戈裕良、陈从周、孟兆祯、王劲韬、齐羚等[9-13]的继承和发展，形成以动物象形叠山和表现自然肌理的皴法叠山为代表的传统叠山塑石理论[14-16]。这些理论对中国园林堆山叠石实践工程的指导作出了卓越贡献，但均为定性的原则、理念和方法等，无法实现参数化设计，尤其较之于喀斯特岩石本身美学价值较高的堆山叠石则更难做到最佳组合。基于此，本研究以喀斯特区白云岩为研究对象，采用SBE法、分形理论、空间句法理论，对白云岩单体岩石在园林堆山叠石中的应用进行从设计、选石、到施工的整套工序进行理论与实践探索。旨在探索出一套将岩石肌理应用于园林假山中的参数化设计理论，为喀斯特区岩石资源的开发利用提供新的思路，进而为喀斯特区经济、社会的可持续发展提供新视角。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本次研究區位于贵州省贵阳市修文县龙场镇沙溪村和南明区汤巴关，地理坐标为106.35°E，26.50°N。海拔1100～1500 m。森林覆盖率为44%，属温暖湿润的北亚热带季风气候，年平均温16.5℃，≥10℃活动积温4097.40℃，年降雨量1235 mm，年日照时数1359.4 h。年平均空气相对湿度为58%，无霜期285 d，主要为碳酸盐岩，土层石砾含量高，pH值4.0～7.4，土层浅薄，分布不连续，以白云质灰岩为主发育的黄色石灰土和黑色石灰土，局部地段为黄壤[17]。贵阳是典型的喀斯特山地城市、全国生态休闲度假城市、中国首个森林城市、避暑之都。贵阳市以此为契机，结合山多、量大、分布广等特点构建“千园之城”[18]，石质景观产品需求增大。

1.2 研究方法

1.2.1 样地选择与调查

参照《贵州省岩性分布图》[19]进行样地选择，结合现场识别及稀盐酸检测法[20]辨别岩性，选择白云岩（沙溪村）典型样地5个，每个样地设置3个重复，设10 m2为一个岩石结构面样地面积[21]，采用测线法对结构面的轨迹长、隙间距及张开度等结构面的形态特征进行调查[22]，并拍摄岩石结构面孔裂隙现状照片，回到实验室结合现状依据测线法所测数据，取其典型发育面进行图片扫描，在AutoCAD软件中绘制岩石结构面孔裂隙平面图。

1.2.2 景观美景度评分法（SBE法）

景观评价最常用的方法是心理物理学方法[23]，而心理学物理方法中景观美学度评价法（SBE）运用最为广泛[24]，本文用该方法挑选出肌理美观的白云岩，为下一步参数化设计提供素材。心理物理学方法的主要思想是把景观与审美的关系理解为刺激—反映的关系，通过测量公众对美的审美态度，得到反映观赏质量的量表，该量表与各观赏成分之间可建立数学关系模型[25]。

（1）评价采样：本研究针对白云岩肌理的美学特性选出最能代表白云岩照片所展示肌理要素，本研究通过调查选取同样的视距和观测角度对样地进行拍照取样，然后在每个样地的重复样本中选取具有典型代表性的照片（即从拍摄的15张照片中筛选出5张具有代表性的照片）进行评价，在说明研究目的的同时将照片以问卷的形式发放给评分者（高校教师、行业专家、研究生和资深从业者），按10分制的评价标准进行打分（即最大分值为9分，最小分值为0，分值越大表示风景越好，质量越高），采用Daniel和Boster提出的SBE评分法对所得的分值进行处理。

（2）统计分析

本研究采用Daniel和Boster提出的SBE法对所得的评价值进行处理，这种方法可以解决标准化处理的缺陷，可以将各个景观之间的差距表现出来，其具体的计算过程为：

按照等级值的大小顺序统计各等级值的频数（f）和累计频数（cf）;用各等级的累计频率除以总的评判人数得出累计概率（cp）并查出相应的正态分布单侧分位数值（z）;计算z的平均值（Symbol`A@z）。由于计算过程是一个积累的过程，故最低等级的累计概率必定为1，相应的z为∞。因此，在计算时这一等级的z值不予考虑。在其他等级值中若出现cp=1和cp=0时，分别采用cp=1-1/（2N）和cp=1/（2N）来计算z值，其中N为评价者的人数。

在评价的照片中随机的选取一张照片i作为对照景观，令其SBEi=0，其计算过程为：SBEi=（zn-zi）×100=0，其他的景观SBE值计算式为：

1.2.3 岩石结构面孔裂隙形态结构测定

天然白云岩观赏面肌理特征可由岩石结构面及其孔裂隙形态结构来表征，而白云岩结构面及其孔裂隙的形态结构可用分形维数、间隙度与空间句法等相关指标来表征[26]。根据岩石调查中绘制的岩石结构面孔裂隙平面图，结合现状调查图片记录的岩石结构面孔裂隙形态特征，之后再运用AutoCAD勾绘岩石结构面孔裂隙，所得的结构面孔裂隙图为结构面节理和碳酸盐岩其他作用综合形成[27]。运用空间句法分析结构面孔裂隙的结构特征，空间句法是建立在拓扑学基础上，用于研究对象与对象间各种关系的理论，空间句法中的“轴线法”可以将空间用轴线来表征，即“将空间结构转译为轴线图”[28]，故可将每条岩石结构面孔裂隙空间结构用轴线代替，将轴线关系简化成拓扑学表达法，做空间重映射，然后运用Depthmap软件生成图像并对图像进行数据进行处理（连接度、整合度、密度值）以表征岩石结构面孔裂隙的结构特征，其中连接度可表征孔裂隙渗透性，整合度表征可达性，密度值表征单位面积内线段数量[29]。以上连接度、整合度、密度值总体平均值。

应用容量维数、间隙度分析岩石结构面的肌理形态特征。分形维数是分形几何学定量描述分形几何特征和几何复杂程度的重要参数[30]，本研究主要通过容量维数分析岩石结构面分布特征，其具体表现为容量维数越小，结构面分布越稀疏，容量维数越大，结构面分布越密集;容量维数的计算步骤为：设F为平面上的一个有界点集，总可以找到一个矩阵将F包含其中，将矩形分割成若干个边长为r的小方格，F占领的小方格数为N（r），则容量维数运算如下[31]：

间隙度主要运用于景观生态学中，是建立在格子图的基础上，其指数受观测方格大小及研究斑块密度和形状的影响，将岩石结构孔裂隙近似看成研究斑块，运用移动格子法[32]求间隙度指数，在相同尺度下，间隙度越大，说明研究对象（斑块）分布越聚集;间隙度越小，分布越均匀。具体计算步骤为：设有一张格子图覆蓋所有岩石孔裂隙，每个小格子边长设为一个单位（每块岩石的取样面积为10 m2，将其划分成1000个小格子，则每个小格子为0.1 m），然后将一个边长为r×r（r为大于或等于2的整数单位）个单位的方格放在岩面图的左上角依次滑动。在方格覆盖下的格子中，S为研究对象占据大格子的数目（一个大格子由四个小格子组成，每次上下、左右移动一个小格），这样得到一组随方格（边长= r）移动而获得的数值，记作n（S，r），将岩面上可容纳边长为r的方格总数记作N（r），则间隙度运算如下：

根据绘制的总体及各要素平面图转换，统计得出不同尺度ε下研究对象的间隙度指数^，然后将点（ε，^）绘成双对数坐标图，根据曲线的走势判断空间分布类型（如图1）。通过实际调研，白云岩主裂隙约100 mm，次级裂隙宽窄不等，本文以近距离观察视角下的最小分辨率为依据，选取300 mm×300 mm作为观测尺度进行深入观测、探讨和研究。

1.2.4 白云岩结构面孔裂隙特征在叠石假山实践中的应用原理

对自然形态下的岩石肌理进行美学评价，筛选出观赏价值高的岩石肌理样本，运用分形理论和空间句法对岩石结构面孔裂隙肌理形态结构特征进行揭示，通过揭示的规律和特征进行逆向推导，进行岩石结构面孔裂隙肌理参数化设计，绘制具有符合自然形态下岩石结构面肌理特征的设计图纸（立面图、施工图），按照现有假山施工流程推进后期的施工管理工作。

1.2.5 数据处理

本文通过运用Excel、Auto CAD、Depthmap等软件对数据进行转化和统计分析。

2 结果与分析

2.1 白云岩肌理特征

2.1.1 白云岩基本特征

白云岩色泽呈灰白色，整体产状和风化作用明显，常形成纵横交错的刀砍状肌理。在结构面上深度较深的溶沟在自然风化和溶蚀作用下，沿节理面破碎形成白云岩主裂隙，在空间上形成结构复杂的二元结构[33];未沿结构面破碎的溶沟则变化无常、纵横交错、深浅有致，美学度高，极具观赏价值。

2.1.2 白云岩结构面孔裂隙肌理观赏度

图2显示：总体上白云岩结构面孔裂隙肌理美学价值高，可观赏性强;以样地c作为参照，其余样地肌理观赏度（SBE值）均高于参考样地，但在同一水平上起伏较小;样地c主裂隙结构不明显，肌理密集，走势随机，聚集程度高，观赏体验较差;其余四组主裂隙结构明显，次级裂隙走势随机，结构复杂，富于变化，主次结合，表现出局部与整体相统一的美感，以样地a最具代表，观赏价值最高。

2.1.3 白云岩结构面孔裂隙肌理结构特征

图3显示，整体上由整合度、连接度和密度值表征出的白云岩结构面孔裂隙肌理结构特征整体上呈现出渗透性好、可达性高、单位面积内孔裂隙较多，主裂隙结构明显，次裂隙结构复杂。指标间数值起伏较小，无巨大差异，可量化程度高;连接度和密度值表现出一致性趋势，即样地a、d的连接度和密度值最高，单位面积内的结构面孔裂隙最多，渗透性最强。

2.1.4 白云岩结构面孔裂隙肌理形态特征

图4显示：整体上白云岩结构面孔裂隙肌理形态分布随机，肌理聚集、破碎。白云岩结构面孔裂隙间隙度指数对数与观测尺度对数回归曲线开口向上，表明白云岩结构面肌理分布随机。样本d（1.77）间隙度值最大，其肌理分布最为离散，主裂隙呈现出规律性走势，肌理变化较小，样地a居中，肌理主次分明，观赏价值高;分维数总体较高，表明白云岩结构面孔裂隙肌理聚集、破碎，结构面裂隙连通性好，但在总体上均呈现出裂隙肌理聚集、肌理破碎的特点。

2.2 白云岩观赏面肌理特征在园林塑石景观中的应用

2.2.1 白云岩人工塑石观赏面肌理设计

（1）工程地现状：

案例位于贵阳市南明区弘宇·琉森堡居住小区西南侧，拟建设一座与原地形充分融合的叠石假山。地形复杂，具喀斯特典型特征，基地水平方向分布不均，垂直方向上起伏较大，右侧垂直落差4.6 m，为白云岩基岩，左侧为自然缓坡，表层土被覆盖，下层为观赏效果较好的白云岩基岩，坡度约36°，中部土壤堆积。

（2）设计方法、设计原理与原则：

设计方法：运用参数化的方法量化白云岩肌理，并用量化规律指导参数化设计，构建原生形态假山肌理，实现自然肌理的模拟构建，突破传统设计手法，为探索新的技术和理论突破寻求解决途径。

设计原理与设计原则：结合地形对实践案例风格进行分析，采用景观美学度评价法对白云岩肌理样地进行筛选，采用整合度、连接度、密度值和间隙度、分维数对筛选出的结构面孔裂隙肌理形态结构特征进行揭示，根据揭示规律和特征进行逆推，遵循低影响开发、就地取材和乡土化的设计原则，进行堆山叠石工程的参数化设计（量化与参数化设计指标见表1），进行参数化设计，并进行适当艺术化处理，绘制符合白云岩肌理特征的岩石肌理设计和施工图纸，依据图纸肌理确定岩石规格，按规格购买和挑选符合要求的岩石进行拼接，整体拼接符合图纸要求后，按照现有堆山叠石施工流程进行施工。

（3）设计内容和设计目标：

参照设计原理，将白云岩样地进行参数量化，参照SBE值较高的白云岩特征，对假山正立面进行设计，并绘制出假山三视图，结果显示：间隙度指数对数与盒子大小对数曲线开口均向上（见表1），孔裂隙分布较随机，300 mm×300 mm观测尺度下白云岩结构面孔裂隙间隙度（1.15±0.02）与人工塑石假山结构面孔裂隙（1.73）相差较小，裂隙分布随机;分维数值表现为天然白云岩（1.60±0.02）与人工塑石假山（1.65），孔裂隙分布均较为密集，肌理较破碎，裂隙较多，结构面裂隙间连通性较好;白云岩孔裂隙空间句法连接度为2.73±0.25，整合度为0.91±0.25，密度值为0.08±0.038;人工塑石假山空间句法连接度为2.468，整合度为0.22，密度值为0.01;白云巖结构面孔裂隙渗透性较好、可达性高、单位面积内孔裂隙较多（见表1）。

3 结论与讨论

3.1 白云岩观赏面肌理特征

岩石结构面孔裂隙（节理、裂隙和断层）分布极度复杂，极具随机性，经过不断研究和突破，用分形理论中间隙度指数和分维数与空间句法整合度、控制值和密度值表征岩石结构面孔裂隙特征的科学性与合理性已被王美权[26]、盛建龙[29]、谢和平[34]等进行验证。上述研究结果分析得出分形理论（间隙度、分形维数）表征的白云岩结构面孔裂隙较为聚集，离散程度低，分布随机，肌理中等破碎、走势复杂;由空间句法表征的白云岩结构面孔裂隙肌理结构渗透性强、可达性高、连接度较好、单位面积内孔裂隙较多;由景观美学度评价得出白云岩肌理美学价值高，观赏性强，景观化开发利用潜力巨大。

3.2 基于白云岩观赏面肌理特征的园林塑石理论总结及推广应用策略

本文以喀斯特区分布最为广泛的白云岩为研究对象，参考和借鉴以参数化设计思维[35]，运用分形和空间句法对岩石肌理形态进行表征和量化，运用SBE法对岩石肌理美学进行评价，形成较为全面的参考指标，通过参考指标进行逆推，运用定量化设计指导喀斯特区假山建造和施工，就其营造方式和策略进行实践、探索和总结，形成了从设计到施工的系统化堆山叠石理论。立足实际，打破传统堆山叠石工程中定性描述和意向表达的常规，为堆山叠石工程设计和施工各环节提供数据参考，为保证施工质量提供保障，为更好地开发地方优质资源进行最优化利用和拉动地方经济发展探索途径。本研究提出的参数化思维设计理论不仅适用于传统形态下的堆山叠石工程，也可为新形势下批量化量产硅胶翻模假山肌理设计提供技术支持和理论支撑。

中国西南喀斯特区地质复杂，地貌形态多样，极大地限制地方经济文化发展，随着精神文化的提高，地域性景观资源利用和开发理论亟待补充和完善。为将喀斯特区白云岩应用于园林假山工程实践中，采用SBE法、整合度、连接度和密度值揭示了白云岩结构面孔裂隙具有离散程度低，分布随机，肌理中等破碎，走势复杂，裂隙之间渗透性强、可达性高、连接度好、裂隙密集。美学度高，观赏性强，景观化开发利用潜力大。研究通过对岩石肌理指标进行量化逆推，运参数化设计方法指导喀斯特区假山建造和施工，就其营造方式和策略进行探索、实践和总结，形成从设计到施工的堆山叠石系统理论，并根据该理论进行了实践验证，实现白云岩自然肌理的模拟。该理论立足实际，为堆山叠石工程设计和施工各环节提供数据参考，为更好地开发地方优质资源进行最优化利用和拉动地方经济发展探索途径;并就其该理论的推广利用策略和市场应用潜力进行分析和讨论，为充分开发和利用喀斯特区大量的白云岩资源提供理论和实践参考;美中不足之处在于该理论目前尚处于初步探索阶段，未能通过大量实践案例进行佐证，其操作便携度和指标量等仍需进一步探索、深化和完善。

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