從分形與生態(tài)探索城市

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　一、分形是城市的本質(zhì)特征

　　分形（fractal）是非線性科學中的重要概念。近30年來，它已經(jīng)發(fā)展成為一個龐大的以幾何學為基礎(chǔ)，涉及自然科學、社會科學、方法論直至電子藝術(shù)的完整體系。

　　曼德布羅特（Mandelbrot，分形創(chuàng)始人）這樣描述它：“……自然界的許多圖樣是如此的不規(guī)則和支離破碎，以致與歐幾里得幾何相比，自然界不只具有較高程度的復(fù)雜性，而且擁有完全不同層次上的復(fù)雜度……我構(gòu)思和發(fā)展了大自然的一種新的幾何學，并在許多不同領(lǐng)域中找到了用途。它描述了我們周圍的許多不規(guī)則和支離破碎的形狀，并鑒別出一族我稱之為分形的形狀，創(chuàng)立了相當成熟的理論。”（圖1）[1]

　　“自相似”（不同層次間的部分的相似）及“迭代”是對分形最直觀的理解。萬物都可以從分形的角度來分析和研究。中國傳統(tǒng)城市就是一個非常標準、簡潔的分形體。以著名的唐長安城為例，分為城、坊、院、屋四個層次，呈完美的自相似結(jié)構(gòu)。在中國城市里，“墻”是分形迭代的主體：從外圍最高大的城墻，到各街坊每晚需要各自關(guān)閉的坊墻，再到各家各戶自己的院墻，最后是每間屋子的圍合。不同的“墻”代表了不同等級的所有者權(quán)限——頂端的一國之君擁有天下，以綿延萬里的長城來劃定自己的權(quán)力范圍；而基層的一家之長便統(tǒng)轄自家的院墻之內(nèi)……圍墻作為中國城市的典型特征，至今還在大多數(shù)城市占據(jù)著城市劃分的主體地位。城市道路在中國則是“墻”劃分的結(jié)果，是被動形成的交通體系，它同樣貫徹了完整的分形結(jié)構(gòu)：從主干道（如朱雀大街），到坊間次干道，再到坊內(nèi)小街，最后是院內(nèi)的庭和廊。庭是家庭的空間核心，居住的空間則位于庭的四周。

　　從分形的角度比較東西方城市，我們不難發(fā)現(xiàn)幾個重要區(qū)別：①分形的層次。中國城市遵循3～4級的逐級迭代，而西方城市僅有從城市到單體建筑的2層。②分形的主體。中國城市分形的主體是墻，墻內(nèi)區(qū)域的自相似性決定了墻間道路的自相似；西方城市分形的主體是道路，單體建筑只能在道路的劃分之下占據(jù)空隙。③分形的相似度。從城市結(jié)構(gòu)的最末端可以看出二者在相似度上的明顯差異：中國的家庭院落內(nèi)部，交通的組織仍然依靠房屋外側(cè)的走道、走廊和中庭，與整個城市并無二致；而西方的家庭單體建筑，內(nèi)部交通主要依靠房間之間的互通，與城市強有力的道路走向已相差很遠了。

　　由此看出，中國的城市是一個多層次、均質(zhì)化和整體性的分形體，西方的城市則可簡化為一個建筑單體的集合?，F(xiàn)代城市正是按照西方的城市結(jié)構(gòu)建立起來的，只不過每個單體建筑擴大了規(guī)模，增加了面積和高度。

　　因為是在舊結(jié)構(gòu)的模式上擴展城市、建設(shè)高層建筑，而道路系統(tǒng)仍然局限在地平面上，使得現(xiàn)代大城市越來越暴露出它的弊端，如高樓病、人際隔離、熱島效應(yīng)、中心空殼化等等。立交和地鐵系統(tǒng)在一定程度上緩解了交通阻塞，然而仍未觸及根本。

　　能否通過中國傳統(tǒng)城市結(jié)構(gòu)的思路來改造現(xiàn)代城市呢？這其實是許多前輩多年來努力的方向。然而大多數(shù)實踐僅停留在傳統(tǒng)的一個局部，比如傳統(tǒng)建筑的符號提取，卻少有從城市整體的角度來領(lǐng)悟和繼承傳統(tǒng)城市的精華——其完美的分形特征。

　　現(xiàn)代城市從分形的角度看，最大的缺失正是在自相似度上的再次降低。每一棟單體建筑已成為立體化的高樓，其內(nèi)部的垂直交通已經(jīng)與水平交通同等重要，然而整個城市卻依然聯(lián)系于一個單一的平面。

　　中國古代就已有城市走上了立體分形的道路。如位于四川山區(qū)中的羌寨，因為天旱少雨，所有的房屋都鋪設(shè)平屋頂，用過街樓、連廊、天橋和樓梯，把整個寨子的屋頂連成一片。整個羌寨如同一條山脈，每個院落都自然地形成其中的一座山峰，山峰間是彼此相連、而且可以漫步的公共區(qū)域。

　　很顯然，現(xiàn)代城市有非常多的區(qū)段可以為真正的立體分形城市提供可能。而這里面，屋頂平面是最普遍、最易公共化和最易改造實施的一個。僅僅改造屋頂這一公共平面，就能使城市的公共區(qū)域擴大1倍以上。我們設(shè)想，未來的城市建筑將變封閉的“樓層”為開放的“空中土地”，城市的支撐結(jié)構(gòu)體系將與城市的使用空間及建筑的表皮完全分離，而建筑的表皮（及空中土地的開放部分）將與道路、廣場一樣，成為城市的公共空間。對此，我們曾經(jīng)在一個居住小區(qū)的規(guī)劃中做出一個用天橋連接所有樓頂、電梯，使之集中設(shè)置共同使用的低成本方案——“天街”[2].

　　二、城市生態(tài)與雨林頂

　　近年來，把生態(tài)建設(shè)、環(huán)境保護融入城市的規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)和管理中，已是多數(shù)人的一個共識。從自然的生態(tài)中借鑒一些方法來研究城市生態(tài)是一種新方法。下面就試從“雨林頂”這個自然生態(tài)的新發(fā)現(xiàn)來重新審視我們的城市。

　　“雨林頂”是自然生態(tài)學領(lǐng)域最近新發(fā)現(xiàn)的特定環(huán)境，是指在熱帶雨林樹冠之上那些以前未被人類觸及的地方。人們熟知的雨林是被高大蔽日的熱帶喬木及茂密叢生的熱帶灌木包圍下的雨林地面。潮濕、陰暗、毒蟲眾多是我們對雨林的總體印象。然而，科學家偶然發(fā)明的一種探險工具——樹冠網(wǎng)——使得人們的視線脫離了地面，來到了離地數(shù)10m的雨林之頂。在那里，發(fā)現(xiàn)了上千種從未被人類所認識的動植物，也發(fā)現(xiàn)了一個同樣屬于熱帶雨林、卻截然不同的生態(tài)環(huán)境：陽光普照、雨水充沛，不斷生長的樹葉在嫩綠的海洋里起伏……

　　作為一個大膽的設(shè)想——“城市雨林頂”正是自然熱帶雨林頂在城市生態(tài)工程中的一個具體應(yīng)用。如果我們把整個城市看成一個立體的雨林的話，市民平常的所有活動路線都位于雨林底部的一個平面上，最多是沿著樹干（即辦公樓或住宅樓）上到某一株與自己相關(guān)樹的內(nèi)部，而樹與樹之間、樹頂與樹頂之間，根本就沒有任何聯(lián)系，都是孤立地站立在城市的平面上。

　　“城市雨林頂”就是盡可能地連接那些可以連接的屋頂平面，最終形成一個類似雨林頂?shù)?、位于城市上空的新的城市生態(tài)。

　　三、空中春熙路

　　春熙路是成都市的傳統(tǒng)商業(yè)中心，90年代以來日漸蕭條。為此，市政府從2001年起，對其實施全面改造。然而，從目前的規(guī)劃、建設(shè)狀況來看，仍有如下問題無法解決：

　　大部分臨街建筑高度相當、形體單一、門面狹窄、間距很小，導(dǎo)致街道景觀視野層次嚴重不足。無論后期怎樣做表面裝修和燈光處理，都不可能從根本上改變這個狀況。因為規(guī)劃上沒有自己獨樹一幟的特色，即使改造完成后，其城市景觀和商業(yè)環(huán)境依然不可能有一個大的提高。

　　春熙路臨街建筑的現(xiàn)狀是其劣勢，同時也潛在著巨大的優(yōu)勢。以南北段的路西側(cè)為例，所有建筑都高5～6層，屋頂天際線平滑整齊，樓間距基本為零，除了少數(shù)缺口，可以沿各樓樓頂從北端的亨得利一直走到南端的春南商場。

　　這樣的一個場地環(huán)境，正是實施“城市雨林頂”的絕佳場所。我們設(shè)想，在實施春熙路屋頂綠化的同時，建設(shè)一條綿延于各樓頂?shù)牟叫薪?mdash;—空中春熙路（圖2）。一期工程（圖中虛線）將從條件最成熟的南北段西側(cè)開始，在南、北端加建兩個大型入口電梯，跨春熙西段處架設(shè)一座高20m、長25m的人行天橋。各樓頂基本都是上人平臺，稍加改造即可通行。二期工程可以考慮周邊的所有中小街道。

　　空中春熙路的建成將給這里的景觀效果帶來根本性的改變，變的不是建筑的形體樣式，不是道路的路線色彩，而是觀看的位置。作為平原城市，成都的城市建筑群體天生缺乏足夠的層次分布，也缺乏良好的觀賞角度。站在街道上，如同置身峽谷之底，除了川流不息的人流，就只能看見兩旁的建筑。北方的大連，采取了拆除低矮建筑、大建草坪的做法來敞開地面的視線，其成本很高，并且削弱了適宜人靠近的尺度感和商業(yè)氛圍，這種做法在春熙路難以實施。

　　目前春熙路的商業(yè)大多數(shù)集中在底層，即使將來天橋系統(tǒng)完成，帶來的也最多是二樓商業(yè)的繁榮?？罩写何趼匪鶐拥膭t是立體滲透的，甚至會盤活所有樓層。首先是樓頂商業(yè)街的兩側(cè)，將以陽光休閑式玻璃房屋、露天購物及綠化為主，形成一條外地人必到的標志性街道。街道不強求整齊劃一，而是依就地勢、略帶高差，形成趣味十足、移步換景的效果。其次是地處五六樓，顧客無須費力登樓，一旦在某樓頂發(fā)現(xiàn)中意的商品主題，便可逐級而下，輕松購物。最終整個春熙路將變成一個超級龐大的立體購物場所。

　　四、殊途同歸

　　“天街”與“空中春熙路”雖是我們在不同時期、基于不同思想產(chǎn)生的方案，卻最終都著墨于建造第二平面——連接屋頂這個統(tǒng)一的思路上。這并非巧合，因為我們發(fā)現(xiàn)：熱帶雨林，自身就是一個非常完美的多層分形系統(tǒng)。

　　從整個森林，到每一株樹木，到樹的分杈，再到枝葉，直至葉的內(nèi)部，熱帶雨林這個巨大分形體的主干正是這些綠色植物。這是一個比山脈這樣的分形體更復(fù)雜、更具生命力也更有借鑒意義的系統(tǒng)，因為它本身就承載了千萬種生命在里面繁衍生息，與我們?nèi)祟惖某鞘惺呛蔚鹊南嗨啤?/p>

　　面對城市生態(tài)這樣無比復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，分形理論正是研究它的重要數(shù)學模型之一。通過現(xiàn)代數(shù)學的介入，必將使建筑與城市這樣的跨門類學科的研究具有更堅實的基礎(chǔ)和更普遍的現(xiàn)實意義。