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1、非线性方法 传统村落空间形态研究的新思路彭松(东南大学建筑系,江苏南京210096) 【摘 要】回顾我国民居村落的研究历程,分析村落空间与开放的复杂系统的关系,试图探讨运用研究复杂系统的方法 非线性方法研究村落形态的可行性和研究价值。 【关键词】村落形态; 复杂系统;非线性方法论;元胞自动机;神经网络 【中图分类号】TU - 024 【文献标识码】A 【文章编号】1007 - 8983 (2004) 02 - 0022 - 021 民居、 村落研究的历史与现状我国民居的研究工作以上世纪40年代初由刘敦祯教授与营造学社的同仁们对我国西部省市地区进行了大量古建、古民居考察调查开始,但直到1981年
2、,第一部地区性民居研究专著浙江民居 出版的时候,全国才全面开展这方面的普查和研究,标志着我国建筑学领域开始关心乡村民居这个课题。村落形态研究主要包括村落空间构成研究和聚落生长研究 。村落空间构成研究,主要指村落空间的布局、 组织与形态,典型的成果有:多样化的自然村镇景观(段进,1986 ) ,“皖南村镇巷道的内结构解析”(王澍,1989) ,传统村镇聚落景观分析(彭一刚,1992 ) ,江南小城镇形态特征及演变机制 、乡镇形态结构演变的动力学原理(仲德昆等,1993 ) ,徽州村落空间(董卫,东南大学学位论文) ,明清徽州传统村落初探(张十庆,东南大学学位论文)等 。这些研究在景观和形式层面上
3、,或者说在形态分析层面上对传统村落空间构成作出了较全面的探索。 楠溪江中游乡土建筑(陈志华 、 楼庆西,等,1997 )的研究曾提出整体研究方法,以 “生活圈” 为单元而不是孤立的研究单栋房屋;动态的研究社会、 经济 、 文化发展引起的村落和房屋的变化。对一个地区的建筑类型 、 形制 、 构造方法 、 形成风格和村落形态等与其他地区作比较研究 。 客家民居形态、 村落体系与居住模式研究 一书中,一方面研究了客家建筑的源流和历史分期,另一方面则论述了客家建筑形制与社会、 文化的关系,提出 “宗法礼制观念 、 家族观念 、 民俗观念是决定聚落形态和建筑形制的三大要素,以宗法礼制观念为骨架,以家族观
4、念为内容,以民俗观念为特色的文化正是客家建筑文化的特征。 ”徽州村落空间明清徽州传统村落初探 也是分别探讨宗族制度和风水制度对徽州村落形态的影响,城镇空间解析 太湖流域古镇空间结构与形态(段进 、 季松 、 王海宁,2002 )则偏向于用结构主义理论,解释古镇的物质空间形态,已经落实到形态研究本身 。村落空间构成研究为聚落生长研究提供基础资料,聚落生长研究是研究村落的成长、 发育过程 。研究村落的形态结构因社会群体 、 家族组织,土地所有权等乡村经济的变化而产生的变迁 。是村落形态研究的深化,主要目的在于挖掘村落生长的原型和村落形态形成的根本原因。我国建筑学关于村落地区性整体研究经历近20年的
5、历程,在个案数量上不断增加,但是研究方法却主要为分析实质环境 、 结合史料和文化人类学等学科的研究方法。这些研究方法主要借助文化地理学和文化人类学的研究基础,它们的确可以解释一些村落结构的表象,但是由于人的计算综合能力有限,都只能从村落空间形成生长的某几方面入手,定性的对村落进行研究,缺乏对村落空间形成、 发展种种因素的综合考虑,不能完整有力的揭示村落的深层结构和形态演变的动因 。这个问题也一直困扰我们。如何才能找到一种能够综合考虑自然、 经济 、 社会等因素,直接针对空间形态本身的研究方法,我们于是希望借助现代计算机系统的强大运算能力,直观形象的再现村落生长的过程,为历史考证研究提供科学的参
6、考。2 村落空间是一种开放的复杂系统我们认为村落和城市一样也是一种开放的复杂系统。耗散系统论的创始人普利高津( Ilya?Prigogoine )和英国教授Peter?Allen曾系统 、 深入的探讨过作为复杂系统的原因。法国学派的波埃特(M?Poete)和拉文顿( P?Lavendan ) ,以及意大利建筑理论家罗西(Aldo?Rossi)在分析城市建筑类型的时候,曾解释过尺度并不能线性的导致城市的本质差异,我们研究村落的时候同样不能仅仅依照尺度规模,将村落结构简化 。在村落系统中,甚至最小的建筑造型本身也是一个子系统,子系统与子系统之间强烈的耦合关系,构成整个村落,这种难以精确描述的复杂性
7、,使得我们并不能简单的将村落拆解成一个一个单元分析,也就是说,凭借现代城市空间的经验,或者按照功能,或者按照规模等标准,将村落空间拆解之后,将会导致我们对村落结构的误读。早期类型学研究者米利契亚( F?Milizia )在分析城市建筑的时候,首先是针对建筑物(公共的或是私人的)加以分类,接着又分析城市中的元素区位,最后则分析建筑物的造国家自然科学基本资助项目(编号:50378013 )的部分研究报告收稿日期2003 - 12 - 31作者简介彭松,硕士研究生 。22 ? 建筑论坛 ?四川建筑 第24卷2期 200414名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - -
8、 - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 3 页 - - - - - - - - - 型与布局 2 。这个例子从一个方面说明村落中的各个元素间有着密接关联性和复杂性。3 亚历山大的启示由于我国古村落发展的历史都比较长,有的甚至可以追溯千年之久,我们的历史知识在这里往往显得捉襟见肘,单凭历史资料加上一段时间的田野调查,我们想要弄清村落是如何演变的,几乎就是不可能的事。亚历山大( C?Alexan2der)看到了空间形态生长历史研究的困难,因此他在 城市设计新理论一书中避开了 “历史” 这个问题,而是着眼未来,首先制订了一套城市发展规则,由许多
9、学生构成的试验小组提出发展计划并逐步实施,众多学生的参与保障了发展过程一定的复杂性,通过试验的方式演绎空间形态生长的过程和特征 。倘若我们不去理会亚历山大的规则,直接使用我们现在拥有的众多图形分析方法,拆解分析亚历山大做出的过程图,我们将得不出什么发展规律。通过亚历山大的例子,我们设想,假如我们能够就我们研究的村落,事先制订一套发展的“游戏规则”,只要这些规则足够合理,我们是否就能一步一步的,在一定近似程度上还原这个村落的生长过程?或者可以说假如我们模拟的生长结果与事实结果相似,那么我们制订的 “游戏规则”就是合理的,这些规则将揭示支撑着村落生长演变的根本动因,我们也就能够比较科学的概括出村落
10、生长的原型。这种想法就是我们新思路的初衷。然而,我们必须看到村落发展的复杂性,也就是说,我们必须清楚:我们的最初规则和最后的结果将带有极大的不确定性,这种不确定表现为初始条件的微小变化带来结果的巨大差异,这就是所谓的非线性变化,甚至是我们制订的局部规则和整体形态的变化规律毫不相干。单凭几个人的主观判断贯穿整个模拟过程的话,会导致结果不科学,不客观,也会因为工作量的巨大而根本没有办法进行下去。因此,我们必须借助专门的研究复杂问题的方法。4 非线性方法作为村落形态研究方法的思路非线性科学并不是一个近期才出现的新学问,也不是一个新的科学概念。非线性问题最初由于发现了混沌现象而被提出,但是它极大地激发
11、了人们探索自然界和人类社会中存在的各种复杂性问题的热情,同时也逐渐改变了人们观察周围世界的思维方式。非线性和复杂性往往紧密联系在一起,因此,非线性科学也就被认同为处理复杂性问题的科学。非线性科学主要包括三个理论分支:混沌动力学,分形和孤立子理论 。由于现代系统科学的新三论与非线性科学的理论方法有着密切的联系,因此,耗散结构论 、 协同学和突变论也通常被包含在非线性科学范畴内。另外,最新发展的斑图动力学以及L -系统,神经网络和元胞自动机(CellularAutomata ,简称CA ,也有人译为细胞自动机、 点格自动机、 分子自动机或单元自动机)等网络动力学模型通常也被视为非线性科学中的一员3
12、。尤其是这些动力学模型,它们本身是对非线性科学理论的一个综合,可以说是一种方法论或者说是一种方法框架,拥有很强的科学研究适应性。元胞自动机,是一种时间和空间都离散的动力系统 4。元胞自动机的部件被称作“元胞(cell)”,每个元胞具有一个状态,这个状态只能取某个有限状态集中的一个,例如或“生” 或 “死”,或者是256种颜色中的一种等等;这些元胞规则地排列在被视为 “元胞空间” 的空间网格上。其最主要的特点是复杂的系统可以由一些很简单的局部规则来产生,是一种自下而上的研究思路,而村落正是 “一种社会性建筑行为”,基于这点考虑,我们认为CA模型很适合用来模拟村落的生长演变过程。元胞自动机的最基本
13、的组成单元就是元胞、 元胞空间、邻居及规则 。元胞自动机可以被视为由一个元胞空间和定义于该空间的变换函数所组成。标准的元胞自动机是一个四元组,可以表示为: A =( d , S , N , f )A代表一个元胞自动机系统; d是一个正整数,表示元胞自动机的维数; S是元胞的有限的、 离散的状态集合; N表示一个所有领域内的元胞的组合,即包含n个不同元胞状态的一个空间矢量,记为: N = ( S1, S2, S3, Sn)N是元胞的邻居个数, SiZ(整 数 集 合) , i(1 ,n) ;f表示将Sn映射到S上的一个局部转换函数所有的元胞位于d维空间上,其位置可用一个d元的整数矢量Zd来确定
14、。简单的元胞自动机模型中,最有名的是 “生命游戏”元胞自动机 。生命游戏中的元胞有“生”,“死”两个状态;0,1分布于规则划分的网格中。根据元胞的局部空间构形来决定生死 。只不过规则更为简单。下面介绍生命游戏的构成及规则:(1)元胞分布在规则划分的网格上;(2)元胞具有0 ,1两种状态,0代表“死”,1代表 “生”;(3)元胞以相邻的8个元胞为邻居。 即Moore邻居形式;(4)一个元胞的生死由其在该时刻本身的生死状态和周围八个邻居的状态(确切讲是状态的和)决定:在当前时刻,如果一个元胞状态为 “生”,且八个相邻元胞中有两个或三个的状态为“生”,则在下一时刻该元胞继续保持为“生”,否则“死”
15、去;在当前时刻,如果一个元胞状态为“死” 。且八个相邻元胞中正好有三个为 “生”,则该元胞在下一时刻“复活”,否则保持为“死”。尽管它的规则看上去很简单,但生命游戏是具有产生动态图案和动态结构能力的元胞自动机模型。它能产生丰富的、 有趣的图案 。本文的目的是希望指出使用元胞自动机模型应用于村落研究中的可能性。我们希望通过诸如Mathematica、Mat2lab、Autodesk公司提供的CALAB等CA模型构造的软件平台,或者通过Visual C+ +从底层建构我们自己的村落CA模型,这个模型类似一个专家系统,这个体统可以根据我们设定的初始条件,自动运算,得出村落生长演变的一系列过程形态 。
16、这些虚拟运算的结果将可以用来比较判断,成为我们的村落形态分析研究重要参考资料。基本的元胞自动机根据研究对象可以进行扩展,赋予元胞自动机一定的意义,它就能够描述诸如村落空间的生长变化等现象 。将标准元胞定义为村落构成基本元素状态的集合,村落的基本元素我们将简化为实体部分(下转第25页)32 ? 建筑论坛 ?四川建筑 第24卷2期 200414名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 3 页 - - - - - - - - - 怎样购物,就会看到商业行为不是单纯的购物,
17、它还含有娱乐 、 休闲甚至观看。你肯定注意到在街上坐很久也看很久的人 。有活力的商业必然要满足商业行为方式的多样化,并创造多样化的空间形态。吸引更多的人到商业空间中去“玩”。商业空间要通过穿插楼梯,平台,廊道以营造出了一个欢乐、活力的购物天堂。图5商业内部水街(1)水街(图5)。水街 其 实 是 一 条 带状的浅水池,位于两条平 行 的 商 业 建 筑之 间,位 置 类 似 于街,建筑是简洁的柱廊 式 的,倒 影 在 水中,丰富的元素是水中斜插的木平台,水上凌空而过的天桥,柱廊中穿插而出的咖啡厅和交错的室外楼梯,这一切活跃着水街,水面在阳光照耀下欢快的跳动,感染着每个人的情绪。(2)看台(图6
18、)。看台位于建筑的架空层内,首要的功能还是给人们提供休息的场所,并且兼作交通(可以上到2层的通廊) ,它直接面向水街,具有非常好的视野,可以望见对面来往的行人及池边嬉戏的孩童,看台满足了人们看的欲望,是商业街中人气最旺的场所。(3)廊道和台阶(图7)。廊道是天一广场出现最多的要素,小型的商业店面基本上都以外廊相通,外廊较宽,不仅用作交通,给人们留下深刻印象的是一群在外廊滑旱冰的小孩,他们游刃有余的穿梭在廊间,快乐感染着大人们。廊道纵横交错互相连通,购物的人们可以通过它到达任何店面,在规整的外廊之间穿插着活跃的元素楼梯和扶梯,联系商业街不同的楼层,廊道或穿过一个广场,或经过一个种满绿树的庭院,或
19、到达一个眺望的平台,或进入一个洒满阳光的中庭,一切都给人带来不同的感受,同时又是轻松与随意的。天一广场的台阶很多,高高低低的组织着广场的不同标高的地面,使巨大的广场并不空旷,形成丰富的界面。在这样的气氛下,廊道和台阶为丰富的室外活动创造了背景和舞台。图6 商业区台阶与广场图7商业楼架空看台旧城中心区商业步行街的发展,在精神和物质方面深切的影响着整个城市,是值得我们关注的问题,我们已经做了一些,但还远远不够 。(上接第23页)和虚体部分 。实体包括房屋墙体以内的部分;虚体包括各种室外空间。单元元素具有感知周围环境的能力 。按照我们研究设定的村落建筑的建设规则,进行变换运算 。标准的元胞自动机空间
20、仅仅是一些均匀的栅格,在村落形态元胞自动机中,栅格空间则用来表示村落建设的物质空间,为了让标准栅格空间表达不同的环境特点,可以将元胞空间划分成多个不同质的子空间,表达不同的环境特点。元胞自动机的转换规则,按照反映我们初始设定的基本元素在实际建设发展过程中的局部规则进行模拟,元胞与邻近空间的转换规则往往具有受制于自然 经济 社会复合因素的影响,表现非线性和不确定性,这些影响因素的权衡我们可以借助神经网络(神经网络是一个具有高度非线性的超大规模连续时间动力系统,具有很强的鲁棒性和容错性,关于联想、 概括、 类比和推广,任何局部的损伤不会影响整体结果,具有很强的自学习能力。系统可在学习过程中不断完善
21、自己,具有创新特点,它实际上是一个超大规模非线性连续时间自适应信息处理系统的方法进行继续研究5 ,优化模型。我们构建的元胞自动机的时间将是一种和空间尺度对应的抽象概念,不具体表示一年,一个月,一天,事实上能与历史发展的时序相对应的可能性为零。我们设定的时间与实际时间通过空间总量来对应,如模型在某循环之后与村落某年的实际规模相当,则认为二者时间相互对应。形象一点地说,村落形态元胞自动机模型的工作方式就是:元胞(cell)代表的就是村落中的建成物;通过计算机编程,使元胞状态的变化能够表示真实世界中人们在村落内局部建造建筑物 、 街巷单元的真实过程;元胞在设定的栅格空间中的分布表示村落的空间形态;元
22、胞自动机的运行过程,就表示局部建造过程的不断衍生;于是村落整体形态在真实历史时间内的演化、 生长过程在计算机中就一步步被元胞状态的这种转换跌宕过程模拟出来。运用元胞自动机模型的空间发展综合的研究首先是在地理学界得到的充分认识和验证。但是建筑学科却没有多少影响,在很大的程度上是因为建筑学科固有的观念难以转变,建筑学科偏重于感性研究,对于定量化 、 数据化尚未找到突破,元胞自动机的研究基于空间相互作用,而非基于社会、经济指标间的影响关系,更能反映空间格局变化以及由此带来的进一步反馈作用,模型中的元胞空间划分可以非常细小,因此它能够在精细的尺度上表现村落空间结构的变化,并且可以生动形象的模拟村落生长
23、演变的过程,可以帮助我们分析判断古村落的演变历程,作为史料文献研究和田野考察研究的有益补充。可以说运用元胞自动机这类非线性方法研究村落空间形态带有一定的必然性,所以我认为采用这类非线性方法是未来研究传统村落生长的一种新思路。参 考 文 献1 余英.中国东南系建筑区系类型研究 M .中国建筑工业出版社,2001. 2Aldo Rossi.城市建筑 M .博远出版社. 3张本祥.社会科学非线性方法论 M .哈尔滨出版社,1997.4 谢惠民.非线性科学丛书:复杂性与动力系统M .上海科技教育出版社. 5周成虎,孙战利,谢一春.地球信息科学基础丛书 地理元胞自动机研究 M .科学出版社,1999.52 ? 建筑论坛 ?四川建筑 第24卷2期 200414名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 3 页 - - - - - - - - -