基于可拓学的风景园林设计方法研究

徐思婧  朱建宁   2016-11-24 22:17:48

徐思婧 / XU Si-jing

朱建宁* / ZHU Jian-ning

摘 要:可拓学是一种辅助策略生成的方法,正被逐渐应用到建筑、城乡规划等领域。先通过流程图和表格说明园林设计方法,在此基础上说明可拓学引入园林设计的切入点和作用原理。阐述了可拓学基础知识,整理了发散与重构、共轭分析、相关网分析3种可拓园林设计方法,初步构成可拓园林设计方法体系,并用1个实际案例对可拓方法进行演示。

关 键 词:风景园林;可拓学;园林设计;设计方法;设计逻辑

文章编号:1000-6664(2016)08-0052-06

中图分类号:TU 986

文献标志码:A

收稿日期:2015-03-30;

修回日期:2016-03-15

Abstract: Extenics is a kind of logical approach which can help generate strategies. It is being gradually introduced to the field of architecture and urban planning. The method of landscape design was described by flow charts and tables in this article. It illustrated the principles of extenics and the entry point for landscape design based on these charts and tables. The article showed the basic knowledge of extenics, and further, preliminarily summarized some manners for design which contains divergence-reconstruction analysis, conjugate analysis and correlation analysis. Combined with the design methods from extension project, it constituted a preliminary extension landscape architecture design method system. It took one case to explain extension methods of design.

Key words: landscape architecture; extenics; landscape design; design method; design logic

1 可拓学简介1.1 定义及研究概况

“可拓”一词指代一门称为“可拓学”的学科,定义为“用形式化模型研究事物拓展的可能性和开拓创新的规律与方法,主要用于解决矛盾问题[1],研究核心是如何通过变换处理各种不相容问题和对立问题(通称矛盾问题)”[2]。简言之就是一门研究事物构成与逻辑规律的科学。

可拓学起源可追溯至1983年广东工业大学蔡文教授发表的《可拓集合和不相容问题》[3]一文。到目前为止,可拓学应用于建筑科学与工程、城市规划领域的期刊和学位论文已有数百篇,研究方向涉及建筑设计、施工流程及技术管理、土地利用、生态规划、生态修复、防灾控制、建设资金管理、文物保护、交通管理等众多方向,大部分文章发表于近5年内。除理论研究外,可拓学相关软件也在研发中。如李卫华教授等研发的“旅游可拓策略生成系统”,李小妹博士等研制的“促进产品销售的可拓数据挖掘软件”等成果[4]。可见,关于可拓学的理论研究与应用研究都非常活跃,是一门正在蓬勃发展的学科,值得在更多领域得到推广。

1.2 对设计学科的意义

对大多数人来说,数学的意义并不是解决深奥的数学问题,而在于它普遍的方法论意义,指导人进行更合理、更有效的思考。日本数学教育家米山国藏曾指出,大众数学教育最重要的是推广数学精神。这种精神一方面指自由探索精神,另一方面指方法论意义,如一般化、系统化、严密化、统一化、经济化、应用化、变中求不变等思维方法[5]。有了这些方法,便能更有效地认知事物,做判断或创新。

可拓学把原本个性化、自由、难以捉摸的思维过程整理成清晰的框架和形式单元,对设计理论研究与教学、思路整理、解决设计中的矛盾问题、设计软件开发等有重要意义。对于园林工作者,研究可拓学最重要的目的是探索有效的思维方法,在此基础上还可开发设计辅助程序。

2 园林设计方法2.1 意义与内涵

以一个最简单的庭院设计为例,假设一块长方形场地,提取“长方形”这个特质,把长方形复制、缩放、阵列排布、渐变、旋转,产生更丰富的形状及组合方式;这些平面形状可以进一步被堆高、下陷,变得有形体;再进一步,这些形体可以由植物、雕塑、喷泉等丰富的事物充当,它们会显现出丰富的光影、色彩、细节和文化内涵;最后,根据功能需要调整安排广场、步行道、台阶、水池、草地等内容。这就是一种简单的设计方法,即以“长方形”为起点展开变化,以形式演化为线索逐步推演出一处庭院。尚不讨论这样的方案是否健全,但普通人只要知道了这样的方法都可以创作出庭院。

可见园林设计是有一定规律存在的。虽然这些规律不能呈现如自然科学般的“标准化”[6],但掌握规律就能较为稳定、合理地创造出人们需要的设计方案,设计思路也可以在人与人之间交流,这样才能让后人掌握前人成果,再在此基础上进行发展变化。这就是研究设计方法的意义。

设计一词在《现代汉语大词典》[7]和《新华汉语词典》[8]中的解释基本包括2项,一项为正式做某项工作之前根据一定目的要求,预先制定方案、图样等;第二项为设计出的方案。所以设计就是为达到一定目的而基于现有知识和条件进行的构想、计划,并体现在设计方案上。原始事物被设计、改造后会成为更符合人类需要的物品(图1)。“方法”在词典[7]中的解释是为了达到目的而运用的方式、手段或步骤;“方法论”是关于人们用什么样的方式、方法来观察事物和处理问题的理论和观点。

所以,设计方法就是为了建立构想、计划而采用的思考方法(包含观察事物和处理问题的理论和观点)以及借助工具、材料得到方案的方式与步骤[9](图2)。园林设计发展至今,已涉及太多学科,设计界的领袖们也提出了不同的思考角度和推敲方法。对于这样庞大丰富的体系,笔者整理图表进行说明(图3,表1)。

图3是图2的深化。图3体系包涵了设计相关知识、思维路径、指导思想、表现手段等环节,表1则罗列了各环节包含的一般内容。这些内容相互关联、作用,使原始信息演化出新结论、新事物,从而得到设计成果。

按照图3结构把表1里的内容放到对应位置可以得到许多设计方法。比如从经济效益出发,结合抽象艺术、工业生产等相关知识,利用地形、气候、水文、野生动植物等现状条件展开逻辑推理或形象转化,再借助计算机、塑胶模型、手绘稿等工具帮助思考或表现,最后产生设计方案;再比如以道家思想、君子比德思想为指导,结合堪舆、山水画等相关知识,依据现状地形、周边环境、水文、气候、植被等条件,通过形象思维或其他一些构思方法,最后借助绘画、文字、实物试错等手段让设计逐步实现。可见,不同文化背景、知识储备、技术条件、场地条件等各方面因素产生了许多不同的设计方法。

2.2 园林设计方法研究概况

目前关于设计方法的研究是比较丰富的。以历史为线索,可以分为古典造园设计理论研究和20世纪后的现代设计理论研究;以研究对象为线索,可以分为针对某项要素的设计研究(如针对水景、植物景观、地形、构筑物等)和基于某一学科及其理论的设计方法研究(如基于生态理论、植物学理论、建筑空间理论、心理学理论、哲学理论、人体工程理论等);以设计过程为线索,可以分为思维方法研究(如参数化思维、抽象思维、逻辑思维、经验直觉思维、加法思维、减法思维等)、设计手法研究(如借景手法、象征手法、隐喻手法、以小见大手法、透视线法、形式构成法、图层叠加法等)、对设计辅助工具的研究(如GIS、SWMM等)以及对设计表现方法的研究(如手绘、计算机绘图、全息影像等),等等。

受自然学科评判制度和研究方法的影响,园林设计方法研究很容易转到以其他学科为主的研究中。比如生态类的设计,为了研究影响设计的生态学要素,必须系统而深入地学习生态学理论和相应技术;研究参数化设计的学者必须研究大量计算机语言,还要掌握快速更新的软件和应用插件。当然,侧重某个方向的研究对园林设计非常必要,也取得了大量宝贵成果,但随着研究的发展,其他学科理论体系变得越来越庞大、复杂,相比之下,设计理论本身所占比重则越来越少。再者,各方向研究专注于各自领域而难以顾及相互协作,即便各自取得较深远进展,作用也会受到局限。

所以,需加强设计方法本身的研究,探索能联系各个学科的系统的设计方法,建立不同学科之间的关联体系,将不同学科知识整合到风景园林设计这个主体中,为风景园林设计服务。

3 可拓学方法及其应用3.1 基本形式与概念

可拓学记录事物的基本单元是“基元”,表示为B=(Om, cm, vm),其中,B代表基元,Om为对象,cm为特征,可以是关于对象Om的任意特征,vm为特征cm的量值,是对特征的具体描述。一行式的基元也称为一维基元,只能表述对象的一项特征及其相应的赋值,但现实中一件事物通常有诸多特征,所以基元也通常表现为多元式,即多行多列式,表示为:

比如一项广场铺装任务,总面积6 0 m × 6 0 m,设计形式为规则式,材料选用青石板,石板规格为800mm×300mm×40mm,这些信息可用基元表达为:

基元B是所有类型基元的一种总称,它被分为3类,即物元,事元和关系元,分别用不同的字母表示(物元M,事元A,关系元R)。这就是可拓学最基本的形式单元。基元中的每一项要素都可以根据需要和一定的法则进行变换,从而产生需要的新基元。

图3和表1里每项内容都可以被基元化,然后进行可拓分析(图4)。在此基础上进行可拓变换,能够产生若干设计方案,最后可通过优度评价、验证、对比等方法选择出最佳方案。

3.2 基本可拓园林设计方法

3.2.1 发散与重构方法

可拓学最基本的一项特点是通过发散(拆分)和变换构成要素来寻找化解矛盾的策略。它最基本的构成要素——“基元”就是在这种思维模式下建立起来的,用图5加以解释:

图中,事物甲和事物乙是2个存在矛盾的个体,被拆分为A,B,C和D,E,F,进一步拆分出更次一级要素。拆分后发现2个事物内部不是所有要素都矛盾,而是个别要素矛盾导致事物甲和事物乙不相容,这时只要改变矛盾要素就能使事物甲和事物乙相容。

基于这一原理,可以归纳出“发散与重构方法”。这种方法可以直接用于突破矛盾问题,还可用来呈现事物内部结构,是设计创新的基础。

使用这种方法大致可以分为3步(图6),第一步拆分,第二步变换,第三步重构。第一步的目的是呈现事物内部构成要素和构成方式,寻找产生矛盾的环节;第二步变换,目的是通过变换矛盾要素而消除矛盾问题,可拓学总结的置换、增加、删减、扩大、缩小、分解、复制、反物元、非物元、逆事元、逆变换、逆蕴含、传导等方法用于变换;第三步筛选与整合,先筛选所有变换基元的策略,再将筛选结果进行整合,形成最终方案。

发散与重构方法是可拓学中最常用的一种方法,是可拓分析的基础。

3.2.2 相关分析方法

可拓工程中,通常用函数去判断一组问题中的核心问题和核心要素。但规划设计中很难把设计要素赋值再代入函数计算,并且在问题数量并不太多的情况下,通过简单的逻辑分析方法就能找到一组问题中的关键问题。相关分析方法能直观体现要素相互间的影响关系,通常占据箭头出发点最多的要素是解决矛盾问题的关键(图7)。相关分析法结合蕴含系(图8)、共轭、发散与重构等方法可以呈现更清晰、系统的设计思路。

3.2.3 共轭分析方法

共轭原理是可拓学独有的分析事物构成的方法,它规定事物内部存在如下关系:

物Om=物Om的实部⊕物Om的虚部⊕物Om 的虚实中介部;

=物Om的硬部⊕物Om的软部⊕物Om的软硬中介部;

=物Om的显部⊕物Om的潜部⊕物Om的潜显中介部;

=物Om的正部⊕物Om的负部⊕物Om的负正中介部[11]。

即事物由虚实(imaginary-real)、软硬(soft-hard)、潜显(latent-apparent)、正负(positive-negative)以及各自中介部(mid)构成,中介部存在与否要根据事物实际情况和需要而定。

虚实指代的是事物的物质性和非物质性[10],比如空间与墙体是一对虚实共轭对;软硬指代构成事物的要素和组织方式,比如公司人员和管理模式就是软硬共轭;潜显指代事物显现的部分和潜在的部分,比如刚建成景观和未来5年景观是潜显共轭关系;正负指代事物某一特征取值的正负,比如产品的正效益和负面效益是正负共轭。这4对关系只要存在其中一个,则与之配对的另一个必须存在。此外,以上共轭对都有可能存在中介部,比如建筑灰空间、起到组织作用的硬件、事物萌芽阶段等情况都属于中介部,为了让工作更高效,可根据实际情况选择是否有必要考虑中介部。

相对立的部分相互依托存在,能进行变换以消除矛盾,转换方法包括置换、增加、删减、扩大、缩小、分解、复制、反物元、非物元、逆事元、逆变换、逆蕴含及传导等。

基于该原理,设计师可以对一件事物进行正反两面考虑,完善不足之处。共轭对立部之间能够相互转换这一特性,可以帮设计师寻找事物向有利方向发展、减少向有害方向发展的策略。

3.3 案例分析

首先要说明本文案例演示的目的,包括:演示可拓学方法和体现可拓方法的价值。可拓方法的价值又包括:1)可拓学适用范围十分广泛,能用于梳理所有设计相关信息,适于做跨学科研究;2)剖析能力强,能将几乎所有设计知识进行体系化剖析,是良好的分析工具;3)可以将优秀策略模块化,以后类似项目可以根据关键词直接引用整个模块,提高思考效率;4)拥有相对成熟的逻辑体系,可以将分散的知识整合成一个系统。

以亚特兰大Belt Line重建规划项目为例[11]。该项目获得2007年ASLA分析与规划荣誉奖。该地面临的问题是城市不均衡发展,局部兴旺、局部逐渐衰落,过分依赖机动车导致交通拥堵、自然环境恶化等问题。规划后通过Belt Line联系绿地、道路和4段具有历史价值的铁路,环抱了亚特兰大核心区,为区域分配税收制度提供现实条件,进而为保护区域内历史遗迹、建设公园和步行道提供资金保障。该项目成为美国城市规划的优秀样本,对美国交通运输和城市规划影响深远。

首先表达问题P、目标G和条件T。项目问题是亚特兰大各区发展不均,局部发达,局部衰落,进而引发一系列问题;核心目标是要赋予整个亚特兰大活力,长期均衡发展;条件非常丰富,后文用可拓分析方法择重进行梳理。

第一步,建立问题的可拓模型P=G*L。P代表问题,G代表目标,L代表条件。矛盾存在,记作P=G*↑L,多目标和多条件问题记作P=(g1 ∧ g2 ∧ g3 ∧…… ∧ gn) ↑(l1 ∧ l2 ∧ l3 ∧…… ∧ lm)。

在亚特兰大项目中,面临的问题是由于城市发展不均衡从而导致一系列问题。即城市均衡发展的目标和现实条件不吻合。那么,问题P = G *↑L = (城市发展,状态,均衡发展)*↑L。条件L在后文展开说明。

第二步,分析目标G。先进行蕴含分析,从最终目标G开始,推演能导致最终目标实现的次级目标,以此呈树状推演,罗列目标系统(图9),箭头和脚标表明从属关系。

蕴含分析完毕后,对目标进行相关分析(图10)。根据设计经验,分析发现g12对其他环节影响最多,是城市均衡发展关键,即有计划、有控制的城市投资是城市均衡发展的关键。由于g11是g12的前因,所以还应保证g11的实现。其次,g221对其他要素影响也较大,即完善交通条件也是实现城市均衡发展的重点。g21也对其他要素产生影响,即居住户型分布也是实现总目标的重要环节。

第三步,分析条件L。主要用到共轭、发散等分析方法(图11)。利用共轭原理整理现状条件,列出如下分类:实现目标的实体要素、非实体要素、要素间关系。图11中并没列出所有亚特兰大市的城市构成要素,只根据项目资料提取重点做案例说明。

第四步,讨论条件L是否能实现目标G,或存在矛盾,根据需要变换目标或条件以使矛盾消除,目标实现。可拓变换方法包括置换、增加、删减、扩大、缩小、分解、逆向思维变换等。

例如条件L12的分布形式,“网状分布”的道路结构仅考虑为汽车服务,却缺少对行人的服务。于是对“公路”这一主题进行分解。根据共轭原理中的软硬、虚实2组概念,找到“硬件设施-与其他系统的关系”“物质性结构-空间视线感受”2组共轭对,发现应对硬件设施、交通系统与其他系统的关系、系统间衔接结构及视线关系进行改变,则可以使“公路”这个要素既可服务汽车,又方便行人,行人可以分布到范围更广的各个角落。具体改造措施包括:加强公路与其他系统联系、缩小部分街道尺度、增加节点和公路衔接的结构、删减阻挡视线的物体等。其他几组条件的改变也是类似的推敲过程,在此不详细分解。最后得到图12中的结果。

这种推敲方法大致可以总结为:设立目标,整理条件,讨论条件是否能实现目标或存在矛盾。当现状条件Ln无法实现目标,分析Ln的构成要素,逐层次拆解,直至找到能够实现目标的改造方式,对要素进行变换,得到变换后的条件TnLn能实现目标,这个Tn即是设计策略。图12中,已把Tn内容整理成“变换方式”,TnLn是Ln进行变换后的结果。第五步,整理第四步中所有变换方式,整合后即得到设计方案。

从本文已分析的内容来看,Belt Line重建项目主要采取的措施包括启动TAD①机制改变原有的城市税收和投资模式,引导城市均衡发展;增加有衔接功能的构筑物将铁路、公路、公园、分散的绿地、河流连接;控制建筑高度,过渡建筑密度,以此引导人口分布;增加绿地面积和数量;缩小部分街道尺度;删减遮挡绿地和景观的障碍物;清理水体,去除阻碍水体联系的淤塞物。

该项目是美国城市规划经典案例,图12中列出的变换方式可作为优质策略存入知识库,以备将来类似项目按照关键词调用。

比如在另一个需要城市均衡发展的项目,直接搜索g=(O,c,均衡发展)这样的基元,那么相应的目标蕴含系、相关分析网、条件发散系就可以被调出,然后根据需要进行选用或内容补充。如果需要同类项目的建筑相关策略,则搜索建筑条件基元L13及其变换T13,那么改变层高、调整建筑密度等策略模块就会马上出现,为设计师提供参考。

4 结语

本文通过基础理论说明、案例演示来介绍可拓学,重点体现其梳理在设计信息、剖析问题、知识模块化、知识系统化方面的价值。简单来说,可拓学的核心就是通过分解要素、寻找产生矛盾的要素、变换矛盾要素来解决问题。另外还可以通过系统化的方式构建事物。掌握了核心思想和可拓学基本符号语言,就可以根据需要灵活运用可拓学为设计工作服务。

将可拓学引用到建筑、规划等学科领域是近10年来刚起步的研究,正受到越来越多的关注和认可。随着可拓学理论和实践的积累、发展,相信将会在园林设计领域发挥更大作用,尤其是在参数化设计蓬勃发展的今天,可拓学把思维过程转化为形式化语言这一特点将在编写设计相关程序方面打开新思路。

注:文中图片除注明外均由作者绘制。

参考文献:

[1] 蔡文.可拓论及其应用[J].科学通报,1999,44(7):673-682.

[2] 蔡文.可拓集合和不相容问题[J].科学探索学报,1983(1):83-87.

[ 3 ] 蔡文,杨春燕,何斌.可拓学基础理论研究的新进展[ J ] .中国工程科学,2003(2):81-87.

[ 4 ] 蔡文,杨春燕.可拓学的应用研究、普及与推广[ J ] .数学的实践与认识,2010(7):214-220.

[ 5 ] 郑毓信.数学思想、数学思想方法与数学方法论[ J ] .科学技术与辩证法,1993(5):3.

[6] 郭涌.当下设计研究的方法论概述[J].风景园林,2011(2):68-71.

[7] 龚学胜.现代汉语大词典[M].北京:商务印书馆国际有限公司,2015:386;1272.

[8] 《新华汉语词典》编委会.新华汉语词典[M].北京:商务印书馆国际有限公司,2014:871.

[9] 朱建宁.从“制器尚象”到“立象尽意”:以“意象”为核心的中国传统园林设计方法[J].中国园林,2013(5):37-48.

[10] 杨春燕,蔡文.可拓工程[M].北京:科学出版社,2007:41;179.

[11] 石莹,林佳艺.区域规划&城市设计·美国[M].南京:江苏人民出版社,2012:4;9. (编辑/王吉伟)

作者简介:

徐思婧/1986年生/女/云南昆明人/北京林业大学园林学院风景园林学在读博士研究生/研究方向为风景园林规划与设计方向(北京 100083)

朱建宁/1962年生/男/山东陵县人/博士/北京林业大学园林学院教授,博士生导师/北京北林地平线景观规划设计院首席设计师/研究方向为风景园林规划与设计/本刊编委(北京 100083)

通信作者(Author for correspondence) E-mail: blzjn@vip.sina.com

① TAD税收制度可视为政府融资手段,主要通过发行免税债券来募集资金,所得资金用于计划项目中一系列建设。Belt Line的TAD实行范围涵盖了城市8%的土地。

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