西浦国际学者探秘苏州园林窗棂冰裂纹 古典与现代设计交融创新
2024年03月28日
冰裂纹是一种复杂精巧的图案，形似碎裂的冰面，是传统中式窗棂十分常见的设计元素。冰裂纹的灵感最初源于冰面上裂开的纹路，象征着冰消雪融、春天来临，也是一种古老的陶瓷烧制工艺。
（苏州留园的冰裂纹花窗，摄影：钱懿）
现任西交利物浦大学建筑系副教授的Iasef Md Rian博士于2019年第一次来到中国，从那时起，他就被苏州古典园林中花格窗的设计深深吸引了。
多年来，Rian博士一直专注于建筑设计中的分形几何，并希望探索图案美背后的几何美。
“我一直在寻找这样的灵感来源，所以一看到冰裂纹图案时，就十分想研究它背后的几何原理。”
他说：“相对来说，西方的花园设计较为对称规整，而中国古典园林的布局和设计中则融入了更为自然的形态。冰裂纹花窗就体现了这一点。”
揭示背后的规律
Rian博士发现，冰裂纹图案的设计原理其实非常简单。
他解释道：“以下图中的类型1为例，首先将正方形划分为两个四边形，然后再将它们进一步分割成两个四边形。接下来每一步分割出的四边形，比例都不同。这样，我们就可以使用简单的规则创造出随机图案。”
“当时的中国工匠也许希望通过这种设计来增加窗棂的坚固性，以起到保护作用。随机的冰裂纹让窗棂的木条通过不同角度连接起来，让窗棂的应力分布均匀，并且达到一种独特的刚度。”
“人体中的骨小梁组织，即骨松质，就是这样一种随机格状结构。它既拥有很高的强度，又十分轻量，很好地证明了这种结构的潜力。”
（冰裂纹的不同类型。P表示五边形，Q表示四边形，T表示三角形。图源：Rian博士）
近日，Rian博士在期刊《建筑学研究前沿》上发表了一篇论文，探讨了冰裂纹图案的几何性质，并扩展了将随机图案融入结构设计的可能性，尤其是常用于穹顶和弧形结构的网壳设计。
他说：“在研究中，我开发了一种算法，为冰裂纹设计的网壳结构建模，并评估了它与传统网壳结构相比的可行性和有效性。传统网壳结构由通常规则的格状图案构成，和冰裂纹设计的壳体形成鲜明对比。
“虽然规则网壳在均匀载荷下表现良好，但冰裂纹图案在不对称载荷下的强度更佳。在自重下，优化后的一些冰裂纹图案甚至提供了比常规网壳更好的强度，这十分出人意料。另外，将冰裂纹应用于网壳设计，还具有额外的美学优势。
“我将冰裂纹的应用扩展到曲面上，以充分利用它在网壳设计的几何、结构和构造方面的潜力。”
（Rian博士对冰裂纹网壳的艺术创想）
Rian博士还将冰裂纹和复杂几何融入了他的教学中。2022年，他为学生组织了一个设计冰裂纹屋顶的工作坊。
他解释说，学习分形几何的概念可以进一步帮助学生将想法转化为独特的设计。
“这些知识和学生在高中时所学习的完全不一样。在学习创建几何系统的过程中，他们还要学习计算建模和模拟，这能让他们最终收获先进建筑和数字设计的全面知识。”
（学生制作冰裂纹屋顶）
传统设计的再发现
为了扩展在该领域的研究，Rian博士正在钻研复杂几何在微观材料设计和结构设计等各个方面的效能。
他说：“例如，在外立面设计中，我们一般使用传统或参数几何来设计规则的形状。然而，采用复杂几何设计的随机形状可以提供更自然的观感和更好的日光穿透性。”
Rian博士鼓励设计专业的学生和学者从传统的设计中学习。
“所有的传统设计都有其隐藏的规则。而现在，我们可以使用数字技术和先进的工具来延展和扩宽传统工艺的知识，将它们重新用于当代设计。
“传统设计背后隐藏着很多灵感，它们可以激励我们设计师做出面向未来的创新设计。”他说。
点击此处阅读论文《基于随机分形的冰裂纹网壳结构的计算设计》。
（记者：钱懿 翻译：韩香音 中文编辑：张蔚 图片提供：Iasef Md Rian博士）
2024年03月28日