Цена доставки диссертации от 500 рублей 

Поиск:

Каталог / АРХИТЕКТУРА / Теория и история архитектуры, реставрация и реконструкция историко-архитектурного наследия

Синергетический подход к решению архитектурных задач

Диссертация

Автор: Витюк, Екатерина Юрьевна

Заглавие: Синергетический подход к решению архитектурных задач

Справка об оригинале: Витюк, Екатерина Юрьевна. Синергетический подход к решению архитектурных задач : диссертация ... кандидата архитектуры : 18.00.01 / Витюк Екатерина Юрьевна; [Место защиты: Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т] - Екатеринбург, 2009 - Количество страниц: 218 с. ил. Екатеринбург, 2009 218 c. :

Физическое описание: 218 стр.

Выходные данные: Екатеринбург, 2009






Содержание:

Введение
Глава 1 Междисциплинарный подход к изучению архитектурной и урбанизированной среды
1Л Феномен мегаполиса с позиции синергетики
12 Анализ развития теорий идеальной структуры урбанизированного пространства
13 Модель коэволюции городской структуры как диссипативной системы (на примере гЕкатеринбурга)
Глава 2 Синтетический подход к исследованию структуры архитектурных и градостроительных образований
21 Формализация архитектурной науки и градостроительства
22 Постановка архитектурной задачи и общенаучные методы ее решения
Глава 3 Перспективы использования синтетических методов решения архитектурных и градостроительных задач (на примере гЕкатеринбурга)82 ••
31 Проектирование на основе математических методов
32 Модель структуры современного города

Введение:
Актуальность исследования. Устойчивая тенденция к территориальному росту и ускоряющиеся темпы урбанизации превращают крупные города в плотно застроенные образования, сложные для восприятия и ориентации в них. В мегаполисах процесс развития и приобретения новых городских функций и внедрения новых архитектурных организмов достигает колоссальных размеров и протекает с огромной скоростью. В результате происходящих метаморфоз город превращается в сложно регулируемый организм, где заполнение пространств основано на «случайных» включениях элементов в ткань. С точки зрения синергетики существуют внутренние законы развития объекта, иначе говоря, отбор работает лишь на поле предзаданных возможностей, отбору доступны только те формы, которые заложены в самой нелинейной среде.
Таким образом, в сложившейся ситуации возникает необходимость в разработке методов архитектурного проектирования^ позволяющих рационально использовать территории под застройку с учетом всех влияющих на нее факторов, прогнозировать дальнейшее развитие урбанизированной структуры и внедрение в неё новых архитектурных форм. На данный момент прослеживается тенденция ориентирования многих научных работ, посвященных вопросам архитектуры и градостроительства, на поиск новых методов решения теоретических задач архитектора, анализа и регулирования развития городской среды, для чего привлекаются смежные науки. Вследствие этого необходимо применять, синергетический подход к изучению диссипативной структуры «Город», позволяющий решать поставленную задачу на трансдисциплинарном уровне,, то есть с привлечением различных дисциплин. Одним из инструментов синергетики является математика — наука, с древних времен сопутствующая градостроительству. Применяя математические средства и методы для организации городского пространства, можно упорядочить и классифицировать элементы, составляющие исследуемый объект, выявить и проанализировать их взаимосвязи, степень влияния друг на друга. Другими словами, конструктивный характер математики может быть применен для систематизации накопленных эмпирических знаний о формировании города, прогнозирования и оптимизации его дальнейшего развития.
Синергетический подход к изучению феномена города подразумевает непременную математизацию данной отрасли знания с применением таких методов, как моделирование, формализация и аксиоматизация и, конечно, использование достижений философии математики.
Стоит отметить, что математические методы в последнее время активно проникают в различные сферы человеческой деятельности, в том числе происходит математизация наук, связанная со стремительным ростом интереса к междисциплинарному направлению поиска новых идей и концепций, с возрастающими темпами развития и расширениями границ каждой конкретной науки, а также с экспансией, самой математики. Её средства и методы способствуют рациональной организации архитектурного пространства, упорядочиванию его элементов, систематизации накопленных эмпирических знаний в сфере архитектуры. Синергетический подход к изучению феномена архитектурных и урбанизированных структур подразумевает непременную математизацию данной отрасли знания с применением таких методов, как моделирование, формализация и аксиоматизация. Формализации способствуют современные компьютерные программы (например, AutoCAD, ArchiCAD, 3dsMAX и др.), позволяющие исследовать объект посредствам компьютерного моделирования (визуализации творческой задачи архитектора с использованием геометрических построений, модуля, фрактальной геометрии, теории ритмокаскадов). Поэтому вопрос синергетического подхода и применения математических методов в архитектуре актуален и требует тщательного изучения.
Теоретической базой исследования послужили работы, раскрывающие основные аспекты оптимизации городской структуры с использованием математических методов и моделей, содержащие информацию об истории теории и практики архитектуры и градостроительства, а также разработки в области синергетики.
Рассматриваемая тема носит синергетический характер. В настоящее время существует большое количество исследований, касающихся каждой из этих областей:
• изучению объекта исследования — структуре исторического города — посвящен ряд научных работ, статей, монографий таких авторов, как Гутнов А.Э., Иконников А.В., Пискунов В.А., Норенков С.В., Холодова Л.П., Смоляр И.М., Алексеев Ю.В. и др. [1, 5-7, 9-11, 14, 16, 17, 19, 22-24, 30-34, 36-38, 40, 42-45, 54, 55, 58-61, 64-70, 74, 79, 82, 83, 85-87, 90, 93, 99101];
• изучению механизмов математики посвящены работы Фиббоначи, Вейля Г., Пойа Д., Пидоу Д., трактаты Декарта, Фреге и др. [3, 20, 21, 27-29, 48, 49, 52, 53, 62, 71, 72, 76, 77, 80, 91, 92];
• вопросы использования математических моделей в градостроительстве и архитектуре раскрыты в работах таких теоретиков архитектуры, как Гутнова А.Э. (описание существующих математических моделей), Пьера Мерлена (количественные модели), Фридмана И. и Зейтуна Ж. (вопросы комбинаторики), Сосновского В.А. и др. [2, 4, 25, 26, 35, 39, 47, 63, 78, 81, 84, 89, 94, 96-98, 102];
• суть и методы синергетики, возможность ее использования при изучении окружающего мира изложены в работах Курдюмова С.П., Князевой Е.Н., Бабича В.Н., Титова С.С. и др. [8, 12, 13, 18, 41, 46, 50, 51, 56, 57, 73, 75, 88,95].
Первая группа содержит три подгруппы.
• Литература, посвященная исследованиям основ формирования и развития городов [1, 5-7, 10, 11, 14, 17, 19, 23, 30, 34, 36, 37, 40, 42-45, 54, 55, 58-61, 66-70, 74, 79, 82, 85-87, 90, 93, 99, 100].
Выделение данной подгруппы целесообразно, поскольку исследование, проводимое автором, напрямую вязано с вопросом дальнейшего формирования городской среды, что находится в неразрывной связи с историей возникновения и развития города до современного периода.
Анализ литературных источников данной подгруппы показал, что большинство авторов детерминируют город как сложный многоэлементный организм, способный к развитию, которое выражается в усложнении генерального плана, увеличении площади застройки и повышении этажности. Гутнов в своей книге «Эволюция градостроительства» неоднократно упоминает о том, что город является сложным динамическим объектом, «непрерывно развивающимся в пространстве и времени» [35, С. 10]. Малоян развивает эту тему так: «Однажды возникнув, города имеют тенденцию к постоянному росту и развитию.» [60, С.23]. Пьер Мерлен также склоняется к этому мнению, но при этом он предлагает различать две формы роста городов: стихийную и регулируемую, о чем достаточно подробно сообщает в главе «Формы роста городов» [64, С.90-95]. При этом многие авторы считают важнейшим фактором, регулирующим развитие города, транспортные и инженерные коммуникации. Вновь обратившись к работе Гутнова, можно прочесть следующие строки: «Ни у кого из специалистов не вызывает сомнения тот факт, что активный территориальный рост и развитие городов осуществляются вдоль главных транспортных коммуникаций. .В процессе реконструкции города особенно активно осваиваются территории, прилегающие к главным узлам транспортно-коммуникационной сети. Эти территории - потенциальный резерв для развития системы общегородского центра» [35, С.35]. Мерлен, напротив, несколько умаляет значение транспортных коммуникаций, говоря о том, что «транспорт для города не является самоцелью» [64, С. 13 8]. При этом он в своих суждениях опирается на Афинскую хартию, где основными функциями города названы жилье, работа и досуг, а организации движения отведена роль посредника, за счет которого осуществляются основные функции.
Стоит отметить, что все вышеперечисленные авторы говорят о городе как об объекте, обладающим границами. Известный архитектор Кишо Курокава поддерживает мнение об многоэлементности города: «.города должны слагаться из суммы многих компонентов», но при этом он говорит следующее: «Мне кажется, что будущее за метаболизмом, т.е. за способными к расширению городами с неопределенными формами. Идеальный город XXI века - это открытый город, который никогда не остановится в росте» [65, С.22].
• Литература, в которой демонстрируются методы анализа инфраструктуры города [9, 16, 24, 31, 32, 64, 101].
Формирование этой подгруппы продиктовано необходимостью исследования и систематизации существующих методов анализа городской структуры, так как данная работа подразумевает выведение нового метода, а также целью выделенияэлементов структуры города и их особенностей.
• Концепции идеальных городов - литературные источники, посвященные понятию «идеальный город», содержащие описание проектных разработок по этой теме [22, 33, 38, 65, 83].
Данная подгруппа выделена в связи с тем, что, проанализировав концепции и идеи различных авторов об идеальной организации города, можно дать общее представление об «идеальном городе», то есть выделить те элементы, которые оказывают наиболее сильное влияние на формирование городского пространства и его «идеальность». На основе этих научных и художественных текстов формируется представление о том, каким хотят видеть город архитекторы, художники, литераторы и, конечно, выявить скрытые (внутренние) его проблемы.
Анализ литературных источников данной подгруппы показал, что на данный момент существует колоссально количество как утопических, так и разработанных на уровне теоретических моделей концепций идеальных городов. Кроме того, их можно классифицировать по общим идеям. Так, одним из основных признаков «идеальности» некоторые авторы считают компактность. Данциг и Саати разработали проект такого города, принципом организации пространства которого является эффективное использование третьего измерения [38, С.ЗЗ]. Теорию многоуровневой пространственной организации территории поддерживает другой автор -Сегединов А.А. В своей книге «Многоярусный город» он подчеркивает необходимость использования подземного пространства: «Правильное комплексное использование подземного пространства города даст возможность значительно улучшить условия проживания населения и в какой-то мере позволит уменьшить долг города перед человеком, его создавшим» [83, С.58].
Анализ литературных источников, вошедших во вторую группу, показал, что математические методы в последнее время активно проникают в различные сферы человеческой деятельности, в том числе и в градостроительство. Математика позволяет абстрагироваться от конкретного объекта исследования, выделяя лишь его существенные свойства и количественные характеристики. Герман Вейль следующим образом отзывается об этом явлении: «Математики имеют дело только с каталогом знаков; они ведут себя как человек в справочном отделе библиотеки, которого не интересует, какие книги или фрагменты интуитивно постигаемого многообразия запечатлены с помощью знаков каталога. Так, заменяя точки их знаками, математик превращает исходное многообразие в знаковую конструкцию.»[21 ].
Идею математизации различных наук сформулировал Декарт. Он утверждал, что:
• любую задачу можно представить в виде математической,
• любую математическую задачу можно представить в виде алгебраической,
• любая алгебраическая задача сводится к решению одного уравнения
Эта же идея лежит в основе рассуждений Сухотина К.А.: «Математику выделяет то, что ее объекты есть отвлечения от любых природных характеристик и потому они представляют абстракцию от абстракции, фиксируя не просто свойство, а свойство свойств» [91].
Многие авторы, такие как Тихонов А.Н., Гнеденко Б.В., Целищев В.В., отмечают бурный рост интереса к возможностям математики специалистов других областей знаний, что вызвано «развитием компьютерных технологий, появлением глобальной сети Internet. Те математические идеи, которые раньше не покидали области академической науки, сейчас являются привычными в обиходе программистов, прикладников, экономистов» [28].
Сушков В.И. говорит о математике как об официальном языке наук. Понятие «математизация наук» он трактует следующим образом: «По-моему математизацией науки следовало бы называть использование при наведении порядка в ней опыта математики по наведению порядка в самой математике. Именно так. Подчеркну еще раз: использование не математики, но ее опыта. Математизация наук должна идти без претензий превратить их в раздел существующей сегодня математики. Наоборот, математизируемая наука должна привносить что-то новое в математику, пополнять математику» [92].
Третья группа объединяет литературные источники, посвященные вопросам использования математических методов и моделей в градостроительстве — научные работы, посвященные описанию математических моделей городских процессов, гипотезы дальнейших разработок и результаты их использования; работы, в которых рассматриваются вопросы устойчивого развития города.
Идея применения математических методов в градостроительстве зародилась в середине прошлого века в связи с появлением ЭВМ. Появилось множество математических моделей. Гутнов предлагает разделить их на две большие группы: социально-экономические и функционально-пространственные. В свою очередь, они одержат несколько подгрупп. Так, к социально-экономическим моделям можно отнести: экономо-метрические, динамические, количественные. В группу функционально-пространственных моделей, их еще называют гравитационными, входят транспортные, энтропийные. Следует отметить, что модели могут быть имитационными или носить оценочный характер.
Наиболее известной социально-экономической моделью является динамическая модель Форрестера, которая включает три подсистемы: «Деловая сфера», «Жилой фонд» и «Население». Она направлена на прогнозирование динамики занятости населения и старения материальных фондов. Также она является имитационной, поскольку воспроизводит процессы и состояния города на основе информации о ранее произошедших изменениях. Негативной стороной такого моделирования является игнорирование территориального развития города.
Гравитационные модели исходят из представления о городе «как о системе функционально связанных между собой элементов территории» [35, с.73]. Среди этих моделей стоит выделить модель И.Лоури, направленную на воспроизведение результатов взаимодействия городских подсистем и влияния их друг на друга. Слабой стороной данного типа моделирования является невнимание к экономическим показателям развития города, а также статичность, то есть не учитывается фактор времени.
Что же касается оценочных моделей, то они являются наиболее «слабыми», так как сложно учесть все необходимые оценочные показатели, определить, какие из них необходимы. Несомненным достоинством этих моделей является попытка объединить в себе количественные и качественные характеристики, но качественная оценка носит весьма субъективный характер («хорошо-плохо», «лучше-хуже»). Однако, Гутнов утверждает, что «при наличии достаточного статистического материала можно выявить некоторые общие закономерности формирования оценки и смоделировать» процесс прогнозирования развития [63, с.75].
Применение математических методов в других науках, в том числе и в градостроительной, сопряжено с рядом проблем, на которые указывают большинство авторов. Во-первых, модель для выбранной области знаний иногда невозможно построить. Во-вторых, могут возникнуть определенные трудности в использовании модели из-за ее громоздкости, связанной с колоссальным количеством составляющих элементов и сложных связей между ними. В-третьих, исследование построенной математической модели какого-либо объекта или явления может быть затруднено в связи с отсутствием метода исследования. В-четвертых, предложенная модель может неверно описывать явление или объект.
В четвертой группе собрана литература, в которой содержится информация о сути синергетики, ее методах и области применения. Анализ этих источников показал, что исследования в данной области довольно обширны. Слово «синергетика» переводится с греческого языка как «энергия совместного действия». Данное понятие создано и введено в науку профессором Штутгартского университета Германом Хакеном для изучения сложных систем (физических, химических, социальных и др.), состоящих из множества подсистем различной природы (атомов, молекул, клеток, механических элементов, людей и т.д.).
Творческая сфера деятельности также представляет собой интерес для исследователей и ученых, работающих в области синергетики. Так, Чернавский утверждает, что «.современное состояние точных и естественных наук позволяет подойти к процессу творчества и описать его даже в форме математических моделей». Кобляков А.А. в своей работе предлагает логико-алгебраическое описание универсальной модели творчества, основанной на алгебре, логике, лингвистике [50]. В другой статье он рассуждает об основах общей теории творчества, которой, по его мнению, не существует как научного знания. Автор ищет ответ на вопрос: характерными чертами творческого процесса являются иррациональность и интуитивность - антиподы логики и рационального знания. Возможно ли "соединить несоединимое"?» [51].
Синергетика является современным, активно развивающимся направлением в науке. Одна из ее задач — выявление скрытых законов порядка и хаоса, возникновения, развития и отмирания организаций. Она опирается на методы, которые могут быть одинаково применены к различным предметным областям, что позволяет трактовать ее как «междисциплинарный язык».
В результате изучения литературных источников выяснилось, что спектр работ по вопросу использования математических методов в градостроительстве достаточно обширен. Однако в раскрытии данной темы большинство из них опирается на узкоспециализированные знания частных научных теорий либо не позволяет увидеть глубокую суть направления исследований. При этом вопрос применения синергетического подхода к изучению города не исследован и каких-либо теоретических работ этого направления не выявлено.
Междисциплинарный характер рассматриваемой проблемы требует формирования терминологической базы, которая значительно упростит дальнейшие исследования, но каких-либо ее аналогов выявлено не было.
Существующие математические модели включают в себя лишь те элементы и процессы, которые допускают числовое (количественное) выражение, хотя математика имеет в арсенале более эффективные методы описания и анализа объектов и явлений, а также позволяет абстрагироваться от конкретного предмета исследования, выделяя лишь его существенные свойства и характеристики. Это свойство математики в контексте градостроительства не раскрыто.
Целью данной работы является создание нового метода изучения мегаполиса на базе математического знания с точки зрения синергетики.
Задачи научной работы.
1. Исследовать исторический аспект взаимодействия математического знания с градостроительной наукой.
2. Создать новый понятийный аппарат, на базе которого в дальнейшем будет произведена формализация градостроительной науки.
3. Выявить механизмы формирования города и элементы управления его развитием. Сформулировать законы развития города с позиции синергетики.
4. Разработать метод градостроительного проектирования на основе методов научного познания.
Объект исследования: структура исторически сложившегося города. Предмет исследования: синергетические принципы организации пространственной городской структуры с использованием математических методов.
Границы исследования: можно определить границами дисциплин, применяемых в исследовании: синергетики, математики, градостроительства и архитектуры.
Методы исследования включают обобщение и анализ теории и практики моделирования для решения архитектурных и градостроительных задач. При решении поставленных задач используется историко-генетический анализ, графоаналитический метод и системный подход:
• историко-генетический анализ развития градостроительной теории, концепций «идеальных» городов и формирования города Екатеринбурга;
• графоаналитический метод для систематизации полученной информации;
• системный метод при анализе города как открытой системы;
• моделирование качественных изменений пространственной структуры Екатеринбурга.
Научная новизна работы. В диссертации разработаны основы формирования пространственной структуры города с позиции синергетического подхода. Научную новизну составляют:
• методика анализа и изучения пространственной структуры города с позиции синергетики;
• методика проектирования структуры города с применением математических методов обработки информации;
• синергетический подход к анализу развития городской среды;
• конструктивная модель структуры современного города. Практическая ценность исследования заключается в разработке новых методов постановки и решения архитектурных и градостроительных задач: метод поэтапного решения проектной задачи, метод идеализации творческой задачи, метод геометрической формализации градостроительной и архитектурной композиции, метод алгебраической формализации творческой задачи. В исследовании раскрывает понятия «точки бифуркации» (ветвления) и «флуктуации» (отклонения от средних показателей) в контексте архитектуры, что позволяет моделировать процесс развития городской среды: возникновение критических моментов и новых гомеостазов. Данная работа расширяет границы применения математических методов обработки информации в области архитектуры и градостроительства, разъясняя их принципы и подходы, которые дают возможность иначе взглянуть на проблемы мегаполисов, что позволяет структурировать процессы развития города и архитектурных объектов и использовать предложенную методику в практической деятельности архитектора.
Гипотеза: город является многослойной структурой, интегрирующей разобщенные элементы и лакуны (пустоты) и обладающей внутренними скрытыми механизмами самоорганизации и саморазвития, имеющими нелинейный характер.
На защиту выносится:
• синергетический подход к изучению развития архитектурных и урбанизированных пространств;
• методы архитектурного проектирования, основанные на математических методах обработки информации;
• модель пространственной структуры города.
Апробация работы.
С научными докладами, основанными на раскрытии основных проблем, положений и методов исследования, автор принимала участие:
• в межвузовской конференции молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы архитектуры и дизайна», проходившей 5, 6, 7 апреля 2006 года в УралГАХА;
• в выездной конференции молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы архитектуры и дизайна», проходившей 14, 15, 16 апреля 2006 года;
• в межвузовской конференции молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы архитектуры и дизайна», проходившей 2, 3, 4 апреля 2007 года в УралГАХА;
• в международном смотре-конкурсе дипломных проектов и работ по архитектуре - премия и диплом MOO САО первой степени за дипломный проект, 2008 г.
Был проведен эксперимент по апробации метода постепенного усложнения архитектурной задачи с участием студентов ГОУ ВПО «УралГАХА» шестого курса.
По данной теме автором сделано 9 научных публикаций в различных изданиях.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка из 102 наименований, трех приложений, 53 иллюстраций, семи таблиц, словаря, изложена на 218 страницах.