分形生长与城市演化形态效应

我们对生长这一复杂现象的认识还十分有限，因而要就此提出设想和建议未免显得有点草率。

——达西·温特沃斯·汤普森（D'Arcy Wentworth Thompson）《生长与形态》（1917，第282页）

距达西·温特沃斯·汤普森发表他关于形态科学的开创性著作已近100年了，虽然这是本生物学著作，但是它对于社会世界如何应对同样的挑战也有深远的借鉴意义。达西对自己当时的理解始终保持缄默，反而显现出了他的先见之明，因为我们花了整整一个世纪的时间才建构起一套城市理论来解释城市的演化和发展机制。在上半个世纪中，研究者由关注系统平衡慢慢地转而关注总体动态性，近年来又开始关注自下而上的动态生长与变化（Batty，2005）。目前我们认识中的城市已经不再是静态平衡的了，而是动态变化的，其体系可骤然变化，带来出乎意料的结果。这些过程是非常复杂的，因为它们之间会交互影响从而产生令人意外的效果。这些过程也有次序，正如第1章中提及的，在这里我们将之视为生长的标志。但是由于在大部分研究中城市还是被看成是处于平衡状态的，所以我们在城市形态变化方面的认识还十分有限。我们在前两章中关注的完全是城市的平衡性质，而且目前为止我们在本书中涉及的动态变化大多与日常变化有关，例如日常出行，而没有涉及更长期的变化。在这章中，我们将对此进行调整，从长期演化的视角来看城市发展，同时我们也会确保将到目前为止所介绍的复杂性特征与城市生长过程联系到一起。

虽然迄今为止，我们还没有探讨到城市网络或者空间的动态性，但是在之前的章节中我们已经涉及许多复杂性理论中的关键概念。在前几章中，我们不厌其烦地强调模块性、自相似性、循环性和等级体系这些概念，因为我们认为这些概念对于理解城市形态和结构是如何组织的非常关键。的确，那些演化相对平稳的系统的一大特征就是它们是以模块为单位发展变化的，它们的每个组成部分都在规模和复杂性上慢慢演化，逐渐调整接近于与它们最相似的其他组成部分。亚历山大（2003）曾提出这样的观点，他认为复杂系统的演化过程是一种结构保存性转换过程。在他看来，这些转换会带来本地化改造，使每个组成部分在位形上逐渐趋同，从而影响到每个系统。他写道：“一个复杂系统如何找到良好的位形？从理论上讲，我们也许会说，系统在位形空间里的路径几经调整最终总会找到适应良好的位形。但是问题的关键就在于如何找到这个路径：这个路径应该是什么样的才能实现良好的适应？”他对于这个问题所给出的解答与达西一个世纪前给出的解答一样，都是开放的。他继续说道：“虽然关于这个问题一些研究者给出了几个初步的答案，但是至今还没有令人满意的答案。这或许就是我们这个时代的科学问题。”（第19页）(www.xing528.com)

帕特里克·格迪斯（Geddes，1915/1949）在其《进化中的城市》里首次提出了这样的观点，即小小的变化会引起巨大的影响。的确，他称之为“保守外科”的变化就是城市发展的方式。事实上，在20世纪的大部分时间里，城市规划都是通过大规模的改动实现的，虽然60年代早期的研究者如克里斯托佛·亚历山大（1964）和简·雅各布斯（1961）等都继承了格迪斯的衣钵。他们的观点与汤普森（Thompson，1971）的观点完全一致，并且渐渐地使我们意识到在干预复杂系统时需要格外谨慎。也就是说，我们的规划是在“自酿恶果”，因为及时适时地根据当地环境做出微调会比20世纪大部分时期大规模的自上而下的城市规划成功率来得高。这也是达尔文关于生物系统所要传达的信息，也就是：物种进化必然会经历一个自然选择的过程，在这个缓慢推进的过程中，适应力最强的个体会被保留下来，剩下的就会被淘汰掉。这一观点在解释城市等非生物组织的生长动态方面越来越受到推崇。在所有尺度上，等级的出现都是形成复杂体系的标志。并且，随着数字化计算能力的发展，现在我们已经可以模拟出这样的演化过程了，根据这样的模拟，我们可以对比不同的规划设计，从而在一系列规划设计中选出满意的那一个。

如果我们能够说明通过模拟可以得出理想的城市规划设计方案，那么我们就可以提供一种相较于之前提及的方法更为谨慎、更少干扰的方式来治理我们的环境。城市规划中，通过微小的变化来巧妙地改变城市形态往往比大规模宏伟的规划更能够成功地营造一个宜居且可持续的环境，这一思想应该归功于达尔文的理念（Hamdi，2004）。为了进一步说明这种新的规划方式，我们将通过类比，运用隐喻来说明城市是如何形成的，并再次阐明模块性、等级、自相似性以及物理形态和职能形态上的城市规模等概念，从而说明基本的职能是如何演化出等级程度不同的模式。城市在发展过程中会以不同的方式、不同的密度填充空间，扩大范围，并通过不同的模式带来人口和物质财富的增长，从而使其组成部分得以发挥其功能。我们将给出一个简单的扩散模型，并将其一般化来说明城市形态和结构是如何形成的。我们也会提到历史上城市规划的例子，来说明我们应该根据有机增长的机制来进行规划而不是背道而行，与有机增长的机制背道而行也是20世纪城市规划中一贯的做法。

在这一章中，我们不会给出亚历山大问题的答案，但是我们会假定在几何形态上引起明显变化的局部调整深刻地影响了城市演化发展的方式。我们也会引入分形几何（fractal geometry），即等级及自相似性的几何表现形式，这与我们之前关于规模和比例尺度的观点是完全一致的，但是在这里我们会特别介绍导致在不同比例尺度上产生自相似形态的生成机制，这种机制从某种程度上会带来动态增长。需要特别指出的是，我们会通过元胞自动机（cellular automata）来检验这些观点，这种模型如今已经成了发展研究中备受推崇的一种研究工具，在这一模型中，城市被视为可以改变现状的细胞分格，通过局部改造就可以产生类似于低层过程的更高等级的模式。迄今为止，除了简单说明人口规模如何演化之外，在本书中我们还没有介绍过生成过程的模型，但是在这一章中，我们将介绍一些深层的机制，在实证研究中我们用于解释城市发展的模型就是基于这些机制的。在下一章中，我们将介绍一些更为传统的横截面模型，并在具体案例中说明这种模型的应用。在这一章节中，我们会通过系统模型的思想来阐述，而不会一一列举网络描述，这也是我们这一章的出发点。我们出于实用主义的思想选择通过系统模型来描述，但是也希望读者能够将这些工具推而广之，应用到更广泛的领域中。总而言之，我们的方法就是类比和隐喻。