非線性理論與建筑工程施工技術的演變

韓雄

摘要：文章從跨學科的非線性理論出發，用混沌與分形的觀點分析了建筑工程發展的機制，以期為建筑工程施工技術的演變探索一條自然科學理論研究基礎的道路。

關鍵詞：建筑工程;施工技術;非線性;混沌;分形;演變

中圖分類號：TU74文獻標識碼：A 文章編號：

前言

非線性科學是一門橫跨物理、數學的科學理論，混沌和分形是非線性科學的兩個重要概念，它們具有遞歸迭代、對初值敏感性、分岔、自相似等基本特性。

混沌是指在確定的非線性系統中，系統出現類似隨機的行為?；煦缦到y的最大特點就在于系統的演化對初始條件十分敏感，系統的長期行為具有不可預測性。分形理論認為系統是不同層次結構的集合，這些不同層次結構具有無限的細節，雖尺度不同，卻有著自相似的特點。系統的局部與整體在形態、功能、信息、時間、空間等方面具有統計意義上的相似性，這種自相似的層次結構，適當地放大或縮小，整體結構不變。分形和混沌是密切聯系在一起的，混沌是時間上的分形，而分形是空間上的混沌。

建筑工程施工技術的非線性理論

建筑工程也是一種復雜的系統之一，施工操作規程和驗收規范的進一步完善，都是在繼承的基礎上逐步發展進步的，由于繼承的作用，建筑工程施工技術的每次改革與演變，都以現有的技術狀況為參考，作為下一步發展的依據、完善的基礎?？梢?，建筑工程施工技術的發展演變遵循非線性科學的遞歸迭代機制。但由于受諸多因素的影響，在繼承的同時會發生各種各樣的變化，繼承了傳統的基因， 使優良信息得以積淀，從而實現“留其精髓，棄其糟粕”。在這個過程當中，具有進化優勢的突變體作為偶然漲落出現，并通過繼承實現自我選擇。通過繼承，功能相似的突變體越“生”越多，它們逐漸聚集起來，使進化因素得以積累。眾多的突變體相互競爭、相互協同，經過優勝劣汰的選擇機制，并在負反饋機制的作用下促進建筑工程施工技術的演變。由于建筑工程施工技術的發展遵循迭代機制，因此它們的發展演變具有混沌和分形理論的特性。

對初始條件的敏感依賴性是混沌運動的基本特征，在混沌系統中，系統的運動軌道敏感地依賴于初始條件。兩個相鄰的初值出發的兩條軌道在短時間內雖然相差不大，但在經歷足夠長的時間以后，會呈現出顯著的差異?；煦鐚W之父美國氣象學家洛侖茲就有“蝴蝶效應”的說法：一只南美洲亞馬遜河流域熱帶雨林中的蝴蝶，扇動幾下翅膀，可以在兩周以后引起美國德克薩斯州的一場龍卷風。常言道“差之毫厘，失之千里”就是這一回事。建筑工程施工的發展也是如此，也表現為對初值的敏感。由于建筑工程施工技術的演變是創新文化的繼承，在這個過程中，每次繼承如果發生一些微小的改變，經過長時間的積累，也會顯示出很大的差別。在建筑工程施工技術的發展中，新因素的出現，既是建筑技術發展的源頭，也是進一步發展的基礎。如從2007年開展的建筑節能施工，起初總體而言建筑節能的效果并不十分顯著，人們抵觸較大，但隨著建筑節能的縱深發展，一條“低碳、可持續發展”的道路顯現出來，不久的將來建筑節能勢必改變我們的建筑理念。

分岔是進入混沌的道路，隨著外界環境的改變，系統逐步發生質的改變，如“一分為二”的分岔，外界因素造成系統從不動點到周期二的轉變，又從周期二到周期四轉變，……，直至無限周期，也就是轉變為混沌的行為。建筑工程施工的分岔機制表現為發展具有多種選擇可能性。由于建筑工程施工技術對初值敏感性，微小的差值經過長期的積累效應，將會產生相差懸殊的結果。如果從一個同樣的狀態出發，因為環境和地域的不同，其后繼者在承前時會稍微有許改變，經過多代人的努力，原先相同的狀態將會發生不同的分支，這些分支不是一成不變的，也將發生進一步的分支，這些分支是建筑工程施工技術演變的基礎，確定性的系統喪失將產生隨機的系統，建筑工程施工技術的隨機性正是對環境和地域的不確定性的一種反應?；煦缋碚摻沂玖私ㄖこ淌┕ぜ夹g多樣性共存的緣由。

分形理論從總體上而言，研究的更多是部分與整體的自相似關系，自相似，即取分形上任意一小部分加以放大，就可以發現部分與整體是相似的，這是一種規則的分形。自相似性是混沌系統的特點，內在隨機性所產生的混沌運動并不是完全無序的，而是具有無窮層次的自相似結構。在部分與整體的關系上，分形已經揭示出一個重要特點：自相似性為我們理解部分與整體的辯證關系提供了新的科學依據。規則分形在自然界少之又少，建筑工程施工技術也是如此，它們沒有嚴格意義的自相似性，只有相近意義上的自相似性。例如，驗收統一標準上，將一個單位工程劃分為幾個分部工程，分部工程又劃分為多個分項工程，下面接著是檢驗批工程，復雜的項目又衍生出子單位、子分部工程，各個單位工程、分部工程、分項工程之間又有相近意義上的自相似性。

結語

建筑工程施工技術是信息的系統工程，系統的遞歸迭代可以使信息進行傳遞，對初值的敏感性，可以使信息經過迭代而發生層層分支和變化，產生隨機性的行為，隨機性所產生的混沌運動并不是完全無序的，而是具有多層次的自相似結構。建筑工程施工技術完全具備了混沌的遞歸迭代、對初值敏感性、分岔、自相似等這種特征，伴隨著不斷豐富的過程，建筑工程施工技術呈現出一種深層次的發展演變。