新研究调查了中国传统窗户设计的几何特征及其在现代建筑项目中的应用

中国的冰射线花格是一种复杂的图案，灵感来源于冰裂纹，象征着春天的开始，被广泛应用于中国传统建筑中，尤其是窗户设计中。图为苏州留园的冰射线花格窗。图片来源：Yi Qian

Iasef Md Rian 博士现任西安交通大学利物浦分校建筑系副教授，他于 2019 年首次来到中国，立刻被苏州古典园林中的花格窗设计所吸引。

他说："中国的古典园林给我的印象与西方的园林截然不同，西方的园林更加对称和有条理。然而，中国园林在布局和设计上更加自然。冰窗设计就是其中的一种表现形式"。

Rian 博士多年来一直专注于建筑设计中的分形几何，因此他有一种想要探索图案之美的冲动。他说："我的大脑总是在寻找这样的灵感源泉，所以我立刻就有了研究冰射线图案的基本几何原理的动力"。

学生们正在制作冰射线格子屋顶。资料来源：Rian 博士（西安交通大学）

里安博士发现，制作冰射线图案的规则其实非常简单。他解释道："以类型 1 为例，首先将一个正方形分成两个四边形，然后每个四边形再分成两个四边形。在每一步中，细分四边形的比例都不同，这就是利用简单规则创造随机图案的方法。通过这种构造，中国工匠可能是想增加它的坚固性，使其能起到窗栏的保护作用。冰射线格子的随机配置提供了多角度的连接，使窗户成为一个结果力和均匀应力分布的集合体，进而实现了独特的刚度。而人类体内骨小梁组织的微观结构是随机晶格潜力的绝佳自然示例。它兼顾了有助于增强强度的高刚度和令人惊讶的轻质结构"。

里安博士最近在《建筑研究前沿》（Frontiers of Architectural Research）杂志上发表了一篇论文，探讨了冰射线图案的几何特质，并拓展了将随机图案融入结构设计的可能性，尤其是经常用于球形穹顶和曲面结构的格子壳设计。

冰射线网格的不同类型。P 代表五边形，Q 代表四边形，T 代表三角形。资料来源：Rian 博士（西安交通大学）

"在我的研究中，我开发了一种算法，为格子壳设计的冰射线模式建模，并评估了其与传统格子壳相比的可行性和有效性。这些网格壳由规则网格构成，与连续壳形成鲜明对比。普通网格壳在均匀载荷下表现良好，而冰射线晶格在非对称载荷下强度更高。一些经过优化的冰射线图案在自重情况下的强度竟然优于普通栅壳。将冰射线图案应用于格壳设计时，还具有额外的美学优势。"

他说："我将这种图案的应用扩展到曲面上，这有助于释放其在几何、结构和构造方面的潜力，我将这种图案的应用扩展到曲面上，这有助于释放其在几何、结构和构造方面的潜力。"

里安博士还将冰射线图案和复杂几何图形融入教学中。2022 年，他为学生组织了一个设计冰射线格子屋顶的工作坊。

他解释说，学习分形几何的概念可以真正推动学生的想法，让他们设计出独一无二的作品。

"这与他们在高中所学的知识截然不同。在学习创建这个几何系统的过程中，他们还将学习计算建模和模拟。最终，他们将获得高级建筑和数字设计的全面知识，"他说。

重新发现传统设计

为了扩展这一领域的研究，Rian 博士正在研究复杂几何形状在微尺度材料设计和结构设计等各个方面的有效性。

他说："例如，在外立面设计中，我们通常使用传统或参数几何来设计规则的形状。然而，用复杂几何图形设计的随机形状可以提供更自然的印象和日光穿透力"。

他鼓励设计专业的学生和研究人员向过去学习："任何传统设计都有其潜规则。现在，我们可以利用数字技术和先进工具，将传统工艺知识延伸和扩展到当代设计中。传统设计背后有很多灵感，这些原则确实可以启发我们设计师为未来进行创新设计。"