Синергетическая модель сложных динамических систем представляет собой объект, иллюстрирующий структурные преобразования реальной системы, зависимость изменений формы от меняющегося содержания, причем учитывается возможность неопределенного ее (системы) поведения в физическом и структурном времени. Город – динамическое единство архитектурных, градостроительных, инженерных, художественно-конструкторских, социо-культурных, политических, экономических, природных, климатических, биологических структур. Основным элементом этой системы является человек: создающий – разрушающий, потребляющий − отдающий, воспринимающий, мыслящий. Город меняется в зависимости от смены мировоззрения человека. Однако предсказать эти системные преобразования довольно сложно, поскольку структурное время города и человека различны: нормальное развитие человека – взросление (детство, юность, отрочество, взрослость, старость). Город должен «молодеть», чтобы оставаться перспективным, чтобы получать новые аттракторы и преодолевать их. Только изучив многовековой опыт зарождения и становления городов, примеры их увядания, концепции «идеальных городов», можно приступать к созданию синергетической модели городской структуры. Эмпирические знания, полученные в результате этого анализа, позволят выполнить первый этап моделирования – постановку задачи в дисциплинарных терминах [3].

Постановка задачи в дисциплинарных терминах. Город с точки зрения архитектуры представляет собой скопление архитектурных и инженерных систем, направленных на удовлетворение человеческих потребностей: «жилье – работа – досуг». Система «город» состоит из множества структур и подструктур, выполняющих данные функции. Задача архитектора состоит в том, чтобы эффективно распределить здания и сооружения, рекреационные зоны, обеспечить доступность объектов, их эстетическую значимость и функциональную насыщенность. Таким образом, мы получаем следующую конструктивную модель городской среды: «человек» → «жилье – работа – досуг» → «метаэлементы городской среды» (рис.1).

Рис.1. Инвариантное ядро города

Под метаэлементами городской среды следует понимать типы структур, составляющих систему: архитектурный объект, инженерный объект, транспортный объект, природный объект.

Вторым этапом создания синергетической модели является перевод архитектурных понятий на «синергетический язык». Обратимся к основным понятиям синергетики: аттрактор, точка бифуркации, флуктуация, динамическая система, фазовое пространство. С синергетической точки зрения, мы можем говорить о городе как об открытой динамической диссипативной системе, т.е. системе, обладающей свойством саморазвития, самоподдержания и самоконтроля. Город обладает нелинейным характером развития, поскольку его структуры постоянно находятся в состоянии борьбы с возникающими флуктуациями – отклонениями от некоторых усредненных показателей. Например, возникновение новых центров притяжения есть не что иное, как мощная флуктуация, возникшая под влиянием на среду новых построек с общественными и административными функциями (экспоцентр, торгово-развлекательный центр и т.п.).

В свою очередь, флуктуации порождают точки бифуркации, проходя через которые система продолжает свое развитие по одному из возможных аттракторов – путей эволюции. Например, улучшения в экономической и политической сферах страны вызвали новые требования человека к жилью, что, несомненно, повлияло на проектные предложения, планировки, площади комнат, решение фасадов и входных групп и т.д. Кроме того, развитие науки и техники привело к возникновению новых строительных и отделочных материалов, технологий строительства. В связи с этим типовые жилые дома, именуемые «хрущевками» и «брежневками», стали несостоятельными. Они перестали соответствовать потребностям человека, т.е. мощная доминирующая флуктуация в виде элитного жилья привела к возникновению новых жилых микрорайонов с домами повышенной комфортности. Момент отказа от прежних типовых проектов и переход к новой трактовке содержания и структуры жилого здания является точкой бифуркации системы. Пройдя через нее, система «город» получила множество возможностей дальнейшего развития. В качестве примеров можно назвать различные концепции развития урбанизированной среды, предложенные такими известными архитекторами как К. Курокава, К. Танге, Ле Корбюзье, Р. Коолхаас, И. Лежава и др. То, какими мы видим наши города сегодня, есть результат выбранного аттрактора.

Третий этап моделирования заключается в выявлении принципов синергетики в эмпирическом материале. Необходимо выделить базовые процессы градоформирования, связи структур, элементов и проявление синергетических принципов в исследуемом объекте. Синергетика основывается на семи основных принципах: два принципа бытия – гомеостатичность и иерархичность, пять принципов становления – нелинейность, неустойчивость, незамкнутость, эмерджентность, наблюдаемость. Рассмотрим их проявление в городской среде.

Городская структура состоит из множества элементов, которые способны к изменениям, как вызывающим модификации системы целиком либо частично, так и не влияющим на другие части и на структуру в целом. Особого внимания заслуживает тот факт, что некоторые составляющие реального города, по мнению Гутнова, относятся к элементам каркаса, другие – к ткани полиса [5]. Однако некоторые составные части могут изменять свое состояние, переходя из разряда динамичных элементов в статичные. Например, памятники архитектуры и градостроительства, охраняемые государством от всяческих изменений, а значит, являющиеся элементами каркаса. Возникает противоречие между «застывшей» формой (исторически сформировавшаяся сетка улиц, капитальные строения и т.п.) и продолжающим развиваться содержанием. На основании этого можно говорить об иерархии элементов архитектурной среды при построении модели. Метаэлементы городской среды представляют собой структуры с множеством прямых и обратных связей (физических, визуальных, информационных и др.), состоящие из элементов меньшего порядка, т.е. более простых по организации. Иерархичность всей системы обуславливается объединением элементов в структуры, возникновением между ними связей и отношений, благодаря которым часть полномочий и возможностей от отдельных образований передается всему «коллективному объединению», усиливая потенциал каждого. Отдельные дома соединяются в кварталы и микрорайоны, образуя городскую единицу с развитой инфраструктурой: коммуникациями, общественными зонами, рекреациями и др. Микрорайоны организуют районы, районы – город. При этом элементы низших уровней организации возникают и исчезают значительно быстрее, чем более сложные. Строительство или снос дома практически незаметны на фоне развития всей городской структуры.

Гомеостаз проявляется в самоподдерживающих программах существования системы. Город существует ради исполнения набора функций (целей), которые являются трассирующими направлениями его развития. Те конечные цели, к которым стремится система, контролируют ее изменения, помогают «не сбиться с курса». Так, Екатеринбург был основан как город-завод с целью разработки месторождений полезных ископаемых, поэтому основу внутренней структуры составляли промышленные площади: цеха, плотина, домны и т.д. По руслу Исети были расположены еще похожие образования. С целью создания более мощной устойчивой структуры они объединились: город-завод продолжал развиваться. В настоящее время производственная функция утратила свою ведущую роль в градообразовании Екатеринбурга. Теперь это административный город, культурно-исторический центр развития уральской промышленности, поэтому «содержание» стало меняться: увеличилось число административных зданий, ведется активное строительство торгово-развлекательных центров, офисных кварталов, высотных универсальных зданий, гостиниц, выставочных площадок и т.д. Смена целей повлекла за собой изменение городской структуры, типов объектов, встраиваемых в среду. Изменился образ города в целом.

Нелинейность – нарушение принципа суперпозиции: результат суммы причин не равен сумме результатов причин. Если говорить об архитектурном объекте: любое сооружение представляет собой нечто большее, чем совокупность строительных материалов, использованных при его возведении. Когда мы говорим об архитектуре, то обращаемся к таким категориям как «образ», «гармония», «дух места» и т.п. Иначе говоря, к физическим параметрам здания добавляются чувственно-эмоциональные переживания. В системе нет линейной зависимости параметров друг от друга. Когда архитектурное сооружение становится объектом восприятия, т.е. появляется зритель, возникают различные смыслы и их трактовки, альтернативные пути развития архитектурной системы. В этом смысле нелинейность – выбор эволюционного направления из возможных аттракторов, возникающих в точке бифуркации.

Незамкнутость – открытость системы. В этом принципе заложена идея существования разнонаправленных потоков субстанций различной природы, пронизывающих систему. В контексте архитектуры объекты, искусственно созданные, вписываются в сложившуюся застройку и существующую природную среду, т.е. взаимодействуют друг с другом и с окружением. Примером такого подхода в архитектуре является направление контекстуализма – вписывание объекта в среду с учетом композиционных ритмических рядов (уровни окон, молдингов и др.), применением в архитектурном решении схожих приемов и деталей (подобие), т.е. стремление создать «незаметное» здание. Еще одним примером незамкнутости в архитектуре и градостроительстве можно считать экологический подход (экоархитектура, экополис и др.). В рамках этого направления декларируется взаимопроникновение естественных природных объектов и архитектурных сооружений, их взаимодействие и взаимовлияние. Таким образом, эквивалентом незамкнутости в контексте архитектуры является взаимодействие.

Понятие неустойчивости в архитектуре напрямую связано с понятием творчества. Художник способен творить, находясь в состоянии непокоя, под воздействием вдохновения, т.е. архитектурное проектирование носит флуктуативный характер. В состоянии хаоса, когда возникает скачкообразный переход – озарение, рождаются качественно новые идеи [6, с.131]. Представим маленький шар на конце конуса. В идеальном состоянии равновесия он неподвижен, система статична и скучна. Но стоит произойти легкому толчку, как шар сдвинется с места, упадет на поверхность стола, отскочит и т.д. Возникшая динамика способна спровоцировать возникновение новых систем и разрушение прежних. Эта модель поведения шара иллюстрирует творческий процесс – смену состояний статики и динамики, покоя и вдохновения. Состояние системы неустойчиво, если любые отклонения от траектории ее развития со временем увеличиваются. Чем больше знаний и творческого проектного опыта у архитектора, тем больше альтернатив развития его работы.

Городская среда также подвержена чередованию состояний покоя и хаоса. Развитие города во времени может протекать неравномерно: то ускоряться, то замедляться. Возникает чередование стадий: схождения и расхождения интересов; затухания процессов в центре и их активизации на периферии; подъема и спада и т.д., т.е. в основе развития заложена идея ритмокаскадов. Поэтому за основу развития города принимают генеральный план – модель, заданное направление развития. Период реализации такой модели можно назвать состоянием покоя, поскольку цель и пути следования к ней известны; система, соблюдая поставленные условия, выполняет конкретную программу. Однако внешние и внутренние условия, требования, нормы, стандарты и т.д. могут измениться, либо программа развития будет завершена, тогда система погружается в состояние хаоса – неудовлетворенности своим состоянием и поиска новых путей развития. В этот момент и возникают возможные аттракторы, т.е. варианты развития городской структуры (планы, проекты, программы, концепции и т.д.).

Эмерджентность – состояние системы, при котором возможно ее перерождение, продолжение развития или создание нового объекта. В теории систем эмерджентность означает наличие особых свойств у системы, не присущих ее подсистемам, «системный эффект». С точки зрения творческих дисциплин, рождение нового возможно лишь под воздействием вдохновения – особого состояния человека, характеризуемого приливом творческих сил, желанием создать что-то новое.

Эмерджентность города напрямую связана с требованиями, предъявляемыми к городской структуре и ее качеству. Это потенциал городского организма, его способность к сравнительно быстрому переустройству, перепрофилированию (например, из города-завода в культурную столицу).

Принцип наблюдаемости заключается в возможности воссоздать процесс (объект) по его результату. Иными словами, по полученному результату можно полностью восстановить ход решения. Каким образом этот принцип отражен в архитектурной деятельности? Рассмотрим такую область архитектуры как реставрация и реконструкция исторического наследия. Суть реставрации заключена в восстановлении прежнего облика здания, для чего проводится полное обследование объекта, анализ сохранившихся фотографий, чертежей, обмеров и т.п. Все виды этого процесса имеют единую цель – восстановить утраченное, исправить возникшие дефекты (сколы, трещины, разломы и пр.).

Взаимосвязь основных положений и терминов синергетики и их «перевод» на язык архитектуры представлены в таблице.

Таким образом, эмпирический материал градостроительной науки имеет эквивалентные отражения синергетических принципов, а также их яркие проявления в становлении и развитии городской структуры.

Четвертый этап моделирования – согласование принципов архитектуры. Здесь необходимо создать «кольцо принципов» – не противоречащих друг другу положений, следующих одно из другого [3, с.68]. В архитектурной теории уже существует ряд подобных положений, например: «польза – прочность – красота» (Витрувий). Когда мы говорим о качестве городской среды, то основываемся на следующих принципах: жизнепригодность – осмысленность – соответствие – доступность – контролируемость – эффективность [2, c.123]. В данном случае, когда процессу моделирования подвергнута структура города, имеет смысл говорить о «кольце»: открытость – функциональность – многослойность – многокомпонентность – управляемость – устойчивость – осмысленность.

На пятом этапе моделирования переходим к построению структурно-функциональной когнитивной модели (рис. 2).

С чего начинается становление абсолютно любого объекта? Конечно, с возникновения потребностей в этом объекте. Таким образом, в основе формирования городской среды находятся требования заинтересованных сторон, т.е. совокупность потребностей и желаний жителей города, туристов, инвесторов и администрации, которые должны быть учтены и удовлетворены в процессе формирования и развития города. Значит, результатом формирования городской среды должно быть удовлетворение требований заинтересованных сторон. Изменение требований стимулирует процесс обновления архитектурного пространства, т.е. провоцирует постоянное движение, замкнутость цикла модели.

Основой модели является инвариантное ядро города (микроуровень) (рис.1). Конечно, в зависимости от внешних и внутренних условий (политических, экономических, социальных и др.) и требований потребителей, сооружения используются во всевозможных направлениях и приобретают различные функции, которые могут меняться в процессе эксплуатации объектов. Все эти объекты и их функциональное назначение подвержены влиянию (управлению) механизмов развития городской среды (мегауровень). Результатом данного процесса является городская среда со всеми ее многообразными элементами (макрообъект).

Однако любой объект подвержен старению, физическому или моральному. Поэтому городская среда требует постоянного контроля развития, грамотного руководства всеми протекающими в ней процессами и постоянного улучшения качества.

Рис. 2. Когнитивная модель городской среды

На шестом этапе осуществляем построение формальной динамической модели. Скорость развития города зависит от отношения входящих ресурсов к исходящим: k_ν=V1/V2 ≥ 1, где k_ν – коэффициент развития города, V1 – объем входящих ресурсов, V2 – объем исходящих ресурсов. Увядание города начинается в следующих случаях: при долгосрочном превышении объема исходящих потоков V1/V2 < 1; при прекращении притока ресурсов в город V1=0; при отсутствии исходящих потоков V2=0. Таким образом, все переменные данного отношения должны иметь положительное значение. На числовом луче это можно проиллюстрировать следующим образом (рис.3):

Рис. 3. Графическая интерпретация формальной шкалы развития городской структуры

Наиболее интересным является случай, когда V1 и V2 имеют отрицательные значения, т.е. система не получает ресурсы извне и не отдает их. Здесь мы имеем дело с закрытой системой, существование которой возможно лишь на основе самоподдерживающих свойств и внутренних потенциалов. Закрытая система стабильна, поскольку не подвержена изменениям при взаимодействии с внешней средой. В ней перераспределение энергии происходит между внутренними структурами. Через определенный временной промежуток состояние закрытой системы становится однородным – наступает гибель системы. Создатели концепций идеальных городов-звезд, утопий и образцовых городов (Филарете, Т. Мор, Д. Вэрас, Р. Пембертом и др.) представляли полис как закрытую систему, сохраняющую свои свойства неизменными на протяжении всего времени ее существования [1], [4]. Иначе говоря, количество и качество элементов, составляющих структуры, и связей между ними должны быть постоянной величиной (const). В естественной среде такая консервация (изоляция) невозможна. Следовательно, существование и развитие системы «город» возможно лишь при выполнении условия: V1>0, V2>0. Однако и этого недостаточно. Если V1= V2, т.е. объем исходящих потоков равен объему входящих, то k_ν=1, т.е. система не получает дополнительных средств (сил, возможностей) для качественной перестройки, а, значит, не способна развиваться. Периодически объем входящих потоков должен превышать объем исходящих, вызывая тем самым возникновение флуктуаций, приводящих к бифуркациям. Проходя через аттрактор, система подвергается переустройству, переоценке ее потенциала, выходу на качественно иной уровень, что приводит к увеличению исходящих потоков. Таким образом, выведенная из равновесного состояния покоя система «город» постоянно меняет «роли»: потребитель (0> k_ν>1) производитель (k_ν>1).  

Развитие системы идет по вертикали, а не по горизонтали (рис. 4а). Помимо этого следует помнить о флуктуативном характере развития городской среды, т.е. о возникновении множества аттракторов в точках бифуркации (рис. 4б).

а)

б)

Рис. 4 а,б. Графическая интерпретация вертикальной модели развития города

После этого действия можно перейти к построению «реальной» модели изучаемого объекта и ее математическому решению. В этом случае необходимо обратиться к трансдисциплинарным и междисциплинарным методам, когда к решению архитектурной задачи привлекаются специалисты других областей знания, иные дисциплинарные методики и подходы.

Полученные на пятом и шестом этапах когнитивная и формальная модели являются базой для перевода задачи «город» из архитектурной области в математическую, продолжая синергетическое моделирование этого сложного объекта.

Витюк Е.Ю. СИНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ГОРОДА [Электронный ресурс] /Е.Ю. Витюк //Архитектон: известия вузов. — 2010. — №4(32). — URL: ссылка