London City Hall (Foster + Partners): công trình kiến trúc bền vững – phỏng sinh học nổi tiếng
Điều đáng ngạc nhiên là, trào lưu này lại có điểm tương đồng với những quan niệm kiến trúc truyền thống Á Đông, và cho thấy những tiềm năng có thể ứng dụng vào thị trường thiết kế Việt Nam. Ảnh hưởng rõ rệt nhất của trào lưu mới này chính là vai trò ngày càng quan trọng của yếu tố bền vững đối với nghề kiến trúc. Trong bối cảnh các yếu tố hợp lý, tiết kiệm, bảo vệ môi trường được đặt lên hàng đầu, việc kiến trúc Việt Nam tiến đến trào lưu kiến trúc mới này là kết quả của một dòng chảy tất yếu mà bài viết này muốn đề cập đến như là tính bền vững trong thiết kế kiến trúc ở một cái nhìn tổng hợp và khái quát hơn.
1. Sinh ra từ tự nhiên và bền vững
Khi xem xét các công trình kiến trúc hiện nay trên thế giới, chúng ta có thói quen xếp chúng thành hai nhóm: những công trình có dây chuyền công năng chặt chẽ và hình khối đơn giản; và những công trình có tính biểu hiện cao nhằm giải quyết vài vấn đề cụ thể. Tại Việt Nam, đa phần các công trình kiến trúc cũng có xu hướng phân hóa như vậy. Trong khi một số kiến trúc sư đề cao vấn đề công năng với các số liệu cụ thể, thì một số lại chú trọng đến hiệu quả thẩm mỹ và cảm nhận không gian. Sự phân hóa đó là kết quả của hai trào lưu kiến trúc lớn diễn ra gần đây: kiến trúc hiện đại và hậu hiện đại. Cả hai trào lưu đó đều có những thành tựu lớn lao, góp phần tạo ra một thời đại kiến trúc mới, nhưng mặt khác, chúng cũng để lại những hậu quả chưa thể khắc phục trong tư duy của chủ đầu tư và người thiết kế. Sau trào lưu kiến trúc hiện đại, chúng ta chứng kiến sự toàn cầu hóa trong kiến trúc, dẫn đến sự mất mát tính dân tộc và ngôn ngữ kiến trúc bản địa, thể hiện rõ ở những đô thị lớn tại Việt Nam. Trong khi đó, trào lưu kiến trúc hậu hiện đại lại tạo điều kiện cho sự ra đời những công trình thuần túy hình thức mà chưa có sự đầu tư vào nội dung.
Thế kỷ XXI đã đi qua gần hai thập niên đầu tiên, và các kiến trúc sư đang nỗ lực để thoát khỏi ảnh hưởng của hai trào lưu kể trên. Trong thời kỳ mà tài nguyên thiên nhiên đang cạn kiệt, môi trường sống ngày càng trở nên ô nhiễm, các chỉ số bền vững đã trở thành tiêu chí chính cho thiết kế kiến trúc. Tuy nhiên, nếu chỉ chạy theo các số liệu đó mà bỏ qua các yếu tố nghệ thuật, thẩm mỹ, thì vai trò của kiến trúc sư sẽ dần trở thành một kỹ sư tính toán. Để giải quyết sự nhập nhằng đó, ta lại phải quay về vấn đề muôn thuở của kiến trúc: sự hòa hợp giữa hình thức và nội dung. Với sự hỗ trợ của khoa học công nghệ, ngành kiến trúc thế giới đã tìm được đáp án không nằm ở đâu xa, mà ở trong chính một lĩnh vực sẵn có, đã và đang nghiên cứu một đối tượng đã tiến hóa hàng tỷ năm để giải quyết vấn đề ấy: ngành sinh học. Thế giới tự nhiên là một kho kiến thức khổng lồ để con người học hỏi và tái sáng tạo. Trong đó yếu tố then chốt nhất của tự nhiên chính là kiến tạo, điểm chung với ngành nghề kiến trúc. Bằng cách học hỏi phương pháp kiến tạo vật chất và sinh vật của tự nhiên, chứ không chỉ đơn thuần là bắt chước hình dạng và màu sắc như kiến trúc phỏng sinh học đã từng, một triết lý thiết kế mới được ra đời từ sự kết hợp của kiến trúc và sinh học, như kết quả tất yếu của một quá trình phát triển. Kiến trúc bền vững chính là một biểu hiện thuộc về xu hướng đó.
.jpg)
Farming Kindergarten – KTS Võ Trọng Nghĩa – Giải thưởng Kiến trúc xanh Green good design 2015
Bảo tàng Hà Nội – dạng công trình mang tính biểu hiện
R.B. Fuller và cấu trúc vòm trắc đạc
2. Có từ khi nào và ở đâu?
Chúng ta đã biết trong lĩnh vực kiến trúc, sự nghiên cứu về hình học là một trong những nền tảng cơ bản để có thể kiến tạo không gian. Từ thời cổ đại, con người đã biết sử dụng các hình khối đối xứng trong hội họa và chế tác công cụ, mà tiêu biểu nhất đó là các đa giác và đa diện đều. Tưởng chừng các hình đơn giản này không xuất hiện trong tự nhiên, nhưng giờ đây ta biết rằng chúng lại là các hình thức cấu tạo cơ bản ở mức độ phân tử của vật chất, ví dụ như sự liên kết các nguyên tử carbon, hay cấu trúc của các tinh thể muối. Phải chăng, việc học hỏi các cấu trúc tự nhiên không phải là một vấn đề mới, mà đã theo suốt sự tiến hóa của con người từ khi chúng ta biết sử dụng công cụ lao động?
Các dấu mốc trong quá trình hình thành và phát triển sự liên kết giữa kiến trúc và sinh học o82 các giai đoạn tiền đề, thử nghiệm, phát triển với các sự kiện quan trọng.
Thế kỷ XIX Ứng dụng cấu trúc kim loại:
Giai đoạn đầu: Crystal Palace (D.Paxton); Giữa: tháp Effeil và các cấu trúc thép khác (Gustave Effeil); Cuối: tháp có kết cấu diagrid tiết diện hyberbol (V.G.Shukov).
Thế kỷ XX: Những thử nghiệm và phát minh cấu trúc mới:
Năm 1949: vòm trắc đạc (R.B. Fuller); 1950-1960: cấu trúc nhẹ, dây và màng căng (Frei Otto); 1970- 1980: hình học phân dạng -fractal- (B. Man-delbrot); 1985: mạng carbon Fullerene (H.W.Kroto và cộng sự); 1990-2000: sự sống nhân tạo (Chris.Langton và cộng sự).
Thế kỷ XXI: Số hóa sự sống nhân tạo
2000: công trình kiến trúc dùng thuật toán Voronoi sắp xếp tế bào; 2010: Graphene vật liệu siêu cứng (A.K. Geim K.S. Novoselov).
Từ giữa thế kỷ XIX, cùng với cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật mang đến sự ra đời của các loại vật liệu mới (như nano, hợp kim, composite...), các kỹ sư và kiến trúc sư đã bắt đầu sáng tạo những hình thức kiến trúc mới lạ, thoát khỏi chủ nghĩa trang trí và khối hộp đơn giản. Thế kỷ XX đánh dấu bước tiến mới với rất nhiều sáng tạo vượt bậc, thay đổi bộ mặt kiến trúc thế giới. Năm 1949, R.B.Fuller nhận bằng sáng chế cho vòm trắc đạc, cấu trúc được thiết kế dựa trên nguyên tắc “minimax” – chi phí vật liệu thấp mang lại hiệu quả kết cấu cao. Cuối thập nhiên 1970, B.Mandelbrot cho ra đời hình học phân dạng (fractal) – tiền đề cho kiến trúc tham số sau này. Điều đáng ngạc nhiên là, song song với các nghiên cứu của các kỹ sư, kiến trúc sư để cho ra đời những hình thức cấu trúc hiệu quả, các nhà sinh hóa học lại khám phá được những cấu trúc tương tự trong tự nhiên ở mức độ phân tử. Năm 1985, một nhóm các nhà nghiên cứu (H.W.Kroto, J.R.Heath, S.C.O’ Brien, R.F.Curl, Smalley R.E.) tìm thấy một dạng carbon mới có cấu trúc mạng lưới tam giác tương tự như vòm trắc đạc, mà sau này được đặt tên là fullerene. Đầu thế kỷ XXI, một cấu trúc tự nhiên có độ cứng rất cao là graphene cũng được khám phá (A.K.Geim và K.S.Novoselov), cho thấy sự tương đồng của nó với cấu trúc dàn không gian nút cầu sáu cạnh.
.jpg)
The TWIST installation at Timber Expo – Mạng lưới cấu trúc phỏng sinh học được làm từ ván ép và cấu trúc phỏng sinh học có khả năng thay đổi hình dáng theo độ ẩm, nghiên cứu của sinh viên trường AA School of Architecture
Sơ đồ cấu trúc carbon trong kim cương
Hình vẽ bằng thuật toán hình học phân dạng (fractal)
3. Cơ sở của sự kết hợp kiến trúc và sinh học
Như vậy, sự phát triển kiến trúc và sinh học trong lịch sử khoa học kỹ thuật chính là hai quá trình song song nhau, tuy nhiên lại thiếu sự liên kết và hỗ trợ trong suốt một thế kỷ đồng hành. Cột mốc đánh dấu sự kết hợp giữa hai ngành khoa học đã xảy ra vào cuối thế kỷ XX, khi Christopher Langton và cộng sự tại phòng thí nghiệm Hoa Kỳ Los Alamos cho ra đời “sự sống nhân tạo” (artificial life) – thuật toán có khả năng mô hình hóa sự sống trên máy tính, bao gồm các thí nghiệm sinh hóa học lên các đối tượng: phân tử, tế bào, thần kinh, xã hội, mức độ tiến hóa, nhằm hiểu rõ các hình thái logic của sự sống. Như vậy, kiến trúc và sinh học đã có phương tiện để kết hợp và hỗ trợ lẫn nhau, mở ra một con đường mới trong phương pháp thiết kế kiến trúc. Theo tiến sĩ Stanilav Roudavski (Đại học Melbourne, Úc), có ba lý do để vận dụng nghiên cứu sinh học trong kiến trúc:
1. Thiết kế kiến trúc bao gồm việc giải quyết những sự ảnh hưởng đến từ môi trường – công việc đã được thực hiện thành công bởi tự nhiên qua hàng thiên niên kỷ.
2. Thiết kế kiến trúc tìm kiếm những ý tưởng và những kỹ thuật để hiện thực hóa ý tưởng đó – bao gồm hai yếu tố: kết quả và quá trình thực hiện, tương đồng với quá trình tiến hóa của tự nhiên
3. Kiến trúc đương đại và tự nhiên có cùng một ngôn ngữ: mô hình hóa sự tăng trưởng và thích ứng.
Và có bốn cách mà kiến trúc có thể hỗ trợ cho việc nghiên cứu sinh học:
1. Các bộ phận của một sinh vật phát triển và chuyên biệt hóa dưới sự ảnh hưởng của các điều kiện tự nhiên khách quan như ánh sáng, gió, tải trọng, âm thanh – tương tự như kiến trúc.
2. Trong kiến trúc và nghiên cứu sinh học, mô hình hóa bằng máy tính ngày càng trở thành một công cụ quan trọng để mô phỏng tính toán các điều kiện tự nhiên đó.
3. Lĩnh vực kiến trúc đã phát triển các công cụ tính toán mô phỏng các hiện tượng vật lý phức tạp (tải trọng, hiệu suất nhiệt, ánh sáng) – mà vẫn chưa có sẵn hoặc chưa phù hợp với nghiên cứu sinh học.
4. Sinh học đã phát triển các công cụ mô phỏng sinh vật (hành vi, thần kinh, xã hội) – mà sẽ trở thành yếu tố quan trọng cho việc phát triển kiến trúc trong tương lai.
Chính vì vậy, trong bối cảnh thiên thời, địa lợi, nhân hòa đang hội tụ như vậy, với đầy đủ các phương tiện kỹ thuật, vật liệu và đội ngũ chuyên gia, thế kỷ XXI hứa hẹn sẽ là thời điểm để kiến trúc và sinh học kết hợp, thay đổi bộ mặt của kiến trúc thế giới.
Vậy trào lưu kiến trúc mới này có tên gọi là gì và triết lý thiết kế cụ thể như thế nào?
Đón đọc phần 2: Một triết lý thiết kế hiệu quả
Mô phỏng cấu trúc graphene
Theo TC Kiến Trúc & Đời Sống số 129