GIẢI PHÁP MẶT ĐỨNG THÍCH ỨNG TRONG KIẾN TRÚC VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

PHẦN MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Từ xưa đến nay bản thân kiến trúc nói chung và mặt đứng kiến trúc nói riêng luôn luôn thay đổi để phù hợp với nhu cầu sử dụng, hoàn cảnh lịch sử, văn hóa, xã hội, điều kiện tự nhiên v.v Có thể thấy ở các thời kì kiến trúc trước, chu kỳ thay đổi là tương đối dài ( từ vài thập kỉ cho đến vài thế kỉ) thì nay, với tốc độ phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ, bộ mặt kiến trúc của thế giới cũng thay đổi theo rất nhanh

Một công trình kiến trúc không thể tách rời khỏi môi trường, chịu ảnh hưởng qua lại với điều kiện tự nhiên, và tùy vào cách xử lý kiến trúc mặt đứng mà mỗi công trình sẽ mang lại hiệu quả về năng lượng và thẩm mỹ khác nhau Trong thực tế, giải pháp “thích ứng” đã tồn tại ngay từ trong kiến trúc truyền thống bản địa, tuy nhiên trong khoảng hai mươi năm trở lại đây,với thành tựu của các ngành khoa học vật liệu, máy tính, điện tử, công nghệ thông tin, càng ngày lại càng có nhiều giải pháp kiến trúc mới ra đời nhằm giúp cho công trình kiến trúc thích ứng tốt hơn với môi trường, không chỉ còn là thích ứng thụ động, mà là thích ứng tự động theo thời gian thực

Cũng chính vì có nhiều giải pháp kiến trúc mới ra đời như vậy, kèm theo sự lỏng lẻo và không thống nhất trong cách dùng từ ngữ trên toàn thế giới, nên sẽ có sự bối rối cho những ai muốn tiếp cận các giải pháp “mặt đứng thích ứng” trong kiến trúc

Thành phố Hồ Chí Minh là một đô thị năng động, phát triển, nhưng bên cạnh đó cũng gặp nhiều thách thức về những vấn đề chung của toàn cầu như biến đổi khí hậu, tốc độ đô thị hóa, môi trường và năng lượng Đây là những thách thức liên ngành nên những nghiên cứu đóng góp cho việc giải quyết các vấn đề trên là nhu cầu hết sức thiết thực

“ Giải pháp “Mặt đứng thích ứng” trong kiến trúc và khả năng ứng dụng tại TP HCM” là một luận văn với mong muốn đưa ra được cái nhìn tổng quan và hệ thống các giải pháp “mặt đứng thích ứng” trong kiến trúc và khả năng phát triển của nó trong tương lai Mong muốn đóng góp cho các kiến trúc sư, những người thiết kế, một công cụ để tham khảo nhằm khai thác hợp lý những thuận lợi và hạn chế tối đa những bất lợi của môi trường xung quanh công trình, hướng tới xây dựng một thành phố hiện đại và bền vững.

Tổng quan các công trình nghiên cứu liên quan đến đề tài

Mối quan hệ giữa kiến trúc và môi trường nói chung, các giải pháp “mặt đứng thích ứng” nói riêng là đề tài được giới chuyên môn đã quan tâm, đào sâu nghiên cứu, điển hình xin được kể đến một số công trình khoa học sau:

Tập sách “ Nhiệt kiến trúc” xuất bản năm 1966 của GS Phạm Ngọc Đăng về vấn đề sinh khí hậu trong thiết kế kiến trúc, trong đó nhấn mạnh

“ngành xây dựng kiến trúc phải dựa trên khoa học về các yếu tố vật lý tác động vào như nhiệt độ, gió, độ ẩm, ánh sáng, âm thanh, bức xạ để tạo ra công trình có chất lượng cao” [3] Ông là một trong các nhà khoa học đặt nền móng cho phát triển 2 bộ môn khoa học chuyên ngành của Việt Nam, đó là bộ môn chuyên ngành khoa học “Vật lý Kiến trúc” và bộ môn chuyên ngành khoa học “Môi trường Không khí” Tiếp nhận những kiến thức vật lý kiến trúc từ tập sách với vai trò là cơ sở nền tảng cho những nghiên cứu về giải pháp “mặt đứng thích ứng” của học viên

Tập sách “ Kiến trúc, năng lượng và môi trường ” xuất bản năm 2012 của nhóm tác giả PGS.TS Ngô Thám, ThS Nguyễn Văn Điền, GS.S Nguyễn Hữu Dũng, PGS.TS Nguyễn Khắc Sinh đã đưa ra những thông tin cần thiết trong việc quy hoạch, thiết kế công trình, lựa chọn hệ thống trang thiết bị đáp ứng yêu cầu sử dụng tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường trong các công

3 trình xây dựng [7] Những thông tin này vô cùng có giá trị trong việc định hướng thiết kế, và là cơ sở cho những lý luận mang tính hệ thống hơn về giải pháp “mặt đứng thích ứng”

Luận văn “ Xu hướng kiến trúc thích ứng với khí hậu nhiệt đới” năm

2012 của tác giả Đỗ Trung Châu tại trường Đại Học Kiến Trúc Tp.HCM đã khái quát tình hình kiến trúc nhiệt đới trên thế giới, đưa ra những ưu khuyết điểm và các phương pháp thiết kế thích ứng với khí hậu qua các thủ pháp đặc trưng của từng vùng, sử dụng và dựa vào các đặc tính của tự nhiên từng khu vực để thiết kế cho phù hợp Luận văn đã có cái nhìn tổng quát về vấn đề địa khí hậu, tuy nhiên sự tiến bộ của khoa học công nghệ đã tạo nên sự chuyển biến mạnh mẽ trong kiến trúc mặt đứng công trình, đưa ra những xu hướng mới táo bạo và bền vững hơn Thừa hưởng những nền tảng của kiến trúc bản địa và ứng dụng những giải pháp mới nhất của thế giới chính là hướng nghiên cứu mà học viên quan tâm [1]

Luận văn “Vỏ bao che của nhà cao tầng tại TPHCM trong xu thế phát triển bền vững” năm 2011 của tác giả Nguyễn Hữu Thịnh có đưa ra những giải pháp thiết kế vỏ bao che hiệu quả về năng lượng, thân thiện với môi trường và định hướng phát triển cho nhà cao tầng tại TP Hồ Chí Minh trong điều kiện phát triển kinh tế, khoa học, kỹ thuật và công nghệ đạt được hiệu quả về năng lượng thích ứng với sự biến đổi khí hậu [9] Luận văn có sự quan tâm đến lớp vỏ bao che của công trình dưới tác động của khí hậu theo hướng thiết kế chủ động (active design), trong khi chiến lược thiết kế thụ động (passive design) đang là xu hướng mới cho khoa học tiết kiệm năng lượng bền vững hiện nay

Một số công trình khoa học ở nước ngoài thực sự quan tâm về vấn đề này như luận văn “ Structural Adaptive Facades” của tỏc giả Chloở Marysse tại Đại học Ghent đã đưa ra các số liệu định lượng về vật lý kiến trúc nghiên cứu trực tiếp trên các bản mẫu của mặt đứng chuyển động [11] Đây thực sự là

4 nguồn tài liệu giá trị để học viên tiếp nối chủ đề này phù hợp với điều kiện kinh tế, khí hậu tại TPHCM

Ngoài ra, còn rất nhiều các tài liệu, sách, báo khoa học, của những ngành khoa học khác có những vấn đề liên quan đến giải pháp “mặt đứng thích ứng” hiện nay Mặc dù nội dung của các tài liệu còn rải rác và chưa hệ thống kỹ lưỡng, nhưng cũng là nguồn tư liệu tham khảo có giá trị cho học viên hoàn thành cơ sở khoa học của luận văn

Thông qua các công trình nghiên cứu được nêu ở trên, học viên nhận thấy Mặt đứng thích ứng là chủ đề được sự quan tâm của các nhà chuyên môn, song cũng giới hạn ở mức độ khái quát chưa có công trình khoa học nào nghiên cứu về giải pháp “mặt đứng thích ứng” trong điều kiện hiện đại hóa tại TPHCM hiện nay Vì vậy, đề tài “ Giải pháp “Mặt đứng thích ứng” trong kiến trúc và khả năng ứng dụng tại TP HCM ” tiếp nối các nghiên cứu trên một cách cụ thể hơn, theo một góc nhìn hệ thống hơn, là một hướng nghiên cứu không trùng lặp và cần thiết.

Đối tượng và Phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Các giải pháp “mặt đứng thích ứng” trong kiến trúc

Không gian: Các công trình có ứng dụng giải pháp “mặt đứng thích ứng” trong và ngoài nước, ứng dụng nghiên cứu vào địa bàn TP Hồ Chí Minh

Thời gian: chủ yếu giới hạn trong khoảng thời gian từ năm 2000 đến nay.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận văn có 2 mục tiêu chính:

- Xây dựng tiêu chí phân loại các giải pháp “mặt đứng thích ứng” trong kiến trúc

- Đề xuất ứng dụng các giải pháp “mặt đứng thích ứng” trong điều kiện

TP Hồ Chí Minh hiện nay.

Nội dung nghiên cứu

- Tóm lược quá trình hình thành và phát triển giải pháp “mặt đứng thích ứng” trong và ngoài nước

- Khảo sát phân tích các công trình có ứng dụng giải pháp “mặt đứng thích ứng”

- Đúc kết các cơ sở lý luận và thực tiễn

- Phân tích điều kiện xã hội – kinh tế - khoc học kĩ thuật ảnh hưởng đến việc ứng dụng “Mặt đứng thích ứng” tại TP.HCM

- Tổng kết đặc điểm và phân loại

- Đề xuất ứng dụng giải pháp “Mặt đứng thích ứng” tại TP.HCM

Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp khảo sát: Tiến hành khảo sát thực địa, phân tích hiện trạng thực tế các công trình có sử dụng giải pháp “mặt đứng thích ứng”

- Phương pháp phân tích, tổng hợp và hệ thống hóa: thu thập một số luận văn, nghiên cứu khoa học, các bài báo, tham luận ở nước ngoài và tại Việt Nam có liên quan đến các giải pháp “mặt đứng thích ứng”

- Phương pháp thống kê: tìm hiểu các số liệu thực tiễn mang tính định lượng liên quan đến giải pháp “mặt đứng thích ứng”, từ đó lập các bảng biểu, sơ đồ cụ thể

TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP “MẶT ĐỨNG THÍCH ỨNG”

Khái niệm – Thuật ngữ - Định nghĩa

Thích ứng là một khái niệm rất rộng:

Theo từ điển tiếng việt (Hoàng Phê), thích ứng là “có những thay đổi cho phù hợp với điều kiện mới, yêu cầu mới” [10]

Theo quan điểm các nhà sinh vật học, “sự thích ứng” có thể định nghĩa như là một quá trình tiến hóa mà qua đó một sinh vật có khả năng sống tốt hơn trong môi trường sống của nó [12]

Bản thân sự phát triển của kiến trúc từ xưa đến nay luôn bao hàm trong đó sự thích ứng đối với môi trường, khí hậu, biểu hiện qua từng thời kỳ Chiến

7 lược vận dụng các nguyên tắc vật lí vào thiết kế kiến trúc, tạo ra các công trình

“tĩnh” nhằm chống lại tác động của môi trường đang dần trở nên lạc hậu Với sự phát triển của công nghệ kĩ thuật hiện nay, kiến trúc hoàn toàn có thể “vận động” nhằm giảm thiểu các tác động xấu của môi trường vào công trình

Theo định nghĩa của Loonen “Một lớp vỏ bao che công trình thích ứng khí hậu có khả năng thay liên tục thay đổi và đảo ngược một số công năng, chức năng hoặc hành vi theo thời gian để đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất và các điều kiện đa dạng Điều này được thực hiện với mục đích cải thiện hiệu năng tổng thể của công trình về mặt tiêu thụ năng lượng bên cạnh đó vẫn giữ được nhiệt độ và thẩm mỹ ở mức chấp nhận được Loại mặt đứng này có thể tận dụng các cơ hội để tiết kiệm năng lượng, bằng cách thích ứng với điều kiện thời tiết và cung cấp môi trường thoải mái ngay lập tức theo ý của con người

“Thích ứng” ở đây đã được mô tả là khả năng chống lại và lợi dụng các điều kiện khí hậu bên ngoài để không ngừng duy trì sự thoái mái cho con người ở mức độ cơ bản.”[ 35]

KTS Knaack bổ sung khái niệm “thích ứng” trong các thiết kế mặt đứng của ông như sau: “Các công trình có khả năng thích ứng trước các thay đổi của thời tiết được gọi là các công trình thông minh Bời vì khái niện thông minh có thể gây hiểu lầm khi được sử dụng vào bối cảnh của các công trình hay các mặt đứng, chúng tôi sẽ sử dụng khái niệm mặt đứng thích ứng để thay thế Sự thích ứng nói chung có nghĩa là các công trình và các mặt đứng thích ứng được với các điều kiện thời tiết hiện tại” [ 31]

KTS Kirkegaard nói rằng các công trình thích ứng “có thể tùy theo hiệu suất hoạt động của công trình, theo thời gian thực, và sự thay đổi của môi trường mà dùng ít năng lượng đi, đem đến sự thoải mái trong sử dụng cho con người hơn, và nhìn chung mang lại hiệu quả không gian hơn là các tòa nhà tĩnh” [ 30]

KTS Hoberman đã tập trung rất nhiều tâm huyết vào việc cải thiện “mặt đứng thích ứng” và vỏ bao che công trình Ông thúc đẩy việc sự dụng hệ thống thích ứng theo các cách như “ kiểm soát mức độ ánh sáng, mức tăng năng lượng mặt trời và hiệu suất nhiệt, hệ thống thích ứng của ông giảm việc sử dụng năng lượng, tăng cường sự thoải mái và xây dựng tính linh hoạt của môi trường [ 64]

Ngoài ra còn có KTS De Boer viết về những yêu cầu để xác định một

“mặt đứng thích ứng” : “Công nghệ “mặt đứng thích ứng” dùng để tăng sự thoải mái và giảm thiểu sử dụng năng lượng trong tương lai Các công trình có đặc tính thích ứng với khí hậu và ánh sang ban ngày sẽ có hiệu suất năng lượng tốt hơn nhiều trong khi vẫn duy trì cảm giác thoải mái ở mức cao cho con người

Sự phát triển của CABS (Climate adaptive building shells / vỏ bao che thích ứng khí hậu) dựa trên các đặc tính thích nghi “lý tưởng”, cho phép tối đa hóa sự thoải mái bên trong công trình và tối thiểu năng lượng sử dụng cho sưởi ấm, làm mát, thông gió và chiếu sang.Điều này hướng tới hiện thực hóa việc đưa mức sử dụng năng lượng của các tòa nhà về 0, hoặc thậm chí các công trình còn có thể tạo ra năng lượng trong tương lai gần [18]

Dựa trên những định nghĩa trên, khái niệm “mặt đứng thích ứng” được dùng xuyên suốt luận văn này sẽ được hiểu như sau: “Một mặt đứng thích ứng có khả năng thay đổi, theo thời gian thực, một vài chức năng, tính năng và sự chuyển động để đáp ứng với các thay đổi của điều kiện môi trường, với các tiêu chuẩn hiệu suất hoạt động, nhu cầu của người dùng trong công trình và hiệu quả không gian Mục đích của sự thích ứng là để cải thiện hiệu năng chung của công trình liên quan đến việc sử dụng các nguồn năng lượng (cung cấp cho sưởi ấm, làm mát, thông gió, chiếu sang, kiểm soát độ ẩm) mà vẫn duy trì hoặc nâng cao cảm giác thoải mái cho con người ở trong công trình”

Tổng quan về mối quan hệ và ý nghĩa của giải pháp “mặt đứng thích ứng” đối với các công trình kiến trúc bền vững và tiết kiệm năng lượng

Việt Nam cũng như các nơi khác trên thế giới đang đối mặt với những vấn đề về biến đối khí hậu, chính vì vậy xu hướng kiến trúc xanh, bền vững và tiết kiệm năng lượng là xu thế chung đáp ứng nhu cầu thiết thực của xã hội Có nhiều tiêu chuẩn khác nhau trên thế giới để đánh giá công trình có đạt được mức độ bền vững và tiết kiệm năng lượng hay không Tuy nhiên các tiêu chuẩn đó đều có những tiêu chí đánh giá chung nhất định [Sơ đồ như:

- Mức độ tiêu thụ năng lượng

- Loại vật liệu và phương án tái chế

- Hiệu quả sử dụng nước

- Chất lượng môi trường trong công trình ( ánh sáng, thông gió, nhiệt độ, vật liệu hoàn thiện, tiếng ồn, chất lượng không khí, tầm nhìn ra ngoài)

Tất cả các yếu tố trên đều có thể bị ảnh hưởng bởi một thành phần quan trọng trong kiến trúc: Mặt đứng

Rõ ràng với khí hậu biến đổi ngày càng khó lường như hiện nay, một mặt đứng cố định đang dần lộ rõ nhiều điểm yếu Chính vì vậy, “mặt đứng thích ứng” đã xuất hiện, đóng một vai trò hết sức quan trọng trong việc giúp công trình đáp ứng được các chỉ tiêu về bền vững và tiết kiệm năng lượng.

Tổng quan quá trình hình thành và phát triển của giải pháp “mặt đứng thích ứng” trên thế giới

Kiến trúc thích ứng lần đầu tiên được miêu tả bởi Frei Otto như là một hệ thống có thể thay đổi hình dạng, vị trí, công năng, hoặc không gian Ông muốn chỉ ra rằng đây là một hệ thống gọn nhẹ, dễ dàng vận chuyển, có thể xây lắp và tháo dỡ nhanh chóng Nguyên lý cơ bản được dùng cho việc xây dựng

10 kiến trúc thích ứng là “Lightweight Principle”, dựa trên việc tối ưu vật liệu và khối lượng xây dựng [42]

Trong bối cảnh các thành phố thông minh đang được phát triển, nơi mà các công trình đều hướng tới việc tiêu thụ năng lượng ít đi thì hệ thống sẽ bao che đóng vai trò then chốt [12].Thực tế thì khái niệm về công trình thông minh luôn có mối liên hệ chặt chẽ với “mặt đứng thích ứng”, vì mặt đứng chính là yếu tố có khả năng thay đổi cấu trúc của nó để đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất, giống với cấu trúc da của con người Lớp vỏ bao che bên ngoài do đó có thể trở thành một hệ thống hữu cơ thực thụ, được kết nối với hệ thống điều khiển trung tâm của tòa nhà và hệ thống điều hòa không khí (được ví như các mạch máu của con người) [50]

Các công trình có “mặt đứng thích ứng” được xây dựng trong những năm qua ở rất nhiều nơi trên thế giới đều có tính đặc trưng khác nhau do sự cập nhật liên tục của công nghệ và kĩ thuật xây dựng, và bởi vì vậy nên tên gọi của chúng cũng không có sự đồng nhất

(a) Mặt đứng chủ động (Active faỗade) (xem Hỡnh 1.01a, 1.01b)

Mặt đứng chủ động có thể định nghĩa là các hệ thống kĩ thuật-công nghệ có tích hợp vào lớp vỏ bao che, có khả năng điều chỉnh, thay đổi để trước các tác động của môi trường trong và ngoài công trình nhằm tạo ra các điều kiện thoải mái và giảm thiểu tiêu hao năng lượng Sự chủ động ở đây có thể là cả tự động và thủ công, không nhất thiết phải bao gồm các linh kiện điện tử [45]

(b) Mặt đứng tân tiến ( Advanced facades)

Mặt đứng tân tiên là lớp vỏ bao che bên ngoài, bảo vệ tỏa nhà khỏi thời tiết và góp phần làm ấm, làm mát, thông gió, chiếu sáng và cải thiện sự thoải mái bên trong tòa nhà và tiết kiệm năng lượng Sự khác biệt chính giữa mặt đứng tân tiến và các loại vỏ bao che tiết kiệm năng lượng khác là sự ứng dụng

11 các yếu tố phản hồi của công trình ,tích hợp với các hệ thống dịch vụ , hệ thống năng lượng, dưới sự kiểm soát chặt chẽ của máy móc công nghệ [11]

(c) Mặt đứng phỏng sinh học (Biometic / Bio –inspired facades)

Lớp biểu bì/ da của thực vật/ con người luôn được coi là nguồn cảm hứng mô phỏng cho hệ thống vỏ bao che bền vững và đa năng Chức năng sinh học có thể được mô phỏng trực tiếp hay gián tiếp trên vỏ bao che (xem Hình 1.02a, 1.02b)

Mô phỏng trực tiếp cụ thể như việc sao chép các chức năng có thể quan sát được vào hệ thống vỏ bao che của công trình Ví dụ như các phản ứng với ánh sáng và sự di chuyển của mặt trời ở thực vật Ở một số công trình, lớp vỏ bao che có khả năng hấp thu hoặc loại bỏ năng lượng mặt trời [60] Ở việc mô phỏng gián tiếp, các kiến trúc sư thường dựa trên một vài nguyên tắc sinh học sau đó ứng dụng có chọn lọc vào lớp vỏ bao che công trình

(d) Mặt đứng động học (Kinetic facades)

Năm 1970, Zuk và Clark đã định nghĩa kiến trúc động học là một dạng kiến trúc có thể di chuyển, biến dạng, mở rộng Cụ thể, mặt đứng động học là một hệ thống kĩ thuật có một hoặc toàn bộ các bộ phận có thể thể thay đổi vị trí và tạo hình đa dạng [23] Thuật ngữ “động học” trong sinh học là phản ứng của sinh vật đối với một loại kích thích sinh học [61] và khả năng điều chỉnh năng lượng ở các dạng chính như: ánh sáng nhìn thấy và nhiệt

Một mặt đứng động học có thể tương tác với nguồn năng lượng, cả tự nhiên và nhân tạo, để tác động tới hiệu suất của công trình và sự thoải mái của con người bên trong công trình đó [22] Loại vỏ bao che này nhìn chung cần các điều kiện có biên độ cụ thể như thời tiết, vị trí địa lí, được lập trình sẵn cho các yêu cầu chức năng khác nhau cũng như một số trường hợp khẩn cấp Ngoài

12 ra,để đảm bảo hoạt động thì mặt đứng động học cần có nguồn cấp năng lượng ổn định

(e) Mặt đứng thông minh (Intelligent facades) (xem Hình 1.04a, 1.04b)

Các tòa nhà thông minh là những tòa nhà kết hợp cả sự thông minh chủ động và thụ động ( các tính năng chủ động và chiến lược thiết kế thụ động) để mang lại sự thoải mái tối đa cho người sử dụng và tiêu thụ năng lượng tối thiểu

[33] Trong bối cảnh hiện nay, định nghĩa của mặt đứng “thông minh” là mô hình những mặt đứng có sự linh hoạt trong sử dụng [31] Cụ thể, thuật ngữ

“thông minh” khi ứng dụng vào một mặt đứng, thì mặt đứng đó phải có khả năng thay đổi theo điều kiện môi trường [17] Do đó, lớp vỏ bao che thông minh là một tập hợp các yếu tố hoạt động như một ràn chắn với môi trường bên ngoài, có thể phản ứng lại với các thay đổi khí hậu thông qua việc tự động điều chỉnh cấu hình trong hệ thống của nó [39] để tạo ra một môi trường dễ chịu bên trong công trình [15].Các chức năng chính đó phải được thực hiện bởi các hệ thống thông minh có nhận thức, hành động nhất định Điều này ứng với việc chế tạo robot với các cảm biến, bộ xử lý điều khiển và bộ truyền động [26] Vì lí do này mà một “mặt đứng thông minh” có khả năng tự thay đổi thông qua cơ chế “tự động điều chỉnh”, tối ưu hóa các hệ thống của công trình có liên quan đến khí hậu, cân bằng năng lượng và sự thoải mái của con người, thường được dựa trên những mô hình đã dự đoán trước Việc này thường được thực hiện thông qua quá trình tự động hóa các cửa sổ, tấm che nắng, lỗ thông hơi, các loại vật liệu thông minh [59]

(f) Mặt đứng tương tác (Interactive facades)

Thuật ngữ “tương tác” thường ít được sử dụng khi nói về vỏ bao che hơn so với các sản phẩm của công nghệ máy tính, nghệ thuật sắp đặt và các lĩnh vực khác có khuyến khích sự tham gia tích cực của công chúng Tuy nhiên, mặt

13 đứng tương tác yêu cầu tác động của con người trước rồi mới bắt đầu phản hồi, nó được trang bị cảm biến và hệ thống quản lý tòa nhà tự động, được lập trình để tối ưu việc sử dụng năng lượng đồng thởi đảm bảo môi trường thoải mái của người dùng bên trong công trình [59]

(g) Mặt đứng chuyển động (Movable facades)

Mặt đứng chuyển động có thể được định nghĩa là các hệ thống kĩ thuật có khả năng thích ứng nhanh với các điều kiện môi trường, có các bộ phận độc lập đường trang bị các thiết bị quang điện có khả năng theo dõi vị trí của mặt trời, loại vỏ bao che này có thể tái tạo, tạo ra năng lương, giảm mức tiêu thụ năng lượng của công trình mới hoặc công trình hiện có [52]

CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA GIẢI PHÁP “MẶT ĐỨNG THÍCH ỨNG” VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TẠI TP HCM

Cơ sở hiện trạng

Thành phố Hồ Chí Minh (TP.HCM) là thành phố lớn nhất, đồng thời cũng làmột trong những trung tâm kinh tế, chính trị, văn hóa và giáo dục quan trọng nhất của Việt Nam Hiện nay, TP.HCM là thành phố trực thuộc Trung ương được xếploại đô thị đặc biệt của Việt Nam, cùng với thủ đô Hà Nội

Nằm trong vùng chuyển tiếp giữa Đông Nam Bộ và Tây Nam Bộ, Thành phố Hồ Chí Minh ngày nay bao gồm 19 quận và 5 huyện, tổng diện tích 2.095,06 km², dân số năm 2018 là gần 14 triệu người

Nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa cận xích đạo, TP.HCM có khí hậu ôn hòa với nhiệt độ trung bình khoảng 27oC – 29oC, sự chênh lệch nhiệt độ giữa các mùa không quá 5oC; lượng mưa trung bình khoảng 2.000mm với độ ẩm trung bình khoảng 75-80% TP.HCM có 2 mùa trong năm; mùa mưa vào khoảng từ tháng 5 đến tháng 11 và mùa nắng vào khoảng từ tháng 12 đến tháng

4 năm sau với hai hướng gió chính là gió Tây-Tây Nam và Bắc-Đông Bắc Thành phố có hệ thống song, kệnh, rạch chằng chịt và hơn 12 km bờ biển, tạo thành một cửa ngõ giao thương với nhiều nơi trên thế giới

Nhờ điều kiện tự nhiên thuận lợi, TP.HCM trở thành một đầu mối giao thông quan trọng của Việt Nam và Đông Nam Á, bao gồm cả đường bộ, đường sắt, đường thủy và đường không Nhìn vào lịch sử và các đô thị có điều kiện tương tự trên thế giới có thể thấy rằng TPHCM có nhiều cơ sở để trở thành một đô thị thương mại, nơi giao lưu nhiều luông văn hóa và giữ vai trò quan trọng trong các lĩnh vực giáo dục, truyền thông, thể thao, giải trí [71]

2.1.2 Điều kiện kinh tế - xã hội

Trong quá trình phát triển và hội nhập, TP.HCM luôn là một trung tâm kinh tế, tài chính, thương mại, dịch vụ của cả nước; là hạt nhân của vùng kinh tế trọng điểm phía Nam, một trong ba vùng kinh tế trọng điểm lớn nhất nước Với tốc độ tang 24 trưởng kinh tế cao, về quy mô thành phố chỉ chiếm 0,6% diện tích và 8,6% dân số nhưng đã đóng góp 20,2% tổng sản phẩm quốc gia, 26,1% giá trị sản xuất công nghiệp và 44% dự án đầu tư nước ngoài, số dự án đầu tư vào thành phố chiếm khoảng 1/3 tổng số dự án đầu tư nước ngoài trên cả nước

Tuy vậy, nền kinh tế của Thành phố Hồ Chí Minh vẫn phải đối mặt với nhiều khó khăn Cơ sở hạ tầng của thành phố trở nên quá tải, chỉ giá tiêu dùng cao, tệ nạn xã hội, hành chính phức tạp cũng gây khó khăn cho nền kinh tế Ngành công nghiệp hiện đang hướng tới các lĩnh vực cao, đem lại hiệu quả kinh tế hơn

Về xã hội, TP.HCM có thành phần cư dân đa dạng, với sự phân bố dân cư không đồng đều Trong khi một số quận như: 3, 4, 10 và 11 có mật độ lên tới trên 40.000 người/km2, thì huyện ngoại thành Cần Giờ có mật độ tương đối

20 thấp 98 người/km2.về mức độ gia tăng dân số, trong khi tỷ lệ tâng tự nhiên khoảng 1,07% thì tỷ lệ tang cơ học lên tới 2,5% Những năm gần đây dân số các quận trung tâm có xu hướng giảm; trong khi dân số các quận mới lập vùng ven tăng nhanh, do đón nhận dân từ trung tâm chuyển ra và người nhập cư từ các tỉnh đến sinh sống [71]

Có thể nói TP HCM là nơi có môi trường văn hóa đô thị đa dạng nhất Việt Nam Tính đa dạng đó được thể hiện ở những đặc trưng nổi bật như tính đô thị, tính đa tộc người và tính tiếp biến văn hóa

Tính đô thị: không như những đô thị cổ khác của Việt Nam, với lịch sử hơn 300 năm, TP.HCM ngay từ khi hình thành đã mang tính “thị” nhiều hơn, là nơi thu hút các nguồn lực để trở thành trung tâm kinh tế và giao lưu quốc tế chứ không phải là một đô thị bắt nguồn với nông nghiệp, nông thôn, nông dân, và chịu sự chi phối và kiểm soát toàn diện bởi chính quyền ngay từ đầu Quá trình hình thành này đã được hun đúc, đắp bồi cho thành phố tính đô thị rõ nét, hình thành nên cung cách, lối sống thị dân như là một trong những đặc trưng nổi bật cưa văn hóa xuyên suốt các thăng trầm lịch sử (Lý Tùng Hiếu, viết trong tạp chí Khoa học Văn hóa và Du lịch số 10 tháng 3/2013)

Tính đa tộc người: TP.HCM từ khi thành lập đến nay luôn là nơi thu hút dòng chảy di dân từ những nơi xa đến, mang theo tiềm năng của mọi miền văn hóa đã có bề dày hàng trăm, hàng nghìn năm Các cộng đồng đa dạng sắc tộc trong và ngoài nước (Kinh, Hoa, Khmere, Chăm, Pháp, Ấn, Âu v.v…) cùng nhau tồn tại, hòa trộn, phát triển, tạo nên sự đa dạng về văn hóa và tinh thần cởi mở cho thành phố Qua thời gian, lớp trầm tích văn hóa của TP.HCM ngày càng được bồi đắp phong phú và đa dạng từ bốn phương, tiếp tục thu hút các cộng đồng người nước ngoài đến đầu tư, sinh sống, học tập và làm việc Điểm

21 đặc biệt là những cộng đồng dân tộc tại TP HCM không sống tách biệt riêng lẻ, phân định rõ ràng ranh giới mà hoàn toàn sống hòa lẫn vào nhau, tạo ra một mối quan hệ cởi mở và giao thoa Không hề có một khu vực chỉ có người Hoa, người Ấn, người gốc Kherme sinh sống mà luôn luôn được trộn lẫn với không gian cư trú của người Kinh nói chung và các của các cộng đồng dân tộc khác nói riêng Tính chất đa tộc người trong văn hóa, mối quan hệ thân thiện giữa các cộng đồng đa dạng đó là một tài sản vô giá mà không phải thành phố nào cũng có được Đó là một trong những yếu tố rất quan trọng cho tính chất cởi mở năng động ngấm sâu vào cơ thể đô thị TP.HCM như một năng lực nội sinh

Do vậy mà thành phố này không bị bó chặt vào những phương thức cũ, mà luôn thể hiện một khả năng nhạy cảm nhất định với các yếu tốt mới trong văn hóa

Tính giao lưu, tiếp biến văn hóa: nhờ tính chất đô thị và tính đa tộc người trong văn hóa , TP HCM đã trở thành một cửa ngõ, nơi mở cửa, nơi tiếp nhận và thúc đẩy quá trình giao lưu, tiếp biến văn hóa sôi động nhất Việt Nam [2]

Cơ sở lý thuyết

2.2.1 Lý thuyết chung về mặt đứng công trình

Suốt chiều dài lịch sử, con người đã nghiên cứu các thể loại công trình và những điều kiện sinh hoạt để làm cho cuộc sống thoải mái khi trải qua sự thay đổi thời tiết theo mùa Thế kỷ trước và cụ thể hơn những thập kỷ gần đây, dân số thế giới tiếp tục tăng đáng kể, sự nóng lên toàn cầu và biến đổi khí hậu tạo thành một thách thức cho hành tinh của chúng ta.Xu hướng hiện nay là xây dựng các tòa nhà cao hơn trên một bề mặt nhỏ hơn cho phép mọi người sống tập trung hơn Để có được hiệu suất tốt kết hợp với sử dụng năng lượng hiệu quả đối với các tòa nhà trung bình / cao tầng, các phương pháp xây dựng mới

23 được phát triển Mặt tiền của các tòa nhà thương mại và các tòa nhà cao tầng nói chung, chứa phần lớn là phủ bởi kính Các xây dựng mặt tiền như vậy có thể dẫn đến tổn thất nhiệt hoặc tăng nhiệt đáng kể tùy thuộc vào từng mùa Việc tạo ra các mặt đứng sử dụng kính với hiệu suất sử dụng xuất sắc là một thách thức phức tạp đối với người thiết kế Sử dụng lớp thứ hai bao lấy lớp đầu tiên có thể góp phần cải thiện hiệu suất Một cách người ta hay làm là đặt một loại rèm chắn ở phía trước bức tường Một cách khác là sử dụng một lớp kính thứ hai hoặc một loại vật liệu mờ, đõy được gọi là mặt tiền đụi (double faỗade)

Khi một mặt đứng được xây dựng, một số yêu cầu chức năng cần phải được đáp ứng (xem Hình 2.01) Trước hết là một số điều hết sức quan trọng như độ kín, an toàn cháy nổ,cách bảo trì và sửa chữa.Ngoài ra, càng ngày con người càng cố gắng thiết kế mặt đứng giúp cải thiện chất lượng không khí trong nhà, hiệu quả năng lượng, hiệu suất nhiệt và sự thoải mái của người sử dụng bằng các cách như dùng hệ thống thông gió, hệ thống che nắng để kiểm soát ánh nắng mặt trời, kiểm soát ánh sáng ban ngày và cách âm Sự ối ưu hóa ở mặt đứng tòa nhà giúp làm giảm tải nhiệt, làm mát và chiếu sáng cho tòa nhà Khía cạnh khó khăn nhất cho công tác thiết kế là kết hợp một số chiến lược với nhau

Thiết kế của một mặt tiền cũng phải tôn trọng vị trí của tòa nhà.Vị trí địa lý khác nhau có đặc điểm khí hậu khác nhau, kèm theo đó là với các yêu cầu chính khác nhau Khi tăng trải nghiệm thoải mái bên trong tòa nhà (chất lượng không khí tốt hơn, sự thoải mái về nhiệt độ v.v ) điều đó giúp mang lại một sức khỏe và năng suất làm việc tốt cho người sử dụng Ngoài ra, các vấn đề hiện tại của việc hết tài nguyên và tăng chi phí nguyên liệu làm cho nhu cầu cải tiếng mô hình giảm thiểu việc sử dụng năng lượng và tiêu thụ ít vật liệu trở nên cấp bách hơn

Các thành phần khác nhau góp phần vào việc sử dụng năng lượng là tương tác với nhau, điều này làm cho vấn đề trở nên phức tạp Cụ thể hơn, sự

24 tương tác giữa nhiệt, ánh sáng và sự làm mát rất chặt chẽ Ví dụ nếu chiều sâu của hệ thống che nắng thấp, nhiệt mặt trời sẽ tăng nhiều hơn dẫn đến nhu cầu hệ thống sưởi ít hơn nhưng nhu cầu dùng hệ thống làm mát lại nhiều hơn Độ sâu của hệ thống che nắng ít hơn cũng dẫn đến việc sử dụng nhiều ánh sáng ban ngày tự nhiên hơn, và ít cần ánh sáng nhân tạo Ngoài ra, bật ánh sáng nhân tạo có thể ảnh hưởng đến việc tăng nhiệt và tải trọng làm mát của tòa nhà [53]

Mục đích của nâng cao chất lượng mặt đứng , giảm tiêu thụ năng lượng và ít tác động môi trường chỉ có thể đạt được khi những yếu tố sau được xem xét kĩ: (Bảng 2.01)

Trong thiết kế mặt tiền, điều quan trọng là phải xem xét gió và lượng mưa Một mặt đứng tốt sở hữu một rào cản gió và nước hiệu quả Mặt tiền phải được thiết kế tốt để tránh sự xâm nhập của mưa và gió từ bên ngoài Ngoài ra, độ ẩm không thể xâm nhập vào mặt đứng Trong trường hợp mặt đứng không kín nước, điều quan trọng là cung cấp các giải pháp để cho phép thông gió, thoát nước ra bên ngoài Chất lượng bên trong của các tòa nhà liên quan trực tiếp đến việc cung cấp không khí và nước Sự phát triển của nấm mốc phần lớn là do vấn đề độ ẩm và ngưng tụ do rò rỉ

(b) Kiểm soát độ ẩm, chống cháy, mức độ bảo dưỡng

Ngoài mức độ kín đáo, thông gió là một yêu cầu thiết yếu khác Thông khói và thông gió là hai loại thông gió cơ bản cho một căn phòng Mở cửa sổ là cách cơ bản được sử dụng để thông gió Bên cạnh thông gió, điều chỉnh độ ẩm là một khía cạnh quan trọng khác Con người sẽ cảm thấy kho chịu khi độ ẩm tương đối thấp (dưới 30%) và kết hợp với nhiệt độ phòng thấp (thấp hơn

18 ° C) Độ ẩm tương đối cao (cao hơn 70%) kết hợp với phòng có nhiệt độ từ

24 ° C trở lên cũng gây cảm giác khó chịu

Mặt đứng nên được thiết kế để ngăn chặn sự lan truyền lửa và cung cấp khả năng chống cháy tốt Phân vùng lửa sẽ giúp ích cho việc này Ngoài ra, việc sử dụng vật liệu không cháy trong mặt tiền rất quan trọng Các vật liệu của mặt tiền phải có một giới hạn lan rộng của lửa Các phần của mặt đứng thường dẫn đến một khoảng cách giữa mặt tiền và tòa nhà Để tránh hỏa hoạn lây lan giữa các phòng, ngăn chặn chu vi cháy (giới hạn khoảng cách) là vô cùng quan trọng Mặt đứng nên được chuẩn bị trước các thiết bị phù hợp để đảm bảo công tác bảo trì dễ dàng Khi thiết kế mặt đứng , điều quan trọng là phải suy nghĩ về cách thức mặt tiền thực hiện các hoạt động bảo trì và sửa chữa trong suốt vòng đời của nó Ngoài ra, mặt đứng cần ít thay thế hoặc sửa chữa các bộ phận sẽ tốt hơn cho chi phí vận hành của tòa nhà [16]

Ngoại trừ các yêu cầu thiết yếu trên, mặt đứng cần được thiết kế để đáp ứng một số chức năng làm tăng sự thoải mái cho cư dân trong tòa nhà như giảm mức sử dụng năng lượng của tòa nhà, cải thiện tầm nhìn bên ngoài và các chức năng liên quan đến các khía cạnh có thể làm giảm tác động của tòa nhà đối với môi trường xung quanh (các tòa nhà, ô tô, con người trên đường phố)

(c) Kiểm soát năng lượng mặt trời

Mặt trời có ảnh hưởng lớn đến khí hậu bên trong của một tòa nhà Một mặt, cần có mặt trời để sưởi ấm và thắp sáng một căn phòng Mặt khác, vào mùa hè, nó có thể dẫn đến nhiệt độ cực cao không mong muốn Đường đi của mặt trời được đặc trưng bởi sự thay đổi theo mùa và theo giờ (xem Hình 2.02)

Vị trí của mặt trời là yếu tố quyết định sự tăng nhiệt mặt trời trong các tòa nhà Việc định vị hiệu quả các hệ thống che nắng, kiến thức về vị trí của mặt trời là rất quan trọng

Mặt trời mọc vào mỗi buổi sáng ở phía đông và xuống phía tây vào buổi tối Độ nghiêng của trục Trái đất 23,5 độ dẫn đến sự thay đổi đường đi của mặt

26 trời mỗi ngày Sự khác biệt lớn nhất có liên quan đến những thay đổi theo mùa Độ nghiêng của Trái đất được định vị về phía mặt trời trong suốt mùa hè Điều này giải thích rằng trong những ngày hè dường như dài hơn và ấm hơn vì vị trí của mặt trời cao hơn Ngược lại, vào mùa đông, những ngày dường như ngắn hơn và đêm dài hơn do vị trí thấp hơn của mặt trời [69]

Cơ sở thực tiễn (bài học từ các công trình đã ứng dụng giải pháp “mặt đứng thích ứng”)

Hiệu quả ứng dụng giải pháp “Mặt đứng thích ứng” được tóm tắt ở Bảng 2.04

2.3.1 Trung tâm hình học và vật lý Simon (xem Hình 2.06a, 2.06b)

Trung tâm hình học và vật lý Simon là một trung tâm vật lý lý thuyết và toán học tại Đại học Stony Brook ở New York Tòa nhà được hoàn thành vào tháng 9 năm 2010 và đạt chứng nhận LEED Gold Tòa nhà nằm liền kề với các khoa vật lý và toán học để dễ dàng hợp tác với khoa toán học và Viện Vật lý lý thuyết C N Yang Tòa nhà có 3.700 m2 diện tích sàn, bao gồm sáu tầng, có một khán phòng chỗ ngồi 236, một giảng đường 90 chỗ ngồi, văn phòng, phòng hội thảo, và một quán cà phê [67]

Về hiệu quả năng lượng

Tòa nhà sử dụng các phương pháp khác nhau để làm mát, góp phần giảm nhiệt độ của tòa nhà

• Hệ thống điều hòa không khí sử dụng một số kỹ thuật loại bỏ sự tăng nhiệt như - dự trữ nước đá, dùng giếng địa nhiệt, và bố trí tháp làm mát bằng nước

• Các trục làm lạnh chủ động được hợp nhất vào không gian làm việc để tạo độ ẩm thấp làm mát Dầm lạnh hoạt động tương tự như bộ sưởi nhiệt, nhưng với mục đích làm mát, thay vì sưởi ấm Những đơn vị này có nước lạnh chạy qua kèm với một lưu lượng không khí thấp , tạo ra một luồng không khí lạnh Cách này hiệu quả hơn các hệ thống truyền thống vì dầm lạnh không có bộ phận chuyển động nào yêu cầu năng lượng hoặc bảo trì

• Cửa ngoài và không khí thông gió được tối ưu hóa

Việc sử dụng năng lượng ước tính của tòa nhà ít hơn 33% so với tòa nhà tương đương [66]

Hiệu quả sử dụng nước

Một bể thu hoạch nước mưa hơn 150 khối đã được dùng để tối ưu hóa việc thu thập nước mưa từ cống thoát nước, ước tính hơn 113562,35 lít mỗi năm, để cung cấp nước cho nhà vệ sinh và tưới tiêu [66]

Chất lượng môi trường trong nhà Ánh sáng ban ngày tự nhiên được đưa vào trong không gian thông tầng này với một hang cửa sổ dài ở phía nam (Xem Hình 2.07)

Mặt tiền bằng kính ở phía nam được dùng để kiểm soát ánh sáng mặt trời Một khung che nắng che nắng bằng phẳng kết hợp với các tấm lưới hỗ trợ cho phép nhiều ánh sáng mặt trời hơn thâm nhập vào bên trong giữa những tháng mùa đông và ít xuyên qua được trong những tháng cuối mùa xuân

Cửa sổ có thể vận hành được cung cấp cho người cư ngụ dễ dàng để điều hòa thông gió tự nhiên của họ

Ngoài ra, chiều cao từ sàn đến sàn đã giảm đáng kể trong giai đoạn thiết kế từ 4,3m xuống 3,7m Việc giảm thể tích tổng thể của tòa nhà đã làm giảm

41 lượng năng lượng cần thiết để sưởi ấm và làm mát không gian cũng như giảm số lượng vật liệu để xây dựng nó [66]

Thiết kế cảnh quan, giao thông, khả năng tiếp cận các tiện ích và dịch vụ hỗ trợ cũng được coi là một khía cạnh cần chú ý trong thiết kế kiến trúc xanh Bố trí cây xanh hợp lí giúp cải thiện không gian xanh của tòa nhà

Hệ thống mặt đứng động học

Mặt tiền tòa nhà được xây dựng bằng cách sử dụng bề mặt động học lưới tổ ong bằng thép không gỉ (xem Hình 2.08), được sản xuất bởi Zahner trong liên doanh với ABI Kỹ thuật của mặt đứng này là sử dụng bất lợi thích nghi cục bộ để linh động điều chỉnh ánh sáng ban ngày trong tòa nhà Điều này đã được thực hiện bằng cách sử dụng các tấm panel có hoa văn đục lỗ, luôn mở ra và thay đổi vị trí Các tấm được đóng khung thành các nhóm này cho phép chúng chồng lên nhau và căn chỉnh để tạo thành hiệu ứng vạn hoa Hiệu ứng này chịu trách nhiệm cho việc hình thành ánh sáng, trong khi lưới góp phần điều chỉnh mức tăng nhiệt từ lượng bức xạ mặt trời xâm nhập vào vỏ của tòa nhà và kiểm soát luồng không khí và thêm vào đó là mức độ riêng tư

Hoberman tuyên bố rằng sử dụng lưới tổ ong trong mặt đứng tòa nhà có thể giảm mức tiêu thụ năng lượng tổng thể 6% và nó có thể giảm tải làm mát 15% -20%, khi so sánh với bóng râm cố định [28] Hình học thay đổi cũng được thiết kế để hấp dẫn thị giác, tạo ra một loại tác phẩm nghệ thuật

Các bề mặt động học được xây dựng để đáp ứng với những thay đổi của môi trường (như nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng) bằng cách mở hoặc đóng khẩu độ trên bề mặt của chính tòa nhà Mỗi bảng cấu kiện xoay quanh nhau trong một rãnh được xây dựng đặc trưng bởi các bộ phận cấu thành Hiệu quả thị giác giống như sự nở rộ thành một loạt các hình như- hình lục giác, hình tròn, hình vuông và hình tam giác (xem Hình 2.09) Tại một thời điểm nhất định trong

42 chu trình, tất cả các dạng hình đều được điều chỉnh, cho phép khoảng trống mở nhất Ở mặt trái của chu kỳ, các dạng hình được đóng kín hoàn toàn [62]

Bề mặt động học trải rộng 124 mét vuông làm nổi bật tòa nhà với chức năng tự động thay đổi độ mờ đục của nó và điều khiển chất lượng ánh sáng bên trong [62]

Trong tòa nhà này, mối quan hệ giữa nguyên tắc kiến trúc xanh và mặt tiền thích ứng tập trung nhiều hơn vào bề mặt động học lưới tổ ong của mặt tiền tòa nhà, nơi phần tử che nắng hoạt động như một thiết bị che nắng mặt trời và giúp cải thiện ánh sáng ban ngày và cũng làm tăng sự bảo tồn năng lượng của tòa nhà

2.3.2 Viện Ả Rập thế giới (IMA) (xem Hình 2.10)

Viện Ả Rập thế giới là một tòa nhà ở Paris, Pháp được xây dựng bởi Jean Nouvel, Architecture Studio vào năm 1987 Một trong những vai trò cơ bản của công trình này là tạo ra một địa điểm đến cam kết về mối quan hệ của văn hóa Bedouin với Pháp

ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP “MẶT ĐỨNG THÍCH ỨNG”

Xây dựng tiêu chí phân loại các giải pháp “mặt đứng thích ứng” và ứng dụng

Trong lĩnh vực “mặt đứng thích ứng” không tồn tại phân loại chung Tuy nhiên, một mô hình phân loại rõ ràng và khoa học là rất cần thiết để đưa ra những lựa chọn khách quan hơn cho công tác thiết kế “mặt đứng thích ứng”

3.1.1 Phân loại theo chuyển động

Sự chuyển động được chia thành hai loại cơ bản: chuyển động cơ học và biến đổi tính chất của vật liệu Chuyển động cơ học thuộc về nhóm biến đổi ở cấp vĩ mô Chuyển động dựa trên cơ học có thể là một chuyển động dịch chuyển, chuyển động xoay hoặc chuyển động hỗn hợp Chuyển động dịch chuyển và chuyển động xoay có thể được chia nhỏ hơn nữa là chuyển động xoay trên mặt phẳng và chuyển động xoay lệch mặt phẳng Các chuyển động hỗn hợp hầu như không thể được chỉ định là dạng trên mặt phẳng hay lệch mặt phẳng bởi vì hầu hết các chuyển động hỗn hợp hoạt động theo những cách rất khác nhau [16]

Chuyển động dựa trên biến đổi tính chất vật liệu được phân loại theo tác nhân gây ra biến dạng, chẳng hạn như nhiệt độ, độ ẩm hoặc dòng điện Biến đổi tính chất dựa trên vật liệu được xếp vào loại biến đổi ở cấp độ vi mô Khi chuyển động được gây ra bởi biến tính vật liệu, không phải sự kết nối của cả hệ thống mà tính chất đặc trưng của vật liệu mới đóng vai trò chính Các đặc tính vật lý của các thành phần sẽ có tầm quan trọng cao Nhóm đầu tiên trong thể loại này là các vật liệu tự thay đổi Những vật liệu này có thể biến đổi năng lượng có sẵn trong môi trường thành các loại chuyển động cụ thể Các nguồn năng lượng có thể tác động đến như là sự chênh lệch độ ẩm hoặc nhiệt độ, ánh

61 sáng Nhóm thứ hai là các vật liệu cần một tác động trực tiếp bên ngoài để có thể làm biến tính vật liệu từ đó tạo ra chuyển động Các tác nhân cho nhóm này có thể là bởi dòng điện, sự chuyển động của chất lỏng hoặc các ngoại lực khác

3.1.1.1 Chuyển động cơ học

Mặt đứng dựa trên biến dạng cơ học cần các cảm biến và các thành phần cơ học có thể thích ứng với những thay đổi môi trường bên trong hoặc bên ngoài tòa nhà Biến dạng cơ học chủ yếu được điều khiển bởi nguồn điện, nhưng cũng có lúc được sự kết hợp với quá trình tương tác của người sử dụng Tất cả các khía cạnh vật lý của mặt đứng có thể được điều chỉnh một cách thích ứng bởi các thành phần cơ khí Chuyển động cơ học có thể chia làm 3 loại nhỏ là chuyển động xoay, chuyển động dịch chuyển và chuyển động kết hợp (2 loại trên) Chi tiết hơn nữa trong chuyển động xoay có thể chia làm: chuyển động xoay trên mặt phẳng, chuyển động xoay lệch phẳng Tương tự, trong chuyển động dịch chuyển cũng chia ra: chuyển động dịch chuyển trên mặt phẳng và chuyển động dịch chuyển lệch mặt phẳng [16 ] Và các chuyển động chúng ta thường thấy ứng dụng trong mặt đứng thích ứng là kiểu chuyển động hỗn hợp như: Gấp, trượt, mở rộng, co hẹp, biến hình, lăn,vặn xoắn, xoay, đẩy

3.1.1.2 Chuyển động do biến dạng vật lí vật liệu

Các “mặt đứng thích ứng” thuộc loại biến dạng vật liệu chủ yếu sử dụng vật liệu năng động (active material) Một cái tên khác thay thế cho các vật liệu năng động thường được sử dụng trong văn bản nghiên cứu là “vật liệu thông minh” Vật liệu năng động có thể thay đổi tính chất của chúng bằng cách kéo dài, gấp hoặc uốn tùy theo sự kích thích của môi trường Bên cạnh thay đổi hình dạng của chúng, vật liệu năng động cũng có thể thay đổi màu sắc, độ cứng và độ trong suốt của chúng Những thay đổi mà vật liệu năng động có thể thực

62 hiện thường có khả năng đảo ngược quá trình và lặp lại Loại vật liệu cần duy trì sự ổn định trong các thiết lập mặt đứng khác nhau và cả trong quá trình thay đổi Vật liệu năng động có khả năng tự trao đổi năng lượng mà không cần sử dụng năng lượng bên ngoài [36], [59] Bảng 3.01 đưa ra một cái nhìn tổng quan về các vật liệu thông minh khác nhau và chức năng mà chúng có ảnh hưởng

Bảng 3.01 Các loại vật liệu thông minh và công dụng

Vật liệu biến dạng do độ ẩm

Một ví dụ đầu tiên của vật liệu năng động là vật liệu phản ứng với độ ẩm Ví dụ nổi tiếng nhất là vật liệu hút ẩm Vật liệu hút ẩm có thể được phân loại theo nhóm các loại vải thoáng khí Chúng có khả năng tương tác với độ ẩm bên trong nhà và có tác động quan trọng đến nhiệt độ để tạo ra sự thoải mái Khả năng hút độ ẩm bên trong tòa nhà đã tạo nên tính linh hoạt cho loại vật liệu này Độ ẩm hấp thụ được khóa lại trong lớp vải đầu tiên Theo cách đó, vật liệu có thể ngăn không khí đi ngược ra Trong lớp thứ hai, các lỗ vải mở ra và không khí ẩm thoát ra khỏi tòa nhà Bằng cách sử dụng vật liệu hút ẩm, nhu cầu điều hòa không khí giảm hoặc biến mất hoàn toàn [46]

Vật liệu biến dạng do nhiệt độ

Nhóm thứ hai là các vật liệu phản ứng với nhiệt độ Ví dụ đầu tiên là

Thermo-Bimetals Đây là những hợp kim kim loại khác nhau được ép nhiều lớp, dẫn đến biến dạng uốn của các vật liệu khác nhau , từ đó tạo ra giãn nở ở các tốc độ khác nhau trong quá trình gia nhiệt Ví dụ thứ hai là hợp kim ghi nhớ hình dạng được kích hoạt bằng cách làm nóng trên nhiệt độ biến đổi của chúng, sau đó chung tự trở lại hình dạng ban đầu.Loại vật liệu này sở hữu tính siêu đàn hồi trong một phạm vi nhiệt độ hạn chế Tiếp theo, các loại nhựa ghi nhớ hình dạng được sử dụng phổ biến Nhựa ghi nhớ hình dạng không tốn kém, đơn giản và linh hoạt trong sử dụng Chúng có thể trở về từ trạng thái biến dạng, được kích hoạt bởi các nhiều tác nhân và nhiệt độ là một trong số đó Ngoài ra còn có các polyme nhiệt hoặc kính thay đổi màu sắc do thay đổi nhiệt độ

Vật liệu nhiệt được đặc trưng bởi sự thay đổi độ trong suốt do sự thay đổi nhiệt độ Ngoài ra, các vật liệu biến dạng do nhiệt đều sở hữu tính chất hấp thụ năng lượng nhiệt [57]

Một ví dụ cuối cùng là các vật liệu chuyến pha Những vật liệu này có thể được sử dụng để lưu trữ năng lượng nhiệt bằng cách thay đổi pha của chúng do sự hấp thụ nhiệt (chủ yếu từ dạng rắn sang dạng lỏng) Vật liệu thay đổi pha có thể được dùng để thu thập nhiệt khối nhân tạo Chúng có thể giảm tải các tòa nhà được xây dựng ở vùng khí hậu có chênh lệch nhiệt độ ngày đêm cao Nhiệt hấp thụ có thể được giải phóng sau đó theo bằng hệ thống thông gió vào ban đêm [72]

Vật liệu phản ứng với Dioxide

Nhóm thứ ba của vật liệu năng động là vật liệu phản ứng carbon dioxide

Ví dụ, là các CO2 polymers (polyme carbon dioxide) có thể được kích hoạt để hấp thụ CO2 từ không khí xung quanh [59]

Vật liệu biến dạng do ánh sáng

Nhóm cuối cùng là các vật liệu phản ứng ánh sáng như Photochromic Chúng có khả năng hấp thụ ánh sáng do mở phân tử Việc tiếp xúc với ánh sáng tia cực tím dẫn đến sự thay đổi màu sắc của vật liệu này

Bên cạnh vật liệu quang điện, còn có vật liệu Phototropic cũng có thể sử dụng Vật liệu phototropic thay đổi độ trong suốt của chúng bằng cách tiếp xúc với ánh sáng Ngoài ra còn có các loại nhựa polyme phản ứng với ánh sáng Những polymer này thay đổi hình dạng của chúng gây ra bởi hiệu ứng ánh sáng Các chất đàn hồi trong polyme có thể co lại và uốn cong Theo cách đó, có thể làm thay đổi thể tích trong các ống gel Vật liệu nhạy sáng có thể kiểm soát độ trong suốt và gia tăng nhiệt Khi được ứng dụng trong trên bề mặt vật liệu, chúng có thể hấp thụ và dự trữ năng lượng từ môi trường Như đã đề cập, việc tích hợp tấm quang điện (PV)trong các hệ thống chuyển động có thể mang lại năng lượng phát điện hiệu quả “từ mặt đứng thích ứng” cũng như kiểm soát bức xạ mặt [59]

Các vật liệu nhiệt và quang điện thay đổi hình ngoài có thể nhìn thấy được (thể hiện qua màu sắc hoặc độ mờ) bằng cách thay đổi nhiệt độ và chiếu sáng UV tương ứng Một số vật liệu khác cũng có thể thay đổi ngoại hình mà mắt thường cũng có thể nhìn thấy được như kính crom tuy nhiên nó cần nhờ dòng điện tác động (vật liệu điện hóa) Đây là một ví dụ về vật liệu tự biến đổi nhờ tác động của ngoại lực Nói chung, kính chrome có thể giúp đối phó với các yêu cầu hiệu suất xung đột một cách hiệu quả ( ví dụ như điều chỉnh vừa để tránh ánh sáng chói nhưng vẫn đảm bảo nhiệt độ trong nhà ở mức chấp nhận được) Một loại kính khác có cơ chế thay đổi độ trong suốt của kính bằng cách sử dụng thủy tinh lỏng Hệ thống này dựa trên việc sử dụng điện tích để tổ chức và sắp xếp các hạt lơ lửng giữa tấm kính, dẫn đến tăng độ trong suốt Nếu không có điện, các hạt được tổ chức ngẫu nhiên sẽ chặn ánh sáng đi vào tòa

65 nhà Các tinh thể lỏng và các thiết bị hạt lơ lửng nhìn chung là giải pháp khá tốt để soát lượng ánh sáng ban ngày và nhiệt độ đi qua cửa sổ [57]

Vật liệu và kỹ thuật thông minh khác

Định hướng ứng dụng “Mặt đứng thích ứng” trong điều kiện thành phố Hồ Chí Minh

Thành phố Hồ Chí Minh đã và đang là một đô thị đang phát triển mạnh mẽ, số lượng công trình có chiều cao từ 15 tầng trở lên lớn và sẽ còn được tập trung xây dựng trong tương lai, hầu hết là các cao ốc văn phòng, chung cư, các

71 tòa nhà chọc trời Đây là những thể loại công trình cần đi theo xu hướng thiết kế bền vững, giúp tiết kiệm năng lượng, góp phần xây dựng nên một TP.HCM hiện đại, năng động, văn minh, đáp ứng nhu cầu sử dụng tiện nghi nhưng vẫn thân thiện với môi trường

“Mặt đứng thích ứng” là một bộ phận quan trọng của các công trình thiết kế theo xu hướng bền vững và tiết kiệm năng lượng, chính vì vậy tiềm năng ứng dụng giải pháp “Mặt đứng thích ứng” tại TPHCM là rất lớn

Các tiêu chí cần lưu ý khi ứng dụng giải pháp “Mặt đứng thích ứng” tại TPHCM (Bảng 3.02) bao gồm:

- Độ kín: TPHCM có mùa mưa thường diễn ra từ tháng 5 đến tháng 10 trong năm, đa phần là những cơn mưa giông bất chợt nên “Mặt đứng thích ứng” cần phải có đủ độ kín để có thể che chắn, tránh sự xâm nhập của mưa, gió và độ ẩm lớn từ bên ngoài vào công trình, hoặc nếu mặt đứng không kín thì phải có giải pháp để thoát nước, thông gió và kiểm soát độ ẩm hợp lý

- Chống ẩm, chống cháy, bảo dưỡng: thời tiết nóng ẩm là đặc trưng của nước ta nói chung và TPHCM nói riêng, vì vậy giải pháp “mặt đứng thích ứng” cần có chức năng điều tiết độ ẩm Bên cạnh đó cần lựa chọn những vật liệu chống cháy và có phướng án thiết kế mặt đứng có thể phân vùng cháy nếu có hỏa hoạn xảy ra Cần tính đến phương án bảo dưỡng và sửa chữa mặt đứng trong thời gian vận hành

- Kiểm soát năng lượng mặt trời: đối với một nơi có số giờ nắng cao như ở TPHCM thì việc kiểm soát năng lượng mặt trời tác động vào công trình đóng một vai trò hết sức quan trọng Dựa vào biểu kiến mặt trời, “mặt đứng thích ứng” cần được bố trí để có thể thay đổi linh hoạt theo góc chiếu tới của ánh sáng, đem đến hiệu quả về nhiệt nhưng vẫn cân đối với hiệu quả về ánh sáng Đối với các tòa nhà từ 15 tầng trở lên thì vật liệu kính cũng góm phần lớn

72 trong việc kiểm soát nhiệt mặt trời, càng ngày các thế hệ kính cách nhiệt càng hiện đại, giúp ngăn chặn tia cực tím và hồng ngoại, giảm lượng nhiệt hấp thu vào tòa nhà Ngoài kính ra cũng có thể lựa chọn các lớp bộ lọc năng lượng mặt trời đặt bên ngoài mặt đứng có chức năng tương tự

- Kiểm soát ánh sáng ban ngày: ánh sáng ban ngày luôn cần thiết cho hầu hết các thể loại công trình, kiểm soát năng lượng mặt trời và ánh sáng ban ngày là 2 hành động diễn ra song song và mâu thuẫn lẫn nhau, chính vì vậy hệ thống “mặt đứng thích ứng” cần phải cân đối 2 mục tiêu này

- Tích trữ năng lượng: việc tích trữ năng lượng mặt trời để sử dụng cho tòa nhà luôn là một ý tưởng hấp dẫn bởi vì năng lượng mặt trời có thể coi là vô tận Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ pin quang điện, việc tích hợp các tấm pin này vào “mặt đứng thích ứng” cũng là một lựa chọn không tồi trong việc tiết kiệm năng lượng sử dụng của các tòa nhà ở TP.HCM

- Thông gió tự nhiên: tận dụng tốt được thông gió tự nhiên sẽ góp phần làm giảm năng lượng tiêu thụ cho hệ thống điều hòa không khí của tòa nhà

“Mặt đứng thích ứng” tối ưu có thể kiểm soát và cân đối giữa việc sử dụng thông gió tự nhiên và hệ thống điều hòa không khí một cách tự động và thông minh, từ đó giảm dấu chân sinh thái của tòa nhà xuống hết mức có thể mà vẫn đảm bảo sự thoải mái của người sử dụng bên trong

- Kiểm soát âm thanh: ô nhiễm tiếng ồn ở các thành phố lớn nói chung và ở TPHCM nói riêng không phải là vấn đề mới mẻ, vì vậy giải pháp “mặt đứng thích ứng” khi ứng dụng tại TP.HCM cần phải để ý đến vấn đề cách âm, tiêu âm, giảm thiểu tiếng ồn tác động đến công trình

- Vị trí kết cấu: có 3 vị trí để bố trí hệ thống “mặt đứng thích ứng” đó là bên ngoài, bên trong và tích hợp vào vỏ bao che chính của tòa nhà Tùy vào mục đích và các tiêu chí cần cân nhắc như: thẩm mỹ, công năng, bảo dưỡng,

73 chi phí, mà sẽ hình thành nên các phương án thiết kế khác nhau, phục vụ các ý đồ thiết kế khác nhau

- Cách thức chuyển động: đối với trình độ kỹ thuật cũng như kinh nghiệm tiếp cận của TP.HCM đối với giải pháp “mặt đứng thích ứng”, nên hướng tới những cơ chế chuyển động vĩ mô nhờ vào các chuyển động cơ học

Cụ thể “mặt đứng thích ứng” có thể chuyển động, biến đổi theo các phương thức: trượt, mở rộng, tạo nếp gấp, xoay, thổi phồng… sẽ đem lại hiệu quả sử dụng cao hơn Các cách thức chuyển động vi mô khác của “mặt đứng thích ứng” như dựa vào thay đổi tính chất vật lý, sinh học của vật liệu cần có thời gian nghiên cứu để tối ưu thêm trước khi có thể thực sự đem vào ứng dụng trong thực tế