luận văn thạc sĩ kiến trúc KIẾN TRÚC PHỎNG SINH VẬN DỤNG CÔNG NGHỆ CAO

chân thành đến PGS.TS.KTS TRỊNH DUY ANH, người thầy đã tận tình hướng dẫn và chỉ bảo cho tác giả những ý kiến quý báu trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Xin gởi lời cảm ơn tới quý thầy cô giáo, những người đã truyền đạt kiến thức cho tác giả trong suốt hai năm cao học vừa qua

Sau cùng xin cảm ơn toàn thể trường ĐH KIẾN TRÚC TP.HCM, GIA ĐÌNH, bạn bè, đồng nghiệp đã hết lòng giúp đỡ và động viên trong quá trình thực hiện luận văn này

Lê Thị Bích Hải

PHẦN 1: MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Tổng quan các công trình nghiên cứu liên quan đến đề tài 3

3 Mục tiêu nghiên cứu 6

4 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu 6

5 Phương pháp nghiên cứu 7

PHẦN 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

1.3 Các cấp độ phát triển của kiến trúc phỏng sinh 15

1.3.1 Những kiến trúc phỏng sinh đầu tiên 15

1.3.2 Giai đoạn nửa đầu thế kỷ XX 16

1.3.3 Giai đoạn cuối thế kỷ XX đến đầu thế kỷ XXI 17

1.4 Kiến trúc phỏng sinh trong thời đại công nghệ cao 18

1.4.1 Xu hướng vận dụng công nghệ cao vào kiến trúc 18

1.4.2 Kiến trúc phỏng sinh và sự vận dụng công nghệ cao vào kiến trúc 20

1.4.21 Công nghệ thông tin(BIM) 20

1.4.2.2 Thiết kế với sự hỗ trợ của Toán học và Thuật toán công trình (Computational

2.1.1.2 Những vấn đề (thách thức) của phát triển bền vững trong biến động toàn cầu 28

2.1.1.3 Một số nhận xét về phát triển tính bền vững ở Việt Nam 29

2.1.2 Một số nguyên tắc phát triển giới sinh vật và kiến trúc 30

2.1.2.1 Kiến trúc và giới sinh vật phát triển liên tục 30

2.1.2.2 Xu hướng hoàn thiện về mặt chức năng 30

2.1.2.3 Tính hợp lý với môi trường sống và các điều kiện xung quanh của giới sinh vật và

2.2 Nhận dạng biểu hiện của tự nhiên 36

2.2.1 Phân loại các hính thức thiên nhiên theo nguyên tắc kiến tạo kết cấu 36

2.2.2 Quy luật lặp lại của bộ phận cùng kiểu (modul) 37

2.2.3 Quy luật tạo hình 38

2.2.3.1 Quy luật phân dị từng khúc 38

2.2.3.2 Quy luật chuyển từng bước từ bộ phận này sang bộ phận khác 38

2.3 Cơ sở của điều kiện tự nhiên 38

2.3.1 Hệ sinh thái của kiến trúc phỏng sinh 38

2.3.2 Phương thức tự điều chỉnh 39

2.3.2.1 Hình thức 39

2.3.2.2 Chuyển động mở và đóng 40

2.3.2.3 Màu sắc 42

2.3.3 Yếu tố tự nhiên ảnh hưởng đến môi trường kiến trúc 42

2.3.3.1 Văn hóa- xã hội 42

2.3.3.2 Các điều kiện tự nhiên 43

2.3.3.3 Kinh tế- khoa học kỹ thuật 43

2.3.3.4 Cộng đồng sống 43

2.4 Sự hỗ trợ thiết kế, xây dựng từ các ngành công nghệ cao 44

2.4.1.2 Đặc điểm của Mô hình công trình được gán thông tin 45

2.4.2 Toán học 45

2.4.2.1 Kiến kế tham số 45

2.4.2.2 Sự cần thiết của ngành toán học trong việc thiết kế kiến trúc- thiết kế tham số và thiết kế thuật toán 46

2.4.2.3 Ứng dụng toán học trong thiết kế tham số 47

2.4.2.4 Quan điểm của giới kiến trúc về thiết kế tham số 48

2.4.3 Giải pháp vật liệu 49

2.4.3.1 Vật liệu xây dựng mới trong kiến trúc 51

2.4.3.2 Vật liệu bền vững với môi trường 52

2.4.3.3 Xử lý chất thải bằng công nghệ sinh học 53

2.5 Nhận diện các hình thức biểu hiện của kiến trúc phỏng sinh-kiến trúc phỏng sinh

2.5.2 Ngôn ngữ biểu hiện với chất xúc tác “High tech” 55

2.5.2.1 Phép ẩn dụ hình dáng sinh vật – trạng thái tĩnh, trạng thái động 55

2.5.2.2 Kiến trúc phỏng sinh công nghệ cao 56

2.5.2.3 Mô phỏng sinh học quần thể kiến trúc 57

2.5.2.4 Mô phỏng sinh học tiểu đô thị 59

2.5.2.5 Mô phỏng cấu trúc động-biến đổi hình thức-biến đổi thị giác 60

2.6 Kết luận chương 2 62

CHƯƠNG 3: KIẾN TRÚC PHỎNG SINH VẬN DỤNG CÔNG NGHỆ CAO VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TẠI VIỆT NAM 3.1 Nhận định về Kiến Trúc Phỏng Sinh vận dụng công nghệ cao 63

3.1.1 Bài học rút ra 65

3.1.2 Các mối quan hệ với Kiến Trúc Phỏng Sinh 67

3.2.1 Đặc trưng của Kiến Trúc Phỏng Sinh vận dụng công nghệ cao 70

3.2.2 Nguyên tắc thiết kế 71

3.3 Khả năng ứng dụng và phát triển Kiến Trúc Phỏng Sinh ở Việt Nam 73

3.3.1 Những thuận lợi và khó khăn 73

3.3.2 Kiến trúc 76

3.3.3 Quy hoạch đô thị 77

3.3.4 Triển vọng phát triển của Kiến Trúc Phỏng Sinh tại Việt Nam trong thời đại công DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO VÀ PHỤ LỤC

1 Phần danh mục tài liệu tham khảo Tài liệu tiếng Việt

Tài liệu nước ngoài Website tham khảo 2 Phần phụ lục

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong quá trình hoạt động sản xuất và sinh sống, đấu tranh với thiên nhiên, con người đã từng bước khám phá ra các quy luật, nhận thức các quy luật đó, bắt chước, học hỏi và sáng tạo nhằm phục vụ cho lợi ích của mình Trong kiến trúc xây dựng cũng vậy,con người không chỉ bị động đối phó với các điều kiện khắc nghiệt của khí hậu mà chủ động vận dụng các quy luật, đặc điểm của giới tự nhiên nói chung vào thực tế sáng tác Nhà khoa học Mỹ Janine Benyus, người đầu tiên kiến lập các

nguyên lý phỏng sinh học trong thập niên 1990, cho biết :” Phỏng sinh học là các cách tân lấy cảm hứng từ thiên nhiên Nguyên tắc của nó là quan sát, học hỏi các chiến lược sống của các sinh vật để tạo ra một thế giới khác (…) Cuốn sách này

nói về các ứng dụng phỏng sinh học đang bắt đầu được thương mại hóa, ví dụ như

pin mặt trời mô phỏng lá cây.”Các loài sinh vật tạo ra các sản phẩm trong điều kiện không có nhiệt độ cao, không có các chất phụ gia độc hại và không có áp suất cao Chúng ta cũng đang đi đến chỗ này, ví dụ như với các pin mặt trời mô phỏng lá cây, các pin mặt trời không cần đến nhiệt độ cao, áp suất cao và các chất phụ gia độc hại Cái giá của việc sản xuất ra các pin này có thể thấp hơn so với giá sản xuất công nghiệp hiện nay” Bà Janine Benyus cũng lưu ý :” Cần quan sát và so sánh giữa việc các sinh vật sử dụng năng lượng với năng lượng hạt nhân mà con người tạo ra Khi quan sát các phương thức tích trữ năng lượng của sinh giới, có thể thấy loài vi khuẩn sơ đẳng nhất đã có các phương thức hấp thu năng lượng mặt trời Từ 3,8 đến 4 tỷ năm nay, sinh giới đã có rất nhiều kinh nghiệm trong việc sử dụng năng lượng mặt trời Không kể một số loài sinh vật sống dưới đáy đại dương sử dụng các năng lượng địa nhiệt”

Nói đến thiên nhiên, không thể bỏ qua giới sinh vật quanh ta, cũng chịu những điều kiện khắc nghiệt của khí hậu nhưng giới sinh vật vẫn tồn tại, phát triển và phát triển Đó là do cấu trúc và hình thức của của giới sinh vật có tính hơp lý về nhiều mặt, gợi

cho các kiến trúc sư những bài học bổ ích và quí báu như : tính hợp lý về hình thức, cấu tạo, sử dụng vật liệu, kỹ thuật, kinh tế và mỹ quan

Sự bùng nổ về khủng hoảng năng lượng, sự cạn kiệt nguồn tài nguyên thiên nhiên và quá trình biến đổi khí hậu bất thường Chính trong điều kiện khó khăn này các

kiến trúc sư nghiên cứu giải pháp cứu cánh chung Kiến Trúc Xanh, Kiến Trúc Sinh Thái và Kiến Trúc Bền Vững lần lượt xuất hiện với những thay đổi đang kể trong

đường lối tư duy và giải pháp Ngôn ngữ của hình khối cũng quan trọng như ngôn ngữ của kết cấu vậy, cùng với việc sử dụng vật liệu và học hỏi thiên nhiên, nhiều

xu hướng kiến trúc bắt đầu nở rộ :Kiến Trúc Hiện Đại, chủ nghĩa Hiện Đại mới, High Tech, , Biểu Hiện, giải tỏa kết cấu Cùng có sự quan tâm đặc biệt với các xu

hướng trên “ Kiến Trúc Phỏng Sinh” ra đời với sự lôi cuốn từ hình thức bên ngoài đến giải pháp công năng bên trong đã nhanh chóng nổi bật cùng tiềm năng phát triển gần như vô tận bởi tính đa dạng trong sinh học và hơn hết là khả năng tạo ra một môi trường hài hòa với đặc tính sinh thái Những xu hướng kiến trúc này ra đời gần như đoạn tuyệt các hình mẫu của kiến trúc Hy Lạp, La Mã, làm thay đổi hình ảnh thế giới mang đẳng cấp thời đại Các kiến trúc sư và các nhà thiết kế đương thời thấy được nhiều cảm hứng trong các cấp độ sinh học cao hơn Ý tưởng sinh học chiếm đa số trong các tác phẩm kiến trúc hiện đại chẳng hạn như : Le Corbusier, Frank Lloyd Wright là hai đại diện nổi bật nhất, nhưng hiện nay nổi lên những kiến

trúc sư đi trước thời đại như Kts Zaha Hadid, Kts Santiago Calatrava, Kts Frank Gehry, Tom Wiscombe,Vincent Callebaut…

Để học hỏi và sáng tạo những gì mà tự nhiên đã tạo ra sau hàng tỷ năm tiến hóa, các nhà phỏng sinh học nhấn mạnh đến một thái độ khiêm nhường cần có, để con người có cơ hội nắm được nhiều điều tinh túy từ các loài động thực vật, dù hết sức bé nhỏ, và các hệ sinh thái ở khắp mọi nơi Trước những thách thức sinh thái nhãn tiền đối với nhân loại chúng ta, phỏng sinh học là một cơ hội cho việc chuyển đổi nền khoa học – công nghệ và kinh tế hướng đến sự phát triển bền vững Thế kỷ XXI, thế kỷ của cách ngành công nghệ cao đang phát triển, trong đó toán học , sinh học và công nghệ thông tin đóng góp một phần đáng kể trong việc nghiên cứu và cải tạo thế giới Bởi chúng ta đã có một thời gian dài chìm đắm trong việc hủy hoại chính nguồn tài nguyên thiên nhiên tạo nên sự biến đổi khí hậu,đã một phần cảnh tỉnh

nhân loại toàn cầu và việc tìm ra giải pháp để thực hiện các phải pháp kiến trúc phỏng sinh thành sự thật dưới sự hỗ trợ các ngành công nghệ cao,sẽ cho ra chính xác sản phẩm từ khâu 3d cao cấp đến các khâu hoàn thiện và quản lý công trình.Việc áp dụng các thành tựu trong toán học vào ngành kiến trúc hiện nay đã không còn xa lạ đối với nhiều nước trên thế giới, và chúng ta cần phải học hỏi về mặt này để đảm bảo những sản phẩm kiến trúc trong tương lai theo kịp thời đại và góp phần gìn giữ môi trường tự nhiên cho thế giới

Tôn trọng thiên nhiên, học tập thiên nhiên để tạo nên những khối dáng hữu cơ tạo nên cảm giác tĩnh- động đến từ các loài thực vật,động vật nương theo địa hình , một số công trình và quần thể còn hòa hợp với bản sắc văn hóa vùng miền là phương châm trong thiết kế kiến trúc Phỏng Sinh hiện nay, không những gây hiệu quả thị giác ấn tượng mà nó còn góp phần định hình kiến trúc cho tương lai

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

Trong luận văn “ Bước đầu tiếp cận nguồn gốc của sự hài hòa trong nghệ thuật kiến trúc” của Trần Minh Đức (2009) đã bắt đầu tiêp cận đến hình học Fractal với

mục đích tìm kiếm mối liên hệ giữa sự hài hòa của tự nhiên với sự hài hòa trong

nghệ thuật kiến trúc Luận văn “Hình học phi Eculide và Kiến Trúc Đương Đại “

của Võ Thị Trâm Anh (2010), nghiên cứu mối liên hệ giữa kiến trúc và hình học phi Eculide để đánh giá sự ảnh hưởng to lớn của toán học đương đại ( hình học Topo,

Fractal, Lobachevsky ) đến thẩm mỹ kiến trúc ngày nay.Luận văn “ Kiến trúc Phỏng Sinh và khả năng ứng dụng tại Việt Nam” của Trần Anh Khoa (2013)

nghiên cứu về loại hình kiến trúc phỏng sinh theo tự nhiên, thông qua các nghiên cứu có tính chọn lọc của thực vật và động vật, tạo ra những giải pháp và liên kết bền vững Các luận văn trên đã nghiên cứu một số khía cạnh cho giải pháp kiến trúc hiện nay, đó là tạo nên một phong cách mới mà còn là giải pháp cho việc biến đổi khí hậu hiện nay ở Việt Nam nói riêng và trên toàn thế giới nói chung, đồng thời nên lên cần có sự kết hợp của các ngành công nghệ cao để giải quyết các vấn đề Phỏng Sinh đặt ra Đặng Thái Hoàng có những công trình nghiên cứu sâu về các lý luận của các xu hướng kiến trúc trên thế giới Một số các công trình của ông như:

“Kiến trúc thế kỷ XX”, “Lược khảo nghệ thuật kiến trúc thế giới” GS Tôn Đại với “ Kiến trúc Hậu Hiện Đại” và nhiều bài viết chuyên luận đăng trên các tạp chí kiến

trúc

Trong “Một số xu hướng kiến trúc đương đại nước ngoài” của PGS.Lê Thanh Sơn

cũng đề cập đến các lý luận của xu hướng Hi-Tech

Luận văn thạc sỹ của ngành kiến trúc của Nguyễn Liên Minh đề tài “Kiến trúc trường phái biểu hiện của Oscar Niemeyer và bài học áp dụng vào Việt Nam” cũng

đề cập đến những vấn đề của chủ nghĩa biểu hiện

Luận văn thạc sỹ của ngành kiến trúc 2013 của Trần Anh Khoa đề tài “ Kiến trúc Phỏng Sinh và khả năng ứng dụng tại Việt Nam”

Các tài liệu trên mang một khối lượng khá lớn về những lý luận kiến trúc, trong đó có xu hướng biểu hiện hình thức của kiến trúc Phỏng Sinh và xu hướng công nghệ cao Đây là những tài liệu kiến trúc tham khảo quý báu cho việc nghiên cứu của luận văn

Kiến trúc Hiện đại với chủ nghĩa nhất nguyên về công năng, theo thời gian đã

không còn mang hơi thở của thời đại nên bản thân nó đã đánh mất đi vai trò tiên phong và dần dần đi vào lãng quên trong tư duy thiết kế của kiến trúc sư Và ngày nay, các kiến trúc sư đã chấp nhận sự đa nguyên, đa dạng, phong phú trong cách tiếp cận và tư duy về không gian kiến trúc nhằm tìm ra hướng đi phù hợp với tinh thần thời đại mới

Trong bối cảnh đấy, sự phát triển mạnh mẽ của các ngành khoa học tự nhiên trong đó có ngành toán học với các dạng hình học xuất hiện như Lobachevsky, Fractal, Topology,…đã hỗ trợ cho các kiến trúc sư đương đại nhận thức về không gian và xây dựng nên các ý niệm, lý luận về thị hiếu thẩm mỹ, công năng cho thời đại mới Những lý luận này sẽ không thể hiện thực hóa nếu như không có một cơ sở vững chắc là sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật và công nghệ đồ họa máy tính Những bước tiến mới của kỹ thuật đồ họa trong thập niên 90 của thế kỷ XX đã tạo ra những công cụ thiết kế hỗ trợ đắc lực cho các kiến trúc sư trong việc thể hiện các đường cong, bề mặt hay không gian phức tạp của hình học ToPo

Mối liên hệ điển hình đó không còn phù hợp trong thời đại ngày nay – thời đại công nghệ thông tin Ngày hôm nay, mọi thứ đều liên tục được cải tiến về hình thức lẫn công năng, các ý tưởng, kỹ thuật làm nên công trình cũng không ngoại lệ Hình thức có thể phù hợp với công năng chỉ trong một giai đoạn nhất định, sau đó nó sẽ bị "lỗi thời", không phù hợp nữa Mối liên hệ giữa hình thức và công năng không còn bị gò bó, cứng nhắc như thời kỳ Kiến trúc Hiện đại Với ba cơ sở ở các mặt toán học, kỹ thuật – công nghệ và lý luận nêu trên, nền kiến trúc thế giới đã hình thành một xu hướng kiến trúc mới và dần dần khẳng định vai trò tiên phong của nó, đó là xu hướng Kiến trúc Tham số (Parametric architecture)

Kiến trúc biểu hiện : có đặc điểm “Tạo hình tự do mang tính biểu tượng cao, gần với điêu khắc, tạo cảm xúc” Tân biểu hiện (Neo- expressionism) ,thống soái nền

kiến trúc hiện đại thế kỷ XX vẫn là những tên tuổi của chủ nghĩa công năng, như

Walter Gropius, Le Corbusier, Ludwig Mies Van Der Rohe, Frank Lloyd Wright Chủ nghĩa công năng phát triển đến đỉnh cao trong những năm 50 và nửa

đầu thập niên 60, đặc biệt ở châu Âu và Bắc Mỹ Nhưng khi chủ nghĩa công năng bị phản đối trên khắp thế giới thì chủ nghĩa biểu hiện lại tái sinh với tên gọi Tân biểu hiện

Kiến trúc Tân biểu hiện có hình thức và không gian phóng khoáng, tạo ấn tượng

mạnh mẽ về thị giác nhằm chuyển tải ý đồ tư tưởng của kiến trúc sư và đặc điểm chức năng của công trình Sử dụng hình dáng và đường nét cầu kỳ không quy luật mang tính động để tạo cảm giác bay bổng cho công trình Tạo nên sức truyền cảm mạnh mẽ qua hình dáng đầy chất điêu khắc của công trình Biểu hiện thời kì này

gắn với bê tông vỏ mỏng Thời kỳ này công trình có tiếng vang dội nhất là nhà hát Opera Sydney

Hậu hiện đại (Post-modernism) là một trào lưu kiến trúc đương đại mang một tinh

thần mới khác biệt với các trào lưu chính thống (chủ nghĩa hiện đại 1970 trở về trước, phong cách quốc tế ) Đã có một thời kỳ Chủ nghĩa hiện đại lâm vào tình trạng khủng hoảng Chủ nghĩa công năng không đáp ứng được những đòi hỏi mới của một thế giới phát triển mạnh mẽ Các kiến trúc sư phương Tây đã tìm kiếm

những hướng đi mới và một trong những hướng đi đó có không ít người theo đuổi là xu hướng Hậu hiện đại

Kiến trúc giải tỏa kết cấu là một trào lưu lớn đầu thế kỷ XXI Có vai trò quan

trọng và ảnh hưởng đến nhiều xu hướng kiến trúc khác

3 Mục tiêu nghiên cứu

-Đề tài mong muốn làm sáng tỏ các giá trị tiềm năng của kiến trúc Phỏng Sinh trong thời đại công nghệ cao nhằm chỉ ra các khả năng và cách thức phối hợp các nguyên tắc phỏng sinh với việc vận dụng các công nghệ tiên tiến của thời đại vào việc sáng tác, thiết kế kiến trúc

-Rút ra bài học từ việc phân tích, nghiên cứu các công trình và lý luận của một số kiến trúc sư nổi tiếng hiện nay

4 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu

Căn cứ vào việc xác định nội dung nghiên cứu mà tác giả thực hiện, đề tài chỉ tập trung phân tích Phỏng Sinh như một công cụ đặc biệt mới, tìm hiểu các yếu tố có lợi của sinh vật phục vụ cho việc thiết kế và xây dựng bền vững, tập trung khả năng ứng dụng các nguyên tắc phỏng sinh được lựa chọn cho quá trình thiết kế kiến trúc, áp dụng các công nghệ cao hiện nay như BIM, Parametric ,làm nổi bật mối liên kết giữa công trình và môi trường tự nhiên, qua đó chỉ ra tiềm năng thích ứng của kiến trúc Phỏng Sinh trong tương lai Luận văn không đào sâu đến các ý nghĩa sâu xa trong các hình dạng cụ thể của kiến trúc Phỏng Sinh có thể ám chỉ hay ẩn dụ giá trị văn hóa mà nó phản ánh, hay sự ngăn cản về kinh tế tài chính đối với việc ứng dụng các giải pháp công nghệ cao

5 Phương pháp nghiên cứu

Để tiến hành nghiên cứu này, tác giả đã sử dụng nhiều phương pháp khác nhau và phối hợp đồng thời các phương pháp sau, để đạt hiệu quả tốt nhất:

Phương pháp thu thập dữ liệu: có hai nguồn dữ liệu để thu thập, dữ liệu sơ cấp và dữ liệu thứ cấp

-Dữ liệu sơ cấp xoay quanh các kiến thức về kiến trúc mô phỏng cấu trúc của sinh học và xu hướng kiến trúc dưới sự hỗ trợ của thiết kế thuật toán và các ngành công nghệ cao

Các dữ liệu thứ cấp được sử dụng dưới hình thức tìm hiểu những nghiên cứu tiền lệ Những nghiên cứu đã tiến hành trong sách và tạp chí cũng như trên mạng Internet, trong các giấy tờ, bài báo xuất bản Nghiên cứu này xoay quanh Kiến Trúc

Biểu, Kiến Trúc Hi-Tech

Phương pháp phân tích-tổng hợp: từ những thông tin thu thập được, tác giả có cơ sở để hình thành những tổng hợp kiến thức về đề tài Để từ đó phân tích, so sánh, đối chiếu các mặt của vấn đề, và rút ra những nhận định về luận điểm đã đưa ra,

từng bước hoàn thành mục tiêu của đề tài

Phương pháp phân tích so sánh: nhằm củng cố cho những lập luận, để có thể đưa ra các đánh giá nhận xét đúng đắn

PHẦN 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KIẾN TRÚC PHỎNG SINH TRONG ĐIỀU KIỆN CÔNG NGHỆ CAO

1.1 Khái lược về kiến trúc phỏng sinh 1.1.1 Sinh học

Sinh học (biology) là bộ môn khoa học về sự sống Nó tập trung nghiên cứu về các

cá thể sống cùng mối quan hệ qua lại giữa chúng với nhau và với môi trường Sinh học miêu tả những đặc điểm, tập tính của sinh vật (ví dụ như cấu trúc, chức năng, sự

phát triển, môi trường sống ) cùng cách thức các cá thể và loài tồn tại (nguồn gốc, sự tiến hóa và phân bổ sinh thái )

Các nguyên lý hình thành nền tảng sinh học:

Lý thuyết tế bào gồm 3 nội dung cơ bản sau:

-Mọi sinh vật được cấu tạo từ một hoặc nhiều tế bào, trong đó xảy ra các quá trình chuyển hóa vật chất và tồn tại tính di truyền

-Tế bào là vật sống nhỏ nhất, là đơn vị tổ chức cơ bản của mọi cơ thể

-Tế bào có thể tự sinh sản và mọi tế bào chỉ có thể được sinh ra nhờ quá trình phân chia của tế bào tồn tại trước đó

Sự tiến hóa: nguyên lý trung tâm của sinh học, có tính hệ thống trong toàn bộ các chuyên ngành của Sinh học đó là tất cả sự sống đều bắt nguồn từ một tổ tiên chung (Common Descent) và trải qua một quá trình tiến hóa

Di truyền: tất cả các sinh vật đều truyền thông tin di truyền của mình thông qua các vật liệu di truyền mà được cấu tạo từ phân tử Nucleic Acid (đa số là phân tử DNA chứa đựng mã di truyền thống nhất trên toàn bộ sinh giới (chỉ khác một vài chi tiết nhỏ) Ví dụ mọi dạng sống đều có cấu tạo tế bào, và các tế bào đều được cấu thành từ các phân tử hữu cơ giống nhau

Căn bằng nội tại (hormeocostasis): là một đặc tính của một hệ thống mở để điều khiển môi trường bên trong nhằm duy trì trạng thái cân bằng, thông qua việc điều chỉnh các cơ chế điều hòa cân bằng động (dynamic equilibrium) khác nhau Cân bằng này có thể là cân bằng pH nội bào ở mức độ tế bào, hay cân bằng nhiệt độ cơ thể ở động vật máu nóng, hay cũng chính là tỷ phần khí cacbonic trong khí quyển ở mức độ hệ sinh thái Các mô và cơ quan trong các cơ thể đa bào cũng duy trì các mối cân bằng này

Các mối quan hệ nhóm sinh vật và môi trường: (giữa các sinh vật với nhau) có thể là quan hệ hợp tác (co-operation), cộng sinh (symbiosis), vật ăn thịt - con mồi (aggression) hay vật chủ - vật ký sinh (parasite) Các vấn đề sẽ trở nên phức tạp hơn nữa khi có nhiều loài sinh vật chịu tác động qua lại lẫn nhau trong một hệ sinh thái

Sự ra đời của sinh học bắt đầu từ thế kỉ XIX, bao hàm nhiều ngành khoa khọc khác nhau được xây dựng trên những nguyên lý riêng Các môn này có mối quan hệ qua lại với nhau, giúp chúng ta tìm hiểu về sự sống ở các mức độ và phạm vi khác nhau

1.1.2 Phỏng sinh học

Phỏng Sinh học là một lĩnh vực khoa học chuyên nghiên cứu và mô phỏng các hoạt

động, hình dáng, kết cấu…của các loài sinh vật để từ đó chuyển hóa vào thiết kế nhằm tạo ra các sản phẩm, các hệ thống với mục đích giải quyết những vấn đề khó khăn của con người

Mục đích là để tạo ra sản phẩm, quy trình và cách sống, được thích nghi với cuộc

sống trên trái đất Ý tưởng cốt lõi đó đã giải quyết được nhiều vấn đề chúng ta đang phải vật lộn với Động vật, thực vật và vi sinh vật là những kỹ sư chuyên nghiệp Từ ghép “Phỏng Sinh Học” bắt nguồn từ những nghiên cứu của các nhà khoa học đa ngành như Otto Schmitt hay Harkness “Bio” trong tiếng Hi Lạp có nghĩa là cuộc sống và “mimetic” là sự mô phỏng

Phỏng sinh được công nhận là một trường chỉ gần đây, nhưng đã lấy cảm hứng từ thiên nhiên cho hàng ngàn năm Cũng giống như bản phác thảo của Leonardo Da Vinci của một máy bay đã được dựa trên việc quan sát các loài chim để cho phép máy bay của con người Tương tự như vậy, anh em nhà Wright, người đã thành công trong việc tạo ra những chiếc máy bay đầu tiên trong 1903, dường như đã đạt được nguồn cảm hứng từ những quan sát của chim bồ câu đang bay

Một ghi chép của Schmitt năm 1969 được đăng trên báo có tựa đề “Vài sự thay đổi thú vị và hữu dụng về phỏng sinh học” (Some interesting and useful biomimetic transforms) (Schmitt, 1969)

Năm 1974, khái niệm “Phỏng sinh học” được đưa vào từ điển Webster với nghĩa “Một môn học về sự hình thành, cấu trúc và chức năng của những vật chất được tạo ra (chẳng hạn như enzyms hoặc tơ), và của những quá trình, những cơ chế sinh học (như sự tổng hợp protein) hay đặc biệt hơn là dành cho mục đích hướng đến các cơ chế nhân tạo nhằm mô phỏng những gì có được của giới sinh vật trong tự nhiên”

Năm 1997, nhà khoa học Janine Benyus đã cho phát hành cuốn sách “Phỏng sinh: Đổi mới lấy cảm hứng từ thiên nhiên,” Cuốn sách cho thấy các nghiên cứu

sâu sắc và dễ dàng tiếp cận mà các nhà khoa học đang nghiên cứu, mang lại những ý tưởng tốt nhất từ tự nhiên để giải quyết vấn đề khó khăn nhất thế kỷ 21 Viện phỏng sinh được thành lập vào năm 2006 bởi nhà khoa học Janine Benyus và

Bryony Schwan đã lập nên trang web “Mạng Giáo dục Phỏng Sinh” Trang web này

được trao giải thưởng “AskNature”, đã giúp các sinh viên và học viên trên khắp thế

giới tìm đến thiên nhiên để tìm cảm hứng tư vấn thiết kế bền vững Xem bảng minh họa cho những lĩnh vực được áp dụng từ việc nghiên cứu phỏng sinh của Janine Benyus [Hình 1-1]

Phương pháp của phỏng sinh học là sao chép một cách có ý thức các hiện tượng, cơ chế của sinh vật tự nhiên và hệ sinh thái Trong phỏng sinh học, thiên nhiên được xem là nguồn cơ sở dữ liệu, tập hợp giải pháp cho các vấn đề Áp lực tiến hóa thúc đẩy các sinh vật phải liên tục tối ưu các giải pháp sinh học để có thể thích nghi với môi trường sống biến đổi, nên phỏng sinh học là một ngành khoa học cực kỳ hấp dẫn và rộng lớn

1.2 Kiến trúc phỏng sinh

1.2.1 Xu hướng vận dụng các yếu tố có lợi từ tự nhiên vào kiến trúc

Trải qua quá trình tiến hóa và phát triển hơn 3.8 tỉ năm, thiên nhiên đã giải quyết và “trả lời” rất nhiều vấn đề mà chúng ta, những con người của thời đại ngày nay vẫn còn đang mải loay hoay để tìm kiến lối ra

KTS Michael Pawlyn một trong những người đứng đầu về tư tưởng Kiến trúc

Phỏng Sinh học cho rằng “Bạn có thể nhìn tự nhiên như một cuốn catalog sản phẩm mà tất cả chúng đều là nguồn lợi từ một giai đoạn nghiên cứu và phát triển trong vòng 3,8 tỷ năm Với nguồn tư liệu trình độ này, thật hợp lí để sử dụng nó” Ông

cũng là thành viên chủ chốt trong đội làm dự án có tên Eden Project, dự án kiến

trúc tái phát kiến triệt để về cảnh quan và kỹ thuật hoa viên KTS Michael Pawlyn

cũng là người chịu trách nhiệm chính trong việc thiết kế cho “Warm Temperate and Humid Tropics Biomes” (quần xã sinh thái nhiệt đới nóng ẩm) và những công

việc theo sau bao gồm cả những đề xuất cho một quần xã sinh thái thứ ba dành cho cây xanh ở những khu vực nhiệt đới

A Sự phát triển của vật liệu

Từ xưa loài người đã biết dùng những loại vật liệu đơn giản có trong thiên nhiên như đất, rơm rạ, đá, gỗ v.v để xây dựng nhà cửa, cung điện, thành quách, cầu, cống dẫn nước trọng lực Từ việc sử dụng đất, rơm rạ làm hang ổ, cho đến sử dụng đá làm đền thờ như các quần thể ở Ai Cập mà không có chất kết dính, bê tông để xây dựng nhiều tòa nhà và tượng đài trong thành Rome được tạo từ hỗn hợp đá vôi, cát và đá núi lửa

Ở những nơi xa núi đá, người ta đã biết dùng gạch mộc, rồi dần về sau đã biết dùng gạch ngói bằng đất sét nung Để gắn các viên đá, gạch rời rạc lại với nhau, từ xưa người ta đã biết dùng một số chất kết dính rắn trong không khí như vôi, thạch cao Do nhu cầu xây dựng những công trình tiếp xúc với nước và nằm trong nước, người ta đã dần dần nghiên cứu tìm ra những chất kết dính mới, có khả năng rắn trong nước, đầu tiên là chất kết dính hỗn hợp gồm vôi rắn trong không khí với chất phụ gia hoạt tính, sau đó phát minh ra vôi thủy và đến đầu thế kỷ 19 thì phát minh ra xi măng pooc lăng Đến thời kỳ này người ta cũng đã sản xuất và sử dụng nhiều loại vật liệu kim loại, bê tông cốt thép, bê tông ứng lực trước, gạch silicat, bê tông xỉ lò cao v.v

Chế tạo ra thủy tinh: khoảng năm 2200 trước công nguyên, những người Iran ở

tây bắc nước này đã chế tạo ra thủy tinh Nó trở thành vật liệu xây dựng phi kim lọai vĩ đại thứ hai trong lịch sử (sau gốm)

Bê tông núi lửa [Hình 1.2a]: Kiến trúc La Mã vĩ đại trải qua hàng ngàn năm lịch

sử là chứng cứ rõ ràng rằng các tính năng của bê tông La Mã Trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã và đang nghiên cứu để bóc tách bí mật về độ bền của tường thành cổ đại suốt 2.000 năm qua Thành phần bí mật chính là tro núi lửa Đấu trường Colosseum [Hình 1-2b] hay Trần nhà bên trong đền Pantheon [Hình 1.2c] là một trong những công trình ấn tượng của người La Mã cổ đại còn tồn tại đến ngày nay [Hình 1-2b]

Năm 1756 G.Smith, một kỹ sư người Anh đã xây dựng một ngọn hải đăng bằng loại tro núi lửa đó Nổi tiếng nhất trong số đó là loại xi măng của James Packer với tên gọi “Roman cement” Loại xi măng này được khám phá ra vào năm 1780 và được cấp bằng sáng chế năm 1976 Bản chất của loại xi măng này là việc trộn vôi với đất sét theo một tỷ lệ thích hợp và đem nung ở nhiệt độ cao Kết quả đem được là một loại xi măng có tính chất tương tự lọai xi măng của người La Mã

Một người thợ làm vườn người Pháp Joseph Monnier vào một buổi sáng của năm 1867 Sau khi đã đắp các chậu hoa bằng bê tông đã cho vài que sắt vào giữa khối bê tông đang ướt Ngay khi đó thuật ngữ Bê tông cốt thép đã ra đời

Một bài báo phát hành năm 2013 bởi Trung tâm tin tức Đại học California-Berkeley cho biết, những nhà nghiên cứu của trường đại học này đã lần đầu tiên mô tả cách mà hợp chất bền vững lạ thường Calcium (canxi) – Aluminum (nhôm) – Silicate (hợp chất gồm có silicon mang anion) – Hydrate (một chất chứa nước) (C-A-S-H) kết dính các loại vật liệu

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật nói chung, ngành vật liệu xây dựng cũng đã phát triển từ thô sơ đến hiện đại, từ giản đơn đến phức tạp, chất lượng vật liệu ngày càng được nâng cao Các nhà nghiên cứu muốn trả lời câu hỏi mà rất

nhiều người trong số chúng ta quan tâm: “Liệu những thiết kế theo xu hướng Phỏng sinh học thông qua việc tìm hiểu các sinh vật trong giới tự nhiên có thật sự góp phần nâng cao đời sống vật chất và tinh thần của con người hay không?” Năm

2009 Gebeshuber cùng các cộng sự đã tiến hành tìm hiểu xem công nghệ phỏng sinh có thể đóng vai trò như thế nào trong việc giải quyết các thách thức toàn cầu bao gồm cả phát triển bền vững trong vòng 50 năm nữa Kết quả phân tích của họ cho thấy đã và đang có sự phát triển trong khoa học vật liệu (bao gồm vật liệu composite và vật liệu thông minh), công nghệ chuyển đổi năng lượng, hệ thống sản xuất năng lượng mới và vật liệu tái sinh

B Thiết kế sáng tạo lấy cảm hứng từ thiên nhiên

Sơn tự làm sạch dựa trên cánh hoa sen [Hình 1-3a] thoạt nhìn khá mịn nhưng

nếu nhìn kỹ bạn sẽ thấy hàng triệu gai nhỏ được bao phủ trên bề mặt Các gai nhỏ

này giúp bụi bẩn và nước không thể bám lâu trên bề mặt cánh hoa Dựa trên điều đó, một công ty của Đức đã phát minh ra loại sơn với cấu trúc phức tạp giúp loại bỏ mọi bụi bẩn và vết dính trên bề mặt

Camera mô phỏng mắt ruồi Ruồi [Hình 1-3b] là loài sinh vật đặc biệt sở hữu đôi

mắt kép với hơn 28.000 ống kính riêng biệt Mục đích sử dụng của loại camera này là trang bị trên các máy bay do thám không người lái, có thể dễ dàng quan sát toàn bộ 360 độ không gian xung quanh

Tấm pin mặt trời mô phỏng mắt ruồi Ruồi các nhà khoa học Pháp khi nghiên cứu

cấu tạo của mắt Ruồi đã phát hiện đặc điểm thú vị rằng, mắt của ruồi được cấu tạo từ hàng loạt các ô nhỏ dạng hình bình hành trồi lên, khiến con ruồi có thể tiếp nhận được tia sáng lệch 72 độ so với phương thẳng

Rất nhiều sinh vật trong tự nhiên thường có một số cấu tạo tự nhiên khiến con người thán phục đứng nhìn, có thể thích ứng rất tốt với môi trường Như tổ của ong là lăng trụ hình lục giác, kết cấu nhiều lỗ rõ ràng là vừa nhẹ lại vừa chắc chắn Mạng nhện xem ra vừa nhỏ vừa mềm, lại có tính co dãn cực mạnh Vỏ trứng gà vừa mỏng vừa cong, trên thực tế thì vỏ trứng có thể phân tán đều ngoại lực lê toàn bộ bề mặt Lại còn một loài thực vật nổi trên mặt nước hoa sen, nó có chiếc lá to đường kính khoảng 2m

Kết cấu dạng gân lá sen [Hình 1-3c] mặt sau của lá hoa sen có rất nhiều gân lá to, hình thành nên khung xương dang mạng lưới làm mặt lá có thể đỡ được một áp lực rất nặng Hơn nữa lá hoa sen có nhiều đường lỗ, nó có thể làm lá có rất nhiều lực đẩy Kiến trúc sư liền mô phỏng gân lá hoa sen, giữa gân dọc với độ vượt 100m trên nóc nhà, thiết kế ra ngăn ngang hình vân sóng có dạng mạng lưới, làm tăng lên rất nhiều kết cấu chắc chắn ở mặt đỉnh

Kết cấu rất nhiều lỗ to của tổ ong cũng gợi hứng cho các kiến trúc sư Nước Anh đã chế tạo thử thành cong một kiểu tường tổ ong, ở giữa có vật chất dạng màng bong bóng lục giác bằng chất làm cứng và nhựa cây tạo thành Loại tường này không những làm nhẹ đi rất nhiều độ nặng của kiến trúc mà còn mang tính năng giữ nhiệt rất tốt, làm căn phòng ấm về mùa đông và mát về mùa hè

Trong con mắt của các nhà kiến trúc, mạng nhện quả là một kết cấu vô cùng tinh xảo không gì so sánh được, độ vượt của cầu và nóc nhà xây dựng mô phỏng mạng nhện sẽ là sự liên kết hoàn mỹ giữa các dạng hình học và đặc tính lực học Còn nếu xuất phát từ quan điểm vật liệu nhẹ tiết kiệm và an toàn chắc chắn thì kết cấu vỏ trứng lại gợi mở các nhà kiến trúc xây dựng một loạt kết cấu vỏ mỏng, tuy độ dày chỉ có vài centimet nhưng lại có thể chịu được áp lực gió thổi, mưa rơi tuyết tích tụ, đó là công lao của vỏ mỏng

Ngoài ra con người còn dựa vào chức năng của bong bóng cá, tạo ra kiến trúc nạp khí, mô phỏng dạng xoắn ốc, xây dựng nên các căn phòng có thể nhận được nhiều ánh sáng nhất Phỏng theo tính dẻo của lá lúa đề tạo ra hình dạng đặc biệt, kết cấu chắc chắn Có thể thấy rất nhiều điều kỳ diệu trong tự nhiên sẽ được đưa vào kiến trúc phỏng sinh để thiết kế vào những linh cảm có sáng tạo

Mặc dù, thiết kế bền vững nhận được sự quan tâm và ủng hộ từ nhiều lĩnh vực khác nhau trong xã hội nhưng trên thực tế kết quả đến nay chưa mấy khả quan Ngày càng có nhiều các nhà phê bình cho rằng những ứng dụng bền vững thịnh hành hiện nay như việc phát triển hệ thống LEED (Leadership in Energy and Environmental Design: Hệ thống chuẩn hóa các công trình xây dựng có chất lượng bảo vệ môi trường cao), rốt cuộc vẫn là chưa đủ Các thiết kế quan tâm đến môi trường này, dù có tiến bộ song vẫn thường theo quá sát những tiêu chuẩn hiện tại nên chúng chỉ đơn giản là “làm giảm tốc độ suy thoái” của thế giới mà thôi

1.2.2 Kiến Trúc Phỏng Sinh

Kiến Trúc Phỏng (Biomimetic Architecture) được hiểu là kiến trúc mà cảm hứng

sáng tạo bắt nguồn từ thiên nhiên thông qua các hình thái, cấu trúc, chức năng của các loài sinh vật được lựa chọn (Katharine Rhein)

Đặc điểm:

Khả năng thích nghi môi trường cao,thân thiện với môi trường vì cơ bản là nghiên cứu cấu trúc của sinh vật trong tự nhiên áp dụng vào kiến trúc qua cơ chế sàn lọc

Mang lại tác dụng thị giác ấn tượng cao

Mang tính biểu hiện trạng thái tĩnh – trạng thái động

Sử dụng năng lượng và vật liệu sinh học/ vật liệu hữu cơ, có khả năng tự sản sinh ra năng lượng

Kết cấu Hi-Tech

1.3 Các cấp độ phát triển của kiến trúc phỏng sinh

Điểm lại ba cấp độ chính của môn phỏng sinh học, nhà khoa học người Mỹ bà Janine Benyus cho rằng:

-Cấp độ đầu tiên của phỏng sinh học (cấp độ hình dáng): mô phỏng hình dáng bên ngoài

-Cấp độ thứ hai của phỏng sinh học (cấp độ hành vi) : bắt chước các chuyển động của các loài sinh vật, chúng ta có thể học được cách vận chuyển ít tốn năng lượng -Cấp độ thứ ba của phỏng sinh học (cấp độ hệ sinh thái) : đó là việc tái tạo cách thức tạo ra hệ thống tự nhiên trong môi trường công nghiệp, rộng hơn là trong lĩnh vực kinh tế, tìm các nguyên tắc vận hành, ví dụ như trong các khu rừng hay trong các rạn san hô, các nguyên tắc như các luồng lưu thông, nguyên tắc tiết kiệm năng lượng, tầm quan trọng của sự phối hợp, tái chế các chất thải… Khi chúng ta phối hợp các nguyên lý này với nhau, thì chúng ta sẽ đạt được một mức độ bền vững lớn hơn

Để có một hiểu biết bước đầu về phỏng sinh học, Janine Benyus có thể tóm lại như

sau: “phỏng sinh học không đơn thuần chỉ là sự bắt chước các hình thức, vận động và cách thức tạo ra các chất liệu ở các loài động thực vật Mục tiêu cao nhất của phỏng sinh học là mô phỏng các nguyên lý của các hệ sinh thái tự nhiên.”

1.3.1 Những kiến trúc phỏng sinh đầu tiên

Những hình ảnh đầu tiên bắt chước làm nơi trú ẩn là hang động, cấu trúc tổ chim, màng và dây thừng công trình xây dựng (như nhện và sâu bướm) Bắt đầu con người có những tín ngưỡng đầu tiên, người xưa xây dựng nơi thờ cúng với tư tưởng mang lại sự bền vững và mang lại sức mạnh, các quần thể kim tự tháp như ở Ai Cập [Hình 1-4a], quần thể Angkor Wat ở Campuchia [Hình 1-4b], có hình thức bên ngoài dạng tam giác, mô phỏng về hình dáng quả núi, vật liệu lúc này chỉ đơn thuần

đá và không có chất kết dính nhưng kỹ thuật xây dựng đã có tiến bộ vượt bậc so với lúc sơ khởi Sự phát hiện ra bê tông núi lửa thời kỳ La Mã gây dấu ấn với các thức cột được trang trí hoa lá, đầu người, mái dốc, mái vòm cong, thời kỳ này có các sinh hoạt tập quán ngoài trời nên các cung điện được trang trí gần gũi với thiên nhiên, không gian mở, bắt đầu có hành lang, hiên Công trình nổi bật thời kỳ La Mã cổ đại như đền Pantheon [Hình 1-4c]

Đặc điểm kiến trúc phỏng sinh thời kỳ này

-Trang trí nội thất gắn liền thiên nhiên, điêu khắc phát triển

-Cách điệu cột trong kết cấu, trang trí đầu cột, trang trí diềm mái, thể hiện các lễ hội của con người, bước đầu có vòm cửa cong, trang trí cả máng thu nước mưa

-Hình dáng mô phỏng theo thiên nhiên ảnh hưởng bởi tôn giáo, tín ngưỡng, công trình với hình khối đơn giản

-Vật liệu đá, bê tông núi lửa

1.3.2 Giai đoạn nửa đầu thế kỷ XX

Kiến trúc biểu hiện (Cận đại 1880- đầu thế kỷ XX), người có tầm ảnh hưởng đầu

tiên là KTS Antonio Gaudi (1852-1926) “Kiến trúc của Gaudi nhấn mạnh tính

chất ba chiều, tính chất điêu khắc, kết hợp với tự nhiên và mang những đặc điểm lãng mạn rõ nét

Tòa nhà Casa Mila ở Barcelona, KTS Antonio Gaudi (1905-1910) [Hình 1-5a]

với hình thức tự do cả ngoại thất, gần gũi với điêu khắc, mô phỏng như một tổ mối Một công trình nữa có thể coi là ấn tượng nhất của ông là thánh đường La Sagrada Familia(1884) [Hình 1-5b] Đây là một công trình độc đáo với nghệ thuật kiến trúc tinh xảo và đầy ắp biểu tượng tôn giáo

Vào những năm 1950, Tân biểu hiện (Neo- expressionism) đánh dấu sự trở lại tại

Mỹ với các công trình của KTS Eero Saarinen với công trình thể thao khúc côn cầu trên băng của trường đại học Yale (1957-1958) [Hình 1-5c], KTS John Utzon là nhà hát Opera Sysney (1959-1973) [Hình 5d Những kiến trúc sư gia nhập chủ

nghĩa Tân biểu hiện vốn xuất thân từ chủ nghĩa công năng, nhưng sau đó phản kháng lại quan điểm công năng Kiến trúc Tân biểu hiện có hình thức và không gian

phóng khoáng, tạo ấn tượng mạnh mẽ về thị giác nhằm chuyển tải ý đồ tư tưởng của kiến trúc sư và đặc điểm chức năng của công trình Sử dụng hình dáng và đường nét cầu kỳ không quy luật mang tính động để tạo cảm giác bay bổng cho công trình Tạo nên sức truyền cảm mạnh mẽ qua hình dáng đầy chất điêu khắc của công trình Biểu hiện thời kì này gắn với bê tông vỏ mỏng

Đặc điểm kiến trúc phỏng sinh thời kỳ này -Hình thức mô phỏng từ thiên nhiên

-Dùng hình dáng của động vật tạo đường cong gợi cảm

-Kết cấu bê tông cốt thép mô phỏng vỏ mỏng góp phần tăng giá trị thẩm mỹ

1.3.3 Giai đoạn cuối thế kỷ XX đến đầu thế kỷ XXI

Đầu thế kỷ thứ XX, khoa học kỹ thuật phát triển (máy móc, động lực v.v ), nên kiến trúc của nhóm biểu hiện cũng nằm trong phạm vi ảnh hưởng đó Kiến trúc được cách tân trạng thái mới, có sự thay đổi về trạng thái công trình, công trình không còn là chủ thể tĩnh mà có sự “ chuyển động”, một số công trình nên cảm xúc từ ẩn dụ, mô phỏng cấu trúc sinh vật Xu hướng này đặc biệt chú trọng đến hình thức, và thời kỳ này đã có những tác động tích cực, nâng cao giá trị thẩm mỹ, cách biểu đạt cảm xúc công trình, góp phần vào việc thay đổi sáng tác thiết kế của các KTS

Nhà ga hàng không TWA ở sân bay Kenedy, New York, KTS Eero Saarinen

(1956-1959) có hình dáng của một cánh chim khổng lồ đang chuẩn bị cất cánh Nhưng ông được xã hội Mỹ ca tụng vì đã đem đến cho họ món ăn tinh thần mà họ đang cần Công trình phá bỏ cấu trúc và nhịp điệu, dùng những đường nét phức tạp và cầu kỳ thể hiện sự bay bổng trong thiết kế [Hình 1-6a]

Trường trung học tại Wohlen, Thụy Sĩ, KTS Santiago Calatrava (1983-1988),

[Hình 1-6b], mô phỏng ở các mái và vòm khổng lồ dạng cánh

Nhà ga đường sắt Lyon-Saint Exupéry, Pháp(1989-1994), KTS Santiago

Calatrava [Hình 1-6c] Mang dáng dấp của một cánh chim khổng lồ dài 120m, rộng 100m, cao 40m, nặng 1300 tấn Hai cánh chim được tựa lên hai khung cong chắc khỏe tạo thành những phần biên, mà dưới nó là các thành phần kiến trúc thu hút ánh

sáng từ bên ngoài vào nội thất Ý tưởng dựa vào những nghiên cứu phỏng sinh học của Calatrava đã tạo được một thành công mang tính chất cách mạng

Tòa nhà 30 St Mary Axe, London, Anh, KTS Norman Foster [Hình 1-6d] Tòa

nhà chọc trời này còn có tên gọi “The Gherkin” Quả dưa chuột vì hình dáng của nó giống như một quả dưa chuột,

Đặc điểm kiến trúc phỏng sinh thời kỳ này -Hình thức mô phỏng từ thiên nhiên

-Dùng hình dáng của động vật tạo đường cong gợi cảm

-Kết cấu bê tông cốt thép mô phỏng vỏ mỏng góp phần tăng giá trị thẩm mỹ Kết cấu khung cho phép công trình tự do hơn về hình thức, với những khoảng vượt nhịp lớn

-Công trình mang tính ẩn dụ, trạng thái “ động –tĩnh” mang lại một cảm xúc mới cho người thưởng ngoại thị giác

1.4 Kiến trúc phỏng sinh trong thời đại công nghệ cao

Công nghệ cao hay Kỹ thuật cao là công nghệ hay kỹ thuật có hàm lượng cao về khoa học và phát triển công nghệ, được tích hợp từ thành tựu khoa học và công nghệ hiện đại, nhằm tạo ra sản phẩm có chất lượng, tính năng vượt trội, trị giá gia tăng cao và thân thiện với môi trường, đóng một vai trò rất quan trọng đối với việc hình thành ngành sản xuất, dịch vụ mới hoặc hiện đại hóa, công nghiệp hóa các

ngành sản xuất, dịch vụ hiện có

1.4.1 Xu hướng vận dụng công nghệ cao vào kiến trúc

Từ việc học hỏi bắt chước giới sinh vật qua một quá trình dài tồn tại trong lịch sử cùng với sự biến đổi khí hậu và bùng nổ năng lượng toàn cầu thì sự phát triển của khoa học kỹ thuật cao đã giúp cho con người sáng tác và thiết kế những sản phẩm, công trình mang tính vượt bậc hơn cả sinh vật

Cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật hiện đại được coi như bắt đầu giữa những năm 40 thế kỉ XX Những phát minh trong khoa học - kĩ thuật cuối thế kỉ XIX đầu thế kỉ XX là tiền đề của cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật hiện đại Trở lại giai đoạn lịch sử những năm 70 của thế kỷ XX, khi lần đầu tiên cuộc khủng hoảng năng lượng

diễn ra tại Mỹ và sau đó lan rộng trên toàn thế giới, PTS.TS.KTS Lê Thanh Sơn

“Kiến trúc Hiện đại, yếu tố hình thức hài hòa với môi trường tự nhiên và trào lưu sinh thái trong thiết kế kiến trúc đang dần nở rộ Nếu như kiến trúc Hiện đại là một cuộc cách mạng bùng nổ dựa trên những tiến bộ của khoa học - kỹ thuật, đoạn tuyệt với quá khứ để đi tìm một ngôn ngữ kiến trúc hoàn toàn mới không liên quan gì đến những di sản văn hóa và lịch sử “, các kiến trúc sư tìm phương hướng kết nối giữa

con người, thiên nhiên và công trình nhằm tạo nên sự hài hòa với sinh thái và tiết kiệm năng lượng Các Kiến trúc sư của trường phái Phỏng sinh đổi mới muốn thông qua sự phát triển và tiến bộ của khoa học kỹ thuật cùng sự đổi mới trong công tác thiết kế để cải thiện công năng sử dụng và hình thức kiến trúc

Chuyển biến của đầu thế kỷ XXI với những thành tựu các ngành công nghệ cao như toán học, công nghệ thông tin, công nghệ sinh học… đã hỗ trợ sáng tác, thiết kế nhằm tiến đến giải quyết các vấn đề về năng lượng và giải pháp bền vững cho kiến trúc khi đối mặt với sự biến đổi của khi hậu Đặc trưng cơ bản của giai đoạn này: sự phát triển của ngành năng lượng mới Kinh tế và công nghiệp, kỹ thuật xây dựng và vật liệu xây dựng có nhiều tiến bộ vượt bậc

Vật liệu xây dựng mô phỏng cấu tạo từ sinh vật

- Bê tông cốt thép phát triển cho phép hình khối đa dạng - Thép, kim loại màu và nhôm, kính phát triển

- Vật liệu tổng hợp được tìm tòi từ sự mô phỏng các cấu trúc của sinh giới như sợi thủy tinh có độ đàn hồi cao, tạo hình dễ dàng, vật liệu tổng hợp kết hợp với tạo hình khung kết cấu tạo được hiệu ứng hình thức cao

Kỹ thuật kết cấu xây dựng mô phỏng từ sinh giới

Xuất hiện và phát triển nhiều hình thức kết cấu mới

- Kết cấu khung: thường áp dụng giữa tường kính và kết cấu kim loại nhẹ nhàng đề vẻ đẹp kỹ thuật

- Kết cấu không gian: hình khối mới lạ, nhịp lớn, gồm những dạng chính sau: gấp nếp, vỏ mỏng, dây treo, dàn không gian, kết cấu tự do, kết cấu bong bóng, tạo ấn tượng về hình khối gần gũi thiên nhiên

- Mô Phỏng kết cấu từ các cấu trúc sức bền hình dạng trong sinh giới như khung xương cá, gân lá, cấu trúc cong

Năng lƣợng tuần hoàn, giảm thiểu năng lƣợng sử dụng nhờ các thành quả nghiên cứu mô phỏng sinh học

- Tạo ra nước từ gió

- Sử dụng vi sinh vật xử lý chất thải

- Chất thải của quá trình này là năng lượng cho quá trình tiếp theo

1.4.1 Kiến trúc phỏng sinh và sự vận dụng công nghệ cao vào kiến trúc

Theo James Canton, chủ tịch và đồng thời giám đốc điều hành về thông tin Viện Tương Lai Toàn Cầu (Institut For Global Futures), thì kiến trúc của thế kỷ XXI chủ yếu dựa trên sự hội tụ của các ngành công nghệ cao đó là công nghệ sinh học, công nghệ nano, công nghệ thông tin và một số ngành mũi nhọn khác

1.4.1.1 Công nghệ thông tin(BIM)

Công nghệ BIM là tiến trình tạo dựng, sử dụng và quản lý mô hình kỹ thuật số đặc

trưng cho cả vòng đời dự án Hợp nhất tất cả các khía cạnh và thành phần tham gia vào dự án Mô hình BIM không chỉ là mô hình hình học ba chiều, là mô hình đa luồng dữ liệu [Hình 1-7]

Đặc điểm công trình gắn công nghệ BIM

- BIM tăng cường sự hợp tác giữa các bên liên quan, giảm thời gian cho việc giấy tờ và sản xuất ra những sản phẩm dễ dự đoán BIM có tiềm năng to lớn và linh hoạt như là một hồ chứa thông tin dự án

- Tiết kiệm thời gian hơn so với những phương pháp truyền thống Chủ đầu tư và nhà quản lý vận hành cũng có lợi ích trong việc dự báo và ngân sách Chi phí xây dựng cũng được giảm một cách đáng kể

- BIM được xem như là một công cụ để thiết kế 3D và sử dụng các tổ hợp thay thế cho bản vẽ 2D Sau đó, phát triển thành một công cụ, được sử dụng để phân tích mô hình, phát hiện các xung đột, lựa chọn sản phẩm, và mô hình toàn dự án

- Mô hình BIM đó không chỉ là môt mô hình ảo mà còn là kho dữ liệu mà bao gồm các thông tin về dự án, không gian, thiết bị, lắp đặt, bảo hành ở dạng hình ảnh hoặc thông tin đơn thuần

- Chủ đầu tư có thể tiếp nhận quản lý, vận hành thiết bị, duy tu bảo dưỡng và cả quản lý nhà nước

Ƣu điểm

Lợi ích cho chủ đầu tư trước khi xây dựng: cung cấp cho CĐT khái niệm, sự khả thi, lợi ích của thiết kế Tăng hiệu quả và chất lượng công trình Tăng cường sự hợp tác thông qua việc phân phối dự án được tích hợp

Lợi ích thiết kế: hình dung bản thiết kế nhanh hơn và chính xác hơn Tự động sửa đổi khi có chỉnh sửa thiết kế Thế hệ của bản vẽ 2D chính xác và nhất quán tại bất kỳ giai đoạn nào của dự án Xuất ra dự toán chi phí bất cứ lúc nào trong quá trình thiết kế

Lợi ích trong quá trình xây dựng: sử dụng các mô hình thiết kế như là một cấu kiện chế tạo sẵn Phản ứng nhanh nhạy trước những thay đổi thiết kế Phát hiện những lỗi và thiết sót của thiết kế trước khi xây dựng Đồng nhất giữa thiết kế và mặt bằng công trường Đồng nhất quá trình mua sắm với thiết kế và công trường Những lợi ích sau khi xây dựng xong: quản lý và vận hành thiết bị tốt hơn cho

đến lúc kết thúc dự án và cả sau này, và dùng cho cả các dự án khác

1.4.1.2 Thiết kế với sự hỗ trợ của Toán học và Thuật toán công trình

(Computational Design)

Thiết kế Thuật toán (Computation Design) là thiết kế có các mối quan hệ logic

bằng một chuỗi các phân tích, thao tác dữ liệu Nó là một khâu chung cho quá trình thiết kế, nhằm tạo ra sản phẩm tối ưu về các điều kiện đặt ra

Thiết kế tham số (Parametric Design) là thiết kế có sự tồn tại của một mối quan

hệ tính toán hàm số (một sơ đồ phụ thuộc lẫn nhau giữa các bộ phận khác nhau của

công trình)

Kiến trúc tham số là dạng kiến trúc có các đối tượng thiết kế (công trình hoặc đô

thị) không phải dạng tĩnh, các mối quan hệ bên trong và bên ngoài của đối tượng

khá linh hoạt và được điều khiển bởi một tập hợp các yếu tố đầu vào, hoặc các

thông số Kiến trúc sư thông qua máy tính để lập trình các đối tượng thiết kế

Mô hình Tham số là mô hình để kiến trúc sư tương tác với thiết kế Thuật toán hay

thiết kế Tham số Mô hình Tham số giới thiệu một thay đổi cơ bản: các bộ phận của thiết kế liên quan và thay đổi cùng nhau trong một cách thức phối hợp

Toán học hiện đại có vai trò cực kỳ quan trọng trong tạo hình của Kiến trúc Tham số Hình học phi Euclide nói chung hay cụ thể là toán học Topo là cơ sở lý luận, logic và là nền tảng, cấu trúc ban đầu để phát triển những mô hình tham số phức tạp sau này

Tham số là một thuật ngữ được sử dụng trong một loạt các lĩnh vực từ toán học cho đến thiết kế Tham số được đề cập rộng rãi cho việc sử dụng phần mềm mô hình Tham số hóa Ngược với các phần mềm thiết kế dựa trên các đối tượng hình học, phần mềm Tham số liên kết kích thước và các thông số hình học Do đó, chúng cho phép điều chỉnh một bộ phận hoặc toàn bộ đối tượng

Parametric Design vẫn nằm ở giai đoạn thiết kế 3D

-3D là giai đoạn người Kiến Trúc Sư xây dựng hình khối công trình

-4D là giai đoạn tính toán về thời gian, ( cái này ko cần đến Parametric Design) -5D là giai đoạn tính toán năng lượng (sử dụng các phần mềm tính toán riêng biệt) -6D là giai đoạn tính toán bền vững, thuộc lĩnh vực của kỹ sư kết cấu

-7D là giai đoạn tính toán chi phí cần đến đội ngũ kế toán, tính toán thống kê

Quy trình quan trọng nhất là thiết kế 3D với cách thức là ứng dụng Parametric Design

Kiến trúc Tham số tạo ra một hình khối kiến trúc có sự khác biệt một cách liên tục, tính mềm dẻo và tính linh hoạt được tận dụng triệt để Nó cho phép tạo ra một hình thù phức tạp nhưng liền mạch, thanh lịch và hoàn toàn khả thi trong việc xây dựng trên thực tế

Công nghệ vật liệu mới và phát triển bền vững

Tài nguyên thiên nhiên trong đó có các nguồn VLXD tự nhiên đang ngày càng cạn kiệt, việc khai thác quá mức phục vụ nhu cầu xây dựng của thị trường đã dẫn đến

những ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sống Xu hướng phát triển các loại vật liệu thay thế có ý nghĩa vô cùng lớn trong bối cảnh hiện nay, làm giảm tác động đến tài nguyên và môi trường sống, giảm giá thành của sản phẩm một cách tối đa đồng thời có tính năng, chất lượng sử dụng tương đương, thậm chí nhiều sản phẩm còn mang nhiều tính ưu việt hơn sản phẩm tự nhiên truyền thống

Vật liệu tạo ra với sự hỗ trợ của công nghệ sinh học, mô phỏng cấu tạo bề mặt ví dụ như chất liệu sợi thủy tinh mô phỏng cánh bướm… Vật liệu lai hỗn tính cấu trúc nano, vật liệu lai gốm và kim loại khối, nano bạc và vật liệu lai, titan ioxit cấu trúc nano và vật liệu lai Vật liệu chức năng thông minh (intelligent functional material), cụ thể: Polyme thông minh mô phỏng sinh học, vật liệu năng lượng nano (nano energy materials),

Blobwall thiết kế bởi Greg Lynn Là một hệ thống gồm hơn 500 cá thể có đơn vị là blob hình dạng robot trong mười sắc độ khác nhau tạo nên từ vật liệu tái chế chống va đập polymer [Hình 1-8]

Tòa nhà BMW Welt, Munich, Đức, KTS Coop Himmelb (1972) Dự án có cấu trúc bao gồm một momen xoắn và được bao phủ toàn bộ bằng kính trong suốt phóng tầm nhìn ra cảnh quan khu công viên Olympia [Hình 1-9] Double Cone - “nón xoáy” được nhìn từ cửa vào với cấu trúc kính lật và sợi thép cùng hợp kim nhẹ.Tính năng của vật liệu được kết hợp với việc tận dụng ánh sáng mặt trời trên bề mặt mái và qua sự chuyển động của lớp kính tạo thành năng lượng sưởi ấm vào mùa đông Nhiệt năng qua đó được chuyển tiếp và kiểm soát trong một hệ số được tính kỹ càng Với một diện tích mái lớn, việc kiểm soát năng lượng đã phát huy tính năng cung cấp nhiệt cho toà nhà vào tất cả các mùa trong năm Đây là công ty danh tiếng trên thế giới với nhiều công trình tiên phong và với sự cộng tác của các KTS bậc thầy như KTS Frank O Gehry, KTS Zaha Hadid, KTS Peter Eisenman

Sân vận động quốc gia Bắc Kinh, KTS Herzog & de Meuron, Bắc Kinh, Trung

Quốc Lấy cảm hứng từ văn hóa và nghệ thuật , “tổ chim” Trung Quốc có cấu trúc đơn giản, trong khi tạo hình lại rất phức tạp đầy tính ngẫu hứng Tổ hợp các thanh

đan xen vào nhau hợp nhất thành một hình lưới theo triết lý của sự hòa hợp âm dương [Hình 1-10]

Gunagzhou Opera House, Trung Quốc, KTS Zaha Hadid (2003-2010) Kết hợp

truyền thống văn hóa với một cách tiếp cận hiện đại, kết cấu tạo ra một cuộc đối thoại với thành phố đang phát triển [Hình 1-11]

Khách sạn Yas, Abu Dhabi, UAE, KTS Asymptote Trong sự phát triển của hệ

thống quang học và kỹ thuật mới trong chiếu sáng chuyên nghiệp Giờ đây, điều đó trở nên khả thi để tạo ra, không chỉ dựa trên tính thẩm mỹ mà còn về chất lượng sinh thái và bền vững Các đường cong dạng lưới là lớp bao che cho khách sạn Yas bao gồm cả hệ thống ánh sáng được kết nối trực tiếp vào đấy tạo nên một hiệu ứng lung linh khó cưỡng [Hình 1-12]

Cảng Cao Hùng và Trung tâm dịch vụ, KTS Reiser Umemoto, Thành phố Cao

Hùng, Đài Loan Dự án đoạt giải thưởng lần này sẽ có một loạt các cấu trúc ngang

nhấp nhô,bằng cách tách theo chiều dọc bởi các khu chức năng công cộng Bề mặt tòa nhà là một hệ thống lồng vào nhau mô phỏng tổ yến, nhịp vượt để mở rộng tối đa cho không gian chức năng [Hình 1-13]

1.5 Kết luận chương I

Trong cuộc sống của con người luôn gắn kết với thiên nhiên, đó cũng là lý do tại sao các công trình kiến trúc, tập quan sinh hoạt thể hiện sự gần gũi với thiên nhiên Việc đó đã xây dựng theo chiều dài lịch sử từ việc bắt chước cho đến việc phỏng sinh các yếu tố phức tạp có lợi Bên cạnh đó, sự phát triển mạnh về kinh tế và khoa học kỹ thuật của nữa cuối thế kỷ XX đã tạo ra dấu ấn các công trình theo “ chủ nghĩa biểu hiện”, hình thức bắt mắt, rực rỡ hơn xuất hiện những công trình mang yếu tố “ động”

Có thể nói thế kỷ XXI với sự bùng nổ của khoa học kỹ thuật và bùng nổ sự biến đổi khí hậu đã thúc đẩy giải pháp kiến trúc hướng đến sự bền vững, giải quyết các vấn đề về năng lượng và sự hài hòa với sinh thái được đề cao, nhằm hạn chế việc sử dụng năng lượng, xem chất thải như là “nguồn năng lượng mới” cho qui trình tiếp theo

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA KIẾN TRÚC PHỎNG SINH VẬN DỤNG CÔNG NGHỆ CAO

2.1 Chiến lược kiến trúc sinh thái biểu hiện

2.1.1 Xu hướng sinh thái- bền vững trong kiến trúc

Phỏng sinh học không đơn thuần chỉ là sự bắt chước các hình thức, vận động và cách thức tạo ra các chất liệu ở các loài động thực vật Mục tiêu cao nhất của phỏng sinh học là mô phỏng các nguyên lý của các hệ sinh thái tự nhiên

Trong tự nhiên năng lượng chính đó là mặt trời và trọng lực, bên cạnh năng lượng địa nhiệt Sinh giới biết cách sử dụng các năng lượng ở mức độ cần thiết Tiết kiệm

năng lượng, thích nghi về mặt hình thức để bảo đảm các chức năng sinh tồn, tái sử dụng các chất thải, với nguyên tắc mỗi chất thải là một nguồn tài nguyên

Các xu hướng kiến trúc sinh thái, kiến trúc bền vững và hiện tại kiến trúc xanh không còn đơn thuần là những xu hướng nữa mà đã trở thành những mục tiêu rất là

“chiến lược”, dài hạn của nhiều nền kiến trúc trên thế giới hiện nay, nhằm mục đích

giải quyết các vấn đề biến đổi khí hậu trên toàn cầu KTS Ken Yeang:" phong cách

kiến trúc, kĩ thuật thi công và vật liệu có thể thay đổi theo thời gian, nhưng thời tiết, khí hậu thì không hề thay đổi suốt cả hàng ngàn năm do vậy, kiến trúc hiện đại phải phù hợp với thời tiết và cảnh quan thiên nhiên", bên cạnh kiến trúc, cần xem xét các lĩnh vực liên quan như: “sản xuất năng lượng, tái chế chất thải, sử dụng có hiệu quả năng lượng và vật liệu mà người thiết kế cần quan tâm”

Đối với nhà chọc trời màu xanh, KTS Ken Yeang quan tâm đến 3 vấn đề chủ yếu là

: "thông gió tự nhiên, lấy ánh sáng tự nhiên và làm giảm nhiệt độ môi trường"

Qua quá trình phát triển của nhân loại, các phong cách và trường phái kiến trúc

cũng phát triển Kiến trúc đẹp nó chứa đựng những “vấn đề về sinh thái, văn hóa, chính trị, đoàn thể, kinh tế và xã hội mà không để lại gánh nặng cho thế hệ mai sau” (URBAN21 Conference Berlin, tháng 7 năm 2000)

Kiến trúc phải tương thích với khung cảnh của nó Ngày nay, sự tích hợp kiến trúc phát triển rất mạnh mẽ với sức lan tỏa rộng khắp Tìm tòi phong cách kiến trúc từ vật liệu địa phương, hay vật liệu quốc tế, từ kiến trúc truyền thống hay kiến trúc du nhập, từ kiến trúc cổ hay hiện đại Cho dù tìm ở đâu, hãy đặt vào vị thế của người cảm thụ công trình, hãy làm cho họ hiểu công trình muốn nói gì Đừng biến nó chỉ là cái vỏ che nắng che mưa mà không để lại bất kỳ thông điệp nào vì con người Kiến trúc là tài nguyên thiên nhiên thứ hai, kiến trúc tham gia vào tự nhiên trong mối quan hệ cộng sinh với môi trường Kiến Trúc Phỏng Sinh trong thời đại công nghệ cao chuyển hóa các năng lượng thải ra thành năng lượng sử dụng cho qui trình

tiếp theo KTS Mỹ Robert Venturi cho rằng “Tính phức tạp và tính mâu thuẫn

trong kiến trúc”, chỉ khi có sự giao hòa giữa thực tế sử dụng công trình và sức mạnh

của không gian nội ngoại thất, mới có thể sinh ra tác phẩm kiến trúc chân chính Nghệ thuật là một sư đáp ứng cần thiết trước thiên nhiên luôn biến đổi

2.1.1.1 Các quan điểm bền vững hiện nay trong Kiến Trúc

Thuật ngữ "phát triển bền vững" xuất hiện lần đầu tiên vào năm 1980 trong ấn phẩm Chiến lược bảo tồn Thế giới (công bố bởi Hiệp hội Bảo tồn Thiên nhiên và Tài nguyên Thiên nhiên Quốc tế - IUCN) với nội dung rất đơn giản: "Sự phát triển của nhân loại không thể chỉ chú trọng tới phát triển kinh tế mà còn phải tôn trọng những nhu cầu tất yếu của xã hội và sự tác động đến môi trường sinh thái học"

Thiết kế Bền vững (Sustainable Design) là thiết kế có sự xem xét đến tất cả các tác

động mang tính xã hội và môi trường của một sản phẩm hoặc công trình mà trong suốt toàn bộ vòng đời, nó đáp ứng đầy đủ các chỉ số quan trọng như chi phí, chất lượng và diện mạo (Đại học Loughborough, 2004) Thiết kế bền vững chỉ mới xuất hiện vào khoảng những năm 80 của thế kỷ XX

Nguyên tắc chủ đạo của thiết kế bền vững như sau, Mclennan (2005): Tôn trọng thiên nhiên - nguyên tắc mô phỏng thiên nhiên

Tôn trọng con người - nguyên tắc sống con người Tôn trọng địa điểm - nguyên tắc hệ thống sinh thái Tôn trọng chu kỳ sống - nguyên tắc cân bằng

Tôn trọng năng lượng và các nguồn tài nguyên - nguyên tắc bảo tồn Tôn trọng quy trình - nguyên tắc tư duy toàn diện

Quan điểm về Zero Carbon

Có ba nhóm giải pháp: giải pháp năng lượng tái tạo, hệ thống kỹ thuật công trình, và hình khối kiến trúc, trong đó nhóm giải pháp ít tốn tiền nhất và hiệu quả nhất là nhóm giải pháp thứ ba thông qua công việc thiết kế của các kiến trúc sư Hiệu ứng đối với môi trường của việc đô thị hóa được đánh giá trên tương quan với khu vực nông thôn – giới thiệu về các chương trình liên quan đến phát triển bền vững của Hiệp hội Kiến trúc Hoàng gia Anh – RIBA

Trung tâm thành phố Đài Trung (Swallow’s Nest), Đài Loan, Nhóm KTS VCA : Frederique Beck, Julien Combes, Benoit Patterlini, Vincent Callebaut Thiết kế xanh từ những quy luật sinh thái, tái tạo năng lượng và áp dụng công nghệ tối tân về thông tin và truyền thông Mục tiêu xây dựng một dự án tiên phong, tượng trưng

cho sự kết hợp của thiên nhiên, con người, khoa học, kỹ thuật “Một toà nhà không

có khí thải cacbon.” [Hình 2.1]

Quan điểm vật liệu thân thiện với môi trường: vật liệu địa phương giải pháp

chuyển formaldehyde thành ôxy, loại trừ tính độc hại ra khỏi sản phẩm, mang lại sự an toàn cho môi trường và người tiêu dùng, thường áp dụng cho sơn

Biệt thự bằng tre cao 6 tầng, Bali (Indonesia), KTS Elora Hardy [Hình 2.2] Ông đã sử dụng tre để xây dựng tất cả các công trình của mình Đây là nguồn nguyên liệu có khả năng tái tạo rất nhanh, một trong những loại cây phát triển tốt nhất Tre có khả năng chịu lực không kém gì thép Chất liệu tre khiến ngôi nhà có

cảm giác nhẹ nhàng, thanh lịch, đem lại sự thư thái cho người sống trong nhà

2.1.1.2 Những vấn đề (thách thức) của phát triển bền vững trong biến động toàn cầu

Kts.Ken yeang: "Sinh thái học theo quan niệm của tôi và trái tim tôi mách bảo

rằng sinh thái là điểm khởi đầu và kết thúc mọi thứ Đó là nguồn ý tưởng lớn nhất, là nguồn sáng tạo lớn nhất Con người không thể sáng tạo tốt hơn tự nhiên và tự nhiên chính là nguồn cảm hứng lớn nhất của tôi"

Về lĩnh vực kinh tế: toàn cầu hóa kinh tế và khủng hoảng kinh tế toàn cầu, gia tăng

thương mại quốc tế, đầu tư trực tiếp từ nước ngoài, thành lập và gia tăng vai trò của các tổ chức quốc tế Toàn cầu hóa kinh tế được xem là trái ngược hẳn với chủ nghĩa kinh tế quốc gia và chủ nghĩa bảo hộ, nó ảnh hưởng đến chủ quyền quốc gia trong phạm vi kinh tế, nó có tác động tiêu cực từ các quốc gia phát triển sang các quốc gia đang phát triển do sự tìm kiếm lợi nhuận của các tập đoàn đa quốc gia

Về lĩnh vực công nghệ: bùng nổ công nhệ thông tin và viễn thông, phát triển hạ

tầng viễn thông toàn cầu, phát triển internet, các vệ tinh liên lạc, điện thoại Nhờ có

những thành tựu của công nghệ tin học và viễn thông, mà quan hệ giữa các khu vực trên thế giới ngày càng gần gũi tạo nên một nền văn minh toàn cầu

Về lĩnh vực văn hóa – xã hội: gia tăng trao đổi văn hóa quốc tế,đồng hóa, lai tạp

hóa của văn hóa, gia tăng đi lại và du lịch quốc tế, gia tăng di cư, nhập cư trái phép.Toàn cầu hóa đã giúp con người hiểu hơn về thế giới và những thách thức ở quy mô toàn cầu Sự toàn cầu hóa có thể mang lại sự tự do cá nhân nhưng cũng có thể đánh mất bản sắc

Về lĩnh vực chính trị: toàn cầu hóa làm tăng lên nhiều lần các mối quan hệ của các

công dân trên thế giới và cơ hội cho từng người “công dân toàn cầu” Tuy nhiên trong lĩnh vực chính trị, toàn cầu hóa là cơ hội gia tăng khủng bố, buôn lậu ma túy,

Về lĩnh vực môi trường: biến đổi khí hậu toàn ( mực nước biển dâng, nhiệt độ trái

đất tăng, gia tăng lũ lụt, hạn hán, và các tai biến tự nhiên khác như: trượt lở, lũ quyet, lũ bùn đá, động đất, sóng thần ,), gia tăng ô nhiễm môi trường Biến đổi khí hậu toàn cầu đang là thách thức lớn nhất với nhân loại trên trái đất, đe dọa trực tiếp môi trường sống của con người, đặc biệt trong phạm vi hệ thống các đô thị, các khu công nghiệp và các khu dân cư, kinh tế trên trái đất

2.1.1.3 Một số nhận xét về phát triển tính bền vững ở Việt Nam

Phát triển bền vững đang được xem xét triển khai dần vào thực tiễn từ quản lý quy hoạch vùng đến thiết kế kiến trúc đô thị và xây dựng công trình bằng các chủ trương, chính sách của nhà nước như: “Định hướng phát triển kiến trúc Việt Nam đến năm 2020” của Bộ Xây dựng ban hành Theo đó, việc phát triển kiến trúc trước hết phải phù hợp với thiên nhiên, địa hình và khí hậu của các vùng lãnh thổ như: kiến trúc vùng miền núi, kiến trúc vùng trung du, kiến trúc vùng đồng bằng, kiến trúc vùng ven biển

Đặc biệt trong bối cảnh biến đổi toàn cầu Chính phủ đã ban hành Nghị định 102/2003/NĐ-CP về việc "Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả", theo đó Bộ Xây dựng đã ban hành Quy chuẩn xây dựng- Các công trình xây dựng sử dụng năng lượng có hiệu quả (QCXDVN 05: 2005) và các tiêu chuẩn tương ứng khác như: “Nhà ở cao tầng - hướng dẫn thiết kế sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả”,

“Nhà văn phòng - hướng dẫn thiết kế sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả” Thủ tướng Chính phủ đã ký Quyết định số 79/2006/QĐ- TTg ngày 14/4/2006 về việc Phê duyệt chương trình mục tiêu quốc gia về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả và Quyết định số 158/2008/QĐ-TTg ngày 2/12/2008 về thích ứng với biến đổi khí hậu

2.1.2 Một số nguyên tắc phát triển giới sinh vật và kiến trúc

Phỏng sinh học kiến trúc có nhiệm vụ nghiên cứu và so sánh quy luật tiến hóa của giới sinh vật và những nguyên tắc phát triển của kiến trúc Ở đây có thể vạch ra con đường hội tụ của giới sinh vật và kiến trúc đồng thời cung cấp tài liệu cho việc tư duy về lý luận

2.1.2.1 Kiến trúc và giới sinh vật phát triển liên tục

Xem bảng 2.1 so sánh các chu kỳ sống của kiến trúc và sinh vật Điều đó giải thích trong tính thừa kế (truyền thống) của kiến trúc, còn trong giới sinh vật là tính di truyền, trong kiến trúc, quá trình phát triển được thực hiện theo quy luật

2.1.2.2 Xu hướng hoàn thiện về mặt chức năng

Trong tiến hóa của giới sinh vật cũng như trong sự phát triển của kiến trúc, về mặt chức năng có sự giống nhau một cách lý thú Nghiên cứu xu hướng này trong giới sinh vật giúp chúng ta hiểu sau hơn về khái niệm hoàn thiện kiến trúc Trong giới sinh vật, quá trình hoàn thiện cơ cấu đi từ đơn giản đến phức tạp, sự phức tạp ở đây không chỉ về lượng mà còn về chất

Trong sự phát triển của kiến trúc cũng phát hiện thấy sự phức tạp dần về cơ cấu Điều đó trước hết có liên quan đến chức năng chính trong công trình kiến trúc:

“chức năng xã hội” Đó là các mối liện hệ chức năng khác nhau của ngôi nhà, một

tổ hợp công trình, một thành phố ngày càng lớn, từ đó mà cơ cấu trong từng chức năng của ngôi nhà ngày càng phức tạp hơn mặc dù hình thức bên ngoài có đơn giản cũng dần trở nên phức tạp về chức năng, đó là chưa kể đến cơ cấu xã hội xây dựng toàn bộ đô thị và hệ thống dân cư đang dần thay đổi cho phù hợp

Nhà thờ Đức Bà Notre Dame du Haut tại Ronchamp, France, KTS Le Corbusier (1954) [Hình 1-1], kiểu hình thức là dạng vỏ mỏng như vỏ trứng gà,

nhưng kết cấu vẫn hiện đại, điều này phụ thuộc vào trình độ khoa học kỹ thuật.Nếu cởi lớp bao bọc trang trí bên ngoài của các nhà thờ gothic thì sẽ lộ ra bộ khung kết cấu hiện đại nhưng tương ứng hính thức giống như một bộ xương của loài cá [Hình 2-3]

Nhà thờ Sagrada Familia, Tây Ban Nha, KTS Antonio Gaudi (bắt đầu từ năm 1882) công trình đồ sộ với nghệ thuật kiến trúc tinh xảo và tỉ mỉ [Hình 2-4]

2.1.2.3 Tính hợp lý với môi trường sống và các điều kiện xung quanh của giới sinh vật và kiến trúc

Các cơ thể sống ngày càng hoàn thiện bằng cách nâng cao tính hợp lý đồng nhất với môi trường và các điều kiện xung quanh Tất nhiên xu hướng ấy kéo theo sự phát triển trong kiến trúc Quá trình hoàn thiện cơ cấu về chức năng trong kiến trúc và thiên nhiên có những biến đổi vô tận, thay đổi những hình thức già cỗi, đơn giản, không thích nghi để thiết lập nên hình thức mới, tăng tính đa dạng

Cao ốc Trung tâm Eastgate (The Eastgate Centre), Harare, Zimbabwe, KTS Mick Pearce [Hình 2-5] có thể điều hòa nhiệt độ quanh năm mà vẫn tiết giảm được 90% nhu cầu năng lượng Các gò mối Châu Phi có cấu trúc thông khí rất tốt và luôn giữ được nhiệt độ mát ổn định Không khí nóng bên ngoài luồn qua các lỗ nằm trên mặt đất, kết hợp với mạch nước ngầm tạo thành dòng khí mát tràn vào các khoang, đồng thời đẩy khí nóng khi bị tiếp xúc và trở nên nhẹ hơn thoát ra bên ngoài qua lối thông trên đỉnh

2.1.2.4 Chức năng và hình thức là một thể thống nhất tương đối

Trong kiến trúc, tùy theo từng giai đoạn phát triển sáng tạo mà hình thức hoặc chức năng trội hơn Việc tổ chức không gian sống theo chức năng, nghĩa là không gian sống của con người có một ý nghĩa quan trọng bậc nhất, để phù hợp với nguyên tắc hoàn thiện, không gian kiến trúc dần dần phức tạp hơn, vì trong đó xuất hiện thêm các mối quan hệ, các thành phần liên quan nhưng chức năng lại khác nhau: ví dụ như nhà ở kết hợp với cửa hàng, nhà trẻ hay trung tâm thương mại kết hợp rạp chiếu phim, công viên v.v Để tổ chức một không gian sống để con người trong đó cảm thấy “ dễ thở” không phải là điều đơn giản Muốn hệ thống chức năng trong một

công trình không bị nhiễu loạn thì cơ cấu về chức năng lẫn hình thức phải có quy luật và cân đối

2.1.2.5 Hệ thống không gian

Độ bền của một hệ thống kiến trúc phụ thuộc vào mối tương quan giữa “kích thước, vị trí tương hỗ trong không gian (phù hợp với mức độ phụ thuộc và tầm quan trọng), khoảng cách giữa các khu chức năng “ Độ bền trong mối quan hệ kiến trúc giữa các hệ thống (giữa các công trình kiến trúc, giữa các khu phức hợp, giữa các tiểu khu ở và trong thành phố” thường yếu hơn, khi kết hợp các đơn vị độc lập đó lại với nhau tạo nên mối quan hệ “tập trung” hoặc” phân tán”

Các nguyên tắc về tỷ lệ, bố cục phân tán hay tập trung của quần thể, mật độ cao hay thấp rất có ý nghĩa đối với xây dựng đô thị Tất nhiên là giới sinh vật bền vững hơn so với kiến trúc, không loại trừ các mâu thuẫn, nhưng chúng khắc phục được vì

“duy trì tính nguyên vẹn và tính hợp lý của hệ tự nhiên.” Đó là các nét đặc biệt của

phương hướng phỏng sinh kiến trúc nhưng có liên quan đến nhiều lĩnh vực quan trọng và chuyên môn nếu được nghiên cứu, rất hữu ích trong việc giải quyết các vấn

đề mang “tính hệ thống” trong kiến trúc hiện nay

2.1.3 Sức bền hình dạng

Đối với kiến trúc người ta quan tâm đến việc nghiên cứu những nguyên tắc hình thành sơ đồ kết cấu, sự tác động tương hỗ của hình thức và các điều kiện tự nhiên Nghiên cứu hai điều này góp phần giải quyết ngay cả vấn đề công năng như giảm

nhẹ trọng lượng kết cấu, tạo nên những hình thức hợp lý hơn.Chẳng hạn “hình quả trứng”

Tòa nhà quả trứng (The Egg),Trung Quốc, KTS Paul Andreu [Hình 2-6], là một nhà hát bằng kính và titan trong hình dạng của một ellipsoid có diện tích gần 12.000m2, phía ngoài của nhà hát phủ hơn 18.000 tấm titan và hơn 1.000 tấm kính siêu trắng và một loại kính có chứa ít sắt, có tốc độ truyền dẫn ánh sáng cao Công trình này trông giống như một quả trứng đang nổi trên mặt nước của một hồ nhân

tạo bao quanh nó

Tòa nhà Cybertecture Egg, Mumbai, Ấn Độ, KTS James Law [Hình 2-7] Tòa nhà cao 13 tầng này sẽ sử dụng các tấm quang điện mặt trời và turbine gió trên nóc để tạo ra điện một chiều Kết hợp hoàn hảo của các nguyên vật liệu mới về môi trường, công nghệ, truyền thông đa phương tiện, trí thông minh nhân tạo và tính tương tác Quả trứng được định hướng và nghiêng ở một góc để tạo cả một ngôn ngữ thị giác mạnh mẽ và để giảm bớt sự tăng năng lượng mặt trời trong các tòa nhà, cũng có một khu vườn trên bầu trời trên đỉnh của tòa nhà, thực hiện nhiệt phân (tản nhiệt từ bề mặt) Tấm PV sẽ được cài đặt trên đỉnh của tòa nhà và một tuabin gió

trên các khu vườn trên bầu trời sẽ tạo ra điện

2.1.3.1 Tạo hình kết cấu

Đứng trên quan điểm tính quy luật tạo hình các kết cấu trong giới sinh vật, do tác

động của lực cơ học mà người ta quan tâm đến “mô cơ học” của thú vật, chim chóc,

côn trùng như gián, vỏ trái cây mà trong đó người ta hay gặp chất liệu mà độ bền chẳng thua gì sắt thép

Mô tả cơ học của cơ thể sinh học: thực vật gắn liền với sự sinh trưởng, ảnh hưởng

của trường trọng lực trái đất, tải trọng gió và các nhân tố khoa học khác cũng như sự thay đổi về nhiệt-độ ẩm, chiếu nắng v.v khi tác động tổng hợp, các nhân tố đó sẽ phát sinh đầy đủ một bộ ứng lực gồm (nén, kéo, trượt, uốn dọc v.v ) Hình thức kết cấu của cấu tạo cơ thể được đặc trưng bởi sự phân bổ các ứng lực chính, xu hướng hình thành các cơ cấu kéo uốn có tiết diện nhỏ, sự phân cực các ứng lực và sự trung hòa lẫn nhau giữa chúng [Hình 2-8]

Nguyên tắc sức bền của hình dạng: trong giới sinh vật nguyên tắc này phát hiện ở

khắp nơi Sự thay đổi hình thức bề mặt cho phép chống đỡ cơ thể gắn chặt vào thiên

nhiên và tiết kiện được vật liệu Các bộ phận chống đỡ được “ chuyên môn hóa” của

cơ thể thường chiếm một phần đáng kể trong khối lượng của chúng để duy trì hình thức, đó là phương tiện hiệu lực nhất của cơ thể trong đấu tranh sinh tồn Trong thế

giới thực vật đó là rễ cây, thân cây, và mối liện hệ giữa chúng (mô cơ học), còn trong thế giới động vật là các xương bên ngoài (vỏ giáp, gai kim) và bộ xương sống

bên trong [Hình 2-9]

Khung xương của tháp Eiffel: về hình dạng, góc giữa các bề mặt chịu lực - giống như cấu trúc xương chày của người Trọng lượng toàn bộ cơ thể của chúng ta dồn lên chính xương này [Hình 2-10]

Cấu trúc Weaire-Phelan [Hình 2-11] Cấu trúc này mô phỏng bỏng bong xà

phòng,bọt nước, nghiên cứu bởi hai giáo sư người Ailen vật lý tại Đại học Trinity, Dublin Nghiên cứu này được ứng dụng trong công trình Watercube, National Swimming Center, nhóm KTS PTW và nhóm kỹ sư Ove Arup

Nghiên cứu vật liệu bao che từ cánh bướm, Viện Thiết kế Máy Tính và Viện Kết cấu Xây Dựng và Thiết Kế Kết Cấu, Đại học Stuttgart, Đức (2014) [Hình 2-12a],

mô phỏng,trọng tâm của dự án là nghiên cứu mô phỏng sinh học cho lớp vỏ bên ngoài, chúng được tổng hợp từ sợi tự nhiên và tạo hình dưới sự phát triển của các

phương pháp chế tạo robot mới để tăng cường cấu trúc “sợi polymer”, kết cấu “sợi composite” lớp đôi, làm giảm ván khuôn cần thiết ở mức tối thiểu trong khi vẫn duy

trì tính tự do hình học của kết cấu, những nguyên tắc này đã được chuyển vào một nguyên mẫu gian hàng mô-đun trên thực tế [Hình 2-12b]

Nghiên cứu kết cấu bao che từ vỏ động vật không xương: vỏ liệu composite carbon và sợi thủy tinh, Viện Thiết kế Máy Tính và Viện Kết cấu Xây Dựng và kết

cấu thiết kế, Đại học Stuttgart, Đức (2012) [Hình 2-13a] Nghiên cứu tập trung vào các nguyên tắc vật chất và hình thái của khung xương động vật chân đốt 'như một nguồn thăm dò cho một mô hình cấu composite mới trong kiến trúc Bộ xương ngoài của tôm hùm (lớp biểu bì) bao gồm một phần mềm, endocuticle, và một lớp vỏ tương đối cứng, các vùng chuyển tải không định hướng, kết cấu sợi cho phép phân phối tải theo nhiều hướng [Hình 2-13b]

Cấu trúc hính thức mô phỏng nước [Hình 2-14] Các hình thức như thế này được

làm từ rất nhiều thép và rất nhiều thép nhỏ (có dạng hình học nhân tạo) Nghiên cứu này cho phép các kiến trúc sư tự do sáng tác trong việc thể hiện các đường cong dạng lỏng, mềm mại uyển chuyển Dựa trên sự hỗ trợ mô hình tham số, việc thực hiện các thao tác tạo nên hình dáng cong trở nên dễ dàng chi tiết hơn